一种UWB定位系统平面静态定位精度检验方法

技术领域

本发明属于UWB定位技术领域，特别是涉及一种UWB定位系统平面静态定位精度检验方法。

背景技术

超宽带无线通信技术(Ultra Wide Band,UWB)是一种无载波通信技术，具有发射功率低、抗多径、抗干扰、传输速率高、穿透能力强等特点，可以获得厘米级的理论精度，现已成为无线通信领域研究的一个热点，并被视为下一代无线通信的关键技术之一。目前，常见的UWB定位系统大多采用到达时间差法(Time Difference of Arrival，TDOA)来进行目标物的定位，其在基站之间时钟同步的基础上，利用信号从移动标签MS传播到不同基站BS的到达时间差，得到基站节点到移动标签的距离差，并作出双曲线，最后求出各个双曲线的交点即为所求移动标签MS的位置。在二维平面中，TDOA算法定位需要至少3个基站作为坐标已知的参考节点，以形成至少两条双曲线。

一般认为，UWB定位系统的定位精度可以达到厘米级，属于高精定位系统。但在实际使用过程中，由于受到设备布设位置及环境因素的影响，有时无法达到其理论上的定位精度，甚至于出现定位误差过大导致无法满足工程需要的情况。UWB定位误差产生的原因通常包括：定位天线群延迟各向异性导致的不同方向测量误差差异明显、混凝土建筑物等障碍物引起的信号传输延迟导致的定位误差增大、受墙面或玻璃等平滑表面引起的多路径效应导致的信号衰减误差增大等。上述原因中部分可以通过调整基站布设位置及设备本身来进行优化，但诸如建筑结构遮挡等环境因素在工程实际中往往是难以避免的。因此，在UWB定位系统实际投入使用前必须对其定位精度进行检验工作，明确系统的实际工作状况。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种UWB定位系统平面静态定位精度检验方法，以实现工程实际环境中UWB定位系统在各区域的平面定位精度检验。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种UWB定位系统平面静态定位精度检验方法，包括如下步骤：

步骤1、利用全站仪建立全局坐标系，与UWB系统坐标系保持理论一致；选取UWB定位系统的原点或某一与UWB定位系统原点具有明确位置关系(x、y、z距离)的点作为全站仪的原点；全站仪的x轴、y轴和z轴均要求平行于UWB定位系统对应的坐标轴方向；当工程环境无法满足上述要求时，可允许适当变换全站仪坐标系，但必须获得变换后坐标系与UWB系统坐标间的转化关系；

步骤2、根据基站布设利用几何精度因子确立定位核心区、中间区和边缘区，选取适当的定位精度检验点位；该步骤具体过程为：

首先，记录所有UWB基站位置及其信号有效覆盖范围，绘制为UWB信号覆盖区域图；

然后，在UWB信号覆盖区域内选取定位基站覆盖数不少于3个的区域作为有效定位区域；

紧接着，在有效定位区域内以1m*1m为间隔划分点位网格，根据水平几何精度因子(HDOP)的计算公式得到各点理论上的定位精度评价指标，其中HDOP计算公式如下：

最后，将各点依HDOP数值大小排序，得到上、下四分位数，将HDOP大于上四分卫数的点位定义为核心区，将HDOP小于下四分位数的点位定义为边缘区，其余点位定义为中间区，核心区与边缘区各随机抽取不少于10个点作为待测试点，中间区随机抽取不少于20个点作为待测点，不足则全选；

步骤3、利用全站仪测量每个精度检验点位的全局坐标，每个点位重复三次，取平均值作为该点位坐标的真值；要求针对同一精度检验点位选择3处不同的架站点进行测量，且3处架站点不应集中于精度检验点位的同一侧，同时要求棱镜放置高度与UWB标签的放置高度一致；

步骤4、移动固定器材使标签中心位于待测点位上；UWB标签的安装高度在UWB定位系统的最佳测量高度范围内；对于存在最优放置高度的UWB定位系统，UWB标签的放置高度应与其基本保持一致；对于无最优放置高度的UWB定位系统，则可将放置高度定于距地面1.5m至1.8m之间；

步骤5、利用UWB定位系统测量UWB标签的全局坐标，每个点位的测量记录多于30条，每次测量前保持系统处于稳定状态；

步骤6、利用显著性检验比较两种定位结果，若可认为UWB标签的均值与真值无差异，则认为该点位的定位精度达标，再分别统计总体、核心区、中心区和边缘区的定位精度达标状况，分别大于各阈值条件则可认为区域精度整体达标；定位精度检测方法步骤为：

a、首先对于每个点位进行精度检验，假设UWB样本的均值与真值无明显差异，近似地利用t分布来检验上述假设的真伪，若结果为真，则认为该点位UWB定位的坐标与真值坐标一致，即该点位定位精度合格；

b、依次对每个点位重复上述步骤，得到所有点位的定位精度达标结果；

c、分别统计总体、核心区、中间区和边缘区的定位精度达标状况，若使得核心区达标率大于90％、中间区达标率大于80％、边缘区达标率大于60％且总体达标率大于80％，则可认为UWB定位系统的整体定位精度较好。

本发明具有以下有益效果：

1、考虑到UWB定位系统由于其布设位置关系对于不同区域的定位精度具有天然的差异，不应当要求凡信号覆盖内均保持统一定位精度；因此，本发明引入几何精度因子(HDOP)来计算各个区域理论上的定位精度好坏，并以此分化为核心区、中立区和边缘区来分开检验UWB定位系统的定位精度。检验方法更合理且符合实际需要；

2、引入统计学的显著性检验方法来检验定位精度是否达标，避免当UWB定位坐标与真值坐标之间产生定位误差时基于人为判定来决定定位精度是否达标的现象，基于更科学化的评估方法使得最终结论更具说服力。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种UWB定位系统平面静态定位精度检验方法流程图；

图2为UWB信号覆盖区域及有效定位区域示意图；

图3为几何精度因子分布示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“中”、“外”、“内”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1-3所示，一种UWB定位系统平面静态定位精度检验方法，包括如下步骤：

步骤1、利用全站仪建立全局坐标系，与UWB系统坐标系保持理论一致；选取UWB定位系统的原点或某一与UWB定位系统原点具有明确位置关系(x、y、z距离)的点作为全站仪的原点；全站仪的x轴、y轴和z轴均要求平行于UWB定位系统对应的坐标轴方向；当工程环境无法满足上述要求时，可允许适当变换全站仪坐标系，但必须获得变换后坐标系与UWB系统坐标间的转化关系；

步骤2、根据基站布设利用几何精度因子确立定位核心区、中间区和边缘区，选取适当的定位精度检验点位；该步骤具体过程为：

首先，记录所有UWB基站位置及其信号有效覆盖范围，绘制为UWB信号覆盖区域图；

然后，在UWB信号覆盖区域内选取定位基站覆盖数不少于3个的区域作为有效定位区域；

紧接着，在有效定位区域内以1m*1m为间隔划分点位网格，根据水平几何精度因子(HDOP)的计算公式得到各点理论上的定位精度评价指标，其中HDOP计算公式如下：

最后，将各点依HDOP数值大小排序，得到上、下四分位数，将HDOP大于上四分卫数的点位定义为核心区，将HDOP小于下四分位数的点位定义为边缘区，其余点位定义为中间区，核心区与边缘区各随机抽取不少于10个点作为待测试点，中间区随机抽取不少于20个点作为待测点，不足则全选；

步骤3、利用全站仪测量每个精度检验点位的全局坐标，每个点位重复三次，取平均值作为该点位坐标的真值；要求针对同一精度检验点位选择3处不同的架站点进行测量，且3处架站点不应集中于精度检验点位的同一侧，同时要求棱镜放置高度与UWB标签的放置高度一致；

步骤4、移动固定器材使标签中心位于待测点位上；UWB标签的安装高度在UWB定位系统的最佳测量高度范围内；对于存在最优放置高度的UWB定位系统，UWB标签的放置高度应与其基本保持一致；对于无最优放置高度的UWB定位系统，则可将放置高度定于距地面1.5m至1.8m之间；

步骤5、利用UWB定位系统测量UWB标签的全局坐标，每个点位的测量记录多于30条，每次测量前保持系统处于稳定状态；

步骤6、利用显著性检验比较两种定位结果，若可认为UWB标签的均值与真值无差异，则认为该点位的定位精度达标，再分别统计总体、核心区、中心区和边缘区的定位精度达标状况，分别大于各阈值条件则可认为区域精度整体达标；定位精度检测方法步骤为：

a、首先对于每个点位进行精度检验，假设UWB样本的均值与真值无明显差异，近似地利用t分布来检验上述假设的真伪，若结果为真，则认为该点位UWB定位的坐标与真值坐标一致，即该点位定位精度合格；

b、依次对每个点位重复上述步骤，得到所有点位的定位精度达标结果；

c、分别统计总体、核心区、中间区和边缘区的定位精度达标状况，若使得核心区达标率大于90％、中间区达标率大于80％、边缘区达标率大于60％且总体达标率大于80％，则可认为UWB定位系统的整体定位精度较好。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。