本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一直提高TOA無線定位系統(tǒng)抵抗水分含量變化影響能力的方法。

背景技術(shù)：

為了獲取特定人員和物品的精確位置是十分重要的，目前該問題通常利用三點(diǎn)定位方法予以解決，即通過已知三個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，測得目標(biāo)到三個(gè)點(diǎn)的距離或者角度，利用幾何算法求得目標(biāo)的位置坐標(biāo)。三點(diǎn)定位中的測角方法需要昂貴的智能型的陣列天線系統(tǒng)，因此在高精度定位的市場化中難以推廣。所以三點(diǎn)定位中普遍使用測距方法。

測距一般有兩種方法，即利用信號強(qiáng)度(RSS)方式或利用信號到達(dá)時(shí)間(TOA)方式。RSS方式有其固有缺點(diǎn)，如定位的精度比較低、覆蓋的范圍小、在惡劣環(huán)境下無法工作等等。而采用TOA技術(shù)可以克服這些缺點(diǎn)，其定位精度最大可小于1米。

TOA方法通過測量無線信號從目標(biāo)至信號基站的傳播時(shí)間，并乘以無線信號的傳播速度得到基站距目標(biāo)的距離。該方式具有精度高、基站的覆蓋范圍大、適于抗惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。該方法中的硬件由定位系統(tǒng)由服務(wù)器、基站和標(biāo)識卡等部件組成。由于在平面定位中，至少要有三個(gè)基站，因此本方法中需要三個(gè)或三個(gè)以上的基站。基站的坐標(biāo)是已知并固定的，即三點(diǎn)定位中的三個(gè)點(diǎn)，也稱錨點(diǎn)。標(biāo)識卡固定在待定位的目標(biāo)上。服務(wù)器的功能包括完成后臺的設(shè)備管理、顯示地圖、根據(jù)標(biāo)識卡到多個(gè)基站的距離計(jì)算出標(biāo)識卡的位置坐標(biāo)并顯示在地圖上等等。

如圖1所示，在理想條件下，分別以三個(gè)基站A、B和C為圓心，以每個(gè)基站測得的與目標(biāo)間的距離為半徑(AT、BT和CT)做圓，所相交的點(diǎn)即為目標(biāo)坐標(biāo)。但是由于空氣中存在的水分會使無線信號在空氣中傳播的速度發(fā)生改變，較標(biāo)準(zhǔn)條件下測定的傳播速度快或慢，造成基站實(shí)際測得的與目標(biāo)之間的距離變大或者變小，使得三個(gè)圓相交部分不為一點(diǎn)。如圖2所示，在實(shí)際應(yīng)用中，一般分別以A、B和C三個(gè)基站的坐標(biāo)作為圓心以所測得的AT、BT和CT作為半徑做圓，求得三個(gè)圓的6個(gè)交點(diǎn)位置。由于目標(biāo)T的位置應(yīng)在A、B和C三個(gè)基站所圍成的三角形內(nèi)部，據(jù)此可以確定符合要求的三個(gè)交點(diǎn)(C1、C2和C3)。將此三個(gè)交點(diǎn)作為頂點(diǎn)做三角形，將該三角形的中心C作為目標(biāo)的位置T’。從圖中可以看出，空氣中水分的影響降低了三點(diǎn)定位方法的精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的提高TOA無線定位系統(tǒng)抵抗水分含量變化影響能力的方法，減少了定位時(shí)基站計(jì)算與目標(biāo)間的距離時(shí)由于空氣中水分含量對無線信號傳播速度造成的影響，提高了對目標(biāo)的定位精度。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述提其特征在于，包括如下步驟：

(1)讀取基站坐標(biāo)；

(2)讀取目標(biāo)T周圍所有基站識別到的目標(biāo)T所發(fā)出的無線信號強(qiáng)度及之間的距離，；

(3)根據(jù)信號強(qiáng)度的大小選出三個(gè)信號質(zhì)量最好的基站A、B、C及其坐標(biāo)(x_a，y_a)、(x_b，y_b)和(x_c，y_c)；

(4)根據(jù)信號到達(dá)基站時(shí)間與無線電波在空氣中傳播的速度，分別計(jì)算根據(jù)由目標(biāo)T發(fā)出的信號至基站A、B和C之間的距離AT、BT和CT；

(5)計(jì)算目標(biāo)T到三個(gè)基站距離的比例β_ab＝AT/BT、β_ca＝CT/AT和β_bc＝BT/CT；

(6)列出二次方程組：

β²_ab＝AT²/BT²＝(x-xa)²+(y-y_a)²/(x-xb)²+(y-y_b)² (1)；

β²_ca＝CT²/AT²＝(x-xc)²+(y-y_c)²/(x-xa)²+(y-y_a)² (2)；

β²_bc＝BT²/CT²＝(x-xb)²+(y-y_b)²/(x-xc)²+(y-y_c)² (3)；

利用式(1)和(3)求得兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)PB₁(x_b1，y_b1)、PB₂(x_b2，y_b2)，通過式(1)和(2)獲得PA₁(_xa1，y_a1)、PA₂(_xa2，y_a2)，通過式(2)和(3)獲得PC₁(x_c1，y_c1)、PC₂(x_c2，y_c2)；

(7)求得步驟(6)中(x_a1，y_a1)、(x_a2，y_a2)至基站A的矢量距離AA₁和AA₂，并分別與AT進(jìn)行比較，其中與AT相差較小者被標(biāo)示為(x’_a，y’_a)，同理可分別求出(x’_b，y’_b)和(x’_c，y’_c)；

(8)利用步驟(7)中(x’_a，y’_a)、(x’_b，y’_b)和(x’_c，y’_c)三點(diǎn)做三角形，并將此三角形三邊中線的交點(diǎn)作為目標(biāo)T的定位位置T‘。

進(jìn)一步地，所述步驟(2)中接收到目標(biāo)T所發(fā)出的無線信號基站至少為3個(gè)，若小于3個(gè)，則放棄此次定位。

進(jìn)一步地，所述步驟(8)所得三角形的外接圓覆蓋范圍被視為目標(biāo)T位置的誤差范圍。

本方面還提供了用于實(shí)現(xiàn)上述方法的TOA無線定位系統(tǒng)，包括至少3個(gè)基站、定位設(shè)備和目標(biāo)識別卡，基站接收目標(biāo)識別卡發(fā)出的無線信號并傳輸至定位設(shè)備，定位設(shè)備包括交直流轉(zhuǎn)換模塊、直流供電模塊、開關(guān)及復(fù)位模塊、處理器、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、防水分干擾算法模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、設(shè)備顯示模塊，流電經(jīng)交直流轉(zhuǎn)換模塊、直流供電模塊后與處理器相連為其供電，開關(guān)及復(fù)位模塊連接在直流供電模塊與處理器之間用于控制處理器的復(fù)位，網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊接收基站發(fā)出的無線信號并通過處理器分配至防水風(fēng)干擾算法模塊進(jìn)行處理，防水分干擾算法模塊采用DSP高速運(yùn)算芯片，處理結(jié)果存入數(shù)據(jù)存儲模塊并通過設(shè)備顯示模塊進(jìn)行顯示。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：由于本發(fā)明中所描述方法在基于到達(dá)時(shí)間的無線定位系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)定位時(shí)，并不直接使用基站所測得的與目標(biāo)間的距離，而使用兩基站測得與目標(biāo)間距離之比和已知的基站間的距離作為定位的依據(jù)，該方法減少了定位時(shí)基站計(jì)算與目標(biāo)間的距離時(shí)由于空氣中水分含量對無線信號傳播速度造成的影響，提高了對目標(biāo)的定位精度。

附圖說明

圖1是三點(diǎn)定位原理以及收到空氣水分影響后的誤差示意圖。

圖2是三點(diǎn)定位方法中對空氣水分影響的處理方法示意圖。

圖3是設(shè)備現(xiàn)場布置網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

圖4為定位設(shè)備從現(xiàn)場基站提取目標(biāo)位置信息的設(shè)備及過程示意圖。

圖5為定位設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能簡圖

具體實(shí)施方式

下面通過附圖對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。

實(shí)施例1：以一具體實(shí)施例說明本方法的實(shí)際使用。

測試當(dāng)天濕度為80％，測試環(huán)境為一高層建筑室內(nèi)施工現(xiàn)場，現(xiàn)場面積645平方米。

(1)在需定位的場地周圍，布置7臺基站和1臺服務(wù)器，讀取基站坐標(biāo)；

(2)當(dāng)目標(biāo)T進(jìn)入定位范圍內(nèi)，對目標(biāo)所攜帶的信號發(fā)射裝置所發(fā)出的信號進(jìn)行接收測試，選擇信號強(qiáng)度最佳的三臺基站用于定位，

(3)根據(jù)信號強(qiáng)度的大小選出三個(gè)信號質(zhì)量最好的基站A、B、C及其坐標(biāo)(x_a，y_a)、(x_b，y_b)和(x_c，y_c)；

(4)根據(jù)信號到達(dá)基站時(shí)間與無線電波在空氣中傳播的速度，分別計(jì)算根據(jù)由目標(biāo)T發(fā)出的信號至基站A、B和C之間的距離AT、BT和CT；

(5)計(jì)算目標(biāo)T到三個(gè)基站距離的比例β_ab＝AT/BT、β_ca＝CT/AT和β_bc＝BT/CT；

(6)列出二次方程組：

β²_ab＝AT²/BT²＝(x-x_a)²+(y-y_a)²/(x-x_b)²+(y-y_b)² (1)；

β²_ca＝CT²/AT²＝(x-x_c)²+(y-y_c)²/(x-x_a)²+(y-y_a)² (2)；

β²_bc＝BT²/CT²＝(x-x_b)²+(y-y_b)²/(x-x_c)²+(y-y_c)² (3)；

利用式(1)和(3)求得兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)PB₁(x_b1，y_b1)、PB₂(x_b2，y_b2)，通過式(1)和(2)獲得PA₁(x_a1，y_a1)、PA₂(x_a2，y_a2)，通過式(2)和(3)獲得PC₁(x_c1，y_c1)、PC₂(x_c2，y_c2)；

(7)求得步驟(6)中(x_a1，y_a1)、(x_a2，y_a2)至基站A的矢量距離AA₁和AA₂，并分別與AT進(jìn)行比較，其中與AT相差較小者被標(biāo)示為(x’_a，y’_a)，同理可分別求出(x’_b，y’_b)和(x’_c，y’_c)；

(8)利用步驟(7)中(x’_a，y’_a)、(x’_b，y’_b)和(x’_c，y’_c)三點(diǎn)做三角形，并將此三角形三邊中線的交點(diǎn)作為目標(biāo)T的定位位置T‘。

當(dāng)目標(biāo)T位于坐標(biāo)(50,50)時(shí)對其進(jìn)行定位，首先使用一般方法對目標(biāo)T進(jìn)行定位計(jì)算，可以得到定位目標(biāo)T1的坐標(biāo)為(55,54)；然后使用本發(fā)明方法對目標(biāo)進(jìn)行定位計(jì)算：先從設(shè)置的7臺基站中選出信號強(qiáng)度最好的三個(gè)基站，它們的位置分別是A(20,70)、B(30,20)、C(70,100)，此時(shí)可以得到基站測得的目標(biāo)T與它們的距離為AT＝39.48、BT＝39.89和CT＝55.96。通過以上數(shù)據(jù)，得到β_ab＝0.989、β_ca＝1.417和β_bc＝0.713。利用式(1)和(3)求得兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)PB1(-109.42954，22.20152)、PB2(51.69617，50.63546)，通過式(1)和(2)獲得PA1(-109.42367，22.20235)、PA2(51.69575，50.63537)，通過式(2)和(3)獲得PC1(-109.42474，22.20706)、PC2(51.69571，50.63571)。從數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，利用距離的比值作為已知量對方程進(jìn)行求解，可以排除目標(biāo)和基站之間距離絕對值大小對計(jì)算結(jié)果的影響，無論目標(biāo)值距離某一基站的距離多少，最終得出的結(jié)果均相差不多，即排除了水分對測距結(jié)果的影響。前述步驟7)能夠得到以PB2、PA2和PC2為頂點(diǎn)的三角形，并找到其中點(diǎn)坐標(biāo)為T‘,即用本文所述方法得到的目標(biāo)點(diǎn)位置T2(51.69588，50.63551)。這可將目標(biāo)點(diǎn)的位置T鎖定在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，雖然不能百分之百正確確定目標(biāo)位置，但是其偏差已經(jīng)得到了有效的縮小。通過比較可知，由本發(fā)明所述方法測得目標(biāo)T2位置距目標(biāo)T的真實(shí)位置(50,50)的矢量距離比一般方法減少了約38.2，說明定位精度提高；分別計(jì)算兩種定位方法所得到的步驟8)所述三角形的外接圓，發(fā)現(xiàn)本發(fā)明所述方法的外接圓面積小于一般方法所得到外接圓面積。說明本發(fā)明方法的定位誤差要優(yōu)于一般定位方法。

由實(shí)施例可以得到，本發(fā)明所述定位方法簡單、實(shí)用，且不需要額外的計(jì)算機(jī)及硬件資源支持，在濕度達(dá)到80％時(shí)，利用原有定位設(shè)備所得到的數(shù)據(jù)，能夠提高定位的精度，并減小定位誤差。

本設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖3所示，其中關(guān)鍵設(shè)備無線網(wǎng)橋性能應(yīng)達(dá)到以下要求：

1)工作電壓：交流220V；

2)工作電流：160mA；

3)通信距離：CAN總線10千米，無線通信距離1200米；

4)通信速率：125Kbps；

5)環(huán)境大氣壓80kPa～110kPa；

6)環(huán)境溫度-20℃～+70℃；

7)周圍空氣相對濕度不大于95％(25℃時(shí))；

8)在無破壞絕緣的氣體和蒸氣的環(huán)境；

9)在無滴水的地方。

定位基站應(yīng)達(dá)到以下要求：

1)工作電壓：交流220V；

2)工作電流：160mA；

3)通信距離：CAN總線10千米，無線通信距離1200米；

4)通信速率：125Kbps；

5)環(huán)境大氣壓80kPa～110kPa；

6)環(huán)境溫度-20℃～+70℃；

7)周圍空氣相對濕度不大于95％(25℃時(shí))；

8)在無破壞絕緣的氣體和蒸氣的環(huán)境；

9)在無滴水的地方。

如圖4、圖5所示的TOA無線定位系統(tǒng)，包括7個(gè)基站、定位設(shè)備、目標(biāo)識別卡，基站接收目標(biāo)識別卡發(fā)出的無線信號并傳輸至定位設(shè)備；定位設(shè)備包括交直流轉(zhuǎn)換模塊、直流供電模塊、開關(guān)及復(fù)位模塊、處理器、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、防水分干擾算法模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、設(shè)備顯示模塊，流電經(jīng)交直流轉(zhuǎn)換模塊、直流供電模塊后與處理器相連為其供電，開關(guān)及復(fù)位模塊連接在直流供電模塊與處理器之間用于控制處理器的復(fù)位，網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊接收基站發(fā)出的無線信號并通過處理器分配至防水風(fēng)干擾算法模塊進(jìn)行處理，防水分干擾算法模塊采用DSP高速運(yùn)算芯片，處理結(jié)果存入數(shù)據(jù)存儲模塊并通過設(shè)備顯示模塊進(jìn)行顯示。

如上所述，盡管參照特定的優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)表示和表述了本發(fā)明，但其不得解釋為對本發(fā)明自身的限制。在不脫離所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明的精神和范圍前提下，可對其在形式上和細(xì)節(jié)上作出各種變化。