本发明涉及一种基于最小二乘平差的UWB(ultra‑wide band)多点时延校正方法，首先，在地面选取若干均匀分布的控制点，并在这些控制点上采集静态数据，根据获取的静态观测数据，控制点及UWB系统各基站坐标，结合GNSS数据处理方法，采用最小二乘平差思想求解UWB各个基站之间的相对信号传播时间延迟量，以实现UWB基站间的时间同步。本发明针对UWB定位中各基站时钟不同步问题设计，适用于采用同步控制装置进行时间同步控制的UWB定位系统。在计算各基站间信号传播时间的延迟量时，选取多个控制点的观测值联合求解，与单个控制点求解相比，减小了各类观测误差对时延校正的影响，计算结果更加准确，可靠性更强。
1.一种基于最小二乘平差的UWB多点时延校正方法，其特征在于，包括：步骤L1：在UWB系统覆盖范围内选取多个均匀分布的离散的控制点，获取控制点坐标以及UWB系统各个基站的坐标；
步骤L2：在所布设的控制点上放置标签，在各个控制点上采集静态数据；
其中，下标k表示第k个标签，上标i表示第i个基站， 表示标签k收到的基站i的观测值， 为标签和基站之间的距离， 表示基站i的天线相位偏差，dtk为标签的钟差，δt为同步控制装置的钟差，ri为第i个基站到同步控制装置之间的时延量， 为观测噪声，c表示光速；
步骤L3：结合UWB系统布设场景内的先验环境信息对原始观测数据进行预处理，选取基准基站，构造差分观测值；
步骤S31：删除各控制点上不能通视的基站对应的观测值；
具体的，若有任一基站i，基准基站j，标签k，则差分观测方程为：其中，差分算子
步骤L4：结合现有误差改正模型，对步骤L2所述各控制点的静态观测数据进行系统误差改正；
结合现有的误差改正模型对天线相位偏差进行改正，改正后的观测方程为：步骤L5：结合GNSS数据处理方法，根据步骤L4中获取的各个控制点观测值，求得各个控制点所对应的时延值，进而求得各个UWB基站间的相对时延量；
步骤S51：平差求得各个控制点上各基站相对时延值设共有n个基站，将(4)写成矩阵形式，则观测方程为：L＝Ax+∈ (5)其中 x＝[r1j r2j…r(j-1)j r(j+1)j…rnj]，A为n-1维单位阵，∈为残差向量，则其法方程为：T T
N＝APA，U＝APL (6)采用标签与基站距离、观测值信噪比参数确定权阵P；
设观测时长为m个历元，则最终求得该控制点上的时延值为：其中，下标t表示第t个历元；
若原有基准基站为j，现将其转换到j′，可将rjj′放在 最后一行并乘以转换矩阵：其中， 表示以j′为基准基站的时延向量， 为其对应的方差协方差阵，设计矩阵步骤S53：平差求解各基站最终时延值；
设共有K个控制点，共s个观测值，则误差方程为：其中， v表示平差后的残差向量，
接下来对平差结果进行粗差检验以去除误差较大的观测值，删掉含有粗差的观测值后重新进行平差，直到没有探测出粗差为止，即可得到最终各基站间的时延值。
2.如权利要求1所述的一种基于最小二乘平差的UWB多点时延校正方法，其特征在于，所述步骤L1包括：在UWB系统布设环境内选择观测条件较好，分布均匀的若干离散控制点；
保证两两控制点具有至少一个公共的可有效观测的基站。
3.如权利要求1所述的一种基于最小二乘平差的UWB多点时延校正方法，其特征在于，所述步骤L3中数据预处理包括：考虑室内环境遮挡情况，剔除各个控制点上不能通视的基站坐标；
4.如权利要求3所述的一种基于最小二乘平差的UWB多点时延校正方法，其特征在于：基准基站选取方法为：
保证该基准基站可同时被包括该控制点在内的至少两个控制点有效观测；
5.如权利要求1所述的一种基于最小二乘平差的UWB多点时延校正方法，其特征在于，所述步骤L4包括：UWB基站天线的天线相位中心偏差改正及其余系统误差改正。
6.如权利要求1所述的一种基于最小二乘平差的UWB多点时延校正方法，其特征在于，所述步骤L5包括：根据各控制点观测值联合求解，采用最小二乘平差的方法求得各个UWB基站间的相对时延量；
求解过程中采用粗差探测理论对偏差较大的观测值进行剔除，并迭代求解最终的时延量。
一种基于最小二乘平差的UWB多点时延校正方法
技术领域
[0001] 本发明涉及超宽带(UWB：ultra-wide band)室内导航定位技术数据处理领域，尤其涉及一种用于UWB基站间实现时钟同步的时延校正方法。
背景技术
[0002] 在过去的几十年中，高精度室外导航定位技术如全球卫星导航系统(GNSS)已日趋成熟，精度已由开始的米级提高到厘米级。随着精密定位技术的发展，GNSS技术在军用与民用领域都得到了广泛应用。同时，室内环境下的高精度导航定位技术也成为了各大研究机构与企业的研究热点。与室外定位相比，室内环境的结构更为复杂，人员和障碍物更为密集，且没有稳定而普适的传感器体系。目前常用的室内定位技术包括超宽带(Ultra-wide band)，射频识别(Radio-Frequency Identification，RFID)，红外线(Infrared-Ray，IR)，超声波(Ultrasound-Wave)，蓝牙以及无线局域网(Wireless Local Area Networks，WLAN)等技术。
[0003] 其中，UWB技术是二十世纪中期美国军方开发的一种无线通信技术，21世纪初叶逐步开始转向民用用途。UWB技术具有定位精度高(可达10cm以内)、传输速率高(可达1Gbit/s)、空间容量大、功耗低、隐蔽性好、抗干扰能力强等特点。能够满足一些高精度室内定位场景的需求，如工业测量、军事训练、人员监管、大型场馆导航等领域。
[0004] 与卫星定位的原理相似，UWB系统也是通过测量信号由标签到各个基站的传播时间来进行定位。由于每个基站都有自己独立的时钟源，且每个基站的时钟源所用的不同晶振都存在不同的频率偏差，该频率偏差并不是个常数。因此各个基站测得的标签信号到达时间(Time of arrival，TOA)不具有相同的时间基准。如果不对该时间同步问题进行处理，将会导致观测数据失效或控制错误，无法准确定位。
[0005] 针对UWB时钟同步问题，国内外学者做了大量研究。其中大多针对UWB的测距协议，如经典的双程测距法、非对称双边双向测距、对称双边双向测距，以及一些在此基础上改进的测距协议。Decawave公司还研究了在各基站时钟之外，再引入一个同步控制装置，数据从标签发出经基站接受后发送到同步控制装置以实现各时钟的同步。但是这些方法大多是从通讯技术的角度出发，缺少校正过程中的数据分析，也没有考虑到各类随机误差和偶然误差对时间同步校准的影响。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于提供一种UWB多点时延校正方法，能够处理UWB室内导航定位等应用中UWB基站时间同步的问题。
[0007] 本发明参考GNSS卫星钟差解算的思想，结合GNSS数据处理理论，提出了一种基于同步控制装置的UWB多控制点时延校正方法。其基本思想为选取若干离散分布的已知点作为控制点，通过在各个控制点上观测一段时长的静态数据，结合GNSS最小二乘平差及粗差探测方法，求得各个基站相对于基准基站的信号传播时间，即时间延迟量。该方法与传统的与单个控制点校正时延相比，削弱了不同观测环境下观测误差的影响，使时延计算结果更加准确，可靠性更强。
[0008] 为了达到上述目的，本发明给出的方法技术方案为：
[0009] 一种基于最小二乘平差的UWB多点时延校正方法，包括：
[0010] 步骤L1：在UWB系统覆盖范围内选取若干均匀分布的离散的控制点，获取控制点坐标以及UWB系统各个基站的坐标；
[0011] 步骤L2：在所布设的控制点上放置标签，在各个控制点上采集静态数据；
[0012] 步骤L3：结合UWB系统布设场景内的先验环境信息对原始观测数据进行预处理，选取基准基站，构造差分观测值；
[0013] 步骤L4：结合现有误差改正模型，对步骤L2所述各控制点的静态观测数据进行系统误差改正；
[0014] 步骤L5：结合GNSS数据处理方法，根据步骤L4中获取的各个控制点观测值，求得各个控制点所对应的时延值，进而求得各个UWB基站间的相对时延量。
[0015] 可选的，在上述UWB多点时延校正方法中，所述步骤L1包括：
[0016] 在UWB系统布设环境内选择观测条件较好，分布均匀的若干离散控制点；
[0017] 所有基站均能被至少一个控制点有效观测；
[0018] 保证两两控制点具有至少一个公共的可有效观测的基站。
[0019] 可选的，在上述UWB多点时延校正方法中，所述步骤L3中数据预处理包括：
[0020] 考虑室内环境遮挡情况，剔除各个控制点上不能通视的基站坐标；
[0021] 选取各个控制点对应的基准基站作为站间差分的基准。
[0022] 可选的，在上述UWB多点时延校正方法中，所述步骤L3中基准基站的选取包括：
[0023] 保证基准基站与控制点间可互相通视；
[0024] 保证该基准基站可同时被包括该控制点在内的至少两个控制点有效观测；
[0025] 尽可能选取控制点附近的基站作为基准基站；
[0026] 各控制点尽可能选取相同的基准基站。
[0027] 可选的，在上述UWB多点时延校正方法中，所述步骤L4包括：
[0028] UWB基站天线的天线相位中心偏差改正及其余系统误差改正。
[0029] 可选的，在上述UWB多点时延校正方法中，所述步骤L5包括：
[0030] 根据各控制点观测值联合求解，采用最小二乘平差的方法求得各个UWB基站间的相对时延量；
[0031] 求解过程中采用粗差探测理论对偏差较大的观测值进行剔除，并迭代求解最终的时延量。
[0032] 综上所述，本发明基于UWB同步控制装置，通过多控制点最小二乘平差联合时延解算，引入了多余观测量，减小了各类观测误差对时延校正的影响，提高了时延校正的精度以及稳定性
[0033] 具体的，与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0034] 现有的UWB时钟同步技术多针对电子通讯领域，没有考虑时延校正过程中的数据处理方法。本发明基于时钟同步控制装置，提出了一种多控制点时延校正方法。与传统的单点时延校正方法相比，本方法参考GNSS卫星钟差计算方法，通过布设离散分布的多个控制点进行校准，引入了多余观测量；且通过最小二乘平差方法计算最终的时延值，能够在一定程度上削弱由不同观测环境引起的各类观测误差的影响，提高了时延校正的精度；在计算过程中考虑了室内环境物体遮挡等影响，并采用粗差探测方法剔除误差较大的观测值，保证了计算结果的稳定性与可用性。
附图说明
[0035] 图1为本发明一优选实施例中的UWB多点时延校准方法流程示意图；
[0036] 图2为图1中步骤S3具体流程示意图；
[0037] 图3为图1中步骤S5具体流程示意图。
具体实施方式
[0038] 下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
[0039] 参考图1，本发明一优选实施例中，一种基于最小二乘平差的多点延校正方法包括：
[0040] 步骤S1：在UWB系统基站覆盖范围内选取若干均匀分布的离散的控制点，获取控制点坐标以及UWB系统的各个基站坐标；
[0041] 具体的，在控制点选取时应注意：
[0042] 在UWB系统布设环境内选择观测条件较好，分布均匀的若干离散控制点；
[0043] 所有基站均能被至少一个控制点有效观测；
[0044] 保证两两控制点具有至少一个公共的可有效观测的基站。
[0045] 步骤S2：在所布设的控制点上放置标签，获取各个控制点上的静态数据(步骤S2为本领域常规技术)：
[0046] 其基本观测方程为：
[0047]
[0048] 其中，下标k表示第k个标签，上标i表示第i个基站， 表示标签k收到的基站i的观测值。此处应注意，有同步控制装置的情况下，观测值实际为信号由标签经基站到达同步控制装置的时间。 为标签和基站之间的距离， 表示基站i的天线相位偏差，dtk为标签的钟差，δt为同步控制装置的钟差，ri为第i个基站到同步控制装置之间的时延量， 为观测噪声，c表示光速。
[0049] 由于原始观测值可能会有加大数的情况，时延校正及定位解算时通常采用各个基站间观测值差分的方法进行计算。
[0050] 步骤S3：数据预处理，构造差分观测值。
[0051] 具体的，参考图2，步骤S3包括：
[0052] 步骤S31：删除各控制点上不能通视的基站对应的观测值。
[0053] 具体的，应考虑环境中障碍物遮挡的影响。
[0054] 可选的，可先获取障碍物的顶点坐标，用外积判断线段是否相交的方法确定基站信号是否被遮挡。设障碍物两相邻顶点坐标为n，n+1，标签坐标为k，基站坐标为i，若满足：
[0055] (nk×ni)*((n+1)k×(n+1)i)＜0且 (2)
[0056] (kn×k(n+1))*(in×i(n+1))＜0
[0057] 其中，nk表示n、k两点连线形成的向量，ni表示n、i两点连线形成的向量，(n+1)k表示n+1、k两点连线形成的向量，(n+1)i表示n+1、i两点连线形成的向量，符号“×”的含义为a×b＝axby-aybx，a、b表示任意2个进行叉乘的向量，则认为该基站信号被遮挡，删除该基站观测值。判断遮挡情况有多种方法，本发明对此不做要求。
[0058] 步骤S32：选取各控制点的基准基站。
[0059] 基准基站选取时，应首先保证基站与控制点间通视。并选取离控制点距离最近的基站作为基准基站，以尽量减小复杂环境中各类误差的影响。同时，应保证该基站可同时被包括该控制点在内的至少两个控制点有效观测，以统一多控制点时延解算的基准。若该基站仅能被当前控制点观测，则在备选子集中去掉该基站，再在备选子集中选择距离控制点最近的基站作为基准基站，依次类推，直到确定该控制点的基准基站。
[0060] 步骤S33：构造各控制点的差分观测值。
[0061] 具体的，若有任一基站i，基准基站j，标签k，则差分观测方程为：
[0062]
[0063] 其中，差分算子 可以看出，通过基站间观测值做差，标签和同步控制装置的钟差均被消掉，但此时还残留有天线相位偏差等系统误差以及观测噪声。
[0064] 步骤S4：结合现有误差改正模型进行系统误差改正。
[0065] 具体的，可结合现有的误差改正模型对天线相位偏差进行改正，改正后的观测方程为：
[0066]
[0067] 此时，(4)中的未知数仅为rij，代入标签坐标(控制点坐标)和基站坐标，则可求出i、j两基站间的相对时间延迟量。
[0068] 步骤S5：采用最小二乘平差方法求得各基站时延值。
[0069] 具体的，参考图3，本发明一优选实施例中的步骤S5包括：
[0070] 步骤S51：平差求得各个控制点上各基站相对时延值。
[0071] 设共有n个基站，将(4)写成矩阵形式，则观测方程为：
[0072] L＝Ax+∈(5)
[0073] 其中 x＝[r1j r2j ... r(j-1)jr(j+1)j ... rnj]，A为n-1维单位阵，∈为残差向量，则其法方程为：
[0074] N＝ATPA，U＝ATPL (6)
[0075] 可选的，可采用标签与基站距离、观测值信噪比等参数确定权阵P，本发明对此不做限制。
[0076] 设观测时长为m个历元，则最终求得该控制点上的时延值为：
[0077]
[0078] 其中，下标t表示第t个历元。
[0079] 步骤S52：将各组时延归算到同一基准基站。
[0080] 最终解算时需选取一个基准基站，往往选取各个控制点均能通视且观测条件较好的基站。但由于各控制点的可通视基站不尽相同，当没有各个控制点均能通视的基站时，需对差分时的基准基站进行转换。
[0081] 若原有基准基站为j，现将其转换到j′，可将rjj′放在 最后一行并乘以转换矩阵：
[0082]
[0083] 其中， 表示以j′为基准基站的时延向量， 为其对应的方差协方差阵，设计矩阵
[0084] 步骤S53：平差求解各基站最终时延值。
[0085] 设共有K个控制点，共s个观测值，则误差方程为：
[0086]
[0087] 其中， v表示平差后的残差向量，则
[0088]
[0089] 接下来可对平差结果进行粗差检验以去除误差较大的观测值。可选的，采用3δ为限差进行粗差探测，太发明对此不做限制：
[0090] 若 其中，vi为第i个观测值对应的残差值，δ为单位权中误差，则认为第i个观测值中含有粗差，其中，vi一般选取为残差中的最大值。删掉含有粗差的观测值后重新进行平差，直到没有探测出粗差为止，即可得到最终各基站间的时延值。
[0091] 综上所述，本发明基于UWB同步控制装置，通过多控制点最小二乘平差联合解算时延，引入了多余观测量，减小了各类观测误差对时延校正的影响，提高了时延校正的精度以及稳定性
[0092] 具体的，与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0093] 现有的UWB时钟同步技术多针对电子通讯技术，没有考虑时延校正过程中的数据处理方法。本发明基于时钟同步控制装置，提出了一种多控制点时延校正方法。与传统的单点时延校正方法相比，本方法参考GNSS卫星钟差计算方法，通过布设离散分布的多个控制点进行校准，引入了多余观测量；且通过最小二乘平差方法计算最终的时延值，能够在一定程度上削弱由不同观测环境引起的各类观测误差的影响，提高了时延校正的精度；在计算过程中考虑了室内环境物体遮挡等影响，并采用粗差探测方法剔除误差较大的观测值，保证了计算结果的稳定性与可用性。
[0094] 上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。
