一种利用超宽带信号进行室内定位的方法与流程

本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种超宽带信号的室内定位方法。

背景技术：

超宽带(uhrawideband，uwb)首先由美国军方在1990年提出，2004年4月美国联邦通信委员会(federalcommunicationscommission,fcc)给出超宽带的两种定义：第一种是在军方定义的基础上规定信号的相对带宽大于等于20％，即2(fh-fl)/(fh+fl)≥20％，其中fh表示信号高端频率，fl表示信号低端频率；第二种定义是信号较峰值功率下降10db时所对应的10db宽带大于或等于500mhz。

超宽带信号具有定位精度高、电池能耗低、信号保密性强等优点，但由于超宽带信号占用非常大的频谱资源，会对现有系统设施造成一定程度的影响因此，为了避免对现有其他无线设备(如gps)造成不良影响，uwb设备的发射功率必须要受到限制。从1998年起，美国联邦通讯委员会(fcc)便开始规范定义uwb系统，并于2002年2月允许限制使用uwb设备。根据规定，为了避免在相同频率对其它系统造成干扰，uwb的功率谱密度不得超过-41.3dbm/hz，频率范围从3.1ghz到10.6ghz之间。uwb信号具有很大的宽带，时间分辨率极高，使用uwb理论上能够获得毫米级的定位精度。此外，uwb定位还具有多径效应不明显、有一定障碍物穿透能力、能够在复杂环境下运行等特点，在现在社会中发挥越来越大的作用。

作为uwb定位的一种具体应用，由英国ubisense公司生产的uwb定位系统，主要包括传感器、网络交换机、服务器、网线等组成部分。其中，传感器是定位单元的最重要组成部分，在软件平台中有主、从传感器之分，主传感器通过时间同步线连接到每台从传感器，每台从传感器接收主传感器的时间同步信号。从传感器将定位数据传输到主传感器共同处理数据，每个从传感器有时间同步线连接到主传感器。

ubisense室内定位系统运用到城市作战，理论上课实现3维15cm定位精度。但当军事训练科目演练的时候存在诸多问题，如刷新率，在单兵或全队快速移动，搜索各个房间的时候，刷新率上不来就会有巨大的空白区域，导致定位不准，更严重的是跨单元切换跳点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种利用超宽带信号进行室内定位的方法，就是为了解决上面的问题，包括定位不准，跨单元切换跳点等。

本发明的技术方案如下：

一种利用超宽带信号进行室内定位的方法，定位系统包括传感器、网络交换机、服务器、网线组成，其特征在于：

(1)将室内划分为多个区域，临近的区域部分重叠；

(2)每个区域布设一覆盖该区域的传感器，作为主传感器，与其感知区域部分重叠的传感器作为从传感器；

(3)使主传感器通过时间同步线连接到每台从传感器，每台从传感器接收主传感器的时间同步信号，从传感器将定位数据传输到主传感器共同处理数据。

进一步，上述每个从传感器由时间同步线连接到主传感器。

本发明主要是通过安装角度和安装位置的改变，采用交叠的安装方式，即区域重合，配合相应的算法，实现提前计算，预切换，从而有效解决了定位不准、跨单元切换跳点等问题。

附图说明

图1是本发明的静态点精度图

图2是本发明的x轴方向动态精度误差百分比图

图3是本发明的y轴方向动态精度误差百分比图

图4是一个标签在每个单元切换十次的单元切换时间图

图5是一个标签在每个单元切换十次的二维切换距离图

图6是一个标签在每个单元切换十次的三维切换距离图

图7是十个标签在每个单元切换十次，统计获得的切换时间图

图8是十个标签在每个单元切换十次，统计获得的二维切换距离图

图9是十个标签在每个单元切换十次，统计获得的三维切换距离图

具体实施方式

本发明一种利用超宽带信号进行室内定位的方法，定位系统包括传感器、网络交换机、服务器、网线组成，主要是通过安装角度和安装位置的改变实现发明目的。传感器采用交叠的安装方式，即区域重合，配合相应的算法，实现提前计算，预切换。具体方法：

(1)将室内划分为多个区域，临近的区域部分重叠；

(2)每个区域布设一覆盖该区域的传感器，作为主传感器，与其感知区域部分重叠的传感器作为从传感器；

(3)使主传感器通过时间同步线连接到每台从传感器，每台从传感器接收主传感器的时间同步信号，从传感器将定位数据传输到主传感器共同处理数据。

上述每个从传感器由时间同步线连接到主传感器。

一下通过本发明的一种具体实施例，说明本发明的实现方式及效果。

静态定点测试：

在每个房间、走廊和楼梯内选择有代表性的不同的点作测试，通过测量所选择点的坐标，对比在标签在该点位置的定位坐标，再经过数据统计，得到静态定位精度与该精度内的概率的关系图如图1所示。

根据测试数据统计得到，在静态定位情况下，定位精度小于等于0.3米的概率为72.2％，定位精度小于等于0.5米的概率为86.49％。

动态精度测试：

x轴方向动态精度百分比：

在房间、楼梯和门厅中测试，把5个标签固定在一根杆子上，记录每个标签的间距用于计算标签实际的单向坐标，然后使杆子的一边贴着西墙走动，即这5个标签x轴方向的值不变，而y轴方向的值在变化；通过获取的数据整理出这5个标签x轴方向的精度误差百分比，x轴方向的精度误差百分比如图2所示。

根据测试数据统计得到，在房间、楼梯和门厅沿南北方向运动时，假定定位点与x轴方向夹角为45°，实际定位点精度误差小于等于30cm，即x轴方向精度误差21.2cm概率75.13％；实际定位点精度误差小于等于50cm，即x轴方向精度误差小于等于35.3cm的概率为91.35％。

最后定位点动态精度误差小于等于30cm的概率乘以系数0.9为67.16％，动态精度误差小于等于50cm的概率乘以系数0.9为82.21％。

y轴方向动态精度百分比：

在走廊中测试，把5个标签固定在一根杆子上，记录每个标签的间距用于计算标签实际的单向坐标，然后使杆子的一边贴着南墙走动，即这5个标签y轴方向的值不变，而x轴方向的值在变化；通过获取的数据整理出这5个标签y轴方向的精度误差百分比，通过统计得到y轴方向的误差如图3所示。

根据测试数据统计得到，在走廊沿东西方向运动时，假定定位点与y轴方向夹角为45°，实际定位点精度误差小于等于30cm，即x轴方向精度误差21.2cm概率71.95％；实际定位点精度误差小于等于50cm，即x轴方向精度误差小于等于35.3cm的概率为86.32％。

最后定位点动态精度误差小于等于30cm的概率乘以系数0.9为64.75％，动态精度误差小于等于50cm的概率乘以系数0.9为77.68％。

动态精度误差百分比：

根据以上两个方向的测试算出的数据求平均值，得到实际定位点精度误差小于等于30cm的概率为(67.16％+64.75％)/2＝65.95％；实际定位点精度误差小于等于50cm的概率为(82.21％+77.68％)/2＝79.95％。

数据采集率测试：

用10个标签在每个单元内沿着墙边运动两圈，记录运动过程中定位数据的获取率。每个定位单元的数据获取率如下表1：

表110个标签数据采集率

单元切换测试：

人员佩戴标签在不同定位单元之间行走，行走速度为1.5m/s，记录多次切换数据，统计单元切换所用的时间、二维切换距离和三维切换距离。

一个标签在每个单元切换十次，经统计获得的切换时间如图4所示。

根据测试数据统计得到，两个单元之间的切换时间小于等于1s的概率为99％，切换时间小于等于0.5s的概率为83％；

经统计获得的二维切换距离如图5所示。

根据测试数据统计得到，二维切换距离小于等于1米的概率为73.6％，小于等于1.5米的概率为94％；

经统计获得的三维切换距离如图6所示。

根据测试数据统计得到，三维切换距离小于等于1米的概率为67％，小于等于1.5米的概率为93％。

十个标签在每个单元切换十次，统计获得的切换时间如图7所示。

根据测试数据统计得到，两个单元之间的切换时间小于等于1s的概率为90％，小于等于0.5s的概率为67％；

经统计获得的二维切换距离如图8所示。

根据测试数据统计得到，二维切换距离小于等于1米的概率为60.4％，小于等于1.5米的概率为83.2％；小于等于2米的概率为91.5％；

经统计获得的三维切换距离如图9所示。

根据测试数据统计得到，三维切换距离小于等于1米的概率为57％，小于等于1.5米的概率为81.3％，小于等于2米的概率为90％。