CN102540143B - 目标物精确定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种目标物精确定位方法及系统，用以定位设有标签的目标物。其中，在定位目标物过程中，节点发送广播信号以通知测距范围内的标签准备进行测距；标签识别所述广播信号，并发送测距信号至节点；节点接收所述测距信号，响应处理后发送应答信号至标签；标签接收应答信号并将其回传至节点；节点基于回传的应答信号中携带的时间信息计算标签与节点之间的距离，并将计算的距离值发送至中央服务器，用以定位所述目标物。因为在节点和标签之间采用了对称式且多回合式收发信号，通过获取节点和标签之间相对距离的平均值来确定两者之间的相对距离，从而定位标签。因此摒除了多径和噪声的干扰，提高了精度。

Description

目标物精确定位方法及系统

技术领域

本发明涉及定位方法及系统，尤其涉及一种目标物精确定位方法及系统。

背景技术

随着科技的发展，电子定位方法越来越多地应用于安防领域，在某些特定的区域，例如，在有的建筑物中，要求每个进入的人员佩戴标签，用以实时掌握该人员的动态。又例如在煤矿作业中，可在矿井内作业的矿工或车辆上设置标签，从而实现对其进行实时监控，能在发生危险时及时做出预报和辅助救援。对于这种特定区域内的目标物定位系统，首先是在该特定区域内设置一个或多个电子装置(以下称之为节点)构成空间坐标网络，作为定位目标物的参照。当目标物进入该空间坐标网络后，通过获取目标物与附近节点间的相对距离来确定目标物在空间坐标网络中的位置，从而实现定位。

在现有的定位操作中，可采用RTT(Round Trip Time)回环时间测距定位方法，节点首先发射红外线或超声波，标签接收后发射反馈信号，利用此传输过程的时间值计算出节点与标签之间的距离，当获得标签与多个节点之间的距离值即可实现定位。应用环境必须通透，宽敞，没有阻挡红外线，超声波传输的障碍物，对应用环境的要求比较苛刻。又例如在基于RSSI(Received SignalStrength Indication)接收信号衰减度的测距定位方法中，节点通过接收标签发出的带有初始发射信号强度值的信号，然后计算出接收到的信号强度，得出信号衰减值，然后根据所在环境的无线传输衰减模型估算出标签到相应节点的距离，实现定位。这种测量是区域性的，和节点前端的低噪音处理电路有很大关系。其它的定位方法还例如有基于AOA(信号角度)的测距定位方法。环境中所有节点天线预先设置某一参考方向，接收到来自标签的信号，计算出接收到的标签信号的方向与节点天线预先设置的参考方向间的角度，然后通过一定的运算机制计算出标签的位置。此种定位方法的定位精度和有效性是建立在节点天线良好的方向敏感度上的，并且定位精度随节点天线阵列密度的增加而增强。另外，基于TOA(信号到达时间)测距定位方法中，需要标签与节点的时钟严格同步，标签发射信号，然后各节点分别计算接收到信号的时间点，计算出标签信号从发射到各个节点收到信号的时间值，即可确定标签到各个节点的距离，以各个节点为圆心，标签到节点距离为半径作圆，则各个圆的交集处即为标签的位置。二维平面定位至少需要3个节点，三维定位至少需要4个节点，同时要求标签与节点有精确到纳秒级的时钟同步系统，成本很高，系统实现复杂。另外，基于TOF(信号传输时间)的测距定位方法中，标签、节点都有独立且精确的时钟系统，各个节点向标签发射带有发射时间点值的数据，标签根据接收的数据和接收时间点值，计算出信号从各个节点到标签的传输时间，标签再根据所在环境信号传输速率计算出标签到各个节点的距离，实现定位。该系统要求标签与节点都具备需要相当花费的精准的时钟系统，时钟的偏差和漂移都将严重影响定位的精度；虽然硬件简单，但如果标签，节点采用一般性的无线通信方式，信号容易受到其它噪音和多径信号影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于基于现有技术中针对特定区域内目标物定位方法不精确的缺陷，提供一种目标物精确定位方法及系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种目标物精确定位方法，基于空间中的节点，精确定位设有标签的目标物，包括步骤：

所述节点发送广播信号以通知测距范围内的所述标签准备进行测距；

标签识别所述广播信号，并发送测距信号至所述节点；

所述节点接收所述测距信号，响应处理后发送应答信号至所述标签；

所述标签接收所述应答信号并将所述应答信号回传至所述节点；

所述节点基于回传的所述应答信号中携带的时间信息计算所述标签与所述节点之间的距离，并将计算的所述距离值发送至中央服务器，用以定位所述目标物。

在依据本发明实施例的目标物精确定位方法中，所述标签将所述应答信号回传至所述节点以通知所述节点准备进行再次测距；

所述节点发送再次测距信号至所述标签；

所述标签接收所述再次测距信号，响应处理后发送再次应答信号至所述节点；

所述节点基于接收的所述再次应答信号中携带的时间信息计算所述标签与所述节点之间的距离，并将计算的所述距离值发送至所述中央服务器，用以定位所述目标物。

在依据本发明实施例的目标物精确定位方法中，所述标签与所述节点之间的距离L通过公式计算获得：

L＝((T4-T1)-(T3-T2))/2*v                                (1)

其中，T1为所述标签发送测距信号的时刻；T2为所述节点接收所述测距信号的时刻；T3为所述节点发送应答信号的时刻；以及T4为所述标签接收所述应答信号的时刻；v为电磁波的传播速率。

在依据本发明实施例的目标物精确定位方法中，所述标签与所述节点之间的距离L通过公式计算获得：

L＝(((T4-T1)-(T3-T2))+((T8-T5)-(T7-T6)))/4*v            (2)

其中，T1为所述标签发送测距信号的时刻；T2为所述节点接收所述测距信号的时刻；T3为所述节点发送应答信号的时刻；以及T4为所述标签接收所述应答信号的时刻；T5为所述节点发送再次测距信号的时刻；T6为所述标签接收所述再次测距信号的时刻；T7为所述标签发送再次应答信号的时刻；以及T8为所述节点接收所述再次应答信号的时刻；v为电磁波的传播速率。

在依据本发明实施例的目标物精确定位方法中，所述节点和所述标签之间通过线性调频扩频通信技术进行数据通信。

在依据本发明实施例的目标物精确定位方法中，所述空间中设有多个节点，所述多个节点同时与所述标签进行数据通信以获得每个所述多个节点与所述标签的距离，用以定位所述目标物。

本发明还提供了一种目标物精确定位系统，包括设有标签的目标物、与所述标签通信连接的且设置在空间中的节点、以及与所述节点通信连接的中央服务器；在对所述目标物定位的过程中：

所述节点发送广播信号以通知测距范围内的所述标签准备进行测距；

标签识别所述广播信号，并发送测距信号至所述节点；

所述节点接收所述测距信号，响应处理后发送应答信号至所述标签；

所述标签接收所述应答信号并将所述应答信号回传至所述节点；

所述节点基于回传的所述应答信号中携带的时间信息计算所述标签与所述节点之间的距离，并将计算的所述距离发送至中央服务器，用以定位所述目标物。

在依据本发明实施例的目标物精确定位系统中，所述标签将所述应答信号回传至所述节点以通知所述节点准备进行再次测距；

所述节点发送再次测距信号至所述标签；

所述标签接收所述再次测距信号，响应处理后发送再次应答信号至所述节点；

所述节点基于接收的所述再次应答信号中携带的时间信息计算所述标签与所述节点之间的距离，并将计算的所述距离值发送至所述中央服务器，用以定位所述目标物。

在依据本发明实施例的目标物精确定位系统中，所述标签与所述节点之间的距离L通过公式计算获得：

L＝((T4-T1)-(T3-T2))/2*v                                (1)

其中，T1为所述标签发送测距信号的时刻；T2为所述节点接收所述测距信号的时刻；T3为所述节点发送应答信号的时刻；以及T4为所述标签接收所述应答信号的时刻；v为电磁波的传播速率。

在依据本发明实施例的目标物精确定位系统中，所述标签与所述节点之间的距离L通过公式计算获得：

L＝(((T4-T1)-(T3-T2))+((T8-T5)-(T7-T6)))/4*v            (2)

其中，T1为所述标签发送测距信号的时刻；T2为所述节点接收所述测距信号的时刻；T3为所述节点发送应答信号的时刻；以及T4为所述标签接收所述应答信号的时刻；T5为所述节点发送再次测距信号的时刻；T6为所述标签接收所述再次测距信号的时刻；T7为所述标签发送再次应答信号的时刻；以及T8为节点接收所述再次应答信号的时刻；v为电磁波的传播速率。

本发明产生的有益效果是：采用依据本发明的目标物精确定位系统实施目标物精确定位方法中，因为采用了节点和标签的对称式，多回合发射和接收，求所测距离的平均值，因此摒除了多径和噪声的干扰，从而提高了精度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是依据本发明实施例的目标物精确定位系统的逻辑框图；

图2是依据本发明实施例的节点的逻辑框图；

图3是依据本发明实施例的射频模块的示例逻辑框图；

图4是依据本发明实施例的SPI总线的读时序示意图；

图5是依据本发明实施例的SPI总线的写时序示意图；

图6是依据本发明实施例的射频IC与微控制器之间进行通信的数据地址的示意图；

图7是图6中数据地址的字节1的示意图；

图8是图6中数据地址的字节2的示意图；

图9是图6中数据地址的字节N的示意图；

图10是依据本发明实施例的SPI总线读操作中从射频模块中读取数据的示意图；

图11是依据本发明实施例的SPI总线写操作中往射频模块中写数据的示意图；

图12是依据本发明实施例的微控制器与射频模块之间进行数据通信的数据包的示意图；

图13是图12中的数据帧定义的数据包的示意图；

图14是图13中数据型数据包的数据帧部分的示意图；

图15是图13中确认反馈型数据包的数据帧部分的示意图；

图16是图13中广播型数据包的数据帧部分的示意图；

图17是图13中时间信标型数据包的数据帧部分的示意图；

图18是图13中发送请求型数据包的数据帧部分的示意图；

图19是图13中准备发送型数据包的数据帧部分的示意图；

图20是依据本发明实施例的射频模块发送和接收指令过程的示意图；

图21是图20中数据位处理的示意图；

图22是依据本发明实施例的射频模块发送数据的示例流程图；

图23是依据本发明实施例的目标物精确定位系统实施目标物精确定位方法的流程图；

图24是依据本发明实施例的目标物精确定位系统实施目标物精确定位方法的流程图；

图25是依据本发明另一优选实施例的目标物精确定位系统实施目标物精确定位方法的流程图；

图26是依据本发明另一优选实施例的目标物精确定位系统实施目标物精确定位方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了依据本发明实施例的目标物精确定位系统的逻辑框图，该目标物100精确定位系统包括设有标签100的目标物100、与标签100通信连接的节点200、以及与节点200通信连接的中央服务器300。用于在特定的空间区域内，对进入该空间区域的目标物100进行定位。图1中示出了多个节点，包括节点200₁、200₂、200₃、…、200_n，下面的讨论将以节点200表示该多个节点中的任意一个。

对于特定的空间区域，例如某栋特定的建筑物、矿井、施工现场等等，为了实现对进入其内的目标物100(包括人员或物体)进行精确定位，首先，在该特定的空间区域内的多处设置节点200，将这些节点200作为定位目标物100的参照点。这样，所有节点200即构成了该特定空间区域的空间坐标网络，定位中，只要确定了目标物100与空间坐标网络中的节点200的相对距离，即可确定目标物100在该空间坐标网络中的具体位置，从而实现对目标物100的精确定位。因此，此处的节点200为通信基站，包括适当的逻辑、电路和/或接口，可以支持多种方式的通信。例如，依据本发明实施例的节点200支持红外、超声波、WiFi、ZigBee以及线性调频扩频通信技术等，当然，上述列举仅用作举例，并不是对本发明的限制，除此之外，本发明实施例中的节点200还可支持其它类型的通信。下面的讨论将以线性调频扩频通信为例。

为了能对目标物100进行定位，目标物100上设有标签100，包括适当的逻辑、电路和/或接口，可以支持多种方式的通信。例如，依据本发明实施例的节点200支持红外、超声波、WiFi、ZigBee以及线性调频扩频通信等，从而可以实现与节点200进行无线通信以进行数据交换和传输。

中央服务器300位于中央机房内，与上述的每个节点200无线和/或有线通信连接，以与节点200进行数据通信，例如，从节点200获取定位相关的信息，包括从节点处获取的节点200与目标物100之间的距离值，从而实现对目标物100的定位。又例如，还可以对节点200进行控制，例如指定某个范围内的节点200工作进行定点定位等等。

具体而言，图2示出了依据本发明实施例的节点200的逻辑框图，如图2所示，节点200包括射频模块220和与该射频模块220通信连接的微控制器210，从而使得射频模块220可以与微控制器210进行数据通信。其中，为实现节点200采用线性调频扩频通信与目标物100上的标签100进行无线通信，节点200内可设置用于无线通信的射频模块220(此处具体为线性调频扩频通信射频模块220)，因为将射频部分模块化，使得节点200的外围配置自由化。图3示出了该射频模块220的一个示例的逻辑框图，射频模块220包括射频IC(此处为线性调频扩频通信射频IC)以及相关的外围元器件。同样地，依据本发明实施例的标签100包括射频模块220和与该射频模块220通信连接的微控制器210，标签100中的射频模块和微控制器与节点200中的射频模块220和微控制器210的结构类似，也可采用图2和图3中相同或相似的结构，其工作过程也相同或形似。因此，下面将仅以标签的射频模块220为例进行描述。

具体操作过程中，射频模块220(节点200中的或标签100中的射频模块)通过SPI(同步串行外围接口总线)接口与微控制器210通信，对程序的编程和更新都通过直接对微控制器210操作来完成。作为节点200，微控制器210可以外接环境传感器，包括温湿度传感器250、灰尘传感器230、气体传感器240等，还可接LCD显示器260等外围设备采集显示数据，同时通过CAN接口总线将数据送往地面的中央服务器300；作为标签100端，出于对体积越小越好的要求，外围器件则只需供电系统和USB(通用串行总线)用于程序更新下载。

微控制器210与射频模块220之间的数据通信过程包括以下步骤(需要说明的是，该数据通信过程既可以是节点200中的，也可以是标签100中的，两者相同或相似)：

SPI总线接口的初始化，包括映射微控制器210端的SPI2接口功能并将其设置为主机、将射频模块220端设为从机、以及定义和初始化I/O口、SpiClk(SPI时钟信号)，SpiSsn(SPI片选)、SpiMOSI(SPI主出从入)和SpiMISO(SPI主入从出)。

射频模块220端的SPI总线初始化，包括数据发送位序设置：LSB(最不重要位先传输)或MSB(最重要位先传输)。

射频模块220端采用抗干扰性强的FDMA(频分多址)技术，由于采用不同的载波频率，因此能够与其他频率的信号分离，而免受其他信号的影响，增强了抗扰性。调制带宽有22MHZ，80MHZ两种可编程控制，微控制器210端通过SPI总线对射频模块220端寄存器的访问实现配置。

微控制器210端与射频模块220端的SPI总线通信机制中：

SPI总线的读时序：射频模块220端在接收到地址的最后一位后，射频IC将待发送数据送入SpiTxd(同SpiMISO)，在SpiClk的每一个下降沿，一个新的数据位被载入，SpiRxd(同SpiMOSI)引脚上在读、写期间用于数据长度和地址的时钟是相同的，如图4所示。

SPI总线的写时序：在时钟信号SpiClk的第一个下降沿，当SpiSsn引脚为低，第一个数据位被送入SpiRxd，只要SpiSsn引脚有效，射频IC将数据位的每一位与时钟信号SpiClk的每一个上升沿相对应，如图5所示。

SPI总线地址格式：

射频IC与微控制器210之间通过稳定的有线地址自动递增访问形式，见如图6所示。

字节1：此区段固定为一字节长度，包括指令类型，数据字节数。第7位标示读/写指令切换，第6到0位为数据字节数，如图7所示。

字节2：此区段固定为一字节长度，包含要访问区域的首地址，如图8所不。

字节N：此区段的字节长度N可在1-128之间变化，存放要写入目标寄存器或从中读出的数据，如图9所示。

SPI总线读操作，从射频模块220中读取数据：在SPI地址格式的字节1区段，设置第7位为‘0’，设置数据字节大小(最大为128)，设置访问的首地址，发送此地址格式到从机端。首先芯片需要识别指令的MSB(方向位)，确定该指令是读指令，数据帧中有多少字节的数据，数据存储区域的首地址，然后在时钟信号的每一个下降沿，依次读取数据帧中数据的数据载荷的每一位。芯片首先识别指令的MSB(方向位)，确定该指令为写指令，数据帧中的数据字节长度，数据要写入区域的首地址(地址字节)，然后在时钟信号的每一个下降沿，依次将数据的每一位写入相应的存储区域。如图10所示。

SPI总线写操作，往射频模块220中写数据：在SPI地址格式的字节1区段，设置第7位为‘1’，设置数据字节大小(最大为128)，设置要写入的目标首地址，在字节N区段载入要写入的数据，发送此地址格式到从机端，见附图11。

微控制器210端与射频端之间进行数据通信的数据包由前同步码，同步字，数据帧，尾缀四部分组成，如图12所示，每部分一个位对应一个待调制的字符，各部分的容量分配为：前同步码30位，同步字64位，数据帧80到114996位，尾缀4位。前同步码是固定长度30位的序列，便于位同步；同步字用于来自不同标签100，节点200上的数据包中的帧同步，起源于一个24位的逻辑网络ID，如果网络ID的MSB为“0”则在其24位基础上附加6位“010101”，若为“1”则附加“101010”来产生序列码；序列码预先与伪随机序列0X03848D96BBCC54FC的第34到63位异或，奇偶位为序列码除以8进制数260534236651的剩余位。

其中，对于数据帧定义的数据包类型，容纳采用前项纠错方式，长达80到114996位的数据，包含的区段数随数据包类型的不同而不同，最长可达10个，如图13所示。

密码器初始化区段用于接收周期开始前的初始化，对于各个数据包，此区段值不一定相同，发送端在发送前设置此初始值。接收端利用该区段值进行数据帧解码。加密控制区段包含加密使能，加密数据，加密编号方法；类型码，标示数据包类型；地址1，用于存放信号发送方的ID地址，地址2用于存放信号接收方的ID地址，长度都为48位。

长度，用于标示数据帧的数据字节数，只在存在数据帧的数据类型中存在。

帧控制区段，用于应用级的软件设计中，标签100节点200间连接通道控制，信号序列的编码方法选择，破碎数据包恢复处理方案等的设置。

CRC1对数据帧的包头信息进行校验，由加密控制区段，类型码区段，地址1区段，地址2区段，长度区段等计算得出。

数据区段仅在数据，广播数据包类型中存在，区段长度可变，最大值由数据型数据包数据帧和广播型数据包中的数据帧长度决定。

CRC2用于对数据型，广播型数据包中的数据进行校验。

在微控制器210与射频模块220端的SPI总线通信中定义了数据、确认反馈、广播、时间信标、发送请求、准备发送等六种不同的数据包类型，每种类型的数据包都必须包含图12中示出的四部分，不同之处体现在数据帧部分。

对于数据型数据包的数据帧部分，如图14所示，其中，

类型码：标示数据包类型；地址1：标明节点200端ID地址；地址2：标明标签100端ID地址；长度：标示数据包的字节长度；控制区段，测距过程中数据包类型设置。0X00：常规测距数据包；0X01：测距开始数据包；0X02：测距应答数据包1；0X03：测距应答数据包2；0X04：快速测距开始数据包；0X05：快速测距应答数据包。

数据：若实际发送数据长度超过lengthMax，则数据被分包为几个小的数据包再进行发送，而接收时，若数据超过lengthMax，则超过部分被忽略。

对于确认反馈型数据包的数据帧部分，确认反馈型数据包由接收端发送给发送端，表明数据包已被成功接收，具体如图15所示。

对于广播型数据包数据帧，由节点200发送给一个或多个处于测距范围内的标签100或其他节点200。不要求接收端在接收到信号后发送确认反馈信号，具体如图16所示。

对于时间信标型数据包数据帧，由发送端发送载有时间信息的数据包，保证发送，接收端的实时时钟同步，具体如图17所示。

地址1：载有48位的实时时钟值，发送端必须对实时时钟值进行校正。在数据包的最后一位被发送前，数据包中的实时时钟值夜必须对发送该数据的延时进行补偿。接收端接收到数据后，也必须在处理数据时加入接收延时的实时时钟补偿值。

地址2：发送端的ID地址；

数据：包含有发送，接收实时时钟值的数据，由此测算信号传输时间。

对于发送请求型数据包数据帧，要求此数据包的接收端响应并发送准备发送数据包，具体如图18所示。

对于准备发送型数据包数据帧，发送端通过接收到发送请求型数据包，而确认可以数据包可以发送，并将发送请求型数据包中的地址2和长度复制到现在数据包中发送，具体如图19所示。

尾缀：调制系统中为一固定长度的字符，用于数据包间的分界符。

射频模块220端发送和接收指令的过程包括：数据包在被处理完成后，射频模块220端在相应的指令下，存储数据到相应的发送缓冲区以备发送；或清空相应的接收缓冲区以备接收。射频模块220的收发缓冲区域被分成大小相同的两部分，每部分都有各自的标志位和数据写入/读出指令。通常标志位和指令只与缓冲区的区段有关系而与缓冲区的大小没太大联系，当发送数据溢出时，被认为是严重的程序错误而不予执行。射频模块220端在接收到微控制器210发送地址的最后一位后，即将待发送数据送入到发送缓冲区，在每个SPI时钟脉冲的下降沿，一个数据位被发送，具体如图20所示。

其中，数据位处理包括前向纠错(FEC)，位编码，位重发，位加密等。在数据发送前，为保证数据的正确性与安全性，需要进行相应的位操作。

为错误检测而设置的CRC(循环冗余码校验)；数据或CRC2中的加密(可选)；伪随机序列编码；前项纠错编码(可选)，具体如图21所示。

CRC1的值由数据帧的开头区段中的类型码，地址1，地址2，长度，帧控制区段等计算出，并附在数据帧的开头区段中与LSB首先发送；

CRC2应用可选，由数据类型，广播类型数据包的数据区段计算出，16位或32位的多项式可选用于CRC2的计算。

位编码：数据包发送前，数据帧的所有区段(初始化位除外)都必须通过一个伪随机序列随机化为高冗余度的形式。

前向纠错编解码，通过在数据帧区段采取前向纠错措施，减少数据位的重发射几率，若使用，则数据帧的所有区段都必须纳入到前向纠错的运算法则中。

加解密，数据发送前，通过采用某一对称的密钥序列与数据中的位相异或对数据进行加密，过程可逆，接收端在知道此密钥序列条件下进行解密，恢复数据。

图22示出了射频模块220发送数据包的示例流程图，如图所示，发送端进入数据包发送准备状态后，首先设置一个发送时间的间隔值，每隔段这个时间值发射一次，检测目的端的信道是否被占用，若空闲则发送数据包，否则继续等待，直到信道空闲；发送数据包后，发送次数开始累计，同时检测是否收到反馈确认数据包，若没有，则继续发送，计数值加1，直到数据包成功发送，或计数值满数据包再次更新。

下面将按步骤描述采用依据本发明实施例的目标物精确定位系统实施目标物精确定位方法，具体如图23和24所示。

S100、节点200发送广播信号以通知测距范围内的标签100准备进行测距。在该步骤中，节点200不间断地或按一定间隔时间地向所在的空间区域以广播的形式发送广播信号，该广播信号中包含了前面所述的广播类型和发送请求类型的数据包。通过这种方式，通知进入广播信号传输范围(即该节点200的测距范围)内的标签100准备进行测距。

S200、标签100识别广播信号，并发送测距信号至节点200。此时，如果标签100进入了一个或多个节点200的测距范围，则标签100可接收到一个或多个节点200所发送的广播信号，在该步骤中，标签100首先对接收的广播信号进行分析处理，当确定接收的是通知测距的广播信号时，标签100从接收的广播信号中识别出节点200的ID，确定接收的广播信号来自哪个节点200，判断该节点是否为未知节点，如果是未知节点，则将该节点200列入其地址列表中。随后于时刻T1发送测距信号给节点200，其中测距信号中包含上述的准备发送、数据类型、时间信标和确认反馈类型的数据包。因为测距信号中含有时间信标类型的数据包，因此该测距信号携带有关于时刻T1的信息。如果判断不是未知节点，则直接于时刻T1发送测距信号给节点200。

S300、节点200接收测距信号，响应处理后发送应答信号至标签100。节点200于时刻T2接收到上述测距信号，并对其进行分析处理，基于测距信号中包含的数据包获知，接收的这个信号为标签100响应节点200的广播信号所反馈的测距信号。继而于时刻T3发送应答信号返回至标签100。该应答信号包含上述的准备发送、数据类型、时间信标和确认反馈类型的数据包。那么，该应答信号携带关于时刻T2和T3的信息。

S400、标签100接收应答信号并将应答信号回传至节点200。在该步骤中，标签100于时刻T4接收上述应答信号，并对其进行处理，修改其中包含的时间信标和确认反馈类型的数据包，使其进一步携带关于时刻T4的信息以及标签100已经确认接收的信息。继而标签100将修改后的应答信号回传至节点200。从以上可以看出，此时回传至节点200的应答信号携带了关于时刻T1、T2、T3和T4的信息。

S500、节点200基于回传的应答信号计算标签100与节点200之间的距离，并将计算的距离值发送至中央服务器300，中央服务器300基于计算的距离值，定位所述目标物100。定位的空间区域内允许同时有多个活跃的定位标签，分布的节点可以一对多的同时对区域内的标签按所述方式定位。

具体而言，节点200提取应答信号中关于时刻T1、T2、T3和T4的信息，利用该时间信息计算节点200与标签100之间的相对距离。例如，可采用下面公式计算该距离L：

L＝((T4-T1)-(T3-T2))/2*v                            (1)

其中，T1为标签100发送测距信号的时刻；T2为节点200接收测距信号的时刻；T3为节点200发送应答信号的时刻；以及T4为标签100接收应答信号的时刻；v为电磁波的传播速率。在二维平面内，采用三个节点200即可确定一个标签100的准确位置，在三维平面内，采用四个节点200即可确定一个标签100的准确位置。因此，中央服务器300根据从多个节点200获取的时间信息，可以分别计算获得待定位标签100与多个节点200的相对距离，从而精确定位该标签100在空间区域中的具体位置。在该定位方法中，采用了节点200和标签100的对称式，多回合发射和接收，并在计算过程中采用求平均值的方法获取电磁波在节点200和标签100之间传播所需要的时间，所以在求平均的过程中摒除了多径和噪声的干扰，从而提高了精度。

在本发明是一个优选实施例中，如图25和26所示，为了进一步提高精度，可在步骤S400之后进一步包括步骤：

S410、节点200发送再次测距信号至标签100。仍如图23所示，在该步骤中，当节点200接收到回传的应答信号后，在将该应答信号发送至中央服务器300的同时，以单播的方式于时刻T5向待定位的标签100发送再次测距信号。类似地，该再次测距信号包含准备发送、数据类型和时间信标和确认反馈类型的数据包。同样地，该再次测距信号携带有关于时刻T5的信息。

S420、标签100接收再次测距信号，响应处理后发送再次应答信号至节点200。标签100于时刻T6接收到上述再次测距信号，并对其进行分析处理，基于再次测距信号中包含的数据包，获知接收的这个信号为节点200响应第一次测距后发送的再次测距信号。继而于时刻T7发送再次应答信号返回至节点200。该再次应答信号包含上述的准备发送、数据类型、时间信标和确认反馈类型的数据包。那么，该再次应答信号携带关于时刻T6和T7的信息。

S430、节点200于时刻T8接收再次应答信号以及基于再次应答信号中携带的时间信息计算标签100与节点200之间的距离，并将计算的距离值发送至中央服务器300。

S510、中央服务器300基于从节点获得的标签100与节点200之间的距离值，定位目标物100。

具体而言，节点200从再次应答信号提取关于时刻T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7和T8的信息，并利用该时间信息计算节点200与标签100之间的相对距离。例如，可采用下面公式计算该距离L：

L＝(((T4-T1)-(T3-T2))+((T8-T5)-(T7-T6)))/4*v            (2)

其中，T1为标签100发送测距信号的时刻；T2为节点200接收测距信号的时刻；T3为节点200发送应答信号的时刻；以及T4为标签100接收应答信号的时刻；T5为节点200发送再次测距信号的时刻；T6为标签100接收再次测距信号的时刻；T7为标签100发送再次应答信号的时刻；以及T8为节点200接收再次应答信号的时刻；v为电磁波的传播速率。在步骤S500的计算过程中，在一个定位周期内对节点200和标签100之间的传播时间取平均值。而在步骤S510中，在两个定位周期内对节点200和标签100之间的传播时间取平均值，在此基础上进一步提高了精度。

从以上可以看出，采用依据本发明的目标物精确定位系统实施目标物精确定位方法中，因为采用了节点和标签的对称式，多回合发射和接收，并在计算过程中采用求平均值的方法获取电磁波在节点和标签之间传播所需要的时间，所以在求平均的过程中摒除了多径和噪声的干扰，从而提高了精度。进一步地，射频模块内部采用了高质量的时钟电路，能够精确到1纳秒，以电磁波在近似真空中的传播速率30万千米每秒计算，则精度计算单位可达到0.3米，而实际使用中，由于前端多路径到达波检测、时间偏差等原因影响，误差可以控制在0.6-1.5米的范围内。另外，采用本发明的目标物精确定位系统实施目标物精确定位方法中，支持节点与标签之间通过线性调频扩频通信技术进行数据通信，因此系统可采用了80MHz的带宽(属宽带系统)，获得了相对较低的频谱密度；而处理信号时又能够获取较大的处理增益以及较好的到达脉冲分辨率，能够很好地抵御环境干扰。同时具备加密特性，保证良好的低截获性，保密性好。另外，射频模块具有良好的功率控制模式，休眠、唤醒、常态收发等。

应当理解的是，对本领域普通技术目标物来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种目标物精确定位方法，基于空间中的节点，精确定位设有标签的目标物，步骤包括： 

所述节点发送广播信号以通知测距范围内的所述标签准备进行测距； 

标签识别所述广播信号，并发送测距信号至所述节点； 

所述节点接收所述测距信号，响应处理后发送应答信号至所述标签； 

所述标签接收所述应答信号并将所述应答信号回传至所述节点； 

所述节点基于回传的所述应答信号中携带的时间信息计算所述标签与所述节点之间的距离，并将计算的所述距离值发送至中央服务器，用以定位所述目标物； 

所述标签将所述应答信号回传至所述节点以通知所述节点准备进行再次测距； 

所述节点发送再次测距信号至所述标签； 

所述标签接收所述再次测距信号，响应处理后发送再次应答信号至所述节点； 

所述节点基于接收的所述再次应答信号中携带的时间信息计算所述标签与所述节点之间的距离，并将计算的所述距离值发送至所述中央服务器，用以定位所述目标物； 

信号往返两个回合，所述标签与所述节点之间的距离L通过公式计算获得： 

L=(((T4-T1)-(T3-T2))+((T8-T5)-(T7-T6)))/4*v        （2） 

其中，T1为所述标签发送测距信号的时刻；T2为所述节点接收所述测距信号的时刻；T3为所述节点发送应答信号的时刻；以及T4为所述标签接收所述应答信号的时刻；T5为所述节点发送再次测距信号的时刻；T6为所述标签接收所述再次测距信号的时刻；T7为所述标签发送再次应答信号的时刻；以及T8为所述节点接收所述再次应答信号的时刻；v为电磁波的传播速率。 

2.根据权利要求1所述的目标物精确定位方法，其特征在于信号往返一个回合，所述标签与所述节点之间的距离L通过公式计算获得： 

L=((T4-T1)-(T3-T2))/2*v               （1） 

其中，T1为所述标签发送测距信号的时刻；T2为所述节点接收所述测距信号的时刻；T3为所述节点发送应答信号的时刻；以及T4为所述标签接收所述应答信号的时刻；v为电磁波的传播速率。 

3.根据权利要求1-2任一项所述的目标物精确定位方法，其特征在于，所述节点和所述标签之间通过线性调频扩频技术进行数据通信。 

4.根据权利要求1-2任一项所述的目标物精确定位方法，其特征在于，所述空间中设有多个节点，所述多个节点同时与所述标签进行数据通信以获得各个所述节点与所述标签的距离，用以定位所述目标物。 

5.一种目标物精确定位系统，包括设有标签的目标物、与所述标签通信连接的且设置在空间中的节点、以及与所述节点通信连接的中央服务器；在对所述目标物定位的过程中： 

所述节点发送广播信号以通知测距范围内的所述标签准备进行测距； 

标签识别所述广播信号，并发送测距信号至所述节点； 

所述节点接收所述测距信号，响应处理后发送应答信号至所述标签； 

所述标签接收所述应答信号并将所述应答信号回传至所述节点； 

所述节点基于回传的所述应答信号中携带的时间信息计算所述标签与所述节点之间的距离，并将计算的所述距离值发送至中央服务器，用以定位所述目标物； 

所述标签将所述应答信号回传至所述节点以通知所述节点准备进行再次测距； 

所述节点发送再次测距信号至所述标签； 

所述标签接收所述再次测距信号，响应处理后发送再次应答信号至所述节点； 

所述节点基于接收的所述再次应答信号中携带的时间信息计算所述标签与所述节点之间的距离，并将计算的所述距离值发送至所述中央服务器，用以 定位所述目标物； 

信号往返两个回合，所述标签与所述节点之间的距离L通过公式计算获得： 

L=(((T4-T1)-(T3-T2))+((T8-T5)-(T7-T6)))/4*v        （2） 

其中，T1为所述标签发送测距信号的时刻；T2为所述节点接收所述测距信号的时刻；T3为所述节点发送应答信号的时刻；以及T4为所述标签接收所述应答信号的时刻；T5为所述节点发送再次测距信号的时刻；T6为所述标签接收所述再次测距信号的时刻；T7为所述标签发送再次应答信号的时刻；以及T8为节点接收所述再次应答信号的时刻；v为电磁波的传播速率。

6、根据权利要求5所述的目标物精确定位系统，其特征在于信号往返一个回合，所述标签与所述节点之间的距离L通过公式计算获得： 

L=((T4-T1)-(T3-T2))/2*v                  （1） 

其中，T1为所述标签发送测距信号的时刻；T2为所述节点接收所述测距信号的时刻；T3为所述节点发送应答信号的时刻；以及T4为所述标签接收所述应答信号的时刻；v为电磁波的传播速率。 

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