一种基于UWB的定位系统及定位方法
技术领域
本发明涉及定位技术领域，尤其涉及一种基于UWB(Ultra Wide Band，超宽带)的定位系统及定位方法。
背景技术
如今铁路快速货运日益发展成熟，在高速运输过程中，为避免车体重量偏载问题，需按照计划对货物的安置位置进行严格摆放，从而避免由于偏载问题导致的列车高速运行过程中的安全隐患，因此需要有效验证货物安置位置是否准确，以对所搭载的货物进行位置信息管理。
目前现有技术中，定位技术主要包括蓝牙技术、超声波技术以及WIFI技术。其中，蓝牙技术通过测量信号强度进行定位，主要应用于小范围定位，该技术优点是设备体积小，易于集成在PDA、PC以及手机中，但蓝牙器件和设备的价格比较昂贵，而且对于复杂的空间环境，蓝牙系统的稳定性稍差，受噪声信号干扰大。超声波技术定位目前大多数采用反射式测距法，短距离范围内定位精度比较高，但比如在货运动车组内的狭长空间内，使用超声波定位会在传输过程中衰减明显，从而影响定位有效范围，发射和接收如有遮挡也会对定位精度造成严重影响。WIFI技术通过无线接入点(包括无线路由器)组成的无线局域网络(WLAN)，可以实现复杂环境中的定位、监测和追踪任务。它以网络节点(无线接入点)的位置信息为基础和前提，采用经验测试和信号传播模型相结合的方式，对已接入的移动设备进行位置定位，最高精确度大约在1米至 20米之间，但如果定位测算仅基于当前连接的Wi-Fi接入点，而不是参照周边 Wi-Fi的信号强度合成图，则Wi-Fi定位就很容易存在误差，而且，Wi-Fi接入点通常都只能覆盖半径90米左右的区域，而且很容易受到其他信号的干扰，从而影响其精度，定位器和标签的功耗也较高。因此，上述三种技术均受具体应用场景限定而不能满足在货运列车组内的精准定位。
发明内容
本发明提供一种基于UWB的定位系统及定位方法，以解决现有技术不能精准定位的问题。
本发明的第一个方面是提供一种定位系统，包括车载系统，应用于货运列车组车厢内，包括UWB定位标签、基站及主机，所述UWB定位标签设置于车厢内的货物集装器上，每个集装器上设置一个UWB定位标签；所述基站至少为三个，设置于车厢内；
各所述基站用于与UWB定位标签进行数据交互，获取与每一UWB定位标签之间的距离；
所述主机与所述基站通信连接，用于接收各基站传递的所述距离，并根据各基站的坐标信息及所述距离，获取各UWB定位标签的坐标信息；
所述主机还用于根据UWB定位标签的坐标信息和集装器在车厢内的部署布置图，计算集装器所在货位。
可选的，所述基站设置于车厢内的顶部。
可选的，所述UWB定位标签设置在集装器的顶部位置。
可选的，所述基站型号为QH-ANCHOR1，UWB定位标签型号为QH-TAG1。
可选的，所述车载系统还包括管理平台，所述管理平台用于上传集装器货位信息，并根据预先设置的配载计划，判断集装器的配载情况。
可选的，还包括后台监控系统，用于接收各所述车载系统发送的集装器货位信息和管理数据，以进行统一管理和存储。
本申请的另一方面，还提供了一种基于UWB的定位方法，应用于如上所述的UWB定位系统，所述方法包括如下步骤：
至少三个基站通过与每一UWB定位标签进行数据交互，获取电磁波的飞行时间，并根据电磁波在空气中的传播速度，获取该基站与各UWB定位标签之间的距离；
主机与至少三个基站通信连接，获取各所述距离，并根据各基站的坐标信息及所述距离，获取该UWB定位标签的坐标信息；
所述主机根据该UWB定位标签的坐标信息和集装器在车厢内的部署位置图，获取集装器的货位信息。
可选的，所述飞行时间计算方式为：
其中，Tprop为飞行时间；
Tround1为第一时间周期，Tround1＝RESP_RX-POLL_TX；
Treply1为第一答复周期，Treply1＝RESP_TX-POLL_RX；
Tround2为第二时间周期，Tround2＝FINAL_RX-RESP_TX；
Treply2为第二答复周期，Treply2＝FIANL_TX-RESP_RX；
其中，POLL_TX为UWB定位标签发送POLL消息时的时间，POLL_RX 为基站接收到UWB标签POLL消息的时间，RESP_TX为基站回复RESP消息的时间，RESP_RX为UWB定位标签收到RESP消息的时间，FINAL_TX 为UWB定位标签发送final消息的时间，FINAL_RX为基站接收到UWB定位标签FINAL消息的时间。
可选的，根据三边定位法获取所述UWB定位标签的坐标信息，为：
其中，(Xa,Ya)，(Xb,Yb)，(Xc,Yc)分别为三个基站A、B、C的坐标，(X,Y)为UWB定位标签D的坐标，da，db，dc分别为A、B、C与D的距离。
可选的，根据三角形质心法获取所述UWB定位标签的坐标信息，为：
(x1-x0)2+(y1-y0)2＝r12
(x2-x0)2+(y2-y0)2＝r22
(x3-x0)2+(y3-y0)2＝r32
其中，(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)分别为三个基站A、B、C的位置坐标， (x0,y0)为UWB定位标签D的未知坐标，r1,r2,r3分别为D到A、B、C三点的距离。
本发明提供的基于UWB实现的定位系统及定位方法的技术效果是：
本申请通过UWB实现的货物精准定位，可大批量应用于货运动车组列车，相对其他定位技术，基于UWB技术实现的定位技术，具有时间分辨率高、无需载波、高频窄脉冲通信的技术特点，使本系统具有抗干扰性强，部署便利、定位精准等特点，可实测定位精度在30cm以内，可以有效的验证货物安置位置是否准确，从而避免由于偏载问题导致的列车高速运行过程中的安全隐患，实现为货运动车组的货物正确装载和正常运行保驾护航。
附图说明
图1为本发明一示例性实施例示出的一种UWB定位系统的示意图；
图2为本发明一示例性实施例示出的另一UWB定位系统的示意图；
图3为本发明一示例性实施例示出的基于UWB的定位方法的流程图；
图4为本发明一示例性实施例示出的飞行时间计算方法示意图；
图5为本发明一示例性实施例示出的三边定位算法的示意图；
图6为本发明一示例性实施例示出的三角形质心算法的示意图；
图中：A.车载系统，B.后台监控系统，1.集装器，2.UWB定位标签，3.基站，4.主机，5.网络接入设备，6.平台服务器，7.后台监控管理平台。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
图1-2为本发明一示例性实施例示出的基于UWB定位系统的结构示意图。如图1-2所示，所述定位系统应用于货运列车组的车厢内，具体为铁路货运动车组车厢(狭长空间)内部的集装器定位，为铁路货运动车组货物管理系统提供货物位置数据支撑，通过UWB实现的货物精准定位，可以有效的验证货物安置位置是否准确。所述定位系统主要包括车载系统A，车载系统A包括UWB 定位标签2、基站3、主机4，其中，UWB定位标签2设置于车厢内的货物集装器1上，每个集装器上设置一个UWB定位标签；所述基站3至少为三个，设置于车厢内，但由于定位标签和基站之间有通信距离限制，如果车厢长度长，三个基站无法满足整车覆盖时，则需要增加基站数量，保证每个定位标签在自己的位置附近至少可以和附近的三个基站完成通信。
其中，UWB定位标签2用于与在通信范围内的至少三个基站进行数据交互，所述至少三个基站用于根据交互数据获取电磁波的飞行时间，并根据电磁波在空气中的传播速度，获得该UWB定位标签与该至少三个基站之间的距离。具体数据交互过程及距离计算过程参考下文中关于定位方法的描述。
所述主机4与所述至少三个基站3通信连接，用于获取各基站传递的所述距离，还用于根据各基站的坐标信息及与每个UWB定位标签之间的距离，获取该UWB定位标签的坐标信息。
其中，基站3的坐标具体为基站所处空间内的物理坐标，例如空间内部署 4个基站，第一个基站坐标为(0.0)，第二个基站根据和第一个基站的相对位置关系，计算出该基站的坐标，第三、第四个以此类推；同样的，计算出来的各定位标签的坐标同样为三维坐标系下的空间位置。
所述主机4还用于根据每一UWB定位标签2的坐标信息和集装器1在车厢内的部署布置图，计算集装器所在货位，具体计算过程参考下文中关于定位方法的描述。
示例地，如图1-2所示，在货运动车组车厢的狭长空间内，集装器与货运动车内部顶棚垂直高度小于30cm，定位平面范围为3m*25m，分布20个货物集装器，每个货物集装器上设置有UWB定位标签，定位标签可以设置在集装器的顶部位置，该UWB定位标签例如可以采用的型号为QH-TAG1，在车厢顶部安装6个基站，该定位架站例如可以采用的型号为QH-ANCHOR1，这样基站和标签之间的通信可保持通视，消除遮挡影响和多径影响，避免降低测距精度从而降低定位精度。当然，定位标签也可以设置在集装器的中部及底部位置，本实施例对此不进行限定，本实施例对此不进行限定，只要基站和定位标签工作时保证电磁波传播通视，不受遮挡即可。
本申请通过UWB实现的货物精准定位，可大批量应用于货运动车组列车，相对其他定位技术，基于UWB技术实现的定位技术，具有时间分辨率高、无需载波、高频窄脉冲通信的技术特点，使本系统具有抗干扰性强，部署便利、定位精准等特点，可实测定位精度在30cm以内，可以有效的验证货物安置位置是否准确，从而避免由于偏载问题导致的列车高速运行过程中的安全隐患，实现为货运动车组的货物正确装载和正常运行保驾护航。
对于铁路快速货运日益成熟发展，在高速运输过程中，为避免车体重量偏载问题，需按照计划对货物的安置位置进行严格摆放，因此，在完成对集装器的定位后，进一步地，需要对所搭载的货物进行位置信息管理，因此，所述车载系统还包括管理平台，所述管理平台用于上传集装器货位信息，并根据预先设置的配载计划，判断集装器的配载情况，如匹配集装器是否正确配载、是否存在错载、漏载等情况。
另外，如图2所示，本发明除了包括车载系统A外，还包括后台监控系统B，包括网络接入设备5、平台服务器6和后台监控管理平台7，车载系统 A在本地对集装器进行定位与管理，而后台监控系统B则可以通过网络接入设备5，接收各个管理车辆的车载系统A发送的集装器定位和管理数据，进行统一管理和存储。
另一方面，如图3所示，本申请提供了一种基于UWB的定位方法，应用于如上所述的UWB定位系统，所述方法包括如下步骤：
S31至少三个基站通过与每一UWB定位标签进行数据交互，获取该基站与各UWB定位标签之间的距离；
S32主机与至少三个基站通信连接，获取各所述距离，并根据各基站的坐标信息及与UWB定位标签之间的距离，获取该UWB定位标签的坐标信息；
S33所述主机根据该UWB定位标签的坐标信息和集装器在车厢内的部署位置图，获取集装器的货位信息。
具体的，在步骤S31中，在定位标签基站交互的过程中，定位标签首先会广播POLL消息，各个基站在收到广播的POLL消息后，按照既定的顺序依次发送response消息给定位标签，定位标签在收到各个基站发送的response消息后，将广播FINAL消息，消息中主要带有时间戳信息，用于计算定位标签到每个基站间的距离。
首先，在计算所述距离的过程中，需要先行计算电磁波的飞行时间。如图 4所示，Initiator为定位标签，responder为基站，定位标签发送POLL消息时的时间记为POLL_TX，基站接收到标签的POLL消息时间记为POLL_RX，基站回复RESP消息的时间记为RESP_TX，定位标签收到RESP消息的时间记为RESP_RX，定位标签发送final消息的时间记为FINAL_TX，基站接收标签的FINAL消息的时间记为FINAL_RX。那么，所述飞行时间计算方式具体可以为：
其中，Tprop为飞行时间，Tround1为第一时间周期， Tround1＝RESP_RX-POLL_TX；Treply1为第一答复周期， Treply1＝RESP_TX-POLL_RX；Tround2为第二时间周期，Tround2＝FINAL_RX-RESP_TX；Treply2为第二答复周期， Treply2＝FIANL_TX-RESP_RX。
其中，POLL_TX为UWB定位标签发送POLL消息时的时间，POLL_RX 为基站接收到UWB标签POLL消息的时间，RESP_TX为基站回复RESP消息的时间，RESP_RX为UWB定位标签收到RESP消息的时间，FINAL_TX 为UWB定位标签发送final消息的时间，FINAL_RX为基站接收到UWB定位标签FINAL消息的时间。
进一步的，在获取到飞行时间后，根据电磁波在空气中的传播速度，各基站可以获得各UWB定位标签与其之间的距离，接下来可以根据所述距离来计算UWB定位标签的坐标信息。
在步骤S32中，具体的，如图5所示，通过“三边测量法”计算UWB定位标签坐标，获取该定位标签的位置信息，具体计算方式如下：
A、B、C表示三个基站，已知坐标分别为(Xa,Ya)，(Xb,Yb)，(Xc,Yc)，根据飞行时间计算距离，测得A、B、C与定位标签D的距离分别为da，db， dc，以三个节点A、B、C为圆心，da，db，dc为半径做圆，这三个圆周相交一点D即为定位标签D的坐标，假设交点D坐标为(X,Y)，得到：
因此，可以获得定位标签D的坐标信息如下：
实际情况中，因发射功率、干扰、电磁波衍射等原因，会导致测量误差，使得三个圆很小几率交汇为一点，大多数情况下交会为3点，此时需要根据另外的位置估算方法，比如三相交点的三角形质心法来估算未知点坐标。
如图6所述，本实施例提供了通过三角形质心法来估算定位标签的坐标信息，具体计算过程为：
已知三个基站A、B、C的位置坐标分别为p1(x1,y1),p2(x2,y2),p3(x3,y3)，定位标签D的未知坐标为(x0,y0)，D到A、B、C三点的距离分别为r1,r2,r3，以r1,r2,r3为半径作三个圆，根据毕达哥拉斯定理，得出交点即未知点(x0,y0) 的位置计算公式如下，如此便可计算得到该定位标签的坐标信息：
(x1-x0)2+(y1-y0)2＝r12
(x2-x0)2+(y2-y0)2＝r22
(x3-x0)2+(y3-y0)2＝r32
在一种具体的实施方式中，主机在接收到整个列车若干基站上传的数据后，选择其中车厢编号和测距编号(所述测距编号是指当前多个基站和1个定位标签完成测距周期后所确定的统一编号)均相同的若干组数据，按标签的发射功率从大到小排序，选前3组数据提取测距值，即所述距离，将三组测距值和每个基站ID所对应的坐标信息带入三边定位算法函数，便可以计算出定位标签坐标。如计算结果为无解，则再通过如上的三角形质心法计算定位标签的坐标信息。如仍然无解，则将该结果返回给标签发射功率最大的基站计算错误信息，重新开启一次新的测距周期。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
