提高TOA無線定位系統抵抗水分含量變化影響能力的方法與流程
本發明涉及無線通信技術領域，具體涉及一直提高TOA無線定位系統抵抗水分含量變化影響能力的方法。
背景技術：
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定位方法予以解決，即通過已知三個點的坐標，測得目標到三個點的距離或者角度，利用幾何算法求得目標的位置坐標。三點定位中的測角方法需要昂貴的智能型的陣列天線系統，因此在高精度定位的市場化中難以推廣。所以三點定位中普遍使用測距方法。
測距一般有兩種方法，即利用信號強度(RSS)方式或利用信號到達時間(TOA)方式。RSS方式有其固有缺點，如定位的精度比較低、覆蓋的范圍小、在惡劣環境下無法工作等等。而采用TOA技術可以克服這些缺點，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至信號基站的傳播時間，并乘以無線信號的傳播速度得到基站距目標的距離。該方式具有精度高、基站的覆蓋范圍大、適于抗惡劣環境等優點。該方法中的硬件由定位系統由服務器、基站和標識卡等部件組成。由于在平面定位中，至少要有三個基站，因此本方法中需要三個或三個以上的基站。基站的坐標是已知并固定的，即三點定位中的三個點，也稱錨點。標識卡固定在待定位的目標上。服務器的功能包括完成后臺的設備管理、顯示地圖、根據標識卡到多個基站的距離計算出標識卡的位置坐標并顯示在地圖上等等。
如圖1所示，在理想條件下，分別以三個基站A、B和C為圓心，以每個基站測得的與目標間的距離為半徑(AT、BT和CT)做圓，所相交的點即為目標坐標。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生改變，較標準條件下測定的傳播速度快或慢，造成基站實際測得的與目標之間的距離變大或者變小，使得三個圓相交部分不為一點。如圖2所示，在實際應用中，一般分別以A、B和C三個基站的坐標作為圓心以所測得的AT、BT和CT作為半徑做圓，求得三個圓的6個交點位置。由于目標T的位置應在A、B和C三個基站所圍成的三角形內部，據此可以確定符合要求的三個交點(C1、C2和C3)。將此三個交點作為頂點做三角形，將該三角形的中心C作為目標的位置T’。從圖中可以看出，空氣中水分的影響降低了三點定位方法的精度。
技術實現要素：
發明目的：針對現有技術的不足，本發明的提高TOA無線定位系統抵抗水分含量變化影響能力的方法，減少了定位時基站計算與目標間的距離時由于空氣中水分含量對無線信號傳播速度造成的影響，提高了對目標的定位精度。
技術方案：本發明所述提其特征在于，包括如下步驟：
(1)讀取基站坐標；
(2)讀取目標T周圍所有基站識別到的目標T所發出的無線信號強度及之間的距離，；
(3)根據信號強度的大小選出三個信號質量最好的基站A、B、C及其坐標(xa，ya)、(xb，yb)和(xc，yc)；
(4)根據信號到達基站時間與無線電波在空氣中傳播的速度，分別計算根據由目標T發出的信號至基站A、B和C之間的距離AT、BT和CT；
(5)計算目標T到三個基站距離的比例βab＝AT/BT、βca＝CT/AT和βbc＝BT/CT；
(6)列出二次方程組：
β2ab＝AT2/BT2＝(x-xa)2+(y-ya)2/(x-xb)2+(y-yb)2 (1)；
β2ca＝CT2/AT2＝(x-xc)2+(y-yc)2/(x-xa)2+(y-ya)2 (2)；
β2bc＝BT2/CT2＝(x-xb)2+(y-yb)2/(x-xc)2+(y-yc)2 (3)；
利用式(1)和(3)求得兩個坐標點PB1(xb1，yb1)、PB2(xb2，yb2)，通過式(1)和(2)獲得PA1(xa1，ya1)、PA2(xa2，ya2)，通過式(2)和(3)獲得PC1(xc1，yc1)、PC2(xc2，yc2)；
(7)求得步驟(6)中(xa1，ya1)、(xa2，ya2)至基站A的矢量距離AA1和AA2，并分別與AT進行比較，其中與AT相差較小者被標示為(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)三點做三角形，并將此三角形三邊中線的交點作為目標T的定位位置T‘。
進一步地，所述步驟(2)中接收到目標T所發出的無線信號基站至少為3個，若小于3個，則放棄此次定位。
進一步地，所述步驟(8)所得三角形的外接圓覆蓋范圍被視為目標T位置的誤差范圍。
本方面還提供了用于實現上述方法的TOA無線定位系統，包括至少3個基站、定位設備和目標識別卡，基站接收目標識別卡發出的無線信號并傳輸至定位設備，定位設備包括交直流轉換模塊、直流供電模塊、開關及復位模塊、處理器、網絡傳輸模塊、防水分干擾算法模塊、數據存儲模塊、設備顯示模塊，流電經交直流轉換模塊、直流供電模塊后與處理器相連為其供電，開關及復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位，網絡傳輸模塊接收基站發出的無線信號并通過處理器分配至防水風干擾算法模塊進行處理，防水分干擾算法模塊采用DSP高速運算芯片，處理結果存入數據存儲模塊并通過設備顯示模塊進行顯示。
有益效果：與現有技術相比，本發明的優點：由于本發明中所描述方法在基于到達時間的無線定位系統進行目標定位時，并不直接使用基站所測得的與目標間的距離，而使用兩基站測得與目標間距離之比和已知的基站間的距離作為定位的依據，該方法減少了定位時基站計算與目標間的距離時由于空氣中水分含量對無線信號傳播速度造成的影響，提高了對目標的定位精度。
附圖說明
圖1是三點定位原理以及收到空氣水分影響后的誤差示意圖。
圖2是三點定位方法中對空氣水分影響的處理方法示意圖。
圖3是設備現場布置網絡拓撲圖。
圖4為定位設備從現場基站提取目標位置信息的設備及過程示意圖。
圖5為定位設備內部結構功能簡圖
具體實施方式
下面通過附圖對本發明技術方案進行詳細說明。
實施例1：以一具體實施例說明本方法的實際使用。
測試當天濕度為80％，測試環境為一高層建筑室內施工現場，現場面積645平方米。
(1)在需定位的場地周圍，布置7臺基站和1臺服務器，讀取基站坐標；
(2)當目標T進入定位范圍內，對目標所攜帶的信號發射裝置所發出的信號進行接收測試，選擇信號強度最佳的三臺基站用于定位，
(3)根據信號強度的大小選出三個信號質量最好的基站A、B、C及其坐標(xa，ya)、(xb，yb)和(xc，yc)；
(4)根據信號到達基站時間與無線電波在空氣中傳播的速度，分別計算根據由目標T發出的信號至基站A、B和C之間的距離AT、BT和CT；
(5)計算目標T到三個基站距離的比例βab＝AT/BT、βca＝CT/AT和βbc＝BT/CT；
(6)列出二次方程組：
β2ab＝AT2/BT2＝(x-xa)2+(y-ya)2/(x-xb)2+(y-yb)2 (1)；
β2ca＝CT2/AT2＝(x-xc)2+(y-yc)2/(x-xa)2+(y-ya)2 (2)；
β2bc＝BT2/CT2＝(x-xb)2+(y-yb)2/(x-xc)2+(y-yc)2 (3)；
利用式(1)和(3)求得兩個坐標點PB1(xb1，yb1)、PB2(xb2，yb2)，通過式(1)和(2)獲得PA1(xa1，ya1)、PA2(xa2，ya2)，通過式(2)和(3)獲得PC1(xc1，yc1)、PC2(xc2，yc2)；
(7)求得步驟(6)中(xa1，ya1)、(xa2，ya2)至基站A的矢量距離AA1和AA2，并分別與AT進行比較，其中與AT相差較小者被標示為(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)三點做三角形，并將此三角形三邊中線的交點作為目標T的定位位置T‘。
當目標T位于坐標(50,50)時對其進行定位，首先使用一般方法對目標T進行定位計算，可以得到定位目標T1的坐標為(55,54)；然后使用本發明方法對目標進行定位計算：先從設置的7臺基站中選出信號強度最好的三個基站，它們的位置分別是A(20,70)、B(30,20)、C(70,100)，此時可以得到基站測得的目標T與它們的距離為AT＝39.48、BT＝39.89和CT＝55.96。通過以上數據，得到βab＝0.989、βca＝1.417和βbc＝0.713。利用式(1)和(3)求得兩個坐標點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)。從數據中可以發現，利用距離的比值作為已知量對方程進行求解，可以排除目標和基站之間距離絕對值大小對計算結果的影響，無論目標值距離某一基站的距離多少，最終得出的結果均相差不多，即排除了水分對測距結果的影響。前述步驟7)能夠得到以PB2、PA2和PC2為頂點的三角形，并找到其中點坐標為T‘,即用本文所述方法得到的目標點位置T2(51.69588，50.63551)。這可將目標點的位置T鎖定在一個較小的范圍內，雖然不能百分之百正確確定目標位置，但是其偏差已經得到了有效的縮小。通過比較可知，由本發明所述方法測得目標T2位置距目標T的真實位置(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；分別計算兩種定位方法所得到的步驟8)所述三角形的外接圓，發現本發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。說明本發明方法的定位誤差要優于一般定位方法。
由實施例可以得到，本發明所述定位方法簡單、實用，且不需要額外的計算機及硬件資源支持，在濕度達到80％時，利用原有定位設備所得到的數據，能夠提高定位的精度，并減小定位誤差。
本設備的網絡拓撲圖如圖3所示，其中關鍵設備無線網橋性能應達到以下要求：
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)環境大氣壓80kPa～110kPa；
6)環境溫度-20℃～+70℃；
7)周圍空氣相對濕度不大于95％(25℃時)；
8)在無破壞絕緣的氣體和蒸氣的環境；
9)在無滴水的地方。
定位基站應達到以下要求：
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)環境大氣壓80kPa～110kPa；
6)環境溫度-20℃～+70℃；
7)周圍空氣相對濕度不大于95％(25℃時)；
8)在無破壞絕緣的氣體和蒸氣的環境；
9)在無滴水的地方。
如圖4、圖5所示的TOA無線定位系統，包括7個基站、定位設備、目標識別卡，基站接收目標識別卡發出的無線信號并傳輸至定位設備；定位設備包括交直流轉換模塊、直流供電模塊、開關及復位模塊、處理器、網絡傳輸模塊、防水分干擾算法模塊、數據存儲模塊、設備顯示模塊，流電經交直流轉換模塊、直流供電模塊后與處理器相連為其供電，開關及復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位，網絡傳輸模塊接收基站發出的無線信號并通過處理器分配至防水風干擾算法模塊進行處理，防水分干擾算法模塊采用DSP高速運算芯片，處理結果存入數據存儲模塊并通過設備顯示模塊進行顯示。
如上所述，盡管參照特定的優選實施例已經表示和表述了本發明，但其不得解釋為對本發明自身的限制。在不脫離所附權利要求定義的本發明的精神和范圍前提下，可對其在形式上和細節上作出各種變化。
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