一种室内空间定位的UWB基站优化布设方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN114222243A(43)申请公布日2022.03.22(21)申请号202111368474.8(22)申请日2021.11.18(71)申请人浙江水利水电学院地址310018浙江省杭州市钱塘区学林街583号(72)发明人王川阳何冰黄伟朵(74)专利代理机构北京汇捷知识产权代理事务所(普通合伙)11531代理人武贵(51)Int.Cl.H04W4/02(2018.01)H04W4/33(2018.01)H04W16/18(2009.01)H04L41/14(2022.01)权利要求书2页说明书9页附图20页(54)发明名称一种室内空间定位的UWB基站优化布设方法(57)摘要本发明公开了一种室内空间定位的UWB基站优化布设方法，通过将GDOP应用于UWB的室内定位的性能评估，基于是否考虑时钟误差，公开了两类GDOP的概念，第一类GDOP考虑钟差，第二类GDOP不考虑钟差。同时，在GDOP最小化条件下，引入了圆锥构型，通过定位构型优化理论和方法，分析基站数目、空间结构因素对定位精度的影响，并根据定位空间GDOP分布情况，优化基站布设方案，从而提高定位精度和可靠性，本发明涉及空间定位方法技术领域。该室内空间定位的UWB基站优化布设方法，可实现GDOP描述测距误差与定位精度之间相对几何关系的影响，根据几何精度因子值评定定位构型的几何分布结构的好坏，精度因子值越小，基站组网的分布结构越好。CN114222243ACN114222243A权利要求书1/2页1.一种室内空间定位的UWB基站优化布设方法，其特征在于：具体包括以下步骤：S1、先将单点定位构型在三维定位距离方程非线性观测模型的基础上，通过加入钟差参数Δ，得出单点定位中的距离观测方程：Li＝di(X)+Δ+εi(i＝1,2,L,n)；S2、计算第一类GDOP考虑钟差，其表达式为：式中，为距离方程的雅克比矩阵，ei＝[x‑xi,y‑yi,z‑zi]/di(X)为未知点到已知点的方向余弦矩阵；S3、当顾及钟差时，第二类GDOP可表示为：T式中，J″＝[J′kn]为伪距方程的雅克比矩阵，kn＝[11L1]为决定钟差的设计矩阵；S4、作为基站与标签的几何因子，GDOP描述测量误差与位置参数估计的相对关系，针对m维定位，GDOP最小值条件的矩阵形式表示为：式中，n代表基站数目，knJ′＝0表示在消除钟差方面，对称性起到重要作用。2.根据权利要求1所述的一种室内空间定位的UWB基站优化布设方法，其特征在于：所述步骤S1中单点定位构型是由未知待定点与已知控制点构成的定位图形。3.根据权利要求1所述的一种室内空间定位的UWB基站优化布设方法，其特征在于：所述步骤S1中三维定位距离方程非线性观测模型为：Li＝di(X)+εi(i＝1,2,L,n)，式中，Li表T示标签与第i个基站的观测距离，L＝[L1L2LLn]表示观测向量，为基站与标签的欧氏距离，(xi,yi,zi)是基站已知坐标X＝[x,y,z]是未知标签的坐标向量，P＝diag(p1,p2,L,pn)是观测值权阵，εi表示随机误差。4.根据权利要求1所述的一种室内空间定位的UWB基站优化布设方法，其特征在于：所述步骤S4中基站数目越多，最小GDOP值也越小，通过增加多余观测量，能够有效减小GDOP值，从而减少定位误差。5.根据权利要求4所述的一种室内空间定位的UWB基站优化布设方法，其特征在于：基站个数的增多也意味着冗余信息的增多，能够提高定位参数估计的精度。6.根据权利要求1所述的一种室内空间定位的UWB基站优化布设方法，其特征在于：当基站数目和测量误差固定的情况下，基于GDOP值最小化的优化布设使得位置估计精度更加精确。7.根据权利要求6所述的一种室内空间定位的UWB基站优化布设方法，其特征在于：定位精度并不会随着基站个数增加不断增大，当基站增加到一定数量后，继续增加基站数目对定位精度的提升是相当有限的。8.根据权利要求7所述的一种室内空间定位的UWB基站优化布设方法，其特征在于：在获取足够定位精度的条件下，并不需要大量的基站，并且基站个数的增加意味着系统设备2CN114222243A权利要求书2/2页的安装成本加大。3CN114222243A说明书1/9页一种室内空间定位的UWB基站优化布设方法技术领域[0001]本发明涉及空间定位方法技术领域，具体为一种室内空间定位的UWB基站优化布设方法。背景技术[0002]定位参数估计的精确度与观测数据质量、定位算法和定位空间几何构型有关，GDOP起源于美国的罗兰C导航系统，描述卫星空间定位几何构型对单点定位估计结果的影响。作为一种测量误差的比例放大因子，GDOP值越小，系统定位精度越高，是衡量导航定位性能的一个重要