基于超宽带的非暴露空间定位方法及系统

本发明涉及超宽带定位，具体涉及一种基于超宽带的非暴露空间定位方法及系统。

背景技术：

1、随着互联网时代的发展，万物互联已成为当今社会的发展趋势，各类设施与终端的相互连接给人们的生产生活带来的极大的便利，但同时大量设备的部署与维护也为人们的管理带来了极大的挑战，因此获得相关设备的位置信息变得越发重要，各类定位技术在近些年内不断发展。

2、非暴露空间的定位根据实现方法不同可分为多种，红外线定位精度较高，理想条件下甚达到毫米量级，但由于红外线的穿透能力差，若将其应用于较复杂的环境中，则需要增加接收器数量，不利于节约成本，红外线的传播还易受到灯光、日光、烟尘等因素的影响，很难时刻保证较高的精度；超声波定位组成较为简单，实现难度小，在小范围内拥有较高的精度，同时超声波具有穿透性，可适用于较复杂的环境中，但由于其在空气中衰减较快，且声波在空气中传播较慢，因此难以有较大的容量、不便大面积铺设；蓝牙定位的特点是功耗低、距离短、精度可保证在米以内，而且蓝牙设备体积小，易于集成安装，但是蓝牙定位依赖于多个基站的部署，信号传递速率和范围无法获得保障，蓝牙网络的建立和维护也需要投入相对较多的资源；wifi定位主要通过指纹识别法，此方法在理想环境下精度较高，但较依赖于接受信号强度，因此难以适应复杂环境。

3、随着通信领域的发展，一种新型的无线通信技术，超宽带(ultra-wild band,uwb)技术逐渐走上了定位领域的舞台。uwb信号不是常规的正弦型信号，而是通过将0.2～1.5ns的冲激信号直接进行调制得到的信号。它具有能达到ghz级别的超高带宽，由于信号的时间分辨率极高，因此理论上能达到厘米级别的定位；又因为其信号传输方法是把极短的冲激信号分布弥散在极宽的频段之中，信号强度极其微弱，这使得uwb信号的功率谱密度极低，甚至低过其他通信的信道噪声，因此它有着极佳的安全性和抗干扰能力；除此之外，uwb技术还具有系统结构简单、设备造价便宜、信号传输速率快、功耗低、多径分辨能力强等特点，它在非暴露空间的定位领域有着极为广泛的应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于超宽带的非暴露空间定位方法及系统，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种基于超宽带的非暴露空间定位方法，包括：

4、计算单标签与多基站间的距离计算，实现多标签间的有序测距；

5、识别所获距离值中非视距的部分，并对其进行校正；

6、根据视距和校正后的非视距测距值，用以计算标签的位置。

7、进一步的，测距算法以ds-twr为基础，实现单标签对多基站的实时测距和多标签的高效测距，包括：假设首先标签向外广播一条poll消息，此时测距开始，标签记下自身的基准时间t_poll；经过一定的飞行时间x后，基站分别收到这条poll消息，再分别记下自身的基准时间r_poll；然后，在一间隔时间后，标签开启接收机，基站a0在接收到poll消息的一定时间后，向标签发送一条回执信息resp0，并记下发送信息的时间t_resp0，标签在接收到后同样也记下接收信息的时间戳r_resp0；同样的，标签之后分别在上述间隔时间的为公差的时间段后开启接收机，a1～i分别相应的时间发送各自的回执信号；最后，当标签收到至少一条resp消息后，会广播发送final消息，这条消息中带有t_poll、r_resp0～i、t_final时间戳信息，基站收到这条广播消息后，再分别记下自身收到消息的时间戳r_final，然后对于第n号基站，便可通过t_poll、r_poll、t_final、r_final、t_respn、r_respn这六个时间戳进行twr计算飞行时间。

8、进一步的，实现多个标签间有序的测距，使用固定时间槽的管理方法，该方法为每个标签分配固定的测距发起时序，当某个标签开机后，会自动根据预先设定好的测距发起时间进行睡眠等待，直到计时机将其唤醒才开始工作，系统内默认由a0基站进行标签时序管理，a0基站按系统内标签最大容量分配若干个时间槽，a0基站监控每个标签发起测距请求的时间，并通过resp消息内的sleep correction将标签按id分配到相应时间槽内，使标签有序工作。

9、进一步的，非视距识别算法包括三类子算法：k近邻算法、支持向量机算法、随机森林，三种算法分别使用交叉验证选和一种参数搜索方法取最优参数，其中k近邻算法使用遍历搜索法，支持向量机算法使用网格搜索法、随机森林使用随机搜索法，对于三种分类模型单独的分类结果，使用多数投票的方式，选取出最佳的分类结果，对于得到的非视距结果，使用最小二乘拟合算法校正，校正方法为假设标签做加加速度不变的运动。

10、进一步的，定位算法以toa为基础，具体为：定位标签位置坐标为(x,y)是未知量，三个基站位置分别为(xi,yi),i＝1,2,3，是已知量；根据几何意义，以基站位置为圆心，测距值为半径的三个圆的交点即为标签位置；

11、根据测距误差造成的多圆相交的误差情况，若多圆之间相交于一片区域则使用三角形质心法估计标签位置；若存在相离的圆则增加使用放缩半径或构造虚拟交点的方法进行预处理。

12、进一步的，若无法实现定位，则使用栅格搜索算法进行定位，其内容包括：在进行搜索之前首先要进行初始化，首先确定场地边界和基站坐标，然后根据给出的栅格边长，将场地划分成若干个栅格，并通过计算基站到栅格四个顶点的距离，记录每个栅格到基站距离的最大最小值并生成电子地图，以备在搜索栅格时使用；根据测距值在地图中搜索时，若测距值刚好在基站到某栅格最大最小距离之间，则认为标签位于该栅格内，并用栅格的中心位置代替标签位置。

13、第二方面，本发明提供一种基于超宽带的非暴露空间定位系统，包括：

14、测距模块，用于计算单标签与多基站间的距离，实现多标签间的有序测距；

15、识别模块，用于识别所获距离值中非视距的部分，并对其进行校正；

16、定位模块，用于根据视距和校正后的非视距测距值，用以计算标签的位置。

17、第三方面，本发明提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现如第一方面所述的基于超宽带的非暴露空间定位方法。

18、第四方面，本发明提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述处理器和所述存储器相互通信，所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令执行如第一方面所述的基于超宽带的非暴露空间定位方法。

19、第五方面，本发明提供一种电子设备，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现如第一方面所述的基于超宽带的非暴露空间定位方法的指令。

20、术语解释：

21、uwb(ultrawide-band)——超宽带；

22、can(controller areanetwork)——控制器局域网络；

23、toa(time ofarrival)——到达时间；

24、ds-twr(double side-two way ranging)——双边双向测距法；

25、knn(k-nearestneighbor)——k近邻；

26、svm(support vectormachine)——支持向量机；

27、rf(random forest)——随机森林。

28、本发明有益效果：根据超宽带定位技术的基站标签模式，设计下位机与上位机相关算法。首先基于ds-twr方法设计多基站与多标签间的测距算法，测距最小系统为一个标签与四个基站，最大容量为一百个标签；其次对于非视距测距结果，采集超宽带信号特征并使用机器学习中的分类模型设计识别算法，并对识别出的非视距测距值使用曲线拟合算法进行校正；接着对于校正后的测距值，以toa算法为基础改进定位算法，并额外设计新型算法作为非视距环境下的补充，同时使用卡尔曼滤波算法提高定位精度；最后基于can总线设计层级结构，实现定位方法中各层级间的数据互通。

29、本发明附加方面的优点，将在下述的描述部分中更加明显的给出，或通过本发明的实践了解到。