基于UWB定位系统的动态调整基站同步关系的方法及装置与流程

本发明属于室内外定位领域，具体涉及一种基于UWB定位系统的动态调整基站同步关系的方法及装置。

背景技术

随着通信技术的发展，人们的衣食住用行等工作、生活、学习的方方面面越来越离不开网络。每个人都纳入到网络中，则可以通过定位技术对网络中的物理位置进行确定。地球轨道上有多种系统的卫星可以提供定位服务，如全球卫星定位系统GPS、北斗卫星定位系统BDS等。基于上述卫星定位系统，再与民用网络结合构建定位系统，可以实现对任何个人的精准定位。

目前，TDOA定位是一种利用通信系统内的时间差进行定位的无线定位技术，借助于所测量的通信信号时间差，进行坐标解算，计算信号源的位置。在所采用的信号中，基于无线载波通信的超宽带（Ultra Wide Band，UWB）信号，是一种常用的通信信号模式，所构建的UWB定位系统被应用于各种室内外定位应用中。UWB定位系统需要在定位服务地域范围内部署基站，包括同步基站和定位基站，对每一个定位基站指定其同步的同步基站，定位基站通过接收同步基站的数据与自身所接收的定位数据进行解算，计算信号源坐标。在所部署的基站中，哪些基站作为定位基站的同步基站，建立相互间同步关系，是决定定位精度的重要指标。

现有技术中，通常根据在部署基站时了解定位区域环境、基站与基站之间可视关系等，在UWB定位系统内手动指定基站间同步关系，由于基站数量众多，此操作耗时费力，运维时也更易出错，导致定位精度不稳定，定位准确度不高。

技术实现要素：

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本发明旨在提供一种基于UWB定位系统的动态调整基站同步关系的方法及装置，实现基站同步关系自动地动态调整，节约了人工及时间成本。

为了实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供了一种基于UWB定位系统的动态调整基站同步关系的方法，所述动态调整基站同步关系的方法包括如下步骤：

步骤S1,所述UWB定位系统基站部署完毕、初始化启动前，确定建立基站同步关系的距离范围，启动UWB定位系统；

步骤S2，收集所述距离范围内且预定时间段内的基站间历史同步数据，建立同步基站与距离范围内各基站之间的同步关系数据表；

步骤S3，对同步关系数据表内的数据进行归一化处理，并分为训练集和测试集；

步骤S4，将训练集中的数据分为特征值数据和目标值数据；同时，基于基站同步关系构建线性回归的基站时间戳模型，采用所述训练集，以所述训练集中的目标值数据为模型目标值，以所述训练集中的特征值数据为模型特征值，对所述基站时间戳模型进行训练，确定模型参数；

步骤S5，采用与训练集相同的数据分类方式，将测试集数据分为特征值数据和目标值数据，将所述测试集的特征值数据输入所述训练完成的基站时间戳模型，输出预测目标值；

步骤S6，将预测目标值与测试集中的目标值数据进行比较得出残差值；

步骤S7，当残差值小于等于设定的阈值时，进入步骤S8；当残差值大于设定的阈值时，转入步骤S11；

步骤S8，若当前数据对应的基站为同步关系，则进入步骤S9；若当前数据对应的基站为非同步关系，则转入步骤S10；

步骤S9，保留当前数据对应基站的同步关系，返回步骤S2；

步骤S10，变更当前数据对应基站为同步关系，返回步骤S2；

步骤S11，剔除当前数据对应基站的同步关系，返回步骤S2。

作为本发明的一个优选实施例，所述同步关系数据表中，包括同步包序号Id，基站间距离L，同步基站时间戳Tm，定位基站时间戳Ts，网络延时Td。

作为本发明的一个优选实施例，所述基站时间戳模型的目标值为定位基站时间戳Ts，特征值包括：同步包序号Id，基站距离L，同步基站时间戳Tm，网络延时Td。

作为本发明的一个优选实施例，所述基站时间戳模型的目标值为同步基站时间戳Tm，特征值包括：同步包序号Id，基站距离L，定位基站时间戳Ts，网络延时Td。

作为本发明的一个优选实施例，同步关系数据表内的80%数据作为训练集，同步关系数据表内的20%数据作为测试集。

作为本发明的一个优选实施例，所述步骤S9还包括：应用当前具有同步关系的基站数据进行定位坐标解算；

所述步骤S10还包括：应用变更后具有同步关系的基站数据进行定位坐标解算；

所述步骤S11还包括：应用剔除了当前数据的基站数据进行定位坐标解算。

第二方面，本发明实施例还提供了一种基于UWB定位系统的动态调整基站同步关系的装置，所述装置包括：距离范围确定模块、数据采集模块、同步关系数据表生成模块、数据预处理模块、基站时间戳模型构建模块、模型训练模块、模型测试模块、残差值比较模块、第一调整模块、第二调整模块和第三调整模块；其中，

所述距离范围确定模块与所述UWB定位系统相连，用于在所述UWB定位系统基站部署完毕、初始化启动前，确定建立基站同步关系的距离范围；

所述数据采集模块与所述UWB定位系统和距离范围确定模块相连，用于按预定周期收集所述距离范围内且预定时间段内的UWB定位系统中基站间历史同步数据，并将数据发送给所述同步关系数据表生成模块；

所述同步关系数据表生成模块用于根据基站间历史同步数据，建立同步基站与距离范围内各基站之间的同步关系数据表，并将所述同步关系数据表发送给所述数据预处理模块；

所述数据预处理模块用于对同步关系数据表内的数据进行归一化处理，并将数据分为训练集和测试集，再采用同样的方式分别将训练集和测试集中的数据分为目标值数据和特征值数据；

所述基站时间戳模型构建模块用于基于基站同步关系构建线性回归的基站时间戳模型；

所述模型训练模块用于读取所述基站时间戳模型构建模块所构建的模型及所述数据预处理模块所生成的训练集目标值数据及特征值数据；

所述模型测试模块用于读取所述模型训练模块所训练完成的基站时间戳模型及所述数据预处理模块所生成测试集特征值数据；

所述残差值比较模块用于读取所述模型测试模块所输出的预测目标值及数据预处理模块所生成的测试集目标值数据，并对二者进行比较；当残差值小于等于设定的阈值、且当前数据对应的基站为同步关系时，启动第一调整模块；当残差值小于等于设定的阈值、且当前数据对应的基站为非同步关系时，启动第二调整模块；当残差值大于设定的阈值时，启动第三调整模块；

第一调整模块用于被启动后与所述UWB定位系统通信，保留当前数据对应基站的同步关系；

第二调整模块用于被启动后与所述UWB定位系统通信，变更当前数据对应基站为同步关系；

第三调整模块用于被启动后与所述UWB定位系统通信，剔除当前数据对应基站的同步关系。

作为本发明的一个优选实施例，所述数据采集模块的预定周期以UWB定位系统的一次调整为准。

作为本发明的一个优选实施例，所述第一调整模块还用于，通知基站应用当前具有同步关系的基站数据进行定位坐标解算；

所述第二调整模块还用于，并通知基站应用变更后具有同步关系的基站数据进行定位坐标解算；

所述第三调整模块还用于，并通知基站应用剔除了当前数据的基站数据进行定位坐标解算。

本发明实施例所提供的技术方案具有如下有益效果：

本发明实施例所提供的基于UWB定位系统的动态调整基站同步关系的方法，不需要人为干预，通过周期性自动建立同步关系或自动调整去除不稳定的同步关系，对基站同步关系进行动态调整，极大减少了调试运维成本，提高了系统稳定性及定位精度；尤其在大型项目中，基站数量众多，避免了手动配置基站间同步关系，节约了人工及时间成本，提高了运维效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例所提供的基于UWB定位系统的动态调整基站同步关系的方法流程图；

图2为本发明实施例所提供的基于UWB定位系统的动态调整基站同步关系的装置结构示意图。

具体实施方式

本申请发明人在发现上述问题后，对现有的UWB定位系统基站同步过程进行了细致研究。研究发现，在基于TDOA的UWB定位系统项目实施过程中，基站部署完成后，需要在定位系统内分别对每一个同步基站指定其同步的定位基站，从而建立相互间同步关系；而指定其同步的定位基站是需要进行手动操作的，而一个定位系统内的基站数量非常庞大，进行手动操作指定同步基站的定位基站，不仅操作繁杂，工作量巨大，且操作及运维时容易出错，降低用户的定位体验。

发明人通过进一步研究发现，基站中的同步基站用于周期性发送UWB信号，记录发送时间传输到定位系统，定位基站用于接收同步基站周期性发送的UWB信号，记录接收时间发送到定位系统，两者的定位标签数据存在一定的关联，在统计学上存在一定的规律性，当不再符合作为同步基站时，则数据会发生一定的变化。系统通过接收同步基站和定位基站数据及定位标签数据、维护基站间同步关系、解算标签坐标、完成定位时，可以根据数据间的关联，对同步基站进行动态调整。虽然目前的手动调整也会参考上述数据进行基站间的调整，但依然是手动操作，仍然存在上述问题。

应注意的是，以上现有技术中的方案所存在的缺陷，均是发明人在经过实践并仔细研究后得出的结果，因此，上述问题的发现过程以及下文中本发明实施例针对上述问题所提出的解决方案，都应该是发明人在本发明过程中对本发明做出的贡献。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征也可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为只是或暗示相对重要性。

经过上述深入分析后，本申请提出了一种基于UWB定位系统的动态调整基站同步关系的方法及装置，使定位系统内的基站与基站之间自动建立并实时动态调整为稳定可靠的同步关系。

如图1所示，所述基于UWB定位系统的动态调整基站同步关系的方法，包括如下步骤：

步骤S1,所述UWB定位系统基站部署完毕、初始化启动前，确定建立基站同步关系的距离范围，启动UWB定位系统。

本步骤中，基于已经部署完毕的基站，可知基站坐标，也可以计算基站间距离，设定基站间建立同步关系的距离范围，使一定距离范围内基站可建立同步关系，不在距离范围内基站不建立同步关系。

步骤S2，收集所述距离范围内且预定时间段内的基站间历史同步数据，建立同步基站与距离范围内各基站之间的同步关系数据表。

本步骤中，所述同步关系数据表中，包括同步包序号Id，基站间距离L，同步基站时间戳Tm，定位基站时间戳Ts，网络延时Td等。所述历史同步数据，通常以当前时刻为准，采用对当前时刻的定位会产生相应影响的时间段。这个时间段可以根据统计数据结果进行设置，也可以根据经验进行设置。

步骤S3，对同步关系数据表内的数据进行归一化处理，并分为训练集和测试集。

本步骤中，所述归一化处理后，同步关系数据表内的数据在同一范围内，例如均属于（0,1）。优选地，在本步骤中，同步关系数据表内的80%数据作为训练集，同步关系数据表内的20%数据作为测试集。

步骤S4，将训练集中的数据分为特征值数据和目标值数据；同时，基于基站同步关系构建线性回归的基站时间戳模型，采用所述训练集，以所述训练集中的目标值数据为模型目标值，以所述训练集中的特征值数据为模型特征值，对所述基站时间戳模型进行训练，确定模型参数。

优选地，所述模型的目标值为Ts，特征值包括：同步包序号Id，基站距离L，同步基站时间戳Tm，网络延时Td。

步骤S5，采用与训练集相同的数据分类方式，将测试集数据分为特征值数据和目标值数据，将所述测试集的特征值数据输入所述训练完成的基站时间戳模型，输出预测目标值。

本步骤中，所述目标值数据与特征值数据的分类，训练集与测试集采用相同的分类方式。如，将定位基站时间戳Ts作为目标值数据，将同步包序号Id、基站距离L、同步基站时间戳Tm和网络延时Td作为特征值数据，则模型目标值为Ts，特征值为同步包序号Id、基站距离L、同步基站时间戳Tm和网络延时Td。根据定位坐标的计算需要及定位模型构建需要，也可以采用其他分类方式，输出的预测目标值为Ts'。例如，将同步基站时间戳Tm作为目标值数据，将同步包序号Id、基站距离L、定位基站时间戳Ts和网络延时Td作为特征值数据，则模型目标值为Tm，特征值为同步包序号Id、基站距离L、定位基站时间戳Ts和网络延时Td，输出的预测目标值为Tm'。

步骤S6，将预测目标值与测试集中的目标值数据进行比较得出残差值。

步骤S7，当残差值小于等于设定的阈值时，进入步骤S8；当残差值大于设定的阈值时，转入步骤S11；

步骤S8，若当前数据对应的基站为同步关系，则进入步骤S9；若当前数据对应的基站为非同步关系，则转入步骤S10；

步骤S9，保留当前数据对应基站的同步关系，应用当前具有同步关系的基站数据进行定位坐标解算，返回步骤S2；

步骤S10，变更当前数据对应基站为同步关系，应用变更后具有同步关系的基站数据进行定位坐标解算，返回步骤S2；

步骤S11，剔除当前数据对应基站的同步关系，应用剔除了当前数据的基站数据进行定位坐标解算，返回步骤S2。

在步骤S7至步骤S11对残差值的处理中，若残差值小于等于设定的阈值，说明该同步基站与定位基站同步关系稳定，下一周期该同步关系继续用于标签坐标解算；或当前基站为非同步关系时，说明已具备同步关系条件，下一周期该同步关系可以用于标签坐标解算；如果残差值大于设定的阈值时，说明该同步基站与定位基站同步关系不稳定，剔除该同步基站与定位基站的关系，下一周期该同步关系不再用于标签坐标解算。

由以上技术方案可以看出，本发明实施例所提供的基于UWB定位系统的动态调整基站同步关系的方法，不需要人为干预，通过周期性自动建立同步关系或自动调整去除不稳定的同步关系，对基站同步关系进行动态调整，极大减少了调试运维成本，提高了系统稳定性及定位精度；尤其在大型项目中，基站数量众多，避免了手动配置基站间同步关系，节约了人工及时间成本，提高了运维效率。

如图2所示，本发明实施例还提供了一种基于UWB定位系统的动态调整基站同步关系的装置，所述装置包括：距离范围确定模块10、数据采集模块20、同步关系数据表生成模块30、数据预处理模块40、基站时间戳模型构建模块50、模型训练模块60、模型测试模块70、残差值比较模块80、第一调整模块81、第二调整模块82和第三调整模块83。

其中，所述距离范围确定模块10与所述UWB定位系统相连，用于在所述UWB定位系统基站部署完毕、初始化启动前，确定建立基站同步关系的距离范围；

所述数据采集模块20与所述UWB定位系统和距离范围确定模块相连，用于按预定周期收集所述距离范围内且预定时间段内的UWB定位系统中基站间历史同步数据，并将数据发送给所述同步关系数据表生成模块30；优选地，所述预定周期以UWB定位系统的一次调整为准，也可以由系统指定周期；

所述同步关系数据表生成模块30用于根据基站间历史同步数据，建立同步基站与距离范围内各基站之间的同步关系数据表，并将所述同步关系数据表发送给所述数据预处理模块40；

所述数据预处理模块40用于对同步关系数据表内的数据进行归一化处理，并将数据分为训练集和测试集，再采用同样的方式分别将训练集和测试集中的数据分为目标值数据和特征值数据；

所述基站时间戳模型构建模块50用于基于基站同步关系构建线性回归的基站时间戳模型；

所述模型训练模块60用于读取所述基站时间戳模型50构建模块所构建的模型及所述数据预处理模块40所生成的训练集目标值数据及特征值数据；

所述模型测试模块70用于读取所述模型训练模块60所训练完成的基站时间戳模型及所述数据预处理模块40所生成测试集特征值数据；

所述残差值比较模块80用于读取所述模型测试模块70所输出的预测目标值及数据预处理模块40所生成的测试集目标值数据，并对二者进行比较；当残差值小于等于设定的阈值、且当前数据对应的基站为同步关系时，启动第一调整模块81；当残差值小于等于设定的阈值、且当前数据对应的基站为非同步关系时，启动第二调整模块82；当残差值大于设定的阈值时，启动第三调整模块83；

第一调整模块81用于被启动后与所述UWB定位系统通信，保留当前数据对应基站的同步关系，并通知基站应用当前具有同步关系的基站数据进行定位坐标解算；

第二调整模块82用于被启动后与所述UWB定位系统通信，变更当前数据对应基站为同步关系，并通知基站应用变更后具有同步关系的基站数据进行定位坐标解算；

第三调整模块83用于被启动后与所述UWB定位系统通信，剔除当前数据对应基站的同步关系，并通知基站应用剔除了当前数据的基站数据进行定位坐标解算。

本发明实施例所述的基于UWB定位系统的动态调整基站同步关系的装置中，各模块可以通过微处理器或单片机实现，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器 (Network Processor，NP)、数字信号处理器（DSP)、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）、其他可编程逻辑器件、分立门、晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。所述数据采集模块及其他模块在必要时还可以包括存储器。存储器可以包括随机存取存储器（Random Access Memory，RAM），也可以包括非易失性存储器（Non-Volatile Memory，NVM），例如至少一个磁盘存储器。可选的，存储器还可以是至少一个位于远离前述处理器的存储装置。所述存储器可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质（例如固态硬盘Solid State Disk (SSD)）等。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。

需要说明的是，本实施例所提供的基于UWB定位系统的动态调整基站同步关系的装置，与本发明实施例所提供的基于UWB定位系统的动态调整基站同步关系的方法是对应的，上述对于方法（装置）的说明，同样相应的适用于装置（方法）。

由以上技术方案可以看出，本发明实施例所提供的所述基于UWB定位系统的动态调整基站同步关系的装置，基于UWB定位系统，在距离范围确定模块、数据采集模块、同步关系数据表生成模块、数据预处理模块、基站时间戳模型构建模块、模型训练模块、模型测试模块、残差值比较模块、第一调整模块、第二调整模块和第三调整模块的配合下，不需要人为干预，通过周期性自动建立同步关系或自动调整去除不稳定的UWB定位系统中基站间的同步关系，对基站同步关系进行动态调整，极大减少了调试运维成本，提高了系统稳定性及定位精度；尤其在大型项目中，基站数量众多，避免了手动配置基站间同步关系，节约了人工及时间成本，提高了运维效率。

以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。