[發明專利]一種復雜環境下的三維定位追蹤方法

有效

• 申請號: 202010927152.1
• 申請日: 2020-09-07
• 公開（公告）號: CN112066981B
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發明（設計）人: 申富饒;賴碧蘭;安俊逸;趙健
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01C21/16
• 分類號: G01C21/16;G01S17/08;G01S5/06
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 于瀚文;胡建華

本發明提供了一種復雜環境下的三維定位追蹤方法，包括：步驟1，讀取TDOA數據和TOF數據；步驟2，解算三維結果步驟3，反推主基站的TOF數據和從基站的TDOA數據；步驟4，對MS數組進行二維Taylor迭代，將結果存入數組X；步驟5，通過最小二乘法解算，如果無實數解則將z軸結果置0，記為zz，否則解算出兩個z軸實數解z(1)、z(2)；步驟6，將z(1)、z(2)分別通過最小二乘法反推出每個基站的TDOA數據，選出解算出的TDOA與實際TDOA數據誤差最小的z，并將這個z記為zz；步驟7，進行三維Taylor解算，將結果放入數組Fn；步驟8，對Fn數組進行平均濾波；步驟9，讀取下一條數據。

技術領域

本發明涉及室內定位技巧，特別是涉及一種復雜環境下的三維定位追蹤方法。

背景技術

隨著物聯網和移動互聯技術的不斷發展，越來越多的服務和應用依賴于用戶的位置信息，如何精確地對設備進行定位正成為當前研究的一大熱點。在室外環境下，全球定位系統(GPS)以其精度較高、穩定性強和成本低廉的優勢，取得了廣泛的應用，但在室內環境下，由于衛星信號無法穿透建筑物，GPS的使用受到了嚴重的限制。而且，相比于室外，室內環境受多徑效應、非視距傳輸(NLOS)的影響更為明顯，還存在著環境的動態變化等問題，這些都增加了室內精確定位的挑戰性。目前，國內外研究者們已經提出了基于信號衰減模型、TOA(Time-of-Arrival)、TDOA(Time-Difference-of-Arrival)和AOA(Angle-of-Arrival)等原理的室內定位解決方案，其中，TDOA以其不需要嚴格時間同步的優勢，得到了廣泛的重視和研究。

在眾多TDOA定位方法中，Wade H.Foy依據Taylor展開提出的方法(簡稱Taylor序列方法)以其形式簡單、精度較高的優點取得了廣泛的應用。該方法在給定初始坐標附近進行Taylor展開并忽略二階以上分量，然后通過迭代計算誤差的局部最小二乘解來逐步優化坐標。該方法的精度依賴于輸入的初始值，如果初始值接近真實解則結果較為精確，但在實際應用中，初始值很難選取，導致其精度較差，甚至可能無法收斂。而且迭代的特性使其需要較大的計算量。文獻：Foy W H.Position-Location Solutions by Taylor-SeriesEstimation[J].IEEE Transactions on AerospaceElectronic Systems，2007，AES-12(2):187-194.

為了克服基于Taylor展開的方法存在的依賴初始值進行迭代、無法保證收斂以及時間開銷大的問題，Y.T.Chan等人提出了具有閉式解的雙曲定位算法(簡稱Chan算法)。該算法通過引入第三個的變量，將非線性問題轉化為線性問題，然后通過兩次加權最小二乘法得到最終的定位結果。Chan算法計算速度快，結果也較為準確，但該算法的推導基于信道誤差較小且服從零均值高斯分布的假設，該假設在真實環境下很難滿足，因此精度會顯著下降。文獻：Chan Y T，Ho K C.A simple and efficient estimator for hyperboliclocation[J].IEEE Transactions on Signal Processing，2002，42(8):1905-1915.

發明內容

發明目的：解決Taylor序列方法、TOF定位等經典TDOA定位算法在真實環境下性能顯著下降、追蹤過程中無法形成連續平滑軌跡的問題，在TOF和TDOA算法中采用聯合解算，提升定位結果的準確性，并加入數據擴充技術和坐標的先驗知識，大幅減少無法解算的情況，同時通過合理的濾波和預測策略，增強軌跡的光滑性和連續性。

為了解決上述技術問題，本發明公開了一種復雜室內環境下基于TDOA和TOF的定位追蹤方法，該方法可以用于倉庫管理、定位導覽、機器人追蹤等應用中，包括如下步驟：

步驟1，讀取一條含有n個及以上基站的到達時間差TDOA(Time Difference ofArrival，簡稱TDOA)數據和主基站的到達時間TOF(Time of Flight，簡稱TOF)數據；