[发明专利]应用于大型室内环境的基站三维协作定位方法

说明书

本发明公开了一种应用于大型室内环境的基站三维协作定位方法，包括以下步骤：(1)手动量测至少四个锚基站的三维坐标，通过TPSN测距原理估计未知基站间、未知基站和锚基站间的量测距离；(2)用矩阵表示基站的位置坐标，利用矩阵相乘得到用坐标表示的基站间实际距离；(3)将步骤(2)中的坐标矩阵松弛为半定矩阵，建立优化的约束条件；(4)将步骤(1)获得的量测距离和步骤(2)获得的实际距离求差的平方和作为优化过程中的目标函数，同时加入权重因素，构造出半定规划问题；(5)求解步骤(4)中的半定规划问题，获得的最优矩阵即为基站的三维位置坐标。本方法避免了因与锚基站连接个数不足而无法定位的情况，同时提升了定位精度。

技术领域

本发明属于室内定位领域，具体涉及一种应用于大型室内环境的基站三维协作定位方法。

背景技术

随着各种大型建筑的兴起和居民生活水平的提高，基于位置信息的服务(Location-Based Service,LBS)越来越受到关注，成为人们日常出行、购物、旅行、住宿等必不可少的部分。然而由于建筑物遮挡造成的卫星信号急剧衰减以及建筑群之间反射产生的多径效应影响，室内环境中全球导航卫星系统的定位精度急剧下滑。同时，医疗救护、精准营销、智能仓储等室内位置服务需求日益增加，各种室内定位方法应运而生，其中，基站定位能够达到较高的精度。

各种技术实现中，WIFI定位、蓝牙定位多采用指纹识别的定位方式，定位精度较低，且系统性能易受环境变化的影响，稳定性差且维护难度大；超声波技术和超宽带技术能够取得较高的位置估计精度，然而这些技术需定制专业的模块设备，成本高昂；基于声信号的定位技术由于其具有成本较低、手机兼容性好、稳定性和估计精度高等特征成为近几年的前沿研究课题，但也存在时钟同步、多径效应等问题。

应用最为广泛的定位方法是基于距离量测的定位方法，根据是否可以利用未知基站间的距离分为协作定位和非协作定位。非协作定位仅仅依靠未知基站与锚基站之间的距离，多用于对目标进行定位。协作定位除了利用未知基站与锚基站之间的距离外，还利用未知基站间距离，如图3所示，多用于网络节点定位中。

基站定位可以达到较高的精度但需要提前已知基站的精确位置，然而对基站位置的标定需要手工进行，容易引入误差，且当基站数量随着室内面积增大而增大时，这个过程将耗时又耗力。我们希望能够通过几个已知位置的锚基站对室内的所有基站位置进行标定。然而室内环境中存在很多遮挡，无法准确测得每两个基站之间的距离。另外，在大型室内空间中，基站间距离超过可测量的最大距离也将会造成测量值缺损，使得与未知基站相连接的锚基站个数不足以进行单独地三维定位。通过与其它未知基站的连接，协作定位在一定程度上解决了这个问题。但目前的半定规划算法都是二维的，在复杂的大型室内建筑中，为了提升三维定位的精度，基站往往需要遍布各种高度和角落，二维定位算法远远不够。

发明内容

针对上述不足，本发明提供一种应用于大型室内环境的基站三维协作定位方法，解决了大型复杂室内环境下基站的三维标定问题，将定位问题转化为一个矩阵优化问题，寻找能使量测与实际距离差的平方和最小的矩阵。即使基站数量庞大，仍能够在较短时间内将基站的位置同时标定出来，解决由于量测距离限制和复杂室内环境阻碍造成的无法对每个未知基站进行单独定位的问题。

本发明所采用的技术方案如下：一种应用于大型室内环境的基站三维协作定位方法，包括以下步骤：

(1)手动量测至少四个锚基站的三维坐标，通过TPSN测距原理估计未知基站间、未知基站和锚基站间的量测距离；

(2)用矩阵表示未知基站的位置坐标，利用矩阵相乘得到用位置坐标表示的实际距离，构建基站间的三维距离约束；

(3)将步骤(2)中的位置坐标矩阵松弛为半定矩阵，建立优化的约束条件；