一种UWB基站的自动标定方法与流程

一种uwb基站的自动标定方法
技术领域
1.本发明涉及一种uwb基站的自动标定方法，属于基站标定技术领域。


背景技术：

2.室内外无缝定位技术是指在人类活动集中的室内封闭和室外开阔空间范围内，通过联合采用不同定位方法对人或其它载体实时、连续、可靠定位的技术。实现室内外无缝定位是拓展位置服务的关键支撑，具有很大的应用价值。
3.在室外开阔空间，依托全球导航卫星系统(global navigation satellite system，gnss)可以方便可靠地实现定位，但是因信号微弱，在建筑物密集、室内、地下等受遮挡的场合，gnss通常无法提供定位服务。为了解决室内空间的定位问题，国内外学者相继提出了基于惯性、视觉等传感器的自主定位方法和基于wifi、蓝牙、超宽带(ultra wide band，uwb)等无线电信标的基站类定位方法，这些方法中，uwb定位技术具有精度高、抗多径性能好等优点，受到了广泛关注。为此，有学者提出可以联合gnss和uwb技术实现室内外无缝定位，但由于室外所用的gnss坐标基准和室内uwb定位所用的坐标基准不一致，需要解决位置信息在两种坐标系间的无缝转换问题。
4.uwb定位系统中，通常需要事先部署一定数量的uwb基站，利用待定位标签与基站间实时测量得到的距离信息，结合基站自身的位置解算出待定位标签的位置。确定基站自身位置的过程一般被称为基站的标定，该过程是实现uwb定位的前提。
5.一般而言，uwb基站标定通过事先利用尺子、测距仪等设备手工测量实现，费时费力。为了提升部署效率，也有学者提出了利用uwb自身的测距功能结合一定的规则实现自动标定的方法，这类方法通常要求事先指定uwb放置的基本布局和位于坐标原点的基站，仍存在适用性不强、效率不够高的缺点。


技术实现要素：

6.本技术的目的在于提供一种uwb基站的自动标定方法，用以解决现有标定方式适用性差、效率低的问题。
7.为实现上述目的，本技术提出了一种uwb基站的自动标定方法的技术方案，自动标定方法包括以下步骤：
8.1)基于卡尔曼滤波或者扩展卡尔曼滤波构建基站位置估计模型，所述基站位置估计模型包括基站位置的状态方程和量测方程；
9.2)运动载体在运动过程中，实时获取其室外定位信息以及对应时刻的运动载体与各基站之间的距离信息；
10.3)将运动载体的定位信息以及对应时刻的运动载体与各基站之间的距离信息输入基站位置估计模型中，通过时间更新和量测更新得到各基站的位置信息，完成各基站的标定。
11.本发明的uwb基站的自动标定方法的技术方案的有益效果是：本发明充分考虑室
内外无缝定位应用的特点，利用室外定位信息以及基站位置估计模型实现uwb基站的自动标定，不但提高了uwb基站自动标定效率，还实现了室外坐标基准与uwb坐标基准的统一，解决了室内外两种坐标系间的无缝转换的问题。
12.进一步的，所述步骤2)中室外定位信息为gnss定位信息。
13.进一步的，为了提高标定效率，所述步骤1)中的状态方程为将各基站的平面位置作为状态量的状态方程，所述步骤3)前还包括将室外定位信息转换到平面坐标下的步骤，所述步骤3)中还包括将得到的位置信息转换到大地坐标系下的步骤。
14.进一步的，通过utm投影变换的方式将室外定位信息转换到平面坐标系下。
15.进一步的，基站位置估计模型根据扩展卡尔曼滤波构建得到，所述状态方程为：
16.x(k)＝φ(k/k
‑
1)x(k
‑
1) γ(k
‑
1)w(k
‑
1)，
17.其中，x(k)为第k时刻的基站状态矩阵；x(k
‑
1)为第k
‑
1时刻的基站状态矩阵；φ(k/k
‑
1)为第k
‑
1时刻到第k时刻的状态转移矩阵；γ(k
‑
1)为第k
‑
1时刻的噪声驱动矩阵；w(k
‑
1)为第k
‑
1时刻的过程噪声矩阵。
18.进一步的，状态转移矩阵为单位矩阵。
19.进一步的，噪声驱动矩阵为对角矩阵。
20.进一步的，所述量测方程根据各基站的观测矩阵得到。
21.进一步的，量测更新过程中的量测方程为：
22.δz(k)＝h(k)
△
x(k) r(k)；
23.其中，δz(k)为第k时刻的观测量偏差矩阵；
△
x(k)为第k时刻的所有基站状态偏差矩阵；r(k)为第k时刻的观测噪声矩阵；h(k)为第k时刻所有基站的雅克比矩阵。
24.进一步的，量测更新过程中加入d
i
(k)和h
i
(k)，d
i
(k)为第k时刻第i个基站与运动载体的距离理论值，h
i
(k)为第k时刻第i个基站的雅克比值。
附图说明
25.图1是本发明uwb基站的自动标定方法的流程图；
26.图2是本发明ekf基站位置估计模型的滤波示意图。
具体实施方式
27.uwb基站的自动标定方法实施例：
28.本发明的主要构思在于，基于现有uwb基站标定适用性差、效率低的问题，本发明根据卡尔曼滤波或者扩展卡尔曼滤波原理构建基站位置估计模型，将运动载体的室外定位信息以及运动载体与各基站之间的距离信息输入基站位置估计模型，即可得到各基站的位置信息，实现各基站的自动标定，不仅提高了标定效率，还实现了室外坐标基准与uwb坐标基准的统一。
29.具体的，uwb基站的自动标定方法如图1所示，包括以下步骤：
30.1)根据扩展卡尔曼滤波原理构建ekf基站位置估计模型。
31.ekf基站位置估计模型包括基站平面位置的状态方程和量测方程。
32.状态方程的确定过程如下：
33.选取各基站的平面位置作为状态量，假设基站状态矩阵x＝[x
1 x2ꢀ…
x
i
…ꢀ
x
m
]
t
；其
中，x
i
＝[x
i y
i
]，x
i
为第i个基站的平面坐标，1≤i≤m，m为基站数量。
[0034]
考虑基站在过程中保持静止，状态转移矩阵φ为单位矩阵，噪声驱动矩阵γ为对角矩阵，因此，状态方程为：x(k)＝φ(k/k
‑
1)x(k
‑
1) γ(k
‑
1)w(k
‑
1)，
[0035]
其中，x(k)为第k时刻的基站状态矩阵；x(k
‑
1)为第k
‑
1时刻的基站状态矩阵；φ(k/k
‑
1)为第k
‑
1时刻到第k时刻的状态转移矩阵；γ(k
‑
1)为第k
‑
1时刻的噪声驱动矩阵；w(k
‑
1)为第k
‑
1时刻的过程噪声矩阵。
[0036]
上述状态方程中，状态转移矩阵φ和噪声驱动矩阵γ具体形式如下：
[0037][0038][0039]
其中，t为状态方程更新周期。
[0040]
并且，过程噪声矩阵w的均方根矩阵q为：
[0041][0042]
其中，w为一个可调节的参数，w＜＜1。
[0043]
量测方程的确定过程如下：
[0044]
选取运动载体到基站的距离值作为观测量，假设观测矩阵z＝[z
1 z2ꢀ…
z
i
…ꢀ
z
m
]
t
；
[0045]
式中，z
i
为第i个基站到运动载体的观测矩阵，包括各时刻下第i个基站到运动载体的观测量，根据平面上两点的距离公式可以得到第i个基站的观测方程：z
i
(k)＝||x
s
‑
x
i
||2 r(k)；式中，z
i
(k)为第k时刻第i个基站到运动载体的观测量；x
s
为运动载体的平面坐标[x
s y
s
]；x
i
为第i个基站的平面坐标，r(k)为第k时刻的观测噪声；||||2表示向量的二范数。
[0046]
将观测方程进行线性化和微分处理后得到雅可比矩阵h，过程如下：
[0047]
将z
i
(k)＝||x
s
‑
x
i
||2 r(k)展开可得：
[0048]
同时，令进而线性化后得到第i个基站在第k时刻的雅可比值h
i
(k)如下：
[0049][0050]
联立各基站到运动载体的观测矩阵z1～z
m
，得到模型在量测更新过程中的量测方
程为：
[0051]
δz(k)＝h(k)
△
x(k) r(k)；
[0052][0053]
其中，δz(k)为第k时刻的观测量偏差矩阵；
△
x(k)为第k时刻的所有基站状态偏差矩阵；r(k)为第k时刻的观测噪声矩阵；h(k)为第k时刻所有基站的雅克比矩阵。
[0054]
2)在运动载体安装gnss接收机和uwb标签，这里的运动载体可以是人或者其他运动体。
[0055]
本步骤中，gnss接收机能够输出定位信息，输出频率1
‑
10hz，uwb标签能够测量出与每个待标定基站的距离信息，频率为1
‑
10hz。
[0056]
3)运动载体在设定范围内运动，在运动过程中，同步采集gnss接收机输出的定位数据(即室外定位信息为gnss定位信息)、以及uwb标签到各个待标定基站的距离(即距离信息)。
[0057]
本步骤中的设定范围是指在室外开阔地带并能够确保与待标定基站正常通信的距离的空间，对于待标定基站是否处于室内无要求，这样既可以得到室外定位数据，又可以得到距离数据。
[0058]
4)将步骤3)中得到的定位数据采用utm投影变换的方式进行坐标转换，得到utm平面坐标。
[0059]
本步骤中，gnss接收机输出的定位数据为大地坐标系下的数据，包括经度和纬度等数据，但是ekf基站位置估计模型为基站的平面坐标，因此，为了实现gnss坐标与基站坐标的统一，需要对gnss接收机输出的定位数据进行坐标转换，转换为平面坐标。
[0060]
本实施例中采用utm投影变换得到utm平面坐标，作为其他实施方式，也可以采用高斯投影变换得到高斯平面坐标，本发明平面坐标的具体形式不做限定。
[0061]
具体的，utm投影变换的过程如下：
[0062][0063]
[0064][0065]
γ＝λ
‑
λ0；
[0066][0067][0068]
其中，x为utm平面坐标下x轴的值；y为utm平面坐标下y轴的值；λ为大地坐标系下的经度；为大地坐标系下的纬度；a为地球近似为椭圆的长半轴；b为地球近似为椭圆的短半轴；e为偏心率；0.9996为中央经线的长度比；λ0为移动站坐标(即运动载体坐标)所在utm投影带的起始经度。
[0069]
5)将步骤4)转换后的平面定位数据以及距离数据输入ekf基站位置估计模型中，通过时间更新和量测更新得到各基站的utm平面位置，进而将个基站的utm平面坐标转换到大地坐标系下，得到各基站在大地坐标系下的位置。
[0070]
ekf基站位置估计的具体计算过程如图2所示，其中x0为状态量初始值，p0为协方差初始值，x(k/k
‑
1)为状态变量从k
‑
1时刻到k时刻变化的预测矩阵，p(k/k
‑
1)表示k
‑
1时刻到k时刻时间更新过程协方差矩阵，p(k)为k时刻量测更新过程协方差矩阵，k(k)表示k时刻的滤波增益矩阵，q(k)为状态噪声矩阵，r(k)为观测噪声矩阵，d(k)为d
i
(k)的组合，表示观测过程中基站到移动站距离的理论值；模型将整个滤波过程分为时间更新和量测更新两个阶段，和传统的卡尔曼滤波更新模型比较，在量测更新阶段加入d
i
(k)和h
i
(k)后，模型能够满足任意基站的滤波估计，并且基站数量可以实时的增减，有利于提高标定的效率，其中d
i
(k)结合成为d(k)得到量测所需的距离量，h
i
(k)由单个基站的距离量和移动站坐标决定，组合成为雅可比矩阵h(k)，各个过程紧密结合有序进行。
[0071]
上述实施例中，为了提高标定效率，标定过程中将定位数据从大地坐标系下转换到平面坐标系下，作为其他实施方式，在不考虑标定效率的情况下，也可以直接在大地坐标系下进行标定。
[0072]
上述实施例中，为了更加准确的进行基站标定，所采用的模型为ekf基站位置估计模型，作为其他实施方式，也可以采用传统的卡尔曼滤波构建的基站位置估计模型进行基站标定，本发明对此不做限制。
[0073]
上述实施例中，室外的定位信息是采用gnss接收机得到gnss定位信息，作为其他实施方式，也可以采用gps接收机得到室外的定位信息。
[0074]
本发明充分考虑室内外无缝定位应用的特点，提出一种利用室外定位信息实现uwb基站自动标定的技术方案，不但可以高效解决uwb基站自动标定的问题，还实现了室外坐标基准与uwb坐标基准的统一。