一种多用户超宽带室内定位系统的制作方法

本发明属于超宽带通信领域，特别涉及可用于室内定位，安全救援，辅助GPS导航的多用户超宽带室内定位系统。

背景技术：

超宽带(UWB：ultra wide band)技术是一种新型的无线通信技术，具有纳秒级别的时间分辨能力、高速传输速率、对信道衰落不敏感、有良好的抗多径能力等优点，广泛应用于实时定位系统。UWB定位原理按其测量参数的不同,可分为基于接收信号强度法(RSSI)、基于接收信号时间法(TOA)和基于接收信号角度法(AOA)。因为TOA算法简单，受信道多径衰落影响相对较小，定位精度较高，所以该算法在目前的UWB定位系统中应用最为广泛。

传统单程测距TOA算法是通过测量参考基站与移动标签之间信号传播的绝对时间进行位置解算，该算法对于时间同步性要求苛刻，理想情况是所有的节点均为同一个时钟。改进的TDOA算法则是通过测量不同参考基站与同一移动标签之间信号传播的时间差，利用双曲线原理进行定位解算。虽然TDOA算法不要求所有的节点使用一个共同时钟，降低了对于时间同步性的需求。但是从位置解算精度角度出发，TDOA算法仍然要求所有的参考基站保持时钟同步。由此可见，时间同步问题是基于信号接收时间定位算法的关键的因素。为了保证UWB定位系统的测距精度达到厘米级，定位系统的时间偏差至少要控制在ns级别。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于DWM1000模块的多用户超宽带室内定位系统。

本发明的目的是这样实现的：

多用户超宽带室内定位系统，包含4个参考基站，1个移动标签，所述的基站和标签的时钟全部统一到基准时间轴；基站1为主站，协调系统的信号交流时序，同时向其他所有基站以及标签提供其时间信息；基站2-4为副站，在基站1的控制下，分别向标签提供时间信息；标签为实际中需要被定位的用户，通过接收基站1-4的时间信息，完成定位；移动标签只是被动接收来自基站的信号，不与基站进行双向信息交流，增减标签数量不影响系统基站的信号交流时序，系统可同时定位无限数量用户。

建立所述基站和标签的时钟修正模型，将系统的时钟全部统一到同一基准时间轴。

建立所述时钟修正模型与真实距离信息之间线性对应关系，求出时钟模型参数，实现时钟同步。

建立所述的系统信号交流机制，基站提供时间信息，标签被动接收基站信号，实现定位用户数量不受限。

本发明的有益效果在于：

1.该系统通过对系统时钟建立统一修正模型，通过建立时钟与真实距离的线性对应关系，解算时钟修正模型中的相关参数，解决了UWB定位系统中存在的时间同步问题。

2.该系统中基站提供时间信息，标签始终处于被动接收状态，系统的信号交流为单方向，交流机制具有高度灵活性，增减标签数量不影响系统基站的信号交流时序，系统可同时定位无限数量用户。

3.该系统的设计初衷就是为了解决UWB定位系统实际应用中存在的问题，系统工作方式具有很强的硬件平台兼容性，实用性强。

附图说明

图1是本发明设计的系统定位方案示意图。

图2是本发明设计的系统在实际室内非视距环境下工作时建立的空间三维坐标系示意图。

图3是本发明设计的系统在实际室内非视距环境下静态测试时标签X轴方向定位精度结果。

图4是本发明设计的系统在实际室内非视距环境下静态测试时标签Y轴方向定位精度结果。

图5是本发明设计的系统在实际室内非视距环境下静态测试时标签Z轴方向定位精度结果。

图6是本发明设计的系统在实际室内非视距环境下动态测试时标签移动轨迹在XY平面内的投影。

图7是本发明设计的系统在实际室内非视距环境下动态测试时标签移动轨迹在三维坐标系的投影。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明提供一种多用户超宽带室内定位系统，主要为了解决基于接收信号时间法(TOA)的超宽带(UWB:ultra wide band)定位系统中时间同步问题以及目前实际应用的UWB定位系统中定位用户数量受限问题。本发明的主要工作是实现了系统时间精准同步和定位用户数量不受限。本发明对系统中的参考基站和移动标签的时钟建立统一的修正模型。通过建立真实距离与时钟修正模型间线性对应关系，在理想视距(LOS)环境下进行定位实验获取时间与距离数据，采用最小二乘法解算出时钟修正模型中的参数，并在此基础上建立一套完整信号交流机制，实现高精度定位。在实际的测试过程中，本发明设计的UWB定位系统在室内非视距(NLOS)环境下的静态定位精度在10cm以内，动态定位精度20cm左右。理论分析和实验结果表明本发明设计的UWB室内定位系统具有很强的实用性。

相比于其他定位系统，本系统对于系统内基站和标签的时钟进行建模修正，全部统一到标准时间轴上，并在此基础上提出了可以扩展为无限用户数量的系统信号交流机制，解决了实际应用中UWB定位系统的时间同步问题以及定位用户受限，不能随意增减的问题。

技术方案：

本发明多用户超宽带室内定位系统的实现主要包含以下几个方面：

1.考虑到不同的基站和标签的时钟源相对于基准时间轴存在时钟漂移以及初始时刻偏差，建立时钟之间的线性模型，将系统时钟全部统一到基准时间轴。

2.建立高度灵活的系统信号交流机制：基站1为主站，协调系统的信号交流时序，同时向其他所有基站以及标签提供其时间信息。基站2-4为副站，在基站1的控制下，分别向标签提供时间信息。标签为实际中需要被定位的用户，通过接收基站1-4的时间信息，完成定位。标签只是被动接收来自基站的信号，不与基站进行双向信息交流，因此增减标签数量不影响系统基站的信号交流时序，系统可同时定位无限数量用户。

3.应用牛顿迭代法进行空间三维位置解算。

由图1可知：本发明提出的系统的时钟线性修正模型为：

t＝kⁱ×t⁽ⁱ⁾+t0i (1)

式中，t表示基准时间轴上的时刻，i代表第i个基站(标签)，kⁱ为第i个基站(标签)相对于基准时间轴的漂移率，t⁽ⁱ⁾表示第i个基站(标签)时刻，其对应基准时间轴上t时刻，t0i是第i个基站(标签)时刻与基准时间轴时刻存在的初始时钟偏差。

假设基站1在t⁽¹⁾时刻向其余所有基站以及标签发送定位信号，基站2与标签分别在t⁽¹²⁾和t⁽¹⁵⁾时刻接收到基站1发送的定位信号。然后基站2在t⁽²⁾时刻向标签发送定位信号，标签在t⁽²⁵⁾时刻接收到基站2的定位信号。设基站2发送信号与接收信号之间的时间间隔为Δt⁽²⁾，标签接收基站1与基站2的定位信号的时间间隔为Δt⁽²¹⁾。则根据上述时间可以计算出：

d15＝c×(t⁽¹⁵⁾|时间轴-t⁽¹⁾|时间轴)＝c×(k⁵×t⁽¹⁵⁾+t05-k¹×t⁽¹⁾-t01) (2)

d12＝c×(t⁽¹²⁾|时间轴-t⁽¹⁾|时间轴)＝c×(k²×t⁽¹²⁾+t02-k¹×t⁽¹⁾-t01) (3)

d25＝c×(t⁽²⁵⁾|时间轴-t⁽²²⁾|时间轴)＝c×(k⁵×t⁽²⁵⁾+t05-k²×t⁽²²⁾-t02) (4)

上述三个方程等号左边表示对应的基站间或基站与标签间的距离。对上述三个等式进行合并运算，消除基站(标签)时刻与基准时间轴时刻存在的初始时钟偏差，得：

d12+d25-d15＝λ⁵×Δt⁽²¹⁾-λ²×Δt⁽²⁾ (5)

上式中λⁱ＝c×kⁱ。同理，可以得到下述方程：

d13+d35-d15＝λ⁵×Δt⁽³¹⁾-λ³×Δt⁽³⁾ (6)

d14+d45-d15＝λ⁵×Δt⁽⁴¹⁾-λ⁴×Δt⁽⁴⁾ (7)

通过上述(5)-(7)方程可知系统的时间同步问题转化为上述三个方程中的系数λⁱ的求解问题。

系数λⁱ的求解可以通过下述方法实现：在理想视距环境中合理的位置安装基站1-4，因为参考基站是人为安装在固定的位置，所以基站1，基站2，基站3，基站4安装位置已知。假设某时刻，标签静止在固定已知位置进行上述信号交流机制，则上述(5),(6),(7)方程左侧的距离信息已知。假如方程右侧的时间可以测量，则可以根据经典最小二乘法通过多次位置实验求解λ²，λ³，λ⁴，λ⁵的最佳近似解。

上面讨论了在标签位置已知的情况下，如何通过经典最小二乘法求解出系数λⁱ，现在讨论标签位置未知情况下，系统如何实现定位。

系统正常工作时基站安装位置固定且已知，基站与标签间信号交流机制保持不变，则将方程(5),(6),(7)中第一项右移得到：

d25-d15＝λ⁵×Δt⁽²¹⁾-λ²×Δt⁽²⁾-d12 (8)

d35-d15＝λ⁵×Δt⁽³¹⁾-λ³×Δt⁽³⁾-d13 (9)

d45-d15＝λ⁵×Δt⁽⁴¹⁾-λ⁴×Δt⁽⁴⁾-d14 (10)

上述三个方程等式右边各项均为已知量，因此可以计算出三个方程的值，分别假设三个方程等式的值为d1，d2，d3。

假设基站1，基站2，基站3，基站4的位置坐标分别为(X1,Y1,Z1),(X2,Y2,Z2),(X3,Y3,Z3)，(X4,Y4,Z4)，标签的真实坐标为(X,Y,Z)。则上述三个方程两两相减可以得到下述方程组：

方程组(11)为非线性方程组，不便于求解。故采用牛顿迭代法将上述非线性方程组线性化求解即可不断更新标签的位置坐标。

根据前文描述，时间同步算法的核心即为距离标定时间。为了减小多径等问题对于该算法准确性的干扰，首先选择在理想视距环境下对于本发明设计的系统进行静态测距实验，确定时钟修正模型相关参数系数λⁱ。具体实验过程如下：

(1)选择空旷，无人员干扰的理想视距环境，将基站1-4固定在合适位置。用尺测量出基站天线间的直线距离d12，d13，d14。

(2)将标签固定在某一位置，用尺测量出基站天线与标签天线间的直线距离d15，d25，d35，d45。系统工作一个小时，采集数据样本。

(3)重复步骤(2)，每次更换标签位置，共进行10次重复性实验。

(4)通过最小二乘法对实验获得的样本数据，进行数学处理，求解参数λⁱ的最佳近似解。

本发明在的实际室内非视距环境中实验的安装示意图如图2所示。首先在室内将标签固定在点(2.485m，4.492m，1.483m)处，进行静态定位测试。图3，图4，图5表明本发明设计的系统在室内非视距情况下的静态定位精度可以达到10cm以内。为了进一步验证本发明的实用性，在室内非视距环境下进行动态实验。在实验中，标签固定在实验人员身上(标签高度为1.018m)，实验员在已建立的坐标系下，顺时针方向走过长4.000m，宽1.000米的矩形路线。由于实验中人员走动的过程中会产生抖动，所以系统的定位精度结果中必然包含一个人为随机干扰。但是由图6，图7可以看出，本发明在该实验环境下定位精度可以达到20cm左右，仍然可以保持高定位精度。