[发明专利]低成本室内狭长环境二维UWB系统定位方法

说明书

本发明公开了低成本室内狭长环境二维UWB系统定位方法，该方法首先利用两个最远的基站确定长轴，然后结合中点基站的信息解出标签的较准确的位置，之后以此为初值，使用牛顿迭代法解算出高精度的二维定位信息，最后使用Delphi、MySQL、Nodejs在Windows平台上搭建服务器进行显示。当测距误差扩大到数十厘米时，传统定位模型误差扩大到米级，而本定位方法表现出更强的稳健性，在宽轴的定位精度上提高了一到两个数量级。本发明在走廊、过道、矿道、隧道等狭长且信道环境恶劣的条件下相对于传统的基于到达时间测距定位算法都有较大优势，更低的成本在科研和工程中也有巨大的实际意义。

技术领域

本发明公开了一种基于改进初值的牛顿迭代法的优化定位方法及其系统实现，属于室内定位方法及应用领域。

背景技术

室内实时定位系统(RTLS)可以实时跟踪封闭环境中的物体、车辆和人员，如生产线产品的跟踪、移动机器人的实时导航、步行者的定位等。

全球定位系统(GPS)已被广泛应用于室外环境中的有效定位，但由于信号的衰减和建筑物的阻隔，GPS不能用于室内环境。因此，有必要开发一种在室内环境中替代GPS的新技术。

近年来，随着无线传感器网络的飞速发展，无线定位技术也越来越受到人们的关注。传统的定位如红外线、蓝牙、超声波、RFID等技术，在定位精度、系统功耗等方面不能满足人们的需求。而超宽带(Ultra Wide Band，UWB)技术具有传输速率高、发射功率低、抗干扰和穿透能力强等特点，特别是UWB定位具有非常高的定位精度(厘米级)，因此对UWB定位技术旳研宄具有重要的应用价值。

目前较为常用的UWB测距方法主要有基于接收信号强度(received signalstrength，RSS)测量的方法、基于信号到达角度(angle of arrival，AOA)测量的方法、基于到达时间(time of arrival，TOA)测量的方法、基于到达时间差(time differenceofarrival，TDOA)测量的方法，其中TOA/TDOA方法都是基于到达时间的测量方法，是最可以体现UWB时间分辨率极高这一优势的方法，也是通常情况下测距精度最高的方法。

然而针对到达时间测距的定位方法目前研究的最多的只有两种，一个是三边测量法，另一个是双曲线法，这两种几何定位方法对环境的依赖性强，一旦测距精度下降，基站(anchor)位置对定位结果就有极大影响，而室内狭长环境容易扩大多径效应的影响，不止无线信号的衍射和散射，强反射能力的混泥土墙壁对测距结果影响最为明显，再加上可能的非视距(non line of sight，NLOS)传播，室内狭长环境的测距误差往往是数十厘米而不是数厘米，这种情况下传统到达时间定位模型必须以最接近正三角形的方式布置基站，才可以达到厘米级的精度要求，否则误差将扩大到米级，但在室内走廊的狭长环境中要想实现近三角形的布点方式对成本的要求是极高的。

本发明针对上述问题，提出一种改进的，基于到达时间测量方法的定位模型。首先使用最少的基站数确定未知标签(tag)的大概位置(粗定位)，然后以粗定位的值作为初值，使用牛顿迭代法进行迭代(精定位)，这种定位方法即使测距误差在几十厘米，二维定位的精度也可以达到厘米级，在测距结果较好时也可以取得和三边方法、双曲线法相似的定位精度，并且最后将此算法系统实现。

发明内容

基于时间测距的优化牛顿迭代法是一种利用最少的基站实现狭长环境下高精度室内二维定位的方法，该方法首先利用两个最远的基站确定长轴，然后结合中点基站的信息解出标签的较准确的位置，然后以此为初值，使用牛顿迭代法解算出高精度的二维定位信息，最后使用Delphi、MySQL、Nodejs在Windows平台上搭建服务器进行显示。本发明在走廊、过道、矿道、隧道等信道恶劣的狭长环境中定位，相对于传统的时间测距定位算法都有较大优势，更低的成本在科研和工程中也有巨大的实际意义。