本發(fā)明屬于無線電技術(shù)和室內(nèi)定位技術(shù)的改進領(lǐng)域，尤其涉及一種基于uwb與wifi結(jié)合高精度的室內(nèi)等位方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著通信行業(yè)的快速發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的逐漸成熟，人們希望能夠?qū)崟r掌握某一人或某一物體的具體位置，以獲取其動態(tài)信息和提供服務(wù)。在室外環(huán)境，gps、北斗等定位系統(tǒng)能提供位置信息服務(wù)，但在衛(wèi)星信號較弱的建筑物內(nèi)，往往無法接收衛(wèi)星信號，不能獲取當前所在的地理位置信息。室內(nèi)環(huán)境的定位十分有必要，能夠為人們提供更多的體驗服務(wù)，是未來發(fā)展的趨勢。

室內(nèi)定位與傳統(tǒng)的衛(wèi)星定位及蜂窩定位系統(tǒng)不同，室內(nèi)定位的環(huán)境范圍小、直達波路徑嚴重缺失、信道非平穩(wěn)。室內(nèi)定位技術(shù)在定位精度、穩(wěn)健性、安全性、方向判斷、標示識別及復(fù)雜度等方面有著自己的特點。比如定位精度，定位精度是衡量一個定位系統(tǒng)的重要指標，特別是針對空間狹小的室內(nèi)環(huán)境，幾年前對室內(nèi)定位的精度還沒有明確的概念，像寫字樓內(nèi)的定位還只是要求精確到某個“房間”就可以了，但是近年來的電子技術(shù)飛速發(fā)展，特別是服務(wù)業(yè)的機器人和自動化機械裝置都需要較高的定位精度。比如穩(wěn)健性，在室內(nèi)復(fù)雜多變的環(huán)境下，很難保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，室內(nèi)目標位置的變化幅度往往很大，這對系統(tǒng)適應(yīng)環(huán)境的能力就有了更高的要求。

室內(nèi)定位在國內(nèi)外民用、軍用方面的運用目前處于起步階段，但是每年的的需求處于爆發(fā)性的增長階段，故開發(fā)高精度的室內(nèi)定位是非常有現(xiàn)實意義和廣闊的市場。

目前常用的室內(nèi)定位技術(shù)有紅外線室內(nèi)定位、超聲波室內(nèi)定位、藍牙室內(nèi)定位、rfid室內(nèi)定位、wifi室內(nèi)定位、zigbee室內(nèi)定位、麥克風(fēng)室內(nèi)定位和超寬帶(ultrawideband，uwb)室內(nèi)定位等。其中，wifi室內(nèi)定位、zigbee室內(nèi)定位精度較低，一般為3-20m，對于室內(nèi)定位而言，這樣的精度太低，不實用。rfid技術(shù)的定位精度可以達到1-2m，但是要求標簽的密度必須足夠大，鋪設(shè)系統(tǒng)和管理都很麻煩，而且成本高。紅外線室內(nèi)定位由于光線不能穿過障礙物，使得紅外射線僅能視距傳播。直線視距和傳輸距離較短這兩大主要缺點使紅外線室內(nèi)定位的效果很差，紅外線只適合短距離傳播，而且容易被熒光燈或者房間內(nèi)的燈光干擾，在精確定位上有局限性。藍牙室內(nèi)定位中藍牙器件和設(shè)備的價格比較昂貴，而且對于復(fù)雜的空間環(huán)境，藍牙系統(tǒng)的穩(wěn)定性稍差，受噪聲信號干擾大；超聲波室內(nèi)定位超聲波受多徑效應(yīng)和非視距傳播影響很大，同時需要大量的底層硬件設(shè)施投資，成本太高。超寬帶系統(tǒng)與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)相比，具有穿透力強、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供精確定位精度等優(yōu)點。因此，超寬帶技術(shù)可以應(yīng)用于室內(nèi)靜止或者移動物體以及人的定位跟蹤與導(dǎo)航，且能提供十分精確的定位精度。而超寬帶技術(shù)的定位精度可以達到厘米級，定位精度高，抗干擾能力強，并且不需布設(shè)大量節(jié)點，從而成為室內(nèi)定位的熱門技術(shù)。超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)是到目前為止最適合應(yīng)用于室內(nèi)定位的無線通信技術(shù)。超寬帶技術(shù)具有數(shù)據(jù)傳輸率高、功率小、隱蔽性好、保密性強、穿透能力強、多徑分辨力強和抗干擾能力強等特點，在測距和定位應(yīng)用上具有精度高、可靠性強的優(yōu)點。

而已有的超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)一般采用估計信號到達時間的方式來完成測距，進一步計算出目標的坐標。由于各個節(jié)點間是獨立的，因此在時間上是不同步的，即異步的，這給估計信號到達時間帶來了麻煩，若采用數(shù)據(jù)線將各基站連接起來實現(xiàn)同步，則會增加系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。并且不同的節(jié)點，晶振的頻率也有偏差，這也會降低估計信號到達時間的準確度，從而降低定位精度。

uwb與wifi結(jié)合的高精度室內(nèi)定位系統(tǒng)采用雙程測距估計信號到達時間的方法進行測距，減小了時鐘不同步帶來的誤差，然后利用牛頓迭代解算目標點在空間坐標系中的坐標。利用wifi可以輔助超寬帶進行無線數(shù)據(jù)的收發(fā)，減小系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本，進而提高系統(tǒng)的準確性和有效性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于uwb與wifi結(jié)合高精度的室內(nèi)定位方法，旨在解決上述的技術(shù)問題。

本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種基于uwb與wifi結(jié)合高精度的室內(nèi)定位方法，所述室內(nèi)定位方法包括以下步驟：

a、確認目標標簽和不在同一直線上的四個基站；

b、控制標簽和每個基站進行多次通信并分別記錄收發(fā)信號的本地時間；

c、根據(jù)標簽收發(fā)信號的本地以及每個基站收發(fā)信號的本地時間分別計算每個基站與標簽之間的距離；

d、根據(jù)計算的得到的距離利用牛頓迭代計算結(jié)果確定標簽位置和系統(tǒng)時間誤差；其公式為：其，(x⁽¹⁾，y⁽¹⁾，z⁽¹⁾)、(x⁽²⁾，y⁽²⁾，z⁽²⁾)、(x⁽³⁾，y⁽³⁾，z⁽³⁾)、(x⁽⁴⁾，y⁽⁴⁾，z⁽⁴⁾)分別為基站的空間坐標，(x，y，z)為標簽的空間坐標，每個基站與標簽之間的距離分別為s1、s2、s3、s4，δtu為系統(tǒng)時間誤差。

本發(fā)明的進一步技術(shù)方案是：所述步驟a中還包括以下步驟：

a1、調(diào)整標簽的位置以使標簽固定于待定位目標的頂部。

本發(fā)明的進一步技術(shù)方案是：所述步驟b中還包括以下步驟：

b1、控制標簽發(fā)送第一信號至錨節(jié)點，并記錄標簽發(fā)送第一信號的標簽本地時間為第一時間；

b2、記錄錨節(jié)點接收到第一信號的本地時間為第二時間，控制錨節(jié)點等待預(yù)設(shè)時間后發(fā)送第一反饋信號至標簽，并記錄錨節(jié)點發(fā)送第一反饋信號的本地時間為第三時間；

b3、記錄標簽接收到第一反饋信號的本地時間為第四時間，等待預(yù)設(shè)時間后，控制標簽發(fā)送第二信號至錨節(jié)點，并記錄標簽發(fā)送第二信號本地時間為第五時間；

b4、記錄錨節(jié)點接收到第二信號的本地時間為第六時間；

b5、重復(fù)步驟b1-b4，分別記錄每個錨節(jié)點發(fā)出信號和接收信號的錨節(jié)點本地時間。

本發(fā)明的進一步技術(shù)方案是：所述步驟c中還包括以下步驟：

c1、根據(jù)標簽與每個錨節(jié)點對應(yīng)的第一時間、第二時間、第三時間、第四時間、第五時間及第六時間計算信號在標簽與錨節(jié)點之間單次傳輸所需的傳輸時間；

c2、將傳輸時間乘以光速，獲得每個錨節(jié)點與標簽的距離。

本發(fā)明的進一步技術(shù)方案是：所述步驟d中還包括以下步驟：

d1、根據(jù)距離計算結(jié)果，獲取四個基站與標簽的距離分別為s1、s2、s3、s4；

d2、建立空間坐標系，獲取四個基站的位置，根據(jù)空間幾何關(guān)系和牛頓迭代算法解算標簽的空間坐標，確定標簽位置，其公式為：

其中，(x⁽¹⁾，y⁽¹⁾，z⁽¹⁾)、(x⁽²⁾，y⁽²⁾，z⁽²⁾)、(x⁽³⁾，y⁽³⁾，z⁽³⁾)、(x⁽⁴⁾，y⁽⁴⁾，z⁽⁴⁾)分別為四個基站的空間坐標，(x，y，z)為標簽的空間坐標，δtu為系統(tǒng)時間誤差。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于uwb與wifi結(jié)合高精度的室內(nèi)定位系統(tǒng)，所述室內(nèi)定位方法包括：

確定模塊，用于確認目標標簽和不在同一直線上的四個基站；

時間記錄模塊，控制標簽和每個基站進行多次通信并分別記錄收發(fā)信號的本地時間；

距離計算模塊，用于根據(jù)標簽收發(fā)信號的本地以及每個基站收發(fā)信號的本地時間分別計算每個基站與標簽之間的距離；

位置確定模塊，用于根據(jù)計算的得到的距離利用牛頓迭代計算結(jié)果確定標簽位置和系統(tǒng)時間誤差；其公式為：其，(x⁽¹⁾，y⁽¹⁾，z⁽¹⁾)、(x⁽²⁾，y⁽²⁾，z⁽²⁾)、(x⁽³⁾，y⁽³⁾，z⁽³⁾)、(x⁽⁴⁾，y⁽⁴⁾，z⁽⁴⁾)分別為基站的空間坐標，(x，y，z)為標簽的空間坐標，每個基站與標簽之間的距離分別為s1、s2、s3、s4，δtu為系統(tǒng)時間誤差。

本發(fā)明的進一步技術(shù)方案是：所述確定模塊中還包括：

標簽調(diào)整單元，用于調(diào)整標簽的位置以使標簽固定于待定位目標的頂部。

本發(fā)明的進一步技術(shù)方案是：所述時間記錄模塊中還包括：

第一記錄單元，用于控制標簽發(fā)送第一信號至錨節(jié)點，并記錄標簽發(fā)送第一信號的標簽本地時間為第一時間；

第二記錄單元，用于記錄錨節(jié)點接收到第一信號的本地時間為第二時間，控制錨節(jié)點等待預(yù)設(shè)時間后發(fā)送第一反饋信號至標簽，并記錄錨節(jié)點發(fā)送第一反饋信號的本地時間為第三時間；

第三記錄單元，用于記錄標簽接收到第一反饋信號的本地時間為第四時間，等待預(yù)設(shè)時間后，控制標簽發(fā)送第二信號至錨節(jié)點，并記錄標簽發(fā)送第二信號本地時間為第五時間；

第四記錄單元，用于記錄錨節(jié)點接收到第二信號的本地時間為第六時間；

重復(fù)記錄單元，用于重復(fù)第一記錄單元-第二記錄單元，分別記錄每個錨節(jié)點發(fā)出信號和接收信號的錨節(jié)點本地時間。

本發(fā)明的進一步技術(shù)方案是：所述距離計算模塊中還包括：

單次傳輸時間計算單元，用于根據(jù)標簽與每個錨節(jié)點對應(yīng)的第一時間、第二時間、第三時間、第四時間、第五時間及第六時間計算信號在標簽與錨節(jié)點之間單次傳輸所需的傳輸時間；

距離計算單元，用于將傳輸時間乘以光速，獲得每個錨節(jié)點與標簽的距離。

本發(fā)明的進一步技術(shù)方案是：所述位置確定模塊中還包括：

距離獲取單元，用于根據(jù)距離計算結(jié)果，獲取四個基站與標簽的距離分別為s1、s2、s3、s4；

位置確定單元，用于建立空間坐標系，獲取四個基站的位置，根據(jù)空間幾何關(guān)系和牛頓迭代算法解算標簽的空間坐標，確定標簽位置，其公式為：其中，(x⁽¹⁾，y⁽¹⁾，z⁽¹⁾⁾、(x⁽²⁾，y⁽²⁾，z⁽²⁾)、(x⁽³⁾，y⁽³⁾，z⁽³⁾)、(x⁽⁴⁾，y⁽⁴⁾，z⁽⁴⁾)分別為四個基站的空間坐標，(x，y，z)為標簽的空間坐標，δtu為系統(tǒng)時間誤差。

本發(fā)明的有益效果是：在不知道標簽與四個基站的起始時鐘的前提下也可以準確地測量電磁波的傳播時間，避免了由于時鐘同步誤差所引起的結(jié)果誤差，使用wifi輔助超寬帶進行無線數(shù)據(jù)的收發(fā)，wifi無線傳輸測量時間不與超寬帶沖突，減少了系統(tǒng)的復(fù)雜度，通過牛頓迭代對測量距離進行空間位置估計，提高測量結(jié)果的準確性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的基于uwb與wifi結(jié)合高精度的室內(nèi)定位方法的流程圖。

圖2是本發(fā)明實施例提供的一個應(yīng)用實例中標簽點和至少四個基站位置示意圖。

圖3是本發(fā)明實施例提供的基于uwb與wifi結(jié)合高精度的室內(nèi)定位方法的第二個實施例的流程示意圖。

圖4是本發(fā)明實施例提供的基于uwb與wifi結(jié)合高精度的室內(nèi)定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本發(fā)明實施例提供的基于uwb與wifi結(jié)合高精度的室內(nèi)定位位系統(tǒng)的第二個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是本發(fā)明實施例提供的定位計算原理空間幾何示意圖。

圖7是本發(fā)明實施例提供的回程測距的原理示意圖。

圖8是本發(fā)明實施例提供的牛頓迭代解算的示意圖。

具體實施方式

圖1示出了本發(fā)明提供的基于uwb與wifi結(jié)合高精度的室內(nèi)定位方法的流程圖，詳述如下：

步驟s1，確認目標標簽和不在同一直線上的四個基站；確定標簽和基站，其中，標簽固定于待定位目標，四個基站中任三個不在同一直線上，四個基站形成一個矩形布置在室內(nèi)的四個角落上，距離地面的高度為h。以上所說的基站和標簽是指不同的uwb和wifi收發(fā)機。

步驟s2，控制標簽和每個基站進行多次通信并分別記錄收發(fā)信號的本地時間；控制基站與標簽進行兩次以上的雙程通信，并當基站與標簽收到信號時等待預(yù)設(shè)時間再發(fā)出信號，分別記錄標簽發(fā)出信號和接收到信號的標簽本地時間以及每個基站發(fā)出信號和接收到信號的基站本地時間。

信號發(fā)出并收到反饋信號記為一次回程通信，基站與標簽之間進行至少兩次回程通信是指基站和標簽發(fā)送至少兩次信號，并且標簽接收到發(fā)出信號次數(shù)等同次數(shù)的單個基站發(fā)出的反饋信號。需要指出的是，每次回程通信過程中標簽發(fā)出的信號可以不相同?？刂茊崦總€基站與標簽至少進行兩次回程通信，并在進行回程通信過程中，無論是標簽還是基站在接收到信號后需等待預(yù)設(shè)時間后再發(fā)出信號，記錄整個回程通信過程中，標簽發(fā)出信號和接收到信號的標簽本地時間、基站發(fā)出信號和接收到信號的基站本地時間，由于標簽的時間記錄是基于標簽本地時間而基站的時間記錄是基于基站本地時間，基于不同的時間記錄，在距離計算過程中基站與標簽間無需時間同步即可實現(xiàn)高精度定位。針對每個基站與標簽之間進行回程通信過程中的時間分別記錄，以便在后續(xù)過程中，單獨計算每個基站與標簽之間距離。一般來說，預(yù)設(shè)時間的目的是留出足夠的時間給基站來處理接收的測試信息幀和準備好回復(fù)信息幀，預(yù)設(shè)時間并沒有絕對的值，要視節(jié)點超寬帶收發(fā)機的處理速度，只要時間足夠給基站來處理就可以。

下面以標簽與基站1之間進行兩次回程通信為例詳細解釋步驟s2的過程。

標簽向基站1發(fā)送請求測距信號，記錄標簽發(fā)出請求測距信號的標簽本地時間；基站1接收到請求測距信號，記錄基站1收到請求測距信號的基站1本地時間，等待預(yù)設(shè)時間后基站1反饋同意測距信號至標簽，記錄基站1發(fā)出反饋同意測距信號的基站1本地時間，標簽接收同意測距信號，記錄標簽1接收同意測距信號的標簽本地時間，等待預(yù)設(shè)時間后標簽1記錄標簽本地時間，發(fā)送自身已記錄的時間參數(shù)至基站1，基站1接收標簽發(fā)送過來的時間參數(shù)，并記錄接收到時間參數(shù)的基站1本地時間。

步驟s3，根據(jù)標簽收發(fā)信號的本地以及每個基站收發(fā)信號的本地時間分別計算每個基站與標簽之間的距離；根據(jù)標簽發(fā)出信號和接收到信號的標簽本地時間以及每個基站發(fā)出信號和接收到信號的基站本地時間，分別計算至少四個基站與標簽之間的距離，獲得距離計算結(jié)果。

基于步驟s2中記錄的時間以及預(yù)設(shè)時間可以計算出標簽與單個基站之間單次信號傳輸所需時間，信號在空氣中傳播速度近似光速，已知傳輸時間和傳輸速度即可計算出標簽與每個基站之間距離。非必要的，在步驟s3可以采用計算多次基站與標簽之間信號傳輸所需時間，再除以傳輸次數(shù)，采用平均值的方式減小誤差、提高數(shù)據(jù)準確度。

步驟s4，根據(jù)計算的得到的距離利用牛頓迭代計算結(jié)果確定標簽位置和系統(tǒng)時間誤差；其公式為：其，(x⁽¹⁾，y⁽¹⁾，z⁽¹⁾)、(x⁽²⁾，y⁽²⁾，z⁽²⁾)、(x⁽³⁾，y⁽³⁾，z⁽³⁾)、(x⁽⁴⁾，y⁽⁴⁾，z⁽⁴⁾)分別為基站的空間坐標，(x，y，z)為標簽的空間坐標，每個基站與標簽之間的距離分別為s1、s2、s3、s4，δtu為系統(tǒng)時間誤差。根據(jù)距離計算結(jié)果，確定標簽位置。

在步驟s3中已經(jīng)獲得每個基站與標簽之間距離，基站位置固定且已知，構(gòu)建空間坐標系并采用空間幾何計算，即可確定標簽位置，由于標簽固定于待定位目標，當標簽位置確定后，待定位目標的位置也已確定。

本發(fā)明uwb與wifi結(jié)合的高精度室內(nèi)定位方法，確定標簽固定于待定位目標，四個基站中任三個不在同一直線上，四個基站形成一個矩形，距固定于室內(nèi)任意位置，分別記錄標簽發(fā)送信號至基站的標簽本地時間和基站反饋至標簽的標簽本地時間，并且在至少兩次信號發(fā)送過程采用間隔相同預(yù)設(shè)時間方式，巧妙的避開傳統(tǒng)距離計算過程中標簽與基站間需要時間同步的問題，實現(xiàn)對信號傳播時間的異步測量，提高了標簽與基站之間距離計算的精度，進而實現(xiàn)對標簽(待定位目標)的準確定位。

如圖3所示，在其中一個實施例中，步驟s2包括：

步驟s21：控制標簽發(fā)送第一信號至基站，并記錄標簽發(fā)送第一信號的標簽本地時間為第一時間t1。

步驟s22：記錄基站接收到第一信號的基站本地時間為第二時間t2，控制基站等待預(yù)設(shè)時間t后發(fā)送第一反饋信號至標簽，并記錄基站發(fā)送第一反饋信號的基站本地時間為第三時間t3。

步驟s23：記錄標簽接收到第一反饋信號的標簽本地時間為第四時間t4，等待預(yù)設(shè)時間t后，控制標簽發(fā)送第二信號至基站，并記錄標簽發(fā)送第二信號的標簽本地時間為第五時間t5。

步驟s24：記錄基站接收到第二信號的基站本地時間的為第六時間t6。

步驟s25：重復(fù)步驟s21-s24步驟，分別記錄每個基站發(fā)出信號和接收到信號的基站本地時間。

針對每個基站與標簽之間回程通信過程分別記錄信號收到和發(fā)送的本地時間，即針對每次的雙程通信均有相應(yīng)的第一時間t1、第二時間t2、第三時間t2、第四時間t4、第五時間t5以及第六時間t6。在本實施例中，基站與標簽之間僅采用兩次回程通信，采用較小次數(shù)的回程通信可以減少定位處理過程，實現(xiàn)待定位目標的高效定位。

如圖3所示，在其中一個實施例中，步驟s3包括：

s31：根據(jù)基站與標簽對應(yīng)的第一時間t1、第二時間t2、第三時間t3、第四時間t4、第五時間t5以及第六時間t6，計算信號在標簽與單個基站之間單次傳輸所需的傳輸時間tof。

s640：將傳輸時間tof乘以光速c，獲得每個基站與標簽的距離，其中，傳輸時間tof的計算公式為：tof＝((t4-t1)-(t3-t2)+(t6-t3)-(t5-t4))/4。

在本實施例中，針對每個基站與標簽之間信號單次傳輸所需傳輸時間過程中，采用計算平均值的方式提高結(jié)算結(jié)果的準確度，以更進一步實現(xiàn)準確定位。

如圖3所示，在其中一個實施例中，步驟s2之前還包括：

步驟s11：調(diào)整標簽位置，以使標簽固定于待定位目標的頂部。

待定位目標可能是一個比較大的物體，標簽設(shè)置于待定位目標不同位置可能會對最終定位結(jié)果產(chǎn)生影響。在本實施例中，對標簽設(shè)置于待定位目標的位置進行調(diào)整，以使標簽固定于待定位目標的頂部，更進一步提高定位的準確度。

在其中一個實施例中，基站的數(shù)量為四個，根據(jù)距離計算結(jié)果，確定標簽位置的步驟包括：

步驟一：根據(jù)距離計算結(jié)果，獲取四個基站與標簽的距離分別為s1、s2、s3、s4。

步驟二：建立空間坐標系，獲取四個基站的位置，根據(jù)空間幾何關(guān)系和牛頓迭代算法解算標簽的空間坐標，確定標簽位置，其公式為：

其中，(x⁽¹⁾，y⁽¹⁾，z⁽¹⁾)、(x⁽²⁾，y⁽²⁾，z⁽²⁾)、(x⁽³⁾，y⁽³⁾，z⁽³⁾)、(x⁽⁴⁾，y⁽⁴⁾，z⁽⁴⁾)分別為四個基站的空間坐標，(x，y，z)為標簽的空間坐標，δtu為系統(tǒng)時間誤差，利用以上方程組通過牛頓迭代法可以求解標簽的空間坐標，即標簽在室內(nèi)中所處的位置(x，y，z)和系統(tǒng)時間誤差δtu。

在本實施例中，通過構(gòu)建空間坐標系并根據(jù)空間幾何關(guān)系和牛頓迭代算法解算出兩個位置坐標，然后由經(jīng)驗常識去掉一個，這樣準確確定標簽的位置。

如圖4所示，uwb與wifi結(jié)合的高精度室內(nèi)定位系統(tǒng)，包括：

確定模塊，用于確定標簽和基站，其中，標簽固定于待定位目標，四個基站中任三個不在同一直線上，四個基站形成一個矩形，距離地面的高度為h。

時間記錄模塊，用于控制標簽與每個基站至少進行兩次回程通信，并當標簽與每個基站收到信號時等待預(yù)設(shè)時間再發(fā)出信號，分別記錄標簽發(fā)出信號和接收到信號的標簽本地時間以及每個基站發(fā)出信號和接收到信號的基站本地時間。

距離計算模塊，用于根據(jù)標簽發(fā)出信號和接收到信號的標簽本地時間以及每個基站發(fā)出信號和接收到信號的基站本地時間，分別計算至少四個基站與標簽之間的距離，獲得距離計算結(jié)果；

位置確定模塊，用于根據(jù)距離計算結(jié)果，確定標簽位置。

本發(fā)明uwb與wifi結(jié)合的高精度室內(nèi)定位系統(tǒng)，確定標簽固定于待定位目標，至少四個基站中任三個不在同一直線上，四個基站形成一個矩形，距離地面的高度為h；分別記錄標簽發(fā)送信號至基站的標簽本地時間和基站反饋至標簽的標簽本地時間，并且在至少兩次信號發(fā)送過程采用間隔相同預(yù)設(shè)時間方式，巧妙的避開傳統(tǒng)距離計算過程中基站與標簽間需要時間同步的問題，實現(xiàn)對信號傳播時間的異步測量，提高基站與標簽之間距離計算的精度，進而實現(xiàn)對標簽(待定位目標)的準確定位。

如圖5所示，在其中一個實施例中，時間記錄模塊400包括：

第一記錄單元，用于控制標簽發(fā)送第一信號至基站，并記錄標簽發(fā)送第一信號的標簽本地時間為第一時間t1。

第二記錄單元，用于記錄基站接收到第一信號的基站本地時間為第二時間t2，控制基站等待預(yù)設(shè)時間t后發(fā)送第一反饋信號至標簽，并記錄基站發(fā)送第一反饋信號的基站本地時間為第四時間t3。

第四記錄單元，用于記錄標簽接收到第一反饋信號的標簽本地時間為第四時間t4，等待預(yù)設(shè)時間t后，控制標簽發(fā)送第二信號至基站，并記錄標簽發(fā)送第二信號的標簽本地時間為第五時間t5。

第四記錄單元，用于記錄基站接收到第二信號的基站本地時間的為第六時間t6。

重復(fù)記錄單元，用于控制第一記錄單元、第二記錄單元、第三記錄單元以及第四記錄單元執(zhí)行相應(yīng)操作，以分別記錄每個基站發(fā)出信號和接收到信號的基站本地時間。

針對每個基站與標簽之間回程通信過程分別記錄信號收到和發(fā)送的本地時間，即針對每個基站均有相應(yīng)的第一時間t1、第二時間t2、第四時間t3、第四時間t4、第五時間t5以及第六時間t6。在本實施例中，基站與標簽之間僅采用兩次回程通信，采用較小次數(shù)的回程通信可以減少定位處理過程，實現(xiàn)待定位目標的高效定位。

如圖5所示，在其中一個實施例中，距離計算模塊包括：

單次傳輸時間計算單元，用于根據(jù)每個基站與標簽對應(yīng)的第一時間t1、第二時間t2、第四時間t3、第四時間t4、第五時間t5以及第六時間t6，計算信號在標簽與單個基站之間單次傳輸所需的傳輸時間tof。

距離計算單元：將傳輸時間tof乘以光速，獲得每個基站與標簽的距離，其中，傳輸時間tof的計算公式為：tof＝((t4-t1)-(t3-t2)+(t6-t3)-(t5-t4))/4

在本實施例中，針對每個基站與標簽之間信號單次傳輸所需傳輸時間過程中，采用計算平均值的方式提高結(jié)算結(jié)果的準確度，以更進一步實現(xiàn)準確定位。

在其中一個實施例中，時間記錄模塊之前還包括：

標簽調(diào)整模塊，用于調(diào)整標簽位置，以使標簽固定于待定位目標的頂部。

待定位目標可能是一個比較大的物體，標簽設(shè)置于待定位目標不同位置可能會對最終定位結(jié)果產(chǎn)生影響。在本實施例中，對標簽設(shè)置于待定位目標的位置進行調(diào)整，以使標簽固定于待定位目標的頂部，更進一步提高定位的準確度。

在其中一個實施例中，基站的數(shù)量為四個，位置確定模塊包括：

距離獲取單元，用于根據(jù)距離計算結(jié)果，獲取四個基站與標簽的距離分別為s1、s2、s3、s4

位置確定單元，用于建立空間坐標系，獲取四個基站的位置，根據(jù)空間幾何關(guān)系和牛頓迭代算法解算標簽的空間坐標，確定標簽位置，其公式為：

在其中(x⁽¹⁾，y⁽¹⁾，z⁽¹⁾)、(x⁽²⁾，y⁽²⁾，z⁽²⁾)、(x⁽³⁾，y⁽³⁾，z⁽³⁾)、(x⁽⁴⁾，y⁽⁴⁾，z⁽⁴⁾)分別為四個基站的空間坐標，(x，y，z)為標簽的空間坐標，δtu為系統(tǒng)時間誤差。

設(shè)x是非線性方程式f(x)＝0的根，選取x0作為x的初始估計值，如果f(x)在點x0附近連續(xù)可導(dǎo)，過點(x0，f(x0))做曲y＝f(x0)的切線l，l的方程為

y＝f(x0)+f′(x0)(x-x0)，f′(x0)為f(x)的一階導(dǎo)數(shù)在x0處的值。

求出l與x軸交點的橫坐標，得：

稱x1為x的一次近似值。過點(x1，f(x1))做曲線f(x)的切線，并求該切線與x軸交點的橫坐標，得：

稱x2為x的二次近似值。經(jīng)過多次如此的循環(huán)迭代后，我們就可以得到非線性方程的數(shù)值解得x的近似值序列，其中，

稱為x的n+1次近似值，上式稱為牛頓迭代公式。

在本實施例中，通過構(gòu)建空間坐標系并根據(jù)空間幾何關(guān)系和牛頓迭代算法解算出兩個位置坐標，然后由經(jīng)驗常識去掉一個，這樣準確確定標簽的位置。

為更進一步詳細解釋本發(fā)明uwb與wifi結(jié)合的高精度室內(nèi)定位系統(tǒng)的技術(shù)方案及其帶來的效果，下面將借助圖6和圖7采用應(yīng)用實例對整個技術(shù)方案進行說明，在應(yīng)用實例中，數(shù)據(jù)處理計算過程由圖6中所示的后臺服務(wù)器完成。

如圖6所示，此室內(nèi)定位裝置由四個基站，一個標簽和后臺服務(wù)器組成。每個節(jié)點均是一個超寬帶收發(fā)機，后臺服務(wù)器一般是一臺電腦，定位目標是一個帶有支架標簽。四個基站的位置是固定的，安放在房間四個角落，四個基站任意三個不能共線，應(yīng)盡量分散。四個基站中有一個主基站和三個次基站，主基站用來和后臺服務(wù)器連接，可以是有線或者無線的方式，用來將距離數(shù)據(jù)上傳的后臺服務(wù)器。本實施例中基站3通過usb數(shù)據(jù)線與后臺電腦相連。標簽支架頂部，與支架綁定。工作時，標簽通過回程測距方法輪流和四個基站進行通信測距，并將距離數(shù)據(jù)匯總發(fā)給主基站，主基站再將數(shù)據(jù)通過有線或者無線的方式發(fā)送給后臺電腦。后臺電腦上運行定位程序，定位程序獲得距離數(shù)據(jù)后通過定位方程和牛頓迭代算法，計算出標簽的三維坐標，并在顯示界面中實時的顯示出標簽坐標。

整個定位過程包括回程測距階段和定位階段。

如圖7所示，回程測距階段包括如下步驟：

第一步：標簽向基站發(fā)送測試信息幀，請求測距，并記錄下標簽的發(fā)送時間點t1。

第二步：基站收到測試信息幀后，記錄本地接收時間點t2，在等待t時間后，向標簽點發(fā)送回復(fù)信息幀，確認收到請求信息并同意測距，并記錄下本地發(fā)送時間點t3。

第三步：標簽點收到回復(fù)信息幀后，記錄下本地接收時間點t4，同樣在等待t時間后，發(fā)送時間點信息幀，則時間點信息幀的發(fā)送時間點t5可以在發(fā)送之前便計算出來：t5＝t4+t，時間點信息幀中包含標簽記錄的全部時間點信息，將這些時間信息發(fā)給基站用于計算超寬帶信號的傳播時間。此處等待t時間作用與第二步一樣。

第三步：基站收到時間點信息幀后，記錄下本地接收時間點t6。在獲得標簽發(fā)來的時間點信息后，基站可以計算出基站和標簽的距離，并發(fā)送報告信息幀，將距離數(shù)據(jù)發(fā)送給標簽。計算方法為：1.先計算出超寬帶信號在空中的傳播時間tof計算方法為：tof＝((t4-t1)-(t3-t2)+(t6-t3)-(t5-t4))/4，2.距離s＝c*tof，c為電磁波的速度。

定位階段包括如下步驟：

步驟一：標簽與基站1進行通信，通過雙程測距方法獲得距離數(shù)據(jù)s1，并存下來。

步驟二：接著，標簽與基站2、基站3、基站4進行通信，通過雙程測距方法獲得距離數(shù)據(jù)s2、s3、s4并存下來，然后將獲得的距離數(shù)據(jù)s2、s3、s4發(fā)送給基站1。

步驟三：基站1將四次測量的距離數(shù)據(jù)s1、s2、s3、s4，通過wifi傳給后臺電腦。

步驟四：后臺電腦上運行的定位程序收到四個距離數(shù)據(jù)后，通過定位方程和牛頓迭代算法，計算出標簽的三維坐標，并在顯示界面中實時的顯示出標簽坐標。在本實施例中，通過構(gòu)建空間坐標系并根據(jù)空間幾何關(guān)系和牛頓迭代算法解算出兩個位置坐標，然后由經(jīng)驗常識去掉一個，這樣準確確定標簽的位置。

在本實施例中，通過構(gòu)建空間坐標系并根據(jù)空間幾何關(guān)系和牛頓迭代算法解算出兩個位置坐標，然后由經(jīng)驗常識去掉一個，這樣準確確定標簽的位置。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。