一种基于电磁波传播特性的室内测距定位方法
【技术领域】
[00011本发明属于定位技术，涉及基于T0A/TD0A/T0F技术室内定位的方法。
【背景技术】
[0002] 室外定位技术已经非常成熟，市场上有多种GNSS设备可以满足不同用户从米级到 毫米级的各种需求。而事实上，众多行业都对室内定位技术提出越来越高的要求，例如物联 网行业，工业厂房，旅游行业，商业场所，机场，消防，公安，军用，停车场，医疗，机器人，无人 机，隧道矿井等。对于室内定位，虽然目前有多种解决方案，例如基站定位，WIFI指纹定位， 超声波定位，蓝牙定位，地磁定位，伪卫星定位，UWB定位等，但是由于技术局限以及成本问 题，目前尚未有像GNSS定位技术一样让不同级别用户满意的成熟产品，更进一步说，这些技 术要么定位精度无法满足要求，只能满足低精度用户的需求，要么成本太高，难以推广。
[0003] 目前使用较多的室内定位技术解决方案中，WIFI指纹定位和蓝牙定位以及UWB技 术相对较为成熟，这几种技术都是基于电磁波的传播特性，利用电磁波进行测距，再进一步 用测距结果进行定位。
[0004] WIFI指纹定位与蓝牙定位技术的基础是Tag(标签，指的是需要被定位的设备）测 量Anchor(锚点，指电磁波发射源，其坐标已知）的RSSI，也就是电磁波辐射强度，由于在自 由空间里，电磁波的衰减遵循如下公式：
[0005] Loss = 32.44+(201ogl0(f)) + (201ogl0(D))公式 1
[0006]其中，Loss是电磁波损耗，单位dB，f是电磁波频率，单位Mhz，D是发射端与接收端 的距离，单位是KM。根据这个公式，用接收器测量一个位置的电磁波强度，就可以反推该位 置与信号源的距离。然而，以上公式是建立在自由空间传播的基础上的，即传输路径中无任 何遮挡，无任何反射的理想状态，而实际情况并非如此，电磁波从信号源到接收器之间的路 径非常复杂，最终的信号是经过多次反射、折射以及穿透障碍物的，这些因素导致接收器测 量的电磁波强度与距离的关系变得异常复杂甚至毫无规律，使得距离测量结果引起数米甚 至数十米的误差，从而严重影响定位结果精度。
[0007] 而UWB技术定位中，一般是首先是通过一定的通讯协议，测量电磁波在锚点与标签 之间的飞行时间（有时也测量它们之间的相对方向），由于电磁波在空气中的传播速度即光 速，是恒定的，由此即可计算出锚点和标签之间的距离。而实际上，锚点与标签之间也有可 能有遮挡，光速在遮挡物中的传播速度远远低于在空气中的速度，因此在有遮挡物的环境 中测距的结果往往会大于真实值;此外，如果锚点与标签之间无法直接通信，则有可能会发 生通过反射信号（多路径信号)进行通信的情况，这同样会使得测距结果不准确。在使用这 样的测距结果进行定位的时候，会引起定位结果的误差偏大。在三维定位中，定位结果的误 差通常是测距误差的#倍。
【发明内容】
[0008] 本发明所要解决的技术问题是，电磁波的传输情况与环境之间的关系非常复杂， 特别是在室内环境，由于遮挡物较多，反射面较多，而且遮挡物和反射物体还会发生移动， 因此没有固定的传播模型，因此由于遮挡和反射形成的多路径所造成的误差无法用固定的 方法进行消除。
[0009] 本发明的技术方案提供一种基于电磁波传播特性的室内测距定位方法，基于定位 系统实现，所述定位系统包括锚点、标签以及定位解算服务器，在定位解算服务器建立控制 点信息表和电磁波传播模型表;预先在需要提高定位精度的目标区域内布设若干的定位标 签作为控制点，测量各控制点的坐标，计算各控制点与每个锚点之间的真实距离，将控制点 坐标及控制点与锚点的真实距离写入控制点信息表;计算每个控制点到每个锚点之间的真 实距离与观测距离的差，作为距离修正值写入电磁波传播模型表，提供电磁波传播模型；
[0010] 对用户标签进行室内定位时，在定位解算服务器进行以下操作，
[0011] 步骤1，接收来自锚点的用户标签测距信息Do;
[0012] 步骤2,根据锚点到用户标签的距离观测量Do计算用户的粗略坐标；
[0013]步骤3,采用以下方式之一提取用户所在处的距离修正值，
[0014] 方式一，根据步骤2计算得到的用户粗略坐标，从电磁波传播模型表中选取临近的 控制点，如果某个控制点的更新时刻距离当前时刻时间太久，则认为是无效控制点，不予采 用;根据有效的控制点距离修正值，计算用户所在处的距离修正值Df;
[0015] 方式二，根据步骤2计算得到的用户粗略坐标，从控制点信息表中选取临近的控制 点，命令锚点向这些选取的控制点发起测距动作;接收锚点传回的控制点测距观测值，并从 控制点信息表中读取对应控制点到锚点的准确距离，计算控制点距离修正值，计算用户所 在处的距离修正值Df;
[0016] 方式三，根据步骤2计算得到的用户粗略坐标，从电磁波传播模型表中选取临近的 控制点，如果有些被选择的控制点的更新时间过久，则命令锚点向这些控制点发起测距动 作，并接收来自锚点的测距观测量，用这些观测量更新电磁波传播模型表;从电磁波传播模 型表中读取所选取的控制点距离修正值，计算用户所在处的距离修正值Df;
[0017] 步骤4,根据步骤3所得用户所在处的距离修正值，逐个修正用户标签与每个锚点 的距离值，得到修正结果Dp = D〇-Df;
[0018] 步骤5,根据步骤4所得距离修正结果Dp，重新计算用户的准确坐标。
[0019] 而且，在采用连续运行模式时，定时更新电磁波传播模型表，采用方式一提取用户 所在处的距离修正值;所述更新电磁波传播模型表的实现方式如下，
[0020] 步骤al，测量每个锚点与控制点的距离，得到距离观测值；
[0021]步骤a2,读取控制点信息表，计算每个控制点到锚点之间的真实距离与观测距离 的差；
[0022]步骤a3,将每个控制点到每个锚点之间的真实距离与观测距离的差写入电磁波传 播模型表作为距离修正值；
[0023] 步骤a4,等待预设的一段时间，然后返回步骤al。
[0024] 而且，定位解算服务器收到来自锚点的测距信息时，判断相应测距点是不是控制 点，是则根据测距数据更新电磁波传播模型表，否则根据测距数据对用户标签进行定位。 [0025]而且，在采用动态运行模式时，根据系统性能和负载状况采用方式二或方式三提 取用户所在处的距离修正值。
[0026]而且，计算用户所在处的距离修正值Df，通过拟合或者插值实现。
[0027]而且，计算用户所在处的距离修正值Df，根据三个控制点的距离修正值通过拟合 或者插值实现。
[0028]而且，电磁波传播模型表存储控制点到锚点之间的距离修正值时，同时存储更新 时间。
[0029] 本发明提出的方法是采用在定位区域内布设控制定位点，动态测量环境中信号传 播情况，然后将测量得到的电磁波传播模型用来纠正测距结果的方法，有效降低了遮挡与 多路径问题带来的测距误差，提高了室内定位的精度。本发明提出的方