一种基于UWB传感器基站分组策略的定位方法

一种基于uwb传感器基站分组策略的定位方法
技术领域
1.本发明属于通信电子领域，涉及通信行业中的室内定位技术，具体是一种基于uwb传感器基站分组策略的定位方法。


背景技术：

2.uwb技术是一种使用1ghz以上频率带宽的无线载波通信技术。人类对定位技术的要求已经从户外导航逐步拓展到室内定位。然而，随着城市化建设的进程，室内空间越来越密集，室内结构越来越复杂。为了不在钢筋水泥中迷路，室内定位技术应运而生。
3.最早的室内定位技术主要有rfid、蓝牙、wi-fi、超声波、红外线等。但这些技术都拥有各自的局限性，蓝牙和wi-fi技术定位精度不够，红外线技术穿透力差，超声波技术易受干扰。相比之下，近期备受瞩目的uwb技术，凭借更强的抗干扰性，更高的定位精度，成为了当下最具市场潜力的室内定位技术。
4.在uwb传感器定位过程中，由于工业环境下信号受障碍物遮挡而引入nlos误差，从而导致系统定位性能下降。
5.为了减弱nlos误差对系统的影响，从而间接提高uwb的定位精度，本发明提供了一种基于uwb传感器基站分组策略的定位方法。


技术实现要素：

6.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于uwb传感器基站分组策略的定位方法来减弱nlos误差影响和提高uwb系统的定位性能。
7.为实现上述目的，根据本发明的第一方面的实施例提出一种基于uwb传感器基站分组策略的定位方法，包括以下步骤：步骤s1：将uwb传感器toa模式下的基本定位方程转化为的线性表达式；步骤s2：给定基站总数为，从所有基站中随机等概率选取m个基站参与定位，将基站组合数量标记为；其中m小于n；步骤s3：遍历所有基站分组，对于某一个具体的基站分组进行最小二乘定位，并获得对应的定位解和残差向量；步骤s4：对所有基站分组下的残差向量求取平方和值，然后按照从小到大的顺序进行排列，获取前一半较小残差平方值对应的分组编号；步骤s5：根据步骤s4得到的分组编号来获得对应的定位解，最后将这些符合条件的定位解的平均值作为最终定位结果。
8.优选的，步骤s1中uwb传感器toa模式下的定位方程为：其中，代表均值为0，方差为的高斯白噪声；为非视距误差；表示视距路径集合，代表nlos路径集合；为第个基站的已知坐标，为终端的待求坐标，
表示第个基站与终端之间的观测值；从而得到uwb传感器toa模式下的定位方程的线性表达形式为：线性表达形式为：线性表达形式为：。
9.优选的，基站组合数量的表达式为：；对所有基站分组记为,且为的第个基站分组。
10.优选的，对某一种具体的基站分组，其线性模型为 其中，和分别为以为行从矩阵和向量中选取出来的值，表示第个基站分组对应的定位解；则最小二乘定位解为： 则与定位解对应的定位残差元素为 其中，和分别表示定位解的坐标和坐标，将由残差元素构造出的残差向量记为。
11.优选的，对所有残差向量依次进行平方和运算，即对所有残差向量的平方和按从小到大顺序排列，将前一半残差平方和值对应基站分组编号记为，j=1,2
……
n2，其个数为的整数部分。
12.优选的，将前一半的残差平方和对应的定位解记为，则最终的定位解为：。
13.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过对所有基站进行随机等概率分组；然后对每一个分组，计算其最小二乘定位解及对应的残差向量；再然后，对所有残差向量计算残差平方和，并进行排序，筛选出平方和值较小的前一半定位解；最后，将上述前一半定位解的平均值作为最终定位解进行输出，从而达到获取高精度定位解的目的。
14.该方法计算简单，理论原理充分，且定位效果较好，具有一定抗非视距误差作用，
对于工业环境下的应用具有一定借鉴价值。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。
16.图1为本发明的流程图。
具体实施方式
17.下面将结合实施例对本发明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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
18.如图1所示，本发明提供一种基于uwb传感器基站分组策略的定位方法，本方法包括以下步骤：步骤s1：给出uwb传感器toa模式下的定位方程：其中，代表均值为0，方差为的高斯白噪声；为非视距误差，其通常为正数；表示视距路径集合，代表nlos路径集合；为第个基站的已知坐标，为终端的待求坐标，表示第个基站与终端之间的观测值；在一个具体的实施例中，由于不涉及对非视距误差和高斯噪声的处理，故而可以忽略高斯噪声和非视距误差的表达式，从而得到uwb传感器toa模式下的定位方程的线性表达形式为：线性表达形式为：线性表达形式为： 步骤s2：在基站总数为的前提下，对所有基站中随机等概率选取m个基站参与定位；基站组合数量的表达式为：；在一个具体的实施例中，m取3，对所有基站进行分组，从而得到分组数量为：；若为5，则，10种基站分组的编号依次为：[1,2,3]、[1,2,4]、[1,2,
5]、[1,3,4]、[1,3,5]、[1,4,5]、[2,3,4]、[2,3,5]、[2,4,5]和[3,4,5]。当为其它整数时，基站分组的规律参考上述例子。
[0019]
对所有基站分组记为,且为的第个基站分组。
[0020]
步骤s3：针对某一种具体的基站分组，其线性模型为： 其中，和分别为以为行从矩阵和向量中选取出来的值，表示第个基站分组对应的定位解。
[0021]
故而，其最小二乘定位解为：则与定位解对应的定位残差元素为 其中，和分别表示定位解的坐标和坐标。
[0022]
由上面残差元素构造出的残差向量记为。
[0023]
遍历所有基站分组，获得所有分组对应的定位解和定位残差向量。
[0024]
步骤s4：对所有残差向量依次进行平方和运算，即然后，对所有残差向量的平方和按从小到大顺序排列，将前一半残差平方和值对应基站分组编号记为，j=1,2
……
n2；其个数为的整数部分。
[0025]
步骤s5：将前一半较小的残差平方和对应的定位解记为，则最终的定位解为：。
[0026]
上述公式均是去除量纲取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最接近真实情况的一个公式，公式中的预设参数和预设阈值由本领域的技术人员根据实际情况设定或者大量数据模拟获得。
[0027]
本发明的工作原理：首先，通过对所有基站进行随机等概率分组；然后对每一个分组，计算其最小二乘定位解及对应的残差向量；再然后，对所有残差向量计算残差平方和，并进行排序，筛选出平方和值较小的前一半定位解；最后，将上述前一半定位解的平均值作为最终定位解进行输出，从而达到获取高精度定位解的目的。该方法具有计算速度快、计算原理简单和效果较好的优点，对于室内复杂场景下的uwb定位问题具有一定的借鉴意义。
[0028]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方法而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方法进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方法的精神和范围。