[发明专利]在有源无线电测距的手段检测人在游泳池中心位置的方法

权利要求书

1.在有源无线电测距的手段检测人在游泳池中心位置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、使待检测人身上携带定位标签；设立以泳池中心为圆心，直径3米以内的区域为泳池中心位置；

设立定位标签与至少四个无线定位基站为统一时间戳，并通过无线电测距授时方法对各个时间戳进行授时；所述定位标签和无线定位基站选用ZigBee和超声波信号发送器；

S2、多个无线定位基站分别向定位标签发射第一请求帧，定位标签接收无线定位基站的第一请求帧并等待时间间隔后并通过无线电波信号回复第一回复帧；定位标签根据用户位置初始值和基站位置计算相应的方位值并等待时间间隔后，向无线定位基站发射位置计算结果；

S3、无线定位基站计算角度值对应的加权用户位置坐标并与无线定位基站坐标做差值计算出人位置的估计值；

无线定位基站向泳池发射无线测距信号并根据信号返回时间计算出人的坐标的测距值；

S4、计算加权差值并判断加权差值是否低于阈值，如果是，则输出位置估计值；如果否，更新人的位置并回到步骤3进行迭代计算；

S5、将步骤4输出的估计值与泳池中心位置进行差值比对，并判断人是否位于泳池中心位置，若是则向外界显示单元输出“中心位置”并在模拟地图上标记人的实时位置；若否则向外界显示单元输出“非中心位置”。

2.根据权利要求1所述的在有源无线电测距的手段检测人在游泳池中心位置的方法，其特征在于，步骤3中估计值计算方法为：根据用户位置x＝[x y z]和信号来源位置p＝[ab c]计算以人为中心的坐标系的两个角度值，通过该方位值和测距值在三维空间内确定唯一的坐标，其中：x为位置坐标在直角坐标系下x轴的值；y为位置坐标在直角坐标系下y轴的值；z为位置坐标在直角坐标系下z轴的值；a为信源位置坐标在直角坐标系下x轴的值；b为信源位置坐标在直角坐标系下y轴的值；c为信源位置坐标在直角坐标系下z轴的值。

3.根据权利要求1所述的在有源无线电测距的手段检测人在游泳池中心位置的方法，其特征在于，所述方位值的计算式为：

∮(α|x-p|²)cosθ＝x-a

其中：α为所求的方位值，θ为矢量x-p与x轴之间的夹角，为矢量x-p与x轴构成的平面与XOY平面的夹角，|| ||代表L2范数。

4.根据权利要求1所述的在有源无线电测距的手段检测人在游泳池中心位置的方法，其特征在于，所述步骤4中所述计算角度值对应的加权用户位置坐标采用如下方法：其中为测距方差，角度值θ、通过用户坐标值x与无线电测距信号基站位置p采用角度计算公式求得。

5.根据权利要求1所述的在有源无线电测距的手段检测人在游泳池中心位置的方法，其特征在于，所述定位标签接收到定位标签的第一请求帧后进行解扩、解调和帧同步，再利用自身形成的下行测距信息帧对无线定位基站的第一请求帧采样，从采样数据中提取出无线定位基站站帧计数、位计数、扩频伪码计数、码相位，并将这些参数直接放入第二回复帧送至另一个无线定位基站；无线定位基站接收到第二回复帧后进行解扩、解调、帧同步，提取得到下行测量帧同步信号，同时对自身形成的上行测量帧信号采样，测量出上行帧计数Z、位计数W、扩频伪码计数M、码相位、载波相位；

多个无线定位基站通过其他无线定位基站测得的载波相位和码相位,完成无线定位基站接收信号载波相位平滑伪距，同时利用上行码相位，在无线定位基站完成接收信号的上载波相位平滑伪距，降低上行码相位测量误差；最后无线定位基站利用定位标签测量的帧计数、位计数、扩频伪码计数，以及下发的帧计数、位计数、扩频伪码计数、平滑后的码相位参数，进行综合计算完成测距于步骤5输出的估计值进行比对，并广播至各个无线定位基站内进行储存。

6.根据权利要求1所述的在有源无线电测距的手段检测人在游泳池中心位置的方法，其特征在于，无线电测距授时方法包括以下步骤：

S6、无线定位基站检测n个历元的伪距或者载波相位观测值，并且通过解析电文获得n个历元对应的定位标签坐标以及定位标签信号发射器时钟与参考时间系统之间的偏差、伪距和载波相位观测值；

S7、对伪距和载波相位的观测值平方的进行表达：

(r_i-d_t)²＝||s_i-x||²；

式中r_i表示伪距和载波相位观测值；伪距观测值d_t表示接收机钟差，载波相位观测值d_t表示等价接收机钟差；泳池中心坐标记做S_i＝[x_i，y_i，z_i]，定位标签坐标记做x＝[x_r，y_r，z_r]；公式(r_i-d_t)²＝||s_i-x||²表达为：

定义差分运算矩阵D＝[-e_n-1，I_n-1]，式2AX＝en+b表示为：

2DAX＝Db；

S8、公式2DAX＝Db利用最小二乘参数估计的方法求解，采用正则化的方法对求出的位置向量X＝[x_r，y_r，z_r，d_t]进行进一步的精化；采用正则化的方法，通过有偏估计获得稳定的数值解；

S9、利用正则化的方法求解得到稳定的参数增量后，利用下式更新参数：X_i＝X_i-1+dX；式中下标i-1和i表示迭代次数；

S10、更新完成后，判断求解的参数增量dX是否小于迭代终止的限值，如果小于迭代终止的限值，终止迭代并将求得的参数X向量作为最终的坐标和接收机钟差输出，作为定位和授时的最终结果；否则需要返回步骤9继续迭代计算；在迭代计算时，使用第i次更新后的参数作为初始值，重新开始近似值r₀的计算，并再次求解参数增量dX。