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摘要：本发明公开了一种基于锚节点差分时间同步和Taylor协同的定位算法，其特点是计算标签到达各从基站的伪距差和各从基站间的伪距差，利用观测值的协方差矩阵及不少于四个从基站的已知位置坐标进行相应的伪距修正，采用求解线性方程组的方法，得到标签的初始坐标，并以“Taylor”递归算法，求取标签的最终精确定位坐标。本发明与现有技术相比具有较高和较稳定的定位精度，降低移动端计算负荷、生产成本和体积，无需额外铺设大量的硬件设备，也无需对现有硬件设备做出更改，完全依赖软件形式实现，易于推广，在以管理者应用为主对多用户进行管理的室内定位应用环境中具有较大优势和商业前景。

主权项：1.一种基于锚节点差分时间同步和“Taylor”协同的定位算法，其特征在于计算标签到达各从基站的伪距差和各从基站间的伪距差，利用观测值的协方差矩阵及不少于四个从基站的已知位置坐标进行相应的伪距修正，采用求解线性方程组的方法，得到标签的初始坐标，并以“Taylor”递归算法，求取标签的最终精确定位，具体计算包括以下步骤：一、计算标签到达各基站的到达时间差，从而计算移动标签和基站间的相对几何距离，并进行伪距误差的改正a、由下述1式求解锚节点Ai与同步节点S之间的时间差 其中：为锚节点Ai与同步节点S之间的距离；为锚节点Ai到本地引擎的光纤长度；τS为同步节点S的时钟在其发射信号时刻的钟差；为锚节点Ai在其接收到信号时刻自身的钟差；b、对于两锚节点Ai和A1与同步节点S之间的时间差由下述4式计算的伪距差表示： 其中：为锚节点Ai和A1接收标签T信号的时间差所对应的伪距差；为锚节点Ai和A1光纤传播与硬件延迟对应的伪距改正；等号右侧第一项包含待求的标签T的坐标；c、假定各个锚节点观测到的伪距的误差是相互独立的，其误差和伪距则由下述5式表示： 其中：ρ0为一参考距离；σ0为参考距离对应的观测误差；d、由于单差的伪距观测量是相关的，其协方差矩阵则由下述6式表示： 二、在伪距误差改正值的基础上，利用线性方程组计算标签的初始坐标a、由下述7式计算锚节点Ai和同步节点S之间的几何距离： b、设锚节点A1为参考节点，对上述7式进行变换，并将上述4式代入，得到下述8式的线性方程组： c、将所有的锚节点都设在同样高度，即并如下定义： d、将上述8式的线性方程组由下述9式的矩阵形式：PT＝ATC-1A-1ATC-1Δρ+λ；9其中：A、λ均为已知量；Δρ为传播延迟改正后的观测矩阵，可计算出标签的坐标和并将其代入上述7式，可得三、将计算结果代入改进的“Taylor”算法，求取标签的定位坐标值a、将上述7式得到的锚节点Ai和锚节点A1与移动标签T之间的距离差由下述10式，在标签的估计位置处进行一阶泰勒展开，得到下述11式： b、按下述定义： c、将上述11式由下述12式的矩阵形式表示：ΔPT＝HTC-1H-1HTC-1ΔρT；12d、重复上述步骤进行递归，当上述12的值小于预置阈值时,用锚节点算法的初步定位结果加上ΔPT，为“Taylor”改正后的坐标值，即为标签的定位坐标。

全文数据：一种基于锚节点差分时间同步和Taylor协同的定位算法技术领域本发明涉及定位导航技术领域，尤其是一种基于锚节点差分时间同步和“Taylor”协同的定位算法。背景技术室内定位的关键技术研究和产业化以及伴之而来的位置服务行业越来越受到社会的关注，空间技术的发展使得以GNSSGlobalNavigationSatelliteSystem为基础的室外卫星导航定位技术蓬勃发展，达到了厘米级甚至毫米级的定位精度，并且带动了位置服务的大众化应用，极大地方便了人们的日常生活。室外定位技术发展成熟，而占人类生活80％的室内定位技术及相应的位置服务的发展却滞后于室外定位。室内定位由于用途差异大，环境复杂度高，误差源干扰严重，设备成本限制等原因，难以简单地移植现有的比较成熟的室外定位技术。目前，室内定位尚未有一项占压倒性优势的公认的成熟的关键技术，各种技术方案分别研发竞争。这些技术大致上可分为根据信号强度衰减定位，如Wi-Fi的指纹分析，红外、视觉光学、地磁、蓝牙、ZigBee等；根据信号到时定位，如A-GPS、伪卫星、超声、UWB等，以及根据积分或航迹推算，如惯性传感器和RFID等自主定位三大类。在高精度室内定位领域，强度衰减定位和自主定位都在米级精度上遇到了瓶颈，难以突破。其中强度衰减和距离经验关系的不确定度及易受室内环境影响、自主定位需要对时间积分造成的误差随时间累积的非线性增长是造成瓶颈的主要原因之一，这是定位技术本身的弱点。多源融合定位是一个发展趋势，定位精度能得到进一步提升，但它的基础来自各项定位技术本身的精度提高及稳定性加强。另一方面，对信号到时室内定位技术的深入研究也能够为突破此瓶颈提供单项技术的支撑。GNSS定位的高精度就基于卫星信号到达时刻的精确测定，时间是七大基本物理量之一，时间单位的测量精度可达到10-15秒水平，以至于另一基本物理量长度的单位米改为光在真空中1299792458秒的时间间隔内行进的距离定义。信号发射端和各接收端的时间同步是实现高精度定位的关键，对于无线电波到时观测的时间同步必须达到3纳秒以内才能实现米级以内的定位精度。发明内容本发明的目的是针对现有技术的不足而设计的一种基于锚节点差分时间同步和“Taylor”协同的定位算法，采用改正数实现固定端时间同步的方法，以消除发射端和接收端的钟差、硬件延迟和电缆延迟等系统误差，实现高精度定位，以及利用同步节点实现标定固定节点之间的光纤传播和机械时延之差并将其保存在后台服务器，进一步提升定位精度和可靠性，降低了移动端标签计算负荷、生产成本和体积，无需额外铺设大量的硬件设备，也无需对现有硬件设备做出更改，完全依赖软件形式实现，易于推广，在以管理者应用为主对多用户进行管理的室内定位应用环境中具有较大优势和商业前景。本发明的目的是这样实现的：一种基于锚节点差分时间同步和“Taylor”协同的定位算法，其特点是计算标签到达各从基站的伪距差和各从基站间的伪距差，利用观测值的协方差矩阵及不少于四个从基站的已知位置坐标进行相应的伪距修正，采用求解线性方程组的方法，得到标签的初始坐标，并以“Taylor”递归算法，求取标签的最终精确定位，具体计算包括以下步骤：一、计算标签到达各基站的到达时间差，从而计算移动标签和基站间的相对几何距离，并进行伪距误差的改正a、由下述1式求解锚节点Ai与同步节点S之间的时间差其中：为锚节点Ai与同步节点S之间的距离；为锚节点Ai到本地引擎的光纤长度；τS为同步节点S的时钟在其发射信号时刻的钟差；为锚节点Ai在其接收到信号时刻自身的钟差。b、对于两锚节点A2和A1与同步节点S之间的时间差由下述4式计算的伪距差表示：其中：为锚节点Ai和A1接收标签T信号的时间差所对应的伪距差为直接观测量；为锚节点Ai和A1光纤传播与硬件延迟对应的伪距改正为事先标定；等号右边第一项包含待求的标签T的坐标。c、假定各个锚节点观测到的伪距的误差是相互独立的，其误差和伪距则由下述5式表示：其中：ρ0为一参考距离；σ0为参考距离对应的观测误差。d、由于单差的伪距观测量是相关的，其协方差矩阵则由下述6式表示：二、在伪距误差改正值的基础上，利用线性方程组计算标签的初始坐标a、由下述7式计算锚节点Ai和同步节点S之间的几何距离：b、设锚节点A1为参考节点，对上述7式进行变换，并将上述4式代入，得到下述8式的线性方程组：c、将所有的锚节点都设在同样高度，即并如下定义：d、将上述8式的线性方程组由下述9式的矩阵形式：PT＝AC-1A-1ATC-1Δρ+λ；9其中：A、λ均为已知量；Δρ为传播延迟改正后的观测矩阵，可计算出标签的坐标和并将其代入上述7式，可得三、将计算结果代入改进的“Taylor”算法，求取标签的定位坐标值a、将上述7式得到的锚节点Ai和锚节点A1与移动标签T之间的距离差由下述10式，在标签的估计位置处进行一阶泰勒展开，得到下述11式：b、按下述定义：c、将上述11式由下述12式的矩阵形式表示：ΔPT＝HTC-1H-1HTC-1ΔρT。12d、重复上述步骤进行递归，当上述12式的值小于预置阈值时,用锚节点算法的初步定位结果加上ΔPT，为“Taylor”改正后的坐标值，即为标签的定位坐标。本发明与现有技术相比具有较高和较稳定的定位精度，大大降低了移动端标签计算负荷、生产成本和体积，无需额外铺设大量的硬件设备，也无需对现有硬件设备做出更改，完全依赖软件形式实现，易于推广，在以管理者应用为主对多用户进行管理的室内定位应用环境中具有较大优势和商业前景。附图说明图1为本发明架构的定位系统示意图；图2为本发明工作流程图；图3为本发明与传统定位算法和实验平台运算结果对比图。具体实施方式本发明计算标签到达各从基站的伪距差和各从基站间的伪距差，利用观测值的协方差矩阵及不少于四个从基站的已知位置坐标进行相应的伪距修正，采用求解线性方程组的方法，得到标签的初始坐标，并以“Taylor”递归算法，求取标签的最终精确定位，具体计算包括以下步骤：一、计算标签到达各基站的到达时间差，从而计算移动标签和基站间的相对几何距离，并进行伪距误差的改正a、由下述1式求解锚节点Ai与同步节点S之间的时间差其中：为锚节点Ai与同步节点S之间的距离；为锚节点Ai到本地引擎的光纤长度；τS为同步节点S的时钟在其发射信号时刻的钟差；为锚节点Ai在其接收到信号时刻自身的钟差。b、对同一发射信号两个锚节点A2和A1测定的走时之间的差分可由下述2式表示的伪距形式：锚节点A2和A1测定时的差分是针对同步节点S发出的同一帧信号，因此发射端钟差项得以消除，为锚节点A2和A1在接收同步节点S信号时自身的钟差的差，由于各个锚节点共用本地引擎的同一个时钟，所以锚节点的钟差项实际上是本地引擎钟在两个锚节点接收时间差通常小于1000纳秒的钟差量。在这样短的时间间隔内，本地引擎的钟差可近似地表示为钟差漂移率视为常数和传播时间的乘积，本地引擎的钟差漂移率通常小于100ppm，可以忽略。因此，上述2式可化简为下述3式的伪距形式：c、定义：表示要测定的锚节点A2和A1光纤和硬件传播延迟的差分对应的伪距差；等式右边第一项为观测量，第二项为已知量，通常选择多个已知位置的同步节点观测以削弱随机误差影响，由最小二乘拟合估计出锚节点间的传播延迟差。d、改正标签到各基站与主基站之间伪距误差，将上述3式变换，可得下述4式的伪距形式：其中：为未作改正的锚节点Ai和A1接收标签T信号的时间差对应的伪距差，为直接观测量；为锚节点Ai和A1光纤传播和硬件延迟对应的伪距改正，已事先标定；等号右边第一项包含待求的未知标签T的坐标。e、标签到各基站走时误差的方差未知，观测方程并不是严格意义上的同步观测，各基站的时钟漂移程度也不相等，故为了求出待估参数，必须选择合理的观测值的协方差矩阵。假定各个锚节点观测到的伪距误差是相互独立的，其误差和伪距的距离成正比，则可由下述5式表示：其中：ρ0为一参考距离；σ0为参考距离对应的观测误差。单差的伪距观测量是相关的，其协方差矩阵可由下述6式表示：二、在伪距误差改正值的基础上，利用线性方程组计算标签的初始坐标a、锚节点Ai和同步节点S之间的几何距离可由下述7式表示：b、设锚节点A1为参考节点，对上述7式进行变换，将4式代入，得到下述8式的线性方程组：c、在伪距误差改正值的基础上，利用上述8式的线性方程组计算标签的初始坐标。d、在不影响结论的前提下，将所有的锚节点都设在同样高度，即并定义：综上，得到下述9式的矩阵形式：PT＝AC-1A-1ATC-1Δρ+λ；9其中：A、λ均为已知量；Δρ为传播延迟改正后的观测矩阵，可计算出移动标签的坐标和并将其代入上述7式，可得d、将计算结果代入改进的“Taylor”算法以求取更精确稳定的定位结果，由上述7式可得由下述10式表示的锚节点Ai和锚节点A1与移动标签T之间的几何距离差：e、将上述10式在移动标签的估计位置处进行一阶泰勒展开忽略二阶及以上分量，得到由下述11式表示的微分形式：f、定义：g、将上述11式用下述12式的矩阵形式表示：ΔPT＝HTC-1H-1HTC-1ΔρT；12重复上述步骤进行递归，当上述12式中的值小于预置阈值时,用锚节点算法的初步定位结果加上，即为“Taylor”改正后的坐标值。至此，基于锚节点差分时间同步和“Taylor”协同定位的算法得到标签最终的精确定位坐标。以下通过具体实施例对本发明作进一步的详细说明。实施例1参阅附图1，本发明采用由一个主基站31和多个从基站32组成的定位基站与标签5、交换机2和后台服务器1架构的定位系统，其中定位基站通过光纤向后台服务器1回传数据并由POEPowerOverEthernet方式进行供电。交换机2用于将多个从基站32接收到的标签定位包和主基站31的同步包发送至后台服务器1，后台服务器1承担基站同步、解析数据包、存储伪距改正值以及各从基站32信息和解算标签5位置等功能。参阅附图2，本发明中标签定位用于发送定位包，而同步节点锚节点或标定的已知位置则是采用激光测距仪测定实际坐标的移动标签，并将其真实坐标保存至后台服务器。在定位系统正常工作前，同步节点发送定位包，各从基站接收到定位包和主基站的同步包后经由交换机发送至后台服务器。后台服务器经过计算通过到达时间差，计算移动标签到各从基站与主基站距离的差。因为同步节点的真实坐标已知，所以同步节点锚节点到各从基站与主基站距离差的真实值可得，利用下述5式：可以得到下述6式确定观测值的协方差矩阵：最后利用下述3式：得到相应的伪距补偿差，并将其进行保存。为了得到更加精确的伪距改正值和观测值的协方差矩阵，多个同步节点锚节点被选择。在定位系统正常工作时，移动标签发送含有定位信息的定位包，各个从基站接收到各个移动标签的定位包和主基站的同步包后经由交换机发送至后台服务器。后台服务器解算数据包，通过到达时间差计算移动标签到各基站与主基站距离的差，然后利用下述9式：PT＝AC-1A-1ATC-1Δρ+λ；9得到该移动标签的初始坐标，然后将其代入下述12式得到标签更为精确的定位坐标：ΔPT＝HTC-1H-1HTC-1ΔρT。12参阅附图3，本发明通过与传统定位算法和实验平台运算结果对比，可以看出基于锚节点差分时间同步和“Taylor”协同的定位效果较好，具有较高和较稳定的定位精度。利用同步节点锚节点事先标定固定节点之间的光纤传播和机械时延之差，并将其保存在后台的服务器后，对未知定位标签的伪距计算结果进行误差改正，简单有效地考虑了时间误差的情况下于室内定位，提升了定位精度和稳定性，大大优于现有技术的定位精度。以上只是对本发明作进一步的说明，并非用以限制本专利，凡为本发明等效实施，均应包含于本专利的权利要求范围之内。

权利要求：1.一种基于锚节点差分时间同步和Taylor协同的定位算法，其特征在于计算标签到达各从基站的伪距差和各从基站间的伪距差，利用观测值的协方差矩阵及不少于四个从基站的已知位置坐标进行相应的伪距修正，采用求解线性方程组的方法，得到标签的初始坐标，并以“Taylor”递归算法，求取标签的最终精确定位，具体计算包括以下步骤：一、计算标签到达各基站的到达时间差，从而计算移动标签和基站间的相对几何距离，并进行伪距误差的改正a、由下述1式求解锚节点Ai与同步节点S之间的时间差其中：为锚节点Ai与同步节点S之间的距离；为锚节点Ai到本地引擎的光纤长度；τS为同步节点S的时钟在其发射信号时刻的钟差；为锚节点Ai在其接收到信号时刻自身的钟差；b、对于两锚节点A2和A1与同步节点S之间的时间差由下述4式计算的伪距差表示：其中：为锚节点Ai和A1接收标签T信号的时间差所对应的伪距差；为锚节点Ai和A1光纤传播与硬件延迟对应的伪距改正；等号右边第一项包含待求的标签T的坐标；c、假定各个锚节点观测到的伪距的误差是相互独立的，其误差和伪距则由下述5式表示：其中：ρ0为一参考距离；σ0为参考距离对应的观测误差；d、由于单差的伪距观测量是相关的，其协方差矩阵则由下述6式表示：二、在伪距误差改正值的基础上，利用线性方程组计算标签的初始坐标a、由下述7式计算锚节点Ai和同步节点S之间的几何距离：b、设锚节点A1为参考节点，对上述7式进行变换，并将上述4式代入，得到下述8式的线性方程组：c、将所有的锚节点都设在同样高度，即并如下定义：d、将上述8式的线性方程组由下述9式的矩阵形式：PT＝AC-1A-1ATC-1Δρ+λ；9其中：A、λ均为已知量；Δρ为传播延迟改正后的观测矩阵，可计算出标签的坐标和并将其代入上述7式，可得三、将计算结果代入改进的“Taylor”算法，求取标签的定位坐标值a、将上述7式得到的锚节点Ai和锚节点A1与移动标签T之间的距离差由下述10式，在标签的估计位置处进行一阶泰勒展开，得到下述11式：b、按下述定义：c、将上述11式由下述12式的矩阵形式表示：ΔPT＝HTC-1H-1HTC-1ΔρT；12d、重复上述步骤进行递归，当上述12式的值小于预置阈值时,用锚节点算法的初步定位结果加上ΔPT，为“Taylor”改正后的坐标值，即为标签的定位坐标。

百度查询： 华东师范大学 一种基于锚节点差分时间同步和Taylor协同的定位算法