[发明专利]一种基于超宽带通信技术的室内定位方法

说明书

本发明公开一种基于超宽带通信技术的室内定位方法，涉及无线通信与信号处理技术领域，包括：利用UWB信号采集时间戳信息，构建定位时间戳矩阵；通过补全低轶矩阵对定位时间戳矩阵进行校正；根据校正后的定位时间戳矩阵估计目标节点位置；基于线性融合算法精确化估计的目标节点位置。将校正定位时间戳矩阵的补全转化成补全低轶矩阵，从而解决时间戳有噪声和不完善的问题。

技术领域

本发明涉及无线通信与信号处理技术领域，具体涉及一种基于超宽带通信技术的室内定位方法。

背景技术

目标定位已经成为一种很有前途的机器人系统通信、感知和控制解决方案，特别是在随着无线技术不断进步的工业环境中。拥有精确的目标位置信息对于机器人系统的正确操作是至关重要的。全球定位系统(GPS)覆盖全球，是一个优秀的户外应用定位系统。由于多路径衰落和信号衰减的原因，GPS并不适用于室内定位。

近年来，随着基于位置的服务需求的增加，室内目标定位备受关注。超宽带通信技术(Ultra-Wideband,UWB)被提出为一种室内定位技术。超宽带技术的一个主要优势是它的高时间分辨率、高带宽以及纳秒级时间戳，这使得它成为高精度室内定位的一个有吸引力的选择。

基于超宽带通信技术的定位模型使用了纳秒级的非常短持续时间脉冲，最小化了多径效应，并提供了精确的飞行时间(TOF，Time ofFlight)估计。因此，超宽带技术特别适合于基于距离的方法，如计算TDOA(Time Difference OfArrival)的定位模型。一些定位系统已经使用超宽带通信技术来定位物体，取得了令人鼓舞的结果。

室内定位可分为基于测距和无测距两大类。无距离定位方法不需要额外的硬件进行绝对点对点距离测量，但有较高的定位误差。基于距离的定位方法在文献中得到了广泛的研究，包括接收信号强度(Received Signal Strength，RSS)、到达方向(DirectionofArrival，DOA)、到达时间(Time of Arrival，TOA)、到达时差(Time DifferenceOfArrival，TDOA)、到达角(Angle ofArrival，AOA)等。而基于TDOA的目标定位方法是最受欢迎的方法，因为它成本低，准确，简单。

基于TDOA的目标定位方法包括以下步骤：在第一步中，锚节点被同步到一个公共时间参考，如图1所示。在第二步中，利用测量到的目标节点与空间分布的锚节点之间的时间差来确定双曲线模型。通过将计算得到的TDOA值与多个双曲线相交，可以定位到目标节点。

所有锚节点都需要依赖可靠的时钟同步，其是TDOA目标定位方法的关键。传统上为了保证锚节点之间的精确时钟同步，需要定期交换大量的时间戳包来同步时钟，增加了网络开销。然而，即使网络中的所有时钟都被精确地同步，由于振荡器的不完善和其他环境因素，它们也可能随着时间的推移而偏离彼此。如果时钟之间有很小的差异，目标定位误差可能是显著的。因此，需要定期对每个节点进行同步。在无线网络中已经提出了许多时钟同步方法，包括传感器网络定时同步协议(TPSN)、泛洪时间同步协议(FTSP)和参考广播同步(RBS)。传统的基于时钟同步的定位模型以通信开销和系统复杂度为代价，依靠锚节点之间的大量数据传输来实现高精度定位。因此，这些基于同步的方法是非常具有挑战性的高精度定位。