【UWB 定位】室内定位三边定位算法

最近在整UWB室内定位，看到一些简单的测距数据解算算法，记录一下。

测

在基于测距的定位算法中，三边测量法是比较简单的算法，算法原理为：平面上有三个不共线的基站 A,B,C，和一个未知终端 D，并已测出三个基站到终端D的距离分别为R1，R2，R3，则以三个基站坐标为圆心，三基站到未知终端距离为半径可以画出三个相交的圆，如图下图所示，未知节点坐标即为三圆相交点。

然而，在实际测量中，往往由于测量的误差，使三个圆并不交于一点，而相交于一块区域，如下图所示。在此种情况下，便需用其他算法进行求解，如极大似然估计法，最小二乘法进行估计，或者使用三角形质心算法。

这里，我们的算法采用最小二乘法求近似解，并针对n个基站（n≥3），已知n个基站的坐标分别为 ()，()，…，() ，未知终端坐标为() ，由以下步骤求解：

①：建立信标节点与未知节点距离方程组

②：上边方程组为非线性方程组，用方程组中前n-1个方程减去第n个方程后，得到线性化的方程：

其中：

③：用最小二乘法求解上边方程得：

X 便是未知终端的坐标计算值。

3.2.2 加权三边定位算法

由无线信号强度渐变模型可以发现，当定位终端离基站距离越远时，接收到的RSSI值变化会越来越小，这就会导致距离越远，基站与定位终端的距离误差越大，相应的造成定位误差变大，由此，我们可以采取加权的思想，将距离小的（精确度高）赋予较大的权值，距离大的（精确度低）的赋予较小的权值。

首先将基站分组。对收集到的所有基站，经由id分为组n后，求组合数C（n，3），并对每组分别进行三边定位；接着根据距离越大定位误差越大的原则，赋以权值(为每个基站到定位终端测得的距离)。最后，由每个组合得到的结果加权得到最终的定位结果。

3.2.3 加权三角形质心定位算法

该算法的思想是对收集到的所有基站，经由id分为组n后，求组合数C（n，3），然后对每一个组合的三个基站，以每个基站坐标为圆心，测得的基站到定位终端距离为半径画圆，然后根据交点组成的三角形，求其质心，即为测得的终端坐标。大体如下：

然后，根据距离越大定位误差越大的原则，赋以权值(为每个基站到定位终端测得的距离)。最后，由每个组合得到的结果加权得到最终的定位结果。然而，由于误差的存在，且测量时位置并不在每个组合所构成的三角形中间位置，因此，当误差大时，往往所构成的圆是没有交点的（三个圆必须两两存在交点，否则不能用该方法）。

带推理公式版算法讲解：

Trilateration（三边测量）是一种常用的定位算法：

已知三点位置 (x1, y1), (x2, y2), (x3, y3)
已知未知点 (x0, y0) 到三点距离 d1, d2, d3

以 d1, d2, d3 为半径作三个圆，根据毕达哥拉斯定理，得出交点即未知点的位置计算公式：

( x1 - x0 )2 + ( y1 - y0 )2 = d12
( x2 - x0 )2 + ( y2 - y0 )2 = d22
( x3 - x0 )2 + ( y3 - y0 )2 = d32

解法推导

设未知点位置为 (x, y)，令其中的第一个球形 P1 的球心坐标为 (0, 0)，P2 处于相同纵坐标，球心坐标为 (d, 0)，P3 球心坐标为 (i, j)，三个球形半径分别为 r1, r2, r3，z为三球形相交点与水平面高度。则有：

r12 = x2 + y2 + z2
r22 = (x - d)2 + y2 + z2
r32 = (x - i)2 + (y - j)2 + z2

当 z = 0 时，即为三个圆在水平面上相交为一点，首先解出 x:

x = (r12 - r22 + d2) / 2d

将公式二变形，将公式一的 z2 代入公式二，再代入公式三得到 y 的计算公式：

y = (r12 - r32 - x2 + (x - i)2 + j2) / 2j

来自：https://github.com/megagao/IndoorPos
http://www.justinablog.com/archives/1066