CN108333558B - 一种室内定位系统中快速测量Tof和Tdoa的方法 - Google Patents

一种室内定位系统中快速测量Tof和Tdoa的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种室内定位系统中快速测量Tof和Tdoa的方法，在通信过程中进行以下测量：标签节点接收请求数据包到发送响应数据包的时间、标签节点发送响应数据包到接受到通信主锚节点的再响应数据包的时间、通信主锚节点发出请求数据包到接收到响应数据包的时间、通信主锚节点接受标签节点的响应数据包到发送再响应数据包的时间、每个副锚节点接收通信主锚节点发送的请求数据包到接收标签节点发送的响应数据包的时间。本发明无需高精度的同步时钟，具有定位速度较快、定位成本低、定位精度较高的优点，尤其适合于无线网络中设备的定位。

Description

一种室内定位系统中快速测量Tof和Tdoa的方法
技术领域
本发明涉及一种测量Tof和Tdoa的方法，尤其是一种为无线传感器网络的节点定位或者无线接入设备的节点定位提供技术基础的测量方法，属于信号检测技术领域。
背景技术
在日常生活、生产过程中常常需要测量无线设备的地理位置信息，测量的瞬时相位越准确，应用的效果往往更好。ToF测距方法属于双向测距技术，它主要利用信号在两个异步收发机之间往返的飞行时间来测量节点间的距离，则一个节点的定位需要多次Tof测量才能达到定位所需要的数据。不同于TOA，传统的Tdoa（到达时间差）是通过检测信号到达两个基站的时间差，而不是到达的绝对时间来确定移动台的位置，定位过程中被定位节点只需要发送一次信息即可完成定位，但这也提高了对设备的时钟同步要求。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的缺陷，提出一种室内定位系统中快速测量Tof和Tdoa的方法，不仅能够缩短定位时间，降低系统冗余度；同时还能够减少测量数据的误差，保证测量精度。
为了达到以上目的，本发明提供了一种室内定位系统中快速测量Tof和Tdoa的方法，所述定位系统中包含需要定位的标签节点以及至少三个锚节点，所述锚节点包含至少一个与标签节点保持连接的通信主锚节点及至少两个副锚节点，所述通信主锚节点进行与标签节点的双向通信，副锚节点用来监听通信主锚节点和标签节点，包括以下步骤：
步骤１），发起通信主锚节点与标签节点的一次请求-响应-再响应式通信：
步骤1.1），通信主锚节点发出初始请求数据包；
步骤1.2），第一标签节点与副锚节点接收通信主锚节点发出的初始请求数据包；
步骤1.3），第一标签节点发出初始响应数据包；
步骤1.4），通信主锚节与和副锚节点接收第一标签节点发出的初始响应数据包；
步骤1.5），通信主锚节点发出再响应请求数据包；
步骤1.6），第一、二标签节点与副锚节点均接收通信主锚节点发出的再响应响应请求数据包；
步骤1.7），再响应请求数据包作为下一次通信的请求数据包对第二标签节点发起请求-响应-再响应式通信；
步骤2），在通信主锚节点与标签节点的请求-响应-再响应式通信的过程中，各标签节点分别对接收初始请求数据包到发送初始响应数据包的时间及发送初始响应数据包到接收来自通信主锚节点的再响应请求数据包的时间进行设定或测量；
步骤3），在通信主锚节点与标签节点的请求-响应-再响应式通信的过程中，通信主锚节点对其发出初始请求数据包到接收初始响应数据包的时间、其接收初始响应数据包到发送再响应请求数据包的时间进行设定或测量；每个副锚节点对接收通信主锚节点发送的请求数据包到接收各标签节点发送的响应数据包的时间进行测量；
步骤4），根据各个锚节点的地理坐标或各个锚节点之间的距离，计算通信主锚节点到各标签节点的传播时间和响应数据包从标签到各个副锚节点的传播时间，并根据前述传播时间分别计算各标签节点到任意两个锚节点之间的到达时间差。
优选地，所述步骤1)中，标签节点至少为一个。
优选地，所述步骤1)中，通信主锚节点发送的再响应请求数据包作为下一轮请求-响应-再响应式通信中的初始请求数据包；所述再响应数据包中包含下一轮通信中标签节点的地址。
进一步优选地，所述步骤4）中,对于每个副锚节点，所述标签节点到副锚节点的传播时间的计算方法如下：
步骤4.1），根据通信主锚节点、副锚节点的地理坐标或者通信主锚节点与副锚节点之间的距离，计算出副锚节点到通信主锚节点的传播时间；
步骤4.2），标签节点到副锚节点的传播时间=副锚节点接收通信主锚节点发送的请求数据包到接收标签节点发送的响应数据包的时间+副锚节点到通信主锚节点的传播时间-通信主锚节点到标签节点的传播时间-标签节点接收请求数据包到发送响应数据包的时间
优选地，所述步骤4）中,通信主锚节点到标签节点的传播时间的计算方法如下：
通信主锚节点到第一标签节点的传播时间=（通信主锚节点发出初始请求数据包到接收到初始响应数据包的时间-第一标签节点接收初始请求数据包到发送初始响应数据包的时间+第一标签节点发送初始响应数据包到接收来自通信主锚节点的再响应数据包的时间-通信主锚节点接收来自第一标签节点的初始响应数据包到发送再响应数据包的时间）/4；
通信主锚节点到第二标签节点的传播时间=（通信主锚节点发出请求数据包到接收到第二标签节点发送响应数据包的时间*第二标签节点发送响应数据包到接收来自通信主锚节点的再响应数据包的时间-第二标签节点接收请求数据包到发送响应数据包的时间*通信主锚节点接收来自第二标签节点的响应数据包到发送再响应数据包的时间）/（通信主锚节点发出请求数据包到接收到响应数据包的时间+第二标签节点发送响应数据包到接收来自通信主锚节点的再响应数据包的时间+第二标签节点接收请求数据包到发送响应数据包的时间+通信主锚节点接收来自第二标签节点的响应数据包到发送再响应数据包的时间）；
通信主锚节点到标签节点的传播时间=（通信主锚节点发出请求数据包到接收到响应数据包的时间-标签节点接收请求数据包到发送响应数据包的时间）/2。
优选地，所述步骤4）中,对于每个副锚节点，所述各标签节点到副锚节点的传播时间的计算方法如下：
步骤4.1），根据通信主锚节点、副锚节点的地理坐标或者通信主锚节点与副锚节点之间的距离，计算出副锚节点到通信主锚节点的传播时间；
步骤4.2），各标签节点到副锚节点的传播时间=副锚节点接收通信主锚节点发送的初始请求数据包到接收标签节点发送的初始响应数据包的时间+副锚节点到通信主锚节点的传播时间-通信主锚节点到各标签节点的传播时间-各标签节点接收请求初始数据包到发送初始响应数据包的时间。
优选的，所述步骤4）中，各标签节点到任意两个锚节点之间的到达时间差的计算方法如下：
对于涉及到的两个锚节点，分别获取标签节点到其的传播时间后进行作差。
优选的，所述标签节点将其接收请求数据包到发送响应数据包的时间放置于响应数据包中，以方便通信主锚节点和副锚节点进行计算。
优选的，所述标签节点和锚节点具有表明其唯一身份的地址。
优选的，采用以下方法解决各锚节点和标签节点的时钟稳定度问题：
通信主锚节点周期性的发送一种广播数据包或者发送至少两次包含发送时间的广播数据包，标签节点或副锚节点根据接收的两个广播数据包的到达时间作如下计算：
频率比因子 = 标签节点或副锚节点接收的两个广播数据包的到达时间差 / 标签节点或副锚节点从两个广播数据包中提取的通信主锚节点的发送时间差；
若标签节点对其接收请求数据包到发送响应数据包的时间进行设定，在设定数据基础上乘以所述频率比因子进行校正；
若标签节点对其接收请求数据包到发送响应数据包的时间进行测量，在测量数据基础上除以所述频率比因子进行校正；
副锚节点在对其接受请求数据包到接受标签节点发送的响应数据包的时间进行测量，在测量数据基础上除以所述频率比因子进行校正。
优选的，对测量的传播时间进行空气折射率、无线电波自由空间衰减、电路延迟和天线延迟的校正。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1）传统的Tof技术在进行节点定位时需要进行多次Tof测量，繁琐冗余，而本发明采用的方法利用地理信息，仅需在通信主锚节点发送一次请求数据包、标签节点发送一次响应数据包，通信主锚节点再发送一次再响应请求数据包的情况下即可完成对所有锚节点和标签节点之间传播时间的采集与计算，大大缩短了定位时间。
2）传统的Tdoa技术在进行节点定位时需要严格的时钟同步，本发明采用的方法利用多一次发送数据包的方法解决了标签节点和通信主锚节点的时钟同步问题。对于副锚节点而言，利用已知通信主锚节点和副锚节点的固定位置，以及通信主锚节点的时钟频率比来可以解决副锚节点的时钟同步，此方法不需要严格的时钟同步就可以较为精确的测量。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明对2个标签节点进行Tof和Tdoa测量的示意图。
具体实施方式
本实施例提供了一种室内定位系统中快速测量Tof和Tdoa的方法，其中，定位系统中包含需要定位的标签节点以及至少三个锚节点。标签节点至少为两个，锚节点包含至少一个与标签节点保持连接的通信主锚节点以及至少两个副锚节点。通信主锚节点进行与标签节点的双向通信，副锚节点在系统中起监听作用，用以监听通信主锚节点和标签节点。
图1为采用本发明对2个标签节点进行Tof和Tdoa测量的示意图，具体步骤如下：
通信主锚节点根据标签地址发起与第一标签节点的一次请求-响应-再响应式通信，即通信主锚节点发出请求数据包1，第一标签节点和各个副锚节点接收通信主锚节点发出的初始请求数据包1；其次，第一标签节点发出初始响应数据包2；再次，通信主锚节点和各个副锚节点接收第一标签节点发出的初始响应数据包2；之后，通信主节点发送再响应请求数据包3，该再响应请求数据包3也作为下一轮定位通信的请求数据包，本实施例中作为第二标签节点的初始请求数据包；之后，第一、二标签节点和各个副节点接收通信主节点发出的再响应请求数据包3。此后，对第二标签节点也发起一次请求-响应-再响应式通信，即通信主锚节点发送请求数据包3，然后第二标签节点发出响应数据包4，通信主锚节点和各个副锚节点接收第二标签节点发出的响应数据包4，紧接着通信主锚节点发送再响应数据包5。通信主锚节点发送请求数据包3和再响应数据包5与标签节点2发出响应数据包4时，各副锚节点均接受数据包。
在通信主锚节点与第一标签节点的请求-响应-再响应式通信的过程中，首先对第一标签节点接收初始请求数据包1到发送初始响应数据包2的时间（Treply1）和通信主锚节点接收来自第一标签节点的初始响应数据包2到发送再响应请求数据包3的时间（Treply2）进行设定或测量。同样，在在通信主锚节点与第二标签节点的请求-响应-再响应式通信的过程中，也要对第二标签节点接收请求数据包3到发送响应数据包4的时间（Treply3）和通信主锚节点接收来自第二标签节点的响应数据包4到发送再响应请求数据包5的时间（Treply4）进行设定或测量。
通信主锚节点发出请求数据包1到接收到响应数据包2的时间（Tround1）、第一标签节点发送响应数据包2到接收来自通信主锚节点的再响应数据包3的时间（Tround2）、通信主锚节点发出请求数据包3到接收到响应数据包4的时间（Tround3）、第二标签节点发送响应数据包4到接收来自通信主锚节点的再响应数据包5的时间（Tround4）、每个副锚节点i接收通信主锚节点发送的请求数据包到接收标签节点j发送的响应数据包的时间(Tdij)。
i表示参与定位的第i个副节点，i≥2；j表示需要定位的第j个标签节点，j≥2。图1只画了一个副锚节点，其他锚节点的处理方式同副锚节点i。
通信主锚节点到标签节点的传播时间的计算方法如下：
通信主锚节点到第一标签节点的传播时间(Tp1)=（通信主锚节点发出初始请求数据包1到接收初始响应数据包2的时间(Tround1)- 第一标签节点接收初始请求数据包1到发送初始响应数据包2的时间（Treply1）+第一标签节点发送响应数据包2到接收来自通信主锚节点的再响应数据包3的时间（Tround2）-通信主锚节点接收来自第一标签节点的初始响应数据包2到发送再响应请求数据包3的时间（Treply2））/4。
通信主锚节点到第二标签节点的传播时间(Tp2)=（通信主锚节点发出请求数据包3到接收到响应数据包4的时间（Tround3）×第二标签节点发送响应数据包4到接收来自通信主锚节点的再响应数据包5的时间（Tround4）-第二标签节点接收请求数据包3到发送响应数据包4的时间（Treply3）×通信主锚节点接收来自第二标签节点的响应数据包4到发送再响应请求数据包5的时间（Treply4））/（通信主锚节点发出请求数据包3到接收到响应数据包4的时间（Tround3）+第二标签节点发送响应数据包4到接收来自通信主锚节点的再响应数据包5的时间（Tround4）+第二标签节点接收请求数据包3到发送响应数据包4的时间（Treply3）+通信主锚节点接收来自第二标签节点的响应数据包4到发送再响应请求数据包5的时间（Treply4））。
副锚节点i到标签节点j的传播时间的计算方法如下：
由于副锚节点在通信的整个过程中只能接收通信主锚节点发送的两次请求数据包和标签节点j发送的响应数据包，测量并记录接收通信主锚节点发送的前述两次请求数据包到接收标签节点j发送的响应数据包的时间。该时间与通信主锚节点和副锚节点之间距离折算的传播时间之和表示的是通信主锚节点发送请求数据包到副锚节点接收标签节点j发送的响应数据包的时间，通信主锚节点发送请求数据包到副锚节点接收标签节点j发送的响应数据包的时间可进一步分解为通信主锚节点到标签节点j的传播时间、标签节点j接收请求数据包到发送响应数据包的时间、标签节点j到副锚节点的传播时间。通信主锚节点到标签节点j的传播时间已经由通信主锚节点解算得出，标签节点j接收请求数据包到发送响应数据包的时间是一个设定的时间（经过测量获得该时间），因此标签节点j到副锚节点的传播时间也可以通过解算直接获取。
由于通信主锚节点和副锚节点i的位置是固定的，因此可根据通信主锚节点和副锚节点i的地理坐标或者锚节点之间的距离，计算副锚节点i和通信主锚节点的传播时间。则副锚节点i到标签节点j的传播时间（TPij）=副锚节点i接收通信主锚节点发送的初始请求数据包到接收标签节点j发送的响应数据包的时间(Tdij)+由通信主锚节点和副锚节点i之间距离折算的传播时间(TCi)-通信主锚节点到标签节点j的传播时间(Tpj)-标签节点j接收初始请求数据包到发送响应数据包的时间(Treply2j-1)。
其中通信主锚节点到标签节点j的传播时间(Tpj)以由通信主锚节点计算获取；标签节点j接收初始请求数据包到发送响应数据包的时间(Treply2j-1)由标签节点j进行测量或者设定；通信主锚节点和副锚节点i之间距离折算的传播时间(TCi)由通信主锚节点、副锚节点i的地理坐标或者通信主锚节点、副锚节点i之间的距离计算获取；副锚节点i接收通信主锚节点发送的初始请求数据包到接收标签节点j发送的响应数据包的时间(Tdij)由副锚节点i进行测量。
标签节点j接收初始请求数据包到发送响应数据包的时间(Treply2j-1)和通信主锚节点接收来自标签节点j的响应数据包到发送再响应请求数据包的时间（Treply2j）可以是一个互相约定的时间，或者标签节点j根据自己实际的收发时间差，将该时间差放置在响应数据包中，以方便通信主锚节点和副锚节点进行相关计算。
由上述步骤获取的锚节点到标签节点之间的传播时间，选取任意两个锚节点的锚节点到标签节点的传播时间，进行减法操作即可生成所述标签节点到任意两个锚节点之间的传播时间差。
获取上述锚节点的坐标以及所述信号从标签节点到锚节点的传播时间和/或从标签节点到锚节点的传播时间差的统计信息，采用TOF、TDOA、TOF/TDOA混合算法确定标签的最终位置估计值。
通信中标签节点具有表明其唯一身份的标签地址，通信主锚节点在其发送的请求数据包1或3内包含标签地址、一组标签地址或广播地址，标签节点根据所述请求数据包1或3内包含的标签地址、一组标签地址或广播地址来确认是否进行响应以及在何时进行响应，即通过所述标签地址来确认系统中的单个标签节点或系统中的多标签节点。
通信主锚节点和标签节点的时钟稳定度问题在此方法中已经得到解决，对于副锚节点而言，其时钟稳定度可以利用频率比解决。其方法如下：通信主锚节点两次发送的请求数据包均被副锚节点接收，副锚节点根据接收的两个请求数据包的到达时间作如下计算：
频率比 = 副锚节点接收的两个请求数据包的到达时间差 / 副锚节点从两个请求数据包中提取的通信主锚节点的发送时间差。
副锚节点在测量其接收通信主锚节点发送的请求数据包到接收标签节点发送的响应数据包的时间时，在测量数据基础上除所述频率比因子进行校正。
校正行为可以在服务器上进行。
优选方案是各模块采用高精度时钟而无需计算频率比。
由于射频芯片产生的输出的射频信号会经过放大电路、天线进入媒体，从媒体接收的射频信号会经过天线、调理电路后进入射频芯片，而信号在电路和天线中的传播需要时间，对测量结果进行电路延迟和天线延迟的校正可获得更为准确的测量结果。
传统的以TOF为基础的定位技术由于采用多次测距而造成定位时间长的缺点，传统的TDOA为基础的定位技术由于需要高精度的时钟而造成定位成本高昂的缺点。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种室内定位系统中快速测量Tof和Tdoa的方法，所述定位系统中包含需要定位的标签节点以及至少三个锚节点，所述锚节点包含至少一个与标签节点保持连接的通信主锚节点及至少两个副锚节点，所述通信主锚节点进行与标签节点的双向通信，副锚节点用来监听通信主锚节点和标签节点，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1），发起通信主锚节点与标签节点的一次请求-响应-再响应式通信：
步骤1.1），通信主锚节点发出初始请求数据包；
步骤1.2），第一标签节点与副锚节点接收通信主锚节点发出的初始请求数据包；
步骤1.3），第一标签节点发出初始响应数据包；
步骤1.4），通信主锚节与和副锚节点接收第一标签节点发出的初始响应数据包；
步骤1.5），通信主锚节点发出再响应请求数据包；
步骤1 .6），第一、二标签节点与副锚节点均接收通信主锚节点发出的再响应响应请求数据包；
步骤1 .7），再响应请求数据包作为下一次通信的请求数据包对第二标签节点发起请求-响应-再响应式通信；
步骤2），在通信主锚节点与标签节点的请求-响应-再响应式通信的过程中，各标签节点分别对接收初始请求数据包到发送初始响应数据包的时间及发送初始响应数据包到接收来自通信主锚节点的再响应请求数据包的时间进行设定或测量；
步骤3），在通信主锚节点与标签节点的请求-响应-再响应式通信的过程中，通信主锚节点对其发出初始请求数据包到接收初始响应数据包的时间、其接收初始响应数据包到发送再响应请求数据包的时间进行设定或测量；每个副锚节点对接收通信主锚节点发送的请求数据包到接收各标签节点发送的响应数据包的时间进行测量；
步骤4），根据各个锚节点的地理坐标或各个锚节点之间的距离，计算通信主锚节点到各标签节点的传播时间和响应数据包从标签到各个副锚节点的传播时间，并根据前述传播时间分别计算各标签节点到任意两个锚节点之间的到达时间差。
2.根据权利要求1所述的室内定位系统中快速测量Tof和Tdoa的方法，其特征在于:所述步骤1)中，标签节点至少为一个。
3.根据权利要求1所述的室内定位系统中快速测量Tof和Tdoa的方法，其特征在于:所述步骤1)中，通信主锚节点发送的再响应请求数据包作为下一轮请求-响应-再响应式通信中的初始请求数据包；所述再响应数据包中包含下一轮通信中标签节点的地址。
4.根据权利要求1所述的室内定位系统中快速测量Tof和Tdoa的方法，其特征在于：所述步骤4）中,通信主锚节点到标签节点的传播时间的计算方法如下：通信主锚节点到第一标签节点的传播时间=（通信主锚节点发出初始请求数据包到接收到初始响应数据包的时间-第一标签节点接收初始请求数据包到发送初始响应数据包的时间+第一标签节点发送初始响应数据包到接收来自通信主锚节点的再响应数据包的时间-通信主锚节点接收来自第一标签节点的初始响应数据包到发送再响应数据包的时间）/4；
通信主锚节点到第二标签节点的传播时间=（通信主锚节点发出请求数据包到接收到第二标签节点发送响应数据包的时间*第二标签节点发送响应数据包到接收来自通信主锚节点的再响应数据包的时间-第二标签节点接收请求数据包到发送响应数据包的时间*通信主锚节点接收来自第二标签节点的响应数据包到发送再响应数据包的时间）/（通信主锚节点发出请求数据包到接收到响应数据包的时间+第二标签节点发送响应数据包到接收来自通信主锚节点的再响应数据包的时间+第二标签节点接收请求数据包到发送响应数据包的时间+通信主锚节点接收来自第二标签节点的响应数据包到发送再响应数据包的时间）;通信主锚节点到标签节点的传播时间=（通信主锚节点发出请求数据包到接收到响应数据包的时间-标签节点接收请求数据包到发送响应数据包的时间）/2。
5.根据权利要求4所述的室内定位系统中快速测量Tof和Tdoa的方法，其特征在于：所述步骤4）中,对于每个副锚节点，所述各标签节点到副锚节点的传播时间的计算方法如下：
步骤4 .1），根据通信主锚节点、副锚节点的地理坐标或者通信主锚节点与副锚节点之间的距离，计算出副锚节点到通信主锚节点的传播时间；
步骤4 .2），各标签节点到副锚节点的传播时间=副锚节点接收通信主锚节点发送的初始请求数据包到接收标签节点发送的初始响应数据包的时间+副锚节点到通信主锚节点的传播时间-通信主锚节点到各标签节点的传播时间-各标签节点接收请求初始数据包到发送初始响应数据包的时间。
6.根据权利要求4所述的室内定位系统中快速测量Tof和Tdoa的方法，其特征在于：所述步骤4）中，各标签节点到任意两个锚节点之间的到达时间差的计算方法如下：
对于涉及到的两个锚节点，分别获取标签节点到其的传播时间后进行作差。
7.根据权利要求1所述的室内定位系统中快速测量Tof和Tdoa的方法，其特征在于：所述标签节点将其接收请求数据包到发送响应数据包的时间放置于响应数据包中，以方便通信主锚节点和副锚节点进行计算。
8.根据权利要求1所述的室内定位系统中快速测量Tof和Tdoa的方法，其特征在于：所述标签节点和锚节点具有表明其唯一身份的地址。
9.根据权利要求1所述的室内定位系统中快速测量Tof和Tdoa的方法，其特征在于：采用以下方法解决各锚节点和标签节点的时钟稳定度问题：
通信主锚节点周期性的发送一种广播数据包或者发送至少两次包含发送时间的广播数据包，标签节点或副锚节点根据接收的两个广播数据包的到达时间作如下计算：频率比因子=标签节点或副锚节点接收的两个广播数据包的到达时间差/标签节点或副锚节点从两个广播数据包中提取的通信主锚节点的发送时间差；
若标签节点对其接收请求数据包到发送响应数据包的时间进行设定，在设定数据基础上乘以所述频率比因子进行校正；
若标签节点对其接收请求数据包到发送响应数据包的时间进行测量，在测量数据基础上除以所述频率比因子进行校正；
副锚节点在对其接受请求数据包到接受标签节点发送的响应数据包的时间进行测量，在测量数据基础上除以所述频率比因子进行校正。
10.根据权利要求1所述的室内定位系统中快速测量Tof和Tdoa的方法，其特征在于：对测量的传播时间进行空气折射率、无线电波自由空间衰减、电路延迟和天线延迟的校正。
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