一种差分UWB(ultra-wideband)定位方法技术

本发明专利技术涉及一种差分UWB(ultra

【技术实现步骤摘要】
一种差分UWB(ultra
‑
wide band)定位方法


[0001]本专利技术涉及超宽带(UWB)导航定位技术数据处理领域，尤其涉及一种差分UWB定位方法。

技术介绍

[0002]超宽带(Ultra
‑
Wide Band,UWB)是一种无载波脉冲通讯技术，它不采用传统的正弦脉冲，而采用时间间隔极短的脉冲进行通讯，早期被用来应用在近距离高速数据传输，近年来国外开始利用亚纳秒级超窄脉冲来做近距离精确室内定位。UWB定位技术通过发射纳秒级甚至亚纳秒级无线脉冲信号进行测距定位，其时间分辨率高，能实现分米级至厘米级的定位。同时由于具有功耗低、抗多径效果好、安全性高等特点，UWB成为无线定位中极具潜力的技术。
[0003]但是UWB基站相对价格昂贵，往往布设的基站数量有限，且由于室内环境复杂，导致定位的几何精度因子(DOP)值较大，从而导致系统误差被放大，定位精度差。然而，用于定位的标签成本远低于基站成本，且在小范围内的系统误差表现一致且DOP值接近，因此可采用卫星差分定位的思想，通过在已知坐标的控制点上放置基准标签，与用户标签在观测值域或位置域进行差分，来消除系统误差，提高定位精度。
[0004]差分技术已被广泛应用与卫星定位中，例如在相对定位中，在一个测站上对两个观测目标进行观测，将观测值求差；在两个测站上对同一个目标进行观测，将观测值求差；以及在一个测站上对一个目标进行两次观测求差。由于这些观测值的观测环境相似，观测误差接近，求差后的观测值能有效消除公共误差，得到高精度的观测值，利用差分观测能有效提高定位精度。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种差分UWB超宽带无线定位方法，能够减弱定位过程中系统误差的影响，提高UWB定位精度。
[0006]本专利技术将卫星定位中的差分思想引入UWB定位，提出了一种基于差分原理(包括位置差分和观测值差分)的UWB定位方法。所谓位置差分，是基准标签采用接收到的数据进行定位，并与其参考坐标比较，计算并播发坐标改正数；用户标签接收该坐标改正数，并对其定位结果进行修正，以提高定位精度。观测值差分则是直接将用户标签和基准标签接收到相同UWB基站原始观测数据作差，采用经差分后的数据进行定位。通过观测值间差分，可消除原始数据中的公共系统误差，提高定位结果的精度。
[0007]为实现上述目的，本专利技术技术方案为：
[0008]一种差分UWB超宽带无线定位方法，包括如下步骤：
[0009]S1：在UWB导航定位系统的有效覆盖范围内选取若干控制点，获取控制点坐标并在控制点上放置基准标签；
[0010]S2：获取基准标签与用户标签的原始观测值，并进行数据预处理；
[0011]S3：选取与用户标签最临近的基准标签进行差分定位，并根据两标签共同观测基站数量选择差分定位模式。具体的，若两标签共同观测基站数小于4个，选择位置差分模式，进入步骤S4；反之，若两标签共同观测基站数大于4个，选择观测值差分模式，进入步骤S5；
[0012]S4：分别解算基准标签与用户标签的定位结果，将基准标签的定位结果与其已知坐标做差获取位置改正数，利用该位置改正数改正用户标签定位结果，得到位置差分解；
[0013]S5：将基准标签与用户标签的共同基站观测值作差，构造用户标签的差分观测方程。可选的，可采用最小二乘平差来获取用户标签观测值差分解。
[0014]可选的，在上述基于位置差分和观测值差分的UWB定位方法中，所述步骤S2中数据预处理包括：
[0015](1)存储原始观测数据，计算各基站方向角、高度角等信息；
[0016](2)选择基准基站，得到站间单差观测值并构造观测方程，具体步骤如下：
[0017]用光纤以及同步控制器对UWB基站进行时间同步后，其基本观测方程为：
[0018][0019]其中，下标k表示第k个标签，上标i表示第i个基站，表示标签k收到的基站i的观测值(单位：米)。为标签和基站之间的距离，dt
k
为标签的钟差，δt为同步控制器的钟差，τ
i
为第i个基站到同步控制器之间的时延量，为由基站天线相位偏差、环境温度等因素造成的系统误差，可通过先验天线相位中心模型改正，为观测噪声。
[0020]在基准标签r观测值中，选取基准基站j，构造基站间单差观测方程如下：
[0021][0022]其中，差分算子可以看出，通过基站间观测值做差，标签和同步控制器的钟差可均被消除，但此时还残留有系统误差以及观测噪声。
[0023](3)数据预检验，检验每个基站单差数据的可用性。
[0024]可选的，在上述基于位置差分和观测值差分的UWB定位方法中，所述步骤S4中位置差分包括：
[0025](1)获取差分改正数：
[0026][0027]其中，为基准标签在空间三维方向的定位结果，x
r
为基准标签所在控制点的准确坐标，Δx
r
为空间三维方向的位置差分改正数。
[0028](2)求得用户标签的位置差分解：
[0029][0030]其中，为用户标签在空间三维方向的定位结果，为经过位置差分改正后的定位结果。
[0031]可选的，在上述基于位置差分和观测值差分的UWB定位方法中，所述步骤S5中构造用户标签的差分观测方程包括：
[0032]设用户标签k，基准标签r，将两标签相同基站观测值做差得：
[0033][0034]其中，差分算子可以看出，通过双差，即基站间差分和标签间差分后，基站到同步控制器之间的时延量也被消除。同时，由于用户标签和基准标签的观测环境相近，通过标签间差分可消除两标签观测值种的公共系统误差，从而提高定位精度。
[0035]可选的，在上述基于位置差分和观测值差分的UWB定位方法中，所述步骤S5求解观测值差分定位结果包括，将观测方程(8)进行线性化，并采用最小二乘平差的方式求解。
[0036]综上所述，本专利技术将卫星导航定位中的差分思想引入UWB定位领域，通过位置域及观测值域的差分定位，有效减弱了公共系统误差对定位精度的影响，提高了UWB导航定位系统的精度及可用性。
[0037]具体的，与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0038]现有的UWB导航定位算法中，几乎没有考虑到系统误差对定位精度的影响。但是在室内定位中，往往因定位环境复杂，遮挡严重且人流密集，系统误差不可避免。同时，硬件系统受温度等物理因素的影响也会产生系统误差，导致定位精度降低。而传统方法通过加密UWB基站，选用最邻近基站进行定位的方式来减弱系统误差的影响，这将大大增加UWB定位系统的成本。为此，本专利技术将卫星定位中的差分思想引入UWB定位中，提出了一种基于位置差分和观测值差分的UWB定位方法。该方法通过位置域和观测域差分，有效减弱了基站与基站、标签与标签间的公共系统误差对定位精度的影响。大大提高了UWB系统的定位精度，并可以在保证同样精度的情况本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种差分UWB定位方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：在UWB定位系统的有效覆盖范围内选取若干控制点，获取控制点坐标并在控制点上放置基准标签；S2：获取基准标签与用户标签的原始观测值，并进行数据预处理；S3：选取与用户标签最临近的基准标签进行差分定位，并根据两标签共同观测基站数量来选择差分定位模式；若两标签共同观测基站数小于4个，选择位置差分模式，进入步骤S4；反之，若两标签共同观测基站数大于等于4个，选择观测值差分模式，进入步骤S5；S4：分别解算基准标签与用户标签的定位结果，将基准标签的定位结果与其已知坐标做差获取位置改正数，利用该位置改正数改正用户标签的定位结果，得到位置差分解；S5：将基准标签与用户标签的共同基站观测值作差，构造用户标签的双差观测方程。2.如权利要求1所述的一种差分UWB定位方法，其特征在于，所述步骤S2中数据预处理包括：(1)存储原始观测数据，计算各基站方向角、高度角信息；(2)选择基准基站，得到站间单差观测值并构造观测方程，具体步骤如下：用光纤以及同步控制器对UWB基站进行时间同步后，其基本观测方程为：其中，下标k表示第k个标签，上标i表示第i个基站，表示标签k收到的基站i的观测值，单位为米；为标签和基站之间的距离，dt
k
为标签的钟差，δt为同步控制器的钟差，τ
i
为第i个基站...

【专利技术属性】
技术研发人员：李博峰，刘天霞，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：