[發明專利]應用于大型室內環境的基站三維協作定位方法

有效

• 申請號: 201910094117.3
• 申請日: 2019-01-30
• 公開（公告）號: CN109889971B
• 公開（公告）日: 2020-09-15
• 發明（設計）人: 王智;王曉軒;陳敏麟;王雅菲;嵇程;柴晴峰
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H04W4/02
• 分類號: H04W4/02;H04W4/021;H04W4/33;H04W64/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

本發明公開了一種應用于大型室內環境的基站三維協作定位方法，包括以下步驟：(1)手動量測至少四個錨基站的三維坐標，通過TPSN測距原理估計未知基站間、未知基站和錨基站間的量測距離；(2)用矩陣表示基站的位置坐標，利用矩陣相乘得到用坐標表示的基站間實際距離；(3)將步驟(2)中的坐標矩陣松弛為半定矩陣，建立優化的約束條件；(4)將步驟(1)獲得的量測距離和步驟(2)獲得的實際距離求差的平方和作為優化過程中的目標函數，同時加入權重因素，構造出半定規劃問題；(5)求解步驟(4)中的半定規劃問題，獲得的最優矩陣即為基站的三維位置坐標。本方法避免了因與錨基站連接個數不足而無法定位的情況，同時提升了定位精度。

技術領域

本發明屬于室內定位領域，具體涉及一種應用于大型室內環境的基站三維協作定位方法。

背景技術

隨著各種大型建筑的興起和居民生活水平的提高，基于位置信息的服務(Location-Based Service,LBS)越來越受到關注，成為人們日常出行、購物、旅行、住宿等必不可少的部分。然而由于建筑物遮擋造成的衛星信號急劇衰減以及建筑群之間反射產生的多徑效應影響，室內環境中全球導航衛星系統的定位精度急劇下滑。同時，醫療救護、精準營銷、智能倉儲等室內位置服務需求日益增加，各種室內定位方法應運而生，其中，基站定位能夠達到較高的精度。

各種技術實現中，WIFI定位、藍牙定位多采用指紋識別的定位方式，定位精度較低，且系統性能易受環境變化的影響，穩定性差且維護難度大；超聲波技術和超寬帶技術能夠取得較高的位置估計精度，然而這些技術需定制專業的模塊設備，成本高昂；基于聲信號的定位技術由于其具有成本較低、手機兼容性好、穩定性和估計精度高等特征成為近幾年的前沿研究課題，但也存在時鐘同步、多徑效應等問題。

應用最為廣泛的定位方法是基于距離量測的定位方法，根據是否可以利用未知基站間的距離分為協作定位和非協作定位。非協作定位僅僅依靠未知基站與錨基站之間的距離，多用于對目標進行定位。協作定位除了利用未知基站與錨基站之間的距離外，還利用未知基站間距離，如圖3所示，多用于網絡節點定位中。

基站定位可以達到較高的精度但需要提前已知基站的精確位置，然而對基站位置的標定需要手工進行，容易引入誤差，且當基站數量隨著室內面積增大而增大時，這個過程將耗時又耗力。我們希望能夠通過幾個已知位置的錨基站對室內的所有基站位置進行標定。然而室內環境中存在很多遮擋，無法準確測得每兩個基站之間的距離。另外，在大型室內空間中，基站間距離超過可測量的最大距離也將會造成測量值缺損，使得與未知基站相連接的錨基站個數不足以進行單獨地三維定位。通過與其它未知基站的連接，協作定位在一定程度上解決了這個問題。但目前的半定規劃算法都是二維的，在復雜的大型室內建筑中，為了提升三維定位的精度，基站往往需要遍布各種高度和角落，二維定位算法遠遠不夠。

發明內容

針對上述不足，本發明提供一種應用于大型室內環境的基站三維協作定位方法，解決了大型復雜室內環境下基站的三維標定問題，將定位問題轉化為一個矩陣優化問題，尋找能使量測與實際距離差的平方和最小的矩陣。即使基站數量龐大，仍能夠在較短時間內將基站的位置同時標定出來，解決由于量測距離限制和復雜室內環境阻礙造成的無法對每個未知基站進行單獨定位的問題。

本發明所采用的技術方案如下：一種應用于大型室內環境的基站三維協作定位方法，包括以下步驟：

(1)手動量測至少四個錨基站的三維坐標，通過TPSN測距原理估計未知基站間、未知基站和錨基站間的量測距離；

(2)用矩陣表示未知基站的位置坐標，利用矩陣相乘得到用位置坐標表示的實際距離，構建基站間的三維距離約束；

(3)將步驟(2)中的位置坐標矩陣松弛為半定矩陣，建立優化的約束條件；