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专利名称：基于单测距基站与gps的电子标签协同定位方法
技术领域：
本发明涉及定位方法技术领域，特别是指基于单测距基站与GPS的电子标签协同定位方法。
背景技术：
近年来，随着物联网技术的迅猛发展，作为核心技术之一的电子标签(也称射频识别标签或RFID标签)定位技术也越来越受到各方面的关注。电子标签按照其是否需要供电，目前主要分为有源和无源两种。相比有源电子标签，无源电子标签在感应距离以及适应载体运动速度方面受到很大的局限如有源电子标签感应距离通常达上百米，而一般无源电子标签感应距离只在10米以下，很难利用无源电子标签获取载体位置信息。然而，即使使用有源电子标签进行定位，由于其信号强度受环境的影响很大，室外定位的准确性很难保证。而且，目前的有源电子标签定位通常是采用多个测距基站联合定位的方式。多测距基站联合定位方式如图I所示。其定位原理为多个感应基站的位置是已知的，这些感应基站分别获取有源电子标签的距离信息(即标签到基站的距离)，控制中心以这些距离和已知位置为参数利用多点定位原理，就能计算标签的位置了。多测距基站联合定位方式在室内，或者一个小区域很好实现。在室外，特别在一个大区域，如整个城市，需要布置大量的感应基站来覆盖整个区域，不但费用很高，而且计算过程也会更复杂。

发明内容
本发明的目的在于提供一种基于单测距基站与GPS的电子标签协同定位方法。为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下基于单测距基站与GPS的电子标签协同定位方法，包括以下步骤将测距基站及GPS接收器置于测距车上，将有源电子标签放置在待定位对象上；在所述测距车行驶过程中，由所述测距基站实时获所述测距基站与所述有源电子标签的距离数据，同时所述GPS接收器获取所述测距基站的GPS定位数据；将获取的所述距离数据及GPS定位数据传送到定位处理中心；所述定位处理中心对所述距离数据及GPS定位数据根据预设程序进行处理，解算出所述有源电子标签的位置，即所述待定位对象的位置。所述定位处理中心对所述距离数据及GPS定位数据根据预设程序进行处理的步骤包括利用所述距离数据及GPS定位数据，获取解算用距离数据及定位数据；根据有源电子标签ID号，将所述距离数据分发到对应待定位对象；根据所述距离数据及对应的定位数据，运用三角定位原理，解算待定位对象位置坐标。、
所述的利用所述距离数据及GPS定位数据，获取解算用距离数据及定位数据的步骤是剔除所述距离数据中的异常数据；剔除所述GPS定位数据中的异常数据，运用卡尔曼滤波器对剔除异常数据后GPS定位数据优化；对剔除异常数据后的距离数据及优化的GPS定位数据同步模拟，获取解算用距离数据及定位数据。本发明实施例中，所述的同步模拟的方法是将每次收到的GPS定位点与前一个GPS定位点间所有测距点的距离数据由大到小排列，取所述距离数据中的中间值距离数据及所述前后两GPS定位点的坐标平均值分别作为解算用的距离数据及坐标数据。 所述根据所述距离数据及定位数据，运用三角定位原理，解算待定位对象位置坐标的步骤如下步骤I、选取三个测距点及所述测距点对应的距离数据构建定位三角形；步骤2、所述定位三角形是否病态三角形，是则返回步骤1，否则下一步；步骤3、是否有4个定位三角形，是则下一步，否则返回步骤I ;步骤4、利用所述定位三角形运用三角定位原理解算出4个定位点坐标；步骤5、从所述4个定位点坐标中选取距离最近的2个定位点坐标，利用平均法对所述2个定位点坐标解算，获得一个定位点坐标；步骤6、重复上述步骤f 5，分别获得一个定位点坐标；步骤7、对通过平均法获得的所述定位点坐标进行加权重心处理，最终获得一定位点坐标，即待定位对象的位置坐标。所述病态三角形是指由两个测距点与对应的距离数据构成的三角形中，以定位点为顶点的内角的度数小于15度；该定位点为由所述测距点与对应的距离数据根据三角定位原理解算出的虚拟定位点。经过测试，本发明在相对开阔以及无遮挡情况下，绝对定位精度在5米以内；在城市道路这种复杂环境下，绝对定位精度也在10米以内，有效定位距离100米以内。综上所述，利用本发明不仅可以实现单测距基站移动定位，而且对室外复杂环境也有很强的适应能力，是一种新型的室外位置感知的方法。


图I是现有多测距基站联合定位方法的示意图；图2是本发明实施例提供的转载单测距基站与GPS的电子标签协同定位方法示意图；图3是本发明实施例提供的转载单测距基站与GPS的电子标签协同定位方法的流程图；图4是本发明实施例提供的定位处理中心对距离数据及GPS定位数据处理流程图；图5是本发明实施例提供的从距离数据及GPS定位数据中获取定位计算用的距离数据及定位数据的流程图；图6是本发明实施例提供的运用三角定位原理解算有源电子标签坐标位置的流程图；图7、是运用三角定位原理解算有源电子标签的坐标的方法有理示意图；图10是测距点 与GPS点非同步的示意图。
具体实施例方式本发明通过将有源电子标签与室外待定位对象绑定，然后通过GPS接收器与移动单测距基站协同方式定位有源电子标签，从而定位室外待定位对象。这里默认有源电子标签的位置即为室外待定位对象的位置。GPS是全球定位系统的英文缩写，是指利用卫星在全球范围内实时进行定位、导航的系统，目前应用广泛。在通常情况下，GPS定位的精度民用精度在15米左右，设备精度高的可以到5米；而采用实时动态差分法(简称RTK)的GPS定位精度可达厘米级。因此，本发明中利用GPS获取已知点位置(车辆位置)坐标，利用移动单测距基站模拟多基站情况，并在应用中对以下几个方面情况予以了考虑I.周边环境不理想情况下的定位。人、树、车辆等对测距信号的影响较大，定位时要求能剔除大部分粗差，并有较强容错能力。2.多个标签应能同时进行定位。只能定位一个标签会导致应用范围大大缩小。3.保证定位精度满足特定需要。定位到一个什么精度，是一个很重要的性能指标。参见图2所示，该图示出了本发明实施例提供的基于单测距基站与GPS的电子标签协同定位的原理。图中A、B、C为测距基站的位置，也称为测距点；D、E为测距车2的起点与终点，在所述的起点与终点E间为测距车2的行车路线1，20、21分别是测距基站及GPS接收器，放在测距车2上，4为待定位对象，3为安装在待定位对象上的源电子标签，P为待定位对象的位置。本发明是利用车载单测距基站方式模拟多测距基站方式，车上同时配备GPS接收器实时获取车载测距基站当前位置；在待定位对象点安装有源电子标签(有源电子标签应放置待定位对象4上不容易被遮挡的地方)，本发明实施例中，默认有源电子标签的位置即为室外待定位对象的位置；在车辆行驶过程中，车辆进入可测距范围内后，测距基站不断接收有源电子标签信号，解算出测距基站距离有源电子标签的距离，GPS接收器通过GPS定位卫星同时获取测距基站位置；由处理中心根据所述测距基站获得的距离及所述的GPS接收器同时获取测距基站位置，利用“三点定位”原理可以解算出有源电子标签的位置，即室外待定位对象的位置P。以下对本发明实施例所述的定位方法详细说明如下本发明实施例中，所述的GPS点是指车载测距基站测距过程中，由所述的GPS接收器获取的测距基站的位置坐标所确定应的点；如无特别说明，本发明实施例中，所述的距离数据与测距数据同义，所述的GPS定位数据是指所述的GPS接收器获取的测距基站的位置坐标数据。参见图3所示，所述的基于单测距基站与GPS的电子标签协同定位方法，包括以下步骤
步骤SlOl:将测距基站及GPS接收器置于测距车上，将有源电子标签放置在待定位对象上；步骤S102:在所述测距车行驶过程中，由所述测距基站实时获所述测距基站与所述有源电子标签的距离数据，同时所述GPS接收器获取所述测距基站的GPS定位数据；步骤S103:将获取的所述距离数据及GPS定位数据传送到定位处理中心；步骤S104:所述定位处理中心对所述距离数据及GPS定位数据根据预设程序进行处理，解算出所述有源电子标签的位置，即所述待定位对象的位置。参见图4所示，本发明实施例中，步骤步骤S 104定位处理中心对所述距离数据及GPS定位数据根据预设程序进行处理的步骤包括步骤S201:利用所述距离数据及GPS定位数据，获取解算用距离数据及定位数据；本发明实施例中，所述的解算用的距离数据及定位数据，是指剔除了异常数据、经过一定方法优化及同步模拟后的获得的数据。具体的获得方法见下面的描述。步骤S202:根据有源电子标签ID号，将所述距离数据分发到对应待定位对象；由于在实际测量中，测距基站一般会同时接收到不同标签的测距数据，为了能进行多目标同时定位，要将匹配后距离数据及定位数据分发到对应的各个待定位对象，以防止最后的定位计算错误。即是，根据用于定位计算的距离数据对应的有源电子标签的ID号，将该距离数据发送给相应的待定位对象，实现数据接收和坐标解算的异步操作，这样可实现多个待定位对象的同时定位。步骤S203:根据所述距离数据及对应的定位数据，运用三角定位原理，解算待定位对象位置坐标。参见图5所示，本发明实施例中，所述的从所述距离数据及GPS定位数据中获取用于定位计算的距离数据及定位数据的步骤是步骤S301:剔除所述距离数据中的异常数据；由于车载测距基站的测距方法是以很高的频率(以秒计算的话，每秒约500次)测量有源电子标签发出的信号在空间传播的时间，再换算成距离；这样反复测量多次并取平均值(这样能比较精确地测定测距基站到有源电子标签的距离)，然后将平均值传回处理中心(该传送频率可调，最高可达8次/每秒)。当基站以固定速度发送数据时，如果中途有障碍物，可能会收不到信号，这时两个相邻GPS点间的测距数据个数会少于预期数量。对于这种信号不好的情况，应将这组数据抛弃，以免影响最后的定位精度。正常情况下，如果基站每秒返回的数据次数是8次，如果每称返回的数据次数小于4次，可认为测距信号不好，将该时间段返回的数据抛弃。所以由测距基站返回的距离数据返回处理中心时，应对数据进行粗拣，以减少后期处理计算量。另外，由于环境复杂多变，测距信号可能被其它物体反射，造成由所述的测距基站返回的数据突变。所以，接收到测距数据时，先进行判断，是否存在突变，如果有，则应将突变的异常数据剔除；距离数据粗拣的具体方法是用当前返回的距离数据与之前存储的距离数据比较，如果数据突然变化过大，剔除该距离数据；比如车速36km/h时，基站每秒返回8次数据，则当前返回值与前一个返回值之差，如果超过6米，可认为是粗差，予以剔除。步骤S302 :剔除所述GPS定位数据中的异常数据，运用卡尔曼滤波器对剔除异常数据后的GPS定位数据进行优化；在GPS异常定位数据的剔除方面同样采用了 GPS粗差剔除的方法，即如果某一定位点的GPS定位数据与前一个定位点的GPS定位数据相比，坐标变化超过100米，则认为该定位点是异常点，可直接剔除。另外，本发明采用了卡尔曼滤波的方法对剔除异常数据后的GPS定位数据进行了优化，能提高大约20% - 30%的精度，从而提升了定位的精度。滤波前，为获取最优的估值，要先建立匹配当前定位系统的GPS滤波数学模型。由于异常的GPS定位点对滤波结果影响很大，所以应在滤波前判断、剔除。滤波后，滤波器会根据输入的数据调整滤波器，以使滤波器更接近实际GPS位置模型，最后得到可用于定位计算的GPS点数据。步骤S303 :对剔除异常数据后的距离数据及优化的GPS定位数据同步模拟，获取 解算用距离数据及定位数据。由于进行定位解算时，需要测距点(A、B、C)的GPS位置数据以及同一时刻的距离数据，也就是测距基站与GPS接收器是需要同步的。但是，因为测距基站与GPS接收器是两个独立的部件，两者没有同步关联——测距基站获取距离数据频率较快，而GPS获取位置数据的频率较慢，所以大多数情况下，测距基站获取距离数据的同时，并没有获取相应的GPS位置数据，也就是说，测距点与GPS点是不重合的。如图10所示，在车辆沿直线行进(理想情况)过程中，两个GPS点之间的一般会有多个测距点。为了解决测距点没有对应的GPS点的问题，本发明使用了测距点与GPS点的同步模拟方法，也就是通过GPS点的位置、接收GPS点的时间、基站测距的时间来推算测距基站测距时测距基站所在的坐标位置。本发明实施例中，所述的同步模拟的方法是每次接收到GPS定位数据后，将该GPS定位数据确定的GPS点与前一个GPS点间所有测距点的距离数据由大到小排列，取所述距离数据中的中间值距离数据作为参与定位计算的距离数据，抛弃其它测距点的数据；同时，取所述前后两个GPS点的坐标平均值作为参与最后定位计算的坐标数据。所述的中间值距离对应的测距点对应的位置即为两个GPS点坐标的均值，从而实现了测距点与GPS点的一一对应，即一个测距点有一个GPS坐标数据对应，这样既减少了数据量，也提高了距离数据的质量。因为基站返回数据的频率很高(对于GPS而言)，正常车速下，两个相邻测距点的位置在行车轨迹上会离得很近。如这一组测距数据参与定位时，得到的定位点也离得很近。这是因为，本发明主要定位误差是来自GPS点与实际位置的差异，同一组测距数据的GPS误差也就相同，造成同一组数据得到的定位点没什么差别。所以最终选择GPS相邻定位点间的测距数据的中间值数据作为定位计算的数据，两个相邻GPS点的坐标平均值为此中间值数据的位置坐标值，这样不但减少数据量，而且还提高了数据的质量。参见图6所示，本发明实施例中，所述根据所述距离数据及对应的定位数据，运用三角定位原理，解算待定位对象位置坐标的步骤如下步骤I、选取三个测距点及所述测距点对应的距离数据构建4个定位三角形；
由于对应于一个有源电子标签的测距点为多个，因此，在最后的有源电子标签的坐标位置解算时，从多个测距点中选择三个测距点，并根据所述的测距点对应的测距数据构建定位三角形，由于存在三个测距点，所以可构建4个三角形，具体构建方法见下面有关三点定位原理及目标点坐标解算详细说明的说明。步骤2、所述定位三角形是否为病态三角形，是则返回步骤1，否则下一步；由于选择的测距点有时距离非常近，导致构建的三角形中会出现不利于最终定位精度的三角形，对这类三角形，应予剔除，重新构建三角形，这类三角形，本发明称之为病态三角形，即由两个测距点与对应的距离数据构成的三角形中，以定位点为顶点的内角的度数小于15度；这里所述的定位点系拽由选择的测距点与对应的距离数据根据三角定位原理解算出的虚拟定位点。步骤3、是否有4个定位三角形，是则下一步，否则返回步骤I ; 步骤4、利用所述定位三角形运用三角定位原理解算出4个定位点坐标；步骤5、从所述4个定位点坐标中选取距离最近的2个定位点坐标，利用平均法对所述2个定位点坐标解算，获得一个定位点坐标；步骤6、重复上述步骤f 5，分别获得一个定位点坐标；步骤7、对通过平均法获得的所述定位点坐标进行加权重心处理，最终获得一定位点坐标，即待定位对象的位置坐标。所述的加权重心处理的方法详见以下关于公式步骤5、6的部分。所述的定位点坐标至少5个，如果定位点坐标数量过少(少于5个)，则偶然误差对最后定位结果影响会较大，定位精度不高。以下，根据附图6对本发明所述三点定位原理以及根据所述距离数据及对应的定位数据运用三角定位原理，解算待定位对象位置坐标步骤详细说明。由于测距基站是根据信号传播时间获取距离而不能测量方向，所以根据三角形几何原理一固定一条边的位置，知道其他两条边的长度，可以画出2个三角形，这样就有2个顶点了，不能唯一定位了。当只用A、B位置2个点，有源电子标签的位置就有2种可能P或P1，具体参见图7所示。如已知A点坐标(xa，ya)，B点坐标(xb，yb)，已知A点测到与P之间距离da，B点测到与P之间距离db，则P点坐标(xp，yp)可由公式(1)，(2)推出。虽然由2个二元二次方程来解算，得到结果可能有无解、I个解或者2个解三种情况，但2个三角形则只能是2个解的情况。(xp-xa)2+ (yp-ya)2 = da2 公式(I)(xp-xb) 2+(yp_yb)2 = db2 公式(2)所以，这里我们使用三个点A、B、C，根据A、B点以及其分别与点P的距离，解算出2个解，即P、P1点坐标；根据B、C点以及其分别与点P的距离，同样解算出2个解，即P、P2点坐标，从这4个点中找出相同的那个点就是目标位置，即P点。具体参见图8所示。三点定位原理中，P点位置就是4个坐标中2个相同的那个坐标，但在实际定位过程中，由于GPS、测距基站等的精度问题，解算出来的4个点(P、P1, P2, P3)坐标一般是各不相同的，所以就无法找到2个相同的坐标作为我们的目标位置了。具体如下图所示。这里我们的解决方法是，分别计算这4个点之间的相互距离，并对距离最近的两个点取平均，从而得到一个定位点。如图9所示,最近点为P、P3两点,假设P点坐标(xp, yp), P3点坐标(xp3, yp3),则最终定位点坐标P。点坐标(xp。，ypo)可以由公式(3)，(4)推出Xpo = ' 二於公式(3 )公式(4)在实际计算中，参与坐标解算的点越多(至少3个)，由其组成的定位三角形的数量就越多，则解算的精度也越高。实际定位过程中，测距基站距离定位目标越远，定位结果可信度越差。所以虽然可以使用多点，但距离过远，则误差过大，予以剔除。较优的，本发明中以最大距尚在80米左右，组成坐标结算点10个左右为宜；另外为了提1 定位精度，给不同定位点不同的权，来反映它们对最终定位坐标的影响。“加权重心”公式如下
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「W! _ d-i+d2 +d3 d2 +￠/, +d4 d3+d4 +J5d +d x +di+2,_、x----jjj-公式(5)
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(J1 + d2 + d2 +^3+ d4 + d4 + d5 (Ji + dl + dl+2其中，点P的坐标(x，y)是由i个解算点以及i+2个距离最终解算出来的坐标，每个解算点都是用“三点定位原理”使用计算出来的，这i个解算点分别为=P1 (Xll7l), P2(x2, J2),…，Pi Cxi, yi)，而，每个解算点又对应着三个测距点的测距值，其关系为Pi对应距离(Ii, di+1, di+2,如(I1, d2, d3分别是参与计算P1 (X1, Y1)三点定位时三个测距点的测距值。因此，一旦获得的测距点超过3个，则就可以解算出一个坐标，通过一定数量的测距点可以计算多个坐标，为了提高精度，对计算出的多个坐标再用公式(步骤5、(6)进行计算，解算出最终的坐标，即为目标点的定位坐标。为了保证定位精度，本发明中使用了“病态三角形”的概念，即由已知测距点(A、B、C)和疑似目标点(P、Pi、P2、P3)组建的每个三角形中，如果以目标点为顶点的那个角的角度小于15°，则认为其实“病态三角形”，否则是正常三角形。“病态三角形”不能用来进行坐标解算，因而在所有坐标计算过程中都需要剔除“病态三角形”。如下图所示，因为Z APB大于15°，则AABP是正常三角形；而小于15°，则AABA是“病态三角形”，则应剔除，不参加坐标解算。最后所应说明的是，以上具体实施方式
仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.基于单测距基站与GPS的电子标签协同定位方法，其特征在于，包括 将测距基站及GPS接收器置于测距车上，将有源电子标签放置在待定位对象上； 在所述测距车行驶过程中，由所述测距基站实时获所述测距基站与所述有源电子标签的距离数据，同时所述GPS接收器获取所述测距基站的GPS定位数据； 将获取的所述距离数据及GPS定位数据传送到定位处理中心； 所述定位处理中心对所述距离数据及GPS定位数据根据预设程序进行处理，解算出所述有源电子标签的位置，即所述待定位对象的位置。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述定位处理中心对所述距离数据及GPS定位数据根据预设程序进行处理包括 利用所述距离数据及GPS定位数据，获取解算用距离数据及定位数据； 根据有源电子标签ID号，将所述距离数据分发到对应待定位对象； 根据所述距离数据及对应的定位数据，运用三角定位原理，解算待定位对象位置坐标。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在干，所述的利用所述距离数据及GPS定位数据，获取解算用距离数据及定位数据包括 剔除所述距离数据中的异常数据； 剔除所述GPS定位数据中的异常数据，运用卡尔曼滤波器对剔除异常数据后GPS定位数据优化； 对剔除异常数据后的距离数据及优化的GPS定位数据同步模拟，获取解算用距离数据及定位数据。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的同步模拟的方法是 将每次收到的GPS定位点与前ー个GPS定位点间所有测距点的距离数据由大到小排列，取所述距离数据中的中间值距离数据及所述前后两GPS定位点的坐标平均值分别作为解算用的距离数据及坐标数据。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述距离数据及定位数据，运用三角定位原理，解算待定位对象位置坐标包括 步骤I、选取三个测距点及所述测距点对应的距离数据构建定位三角形； 步骤2、所述定位三角形是否病态三角形，是则返回步骤1，否则下一歩； 步骤3、是否有4个定位三角形，是则下一歩，否则返回步骤I ; 步骤4、利用所述定位三角形运用三角定位原理解算出4个定位点坐标； 步骤5、从所述4个定位点坐标中选取距离最近的2个定位点坐标，利用平均法对所述2个定位点坐标解算，获得ー个定位点坐标； 步骤6、重复上述步骤f 5，分别获得ー个定位点坐标； 步骤7、对通过平均法获得的所述定位点坐标进行加权重心处理，最終获得一定位点坐标，即待定位对象的位置坐标。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述病态三角形是指由两个测距点与对应的距离数据构成的三角形中，以定位点为顶点的内角的度数小于15度；该定位点为由所述测距点与对应的距离数据根据三角定位原理解算出的虚拟定位点。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的定位点坐标至少5个。
全文摘要
本发明公开了一种基于单测距基站与GPS的电子标签协同定位方法，所述方法包括以下步骤将测距基站及GPS接收器置于测距车上，将有源电子标签放置在待定位对象上；在所述测距车行驶过程中，由所述测距基站实时获所述测距基站与所述有源电子标签的距离数据，同时所述GPS接收器获取所述测距基站的GPS定位数据；将获取的所述距离数据及GPS定位数据传送到定位处理中心；所述定位处理中心对所述距离数据及GPS定位数据根据预设程序进行处理，解算出所述有源电子标签的位置坐标，即所述待定位对象的位置坐标。本发明不仅可以实现单测距基站移动定位，而且对室外复杂环境也有很强的适应能力，是一种新型的室外位置感知的方法。
文档编号G01S19/45GK102736092SQ201210233018
公开日2012年10月17日 申请日期2012年7月5日 优先权日2012年7月5日
发明者刘扬, 尚利堃, 杜明义, 杜萌, 程顺清, 靖常峰 申请人:北京建筑工程学院, 北京英泰思迪空间信息技术有限公司