[發(fā)明專利]一種基于電磁波傳播特性的室內(nèi)測(cè)距定位方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510993899.6
• 申請(qǐng)日: 2015-12-25
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105510876A
• 公開(kāi)（公告）日: 2016-04-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張濤;徐亞明
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類號(hào): G01S5/06
• 分類號(hào): G01S5/06;G01S5/02
• 代理公司: 武漢科皓知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 嚴(yán)彥

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于定位技術(shù)，涉及基于TOA/TDOA/TOF技術(shù)室內(nèi)定位的方法。

背景技術(shù)

室外定位技術(shù)已經(jīng)非常成熟，市場(chǎng)上有多種GNSS設(shè)備可以滿足不同用戶從米級(jí)到毫米 級(jí)的各種需求。而事實(shí)上，眾多行業(yè)都對(duì)室內(nèi)定位技術(shù)提出越來(lái)越高的要求，例如物聯(lián)網(wǎng)行 業(yè)，工業(yè)廠房，旅游行業(yè)，商業(yè)場(chǎng)所，機(jī)場(chǎng)，消防，公安，軍用，停車場(chǎng)，醫(yī)療，機(jī)器人， 無(wú)人機(jī)，隧道礦井等。對(duì)于室內(nèi)定位，雖然目前有多種解決方案，例如基站定位，WIFI指 紋定位，超聲波定位，藍(lán)牙定位，地磁定位，偽衛(wèi)星定位，UWB定位等，但是由于技術(shù)局限 以及成本問(wèn)題，目前尚未有像GNSS定位技術(shù)一樣讓不同級(jí)別用戶滿意的成熟產(chǎn)品，更進(jìn)一 步說(shuō)，這些技術(shù)要么定位精度無(wú)法滿足要求，只能滿足低精度用戶的需求，要么成本太高， 難以推廣。

目前使用較多的室內(nèi)定位技術(shù)解決方案中，WIFI指紋定位和藍(lán)牙定位以及UWB技術(shù)相 對(duì)較為成熟，這幾種技術(shù)都是基于電磁波的傳播特性，利用電磁波進(jìn)行測(cè)距，再進(jìn)一步用測(cè) 距結(jié)果進(jìn)行定位。

WIFI指紋定位與藍(lán)牙定位技術(shù)的基礎(chǔ)是Tag(標(biāo)簽,指的是需要被定位的設(shè)備)測(cè)量 Anchor(錨點(diǎn)，指電磁波發(fā)射源，其坐標(biāo)已知)的RSSI，也就是電磁波輻射強(qiáng)度，由于在自 由空間里，電磁波的衰減遵循如下公式：

Loss＝32.44+(20log10(f))+(20log10(D))公式1

其中，Loss是電磁波損耗，單位dB,f是電磁波頻率，單位Mhz,D是發(fā)射端與接收端的 距離，單位是KM。根據(jù)這個(gè)公式，用接收器測(cè)量一個(gè)位置的電磁波強(qiáng)度，就可以反推該位 置與信號(hào)源的距離。然而，以上公式是建立在自由空間傳播的基礎(chǔ)上的，即傳輸路徑中無(wú)任 何遮擋，無(wú)任何反射的理想狀態(tài)，而實(shí)際情況并非如此，電磁波從信號(hào)源到接收器之間的路 徑非常復(fù)雜，最終的信號(hào)是經(jīng)過(guò)多次反射、折射以及穿透障礙物的，這些因素導(dǎo)致接收器測(cè) 量的電磁波強(qiáng)度與距離的關(guān)系變得異常復(fù)雜甚至毫無(wú)規(guī)律，使得距離測(cè)量結(jié)果引起數(shù)米甚至 數(shù)十米的誤差，從而嚴(yán)重影響定位結(jié)果精度。

而UWB技術(shù)定位中，一般是首先是通過(guò)一定的通訊協(xié)議，測(cè)量電磁波在錨點(diǎn)與標(biāo)簽之間的飛行時(shí)間(有時(shí)也測(cè)量它們之間的相對(duì)方向)，由于電磁波在空氣中的傳播速度即光速，是恒定的，由此即可計(jì)算出錨點(diǎn)和標(biāo)簽之間的距離。而實(shí)際上，錨點(diǎn)與標(biāo)簽之間也有可能有遮擋，光速在遮擋物中的傳播速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于在空氣中的速度，因此在有遮擋物的環(huán)境中測(cè)距的結(jié)果往往會(huì)大于真實(shí)值；此外，如果錨點(diǎn)與標(biāo)簽之間無(wú)法直接通信，則有可能會(huì)發(fā)生通過(guò)反射信號(hào)(多路徑信號(hào))進(jìn)行通信的情況，這同樣會(huì)使得測(cè)距結(jié)果不準(zhǔn)確。在使用這樣的測(cè)距結(jié)果進(jìn)行定位的時(shí)候，會(huì)引起定位結(jié)果的誤差偏大。在三維定位中，定位結(jié)果的誤差通常是測(cè)距誤差的倍。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，電磁波的傳輸情況與環(huán)境之間的關(guān)系非常復(fù)雜，特別是 在室內(nèi)環(huán)境，由于遮擋物較多，反射面較多，而且遮擋物和反射物體還會(huì)發(fā)生移動(dòng)，因此沒(méi) 有固定的傳播模型，因此由于遮擋和反射形成的多路徑所造成的誤差無(wú)法用固定的方法進(jìn)行 消除。

本發(fā)明的技術(shù)方案提供一種基于電磁波傳播特性的室內(nèi)測(cè)距定位方法，基于定位系統(tǒng)實(shí) 現(xiàn)，所述定位系統(tǒng)包括錨點(diǎn)、標(biāo)簽以及定位解算服務(wù)器，在定位解算服務(wù)器建立控制點(diǎn)信息 表和電磁波傳播模型表；預(yù)先在需要提高定位精度的目標(biāo)區(qū)域內(nèi)布設(shè)若干的定位標(biāo)簽作為控 制點(diǎn)，測(cè)量各控制點(diǎn)的坐標(biāo)，計(jì)算各控制點(diǎn)與每個(gè)錨點(diǎn)之間的真實(shí)距離，將控制點(diǎn)坐標(biāo)及控 制點(diǎn)與錨點(diǎn)的真實(shí)距離寫入控制點(diǎn)信息表；計(jì)算每個(gè)控制點(diǎn)到每個(gè)錨點(diǎn)之間的真實(shí)距離與觀 測(cè)距離的差，作為距離修正值寫入電磁波傳播模型表，提供電磁波傳播模型；

對(duì)用戶標(biāo)簽進(jìn)行室內(nèi)定位時(shí)，在定位解算服務(wù)器進(jìn)行以下操作，

步驟1，接收來(lái)自錨點(diǎn)的用戶標(biāo)簽測(cè)距信息Do；

步驟2，根據(jù)錨點(diǎn)到用戶標(biāo)簽的距離觀測(cè)量Do計(jì)算用戶的粗略坐標(biāo)；

步驟3，采用以下方式之一提取用戶所在處的距離修正值，

方式一，根據(jù)步驟2計(jì)算得到的用戶粗略坐標(biāo)，從電磁波傳播模型表中選取臨近的控制 點(diǎn)，如果某個(gè)控制點(diǎn)的更新時(shí)刻距離當(dāng)前時(shí)刻時(shí)間太久，則認(rèn)為是無(wú)效控制點(diǎn)，不予采用； 根據(jù)有效的控制點(diǎn)距離修正值，計(jì)算用戶所在處的距離修正值Df；