CN103344942A - 控制节点、异步定位方法与系统 - Google Patents

Abstract

一种异步定位方法，该方法包括如下步骤：发送一指令数据包至一已知位置的参考标签；接收四个参考节点输出的时间差，其中，每一参考节点输出的时间差为该参考节点接收到一参考量测信号与一定位量测信号的时间差，该参考量测信号由所述参考标签接收到所述第一指令数据包时输出，该定位量测信号由一待定位标签输出；根据所述参考标签的位置坐标、每一所述参考节点的位置坐标以及每一所述参考节点的所述时间差计算所述待定位标签的位置坐标。本发明还涉及一种控制节点及具有该控制节点的异步定位系统。

Description

控制节点、异步定位方法与系统

技术领域

本发明涉及无线电定位技术，尤其涉及一种异步定位方法、使用该方法的控制节点及具有该控制节点的异步定位系统。

背景技术

无线电定位在重要物品跟踪、基于位置服务、安全生产等领域具有非常重要的意义。目前已有的无线定位方法通常分为以下三类：

（1）基于无线信号强度（Received Signal Strength Indication,RSSI）的方法；

（2）基于到达角（Angle of arrival，AOA）的方法；

（3）基于到达时间的方法，又可以具体分为直接利用到达时间（Time ofarrival,TOA）法、双向到达时间法（Two way time of arrival,TW-TOA）和到达时间差(Time Difference of Arrival,TDOA）法三种。

在上述三种方法中，基于到达时间的方法可充分利用宽带无线信号对多径的分辨能力，从而在复杂的多径衰落环境中仍然能得到较高的定位精度。在基于到达时间的定位方法中，双向到达时间（TW-TOA）方法要求待定位节点具有发送和接收处理宽带信号的能力，在功耗和成本敏感的应用环境中较难符合功耗和成本的约束。直接利用到达时间（Time of arrival,TOA）的方法要求位置已知的参考节点之间是时间高度同步的，如全球卫星定位系统GPS、北斗等，时间高度同步或导致参考节点的成本较高或难以部署。基于到达时间差（TDOA）的方法则仅仅需要待定位的移动节点仅具有发送宽带信号的能力即可，与前面两种系统相比可以大大降低整体定位系统的成本和功耗，在对成本和功耗敏感的领域具有明显的优势。基于TOA和TDOA基本定位原理如下：

图1A及图1B分别为TOA和TDOA的原理示意图，不失一般性，图1A及图1B展示的是在2维平面上的定位，与3维空间上的定位类似。图1A及图1B中，A、B、C表示已知位置的参考节点（Reference Node，RN），如基站，也称作锚点（Anchor）；X表示未知位置的待测节点(Unknown Node，UN)，如手机等移动台。

TOA方法定位过程如下：A、B、C三个参考节点时钟完全同步，X节点在某一时刻T₀发出一宽带距离测量信号（例如脉冲或伪码信号等），X节点距离A、B、C节点的距离分别为R_A，R_B，R_C，则A、B、C节点分别在T_A=T₀+R_A/c，T_B=T₀+R_B/c，T_C=T₀+R_C/c时刻收到X发出的宽带信号，其中c是电磁波在定位网络所处介质中传播速度，所述介质通常为空气。如此便可得到：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_A=T_0+\frac{R_A}{c}\\ T_B=T_0+\frac{R_B}{c}\\ T_C=T_0+\frac{R_C}{c}\end{array}\right.$

如此，UN便处于图1A所示圆周的交点上，这样便可以进行解算。

同理，参图1B，TDOA定位过程如下：A、B、C三个参考节点时钟完全同步，X节点在某一时刻T₀发出一宽带距离测量信号（例如脉冲或伪码信号等），X节点距离A、B、C节点距离分别为R_A，R_B，R_C，则A、B、C节点分别在T_A=T₀+R_A/c，T_B=T₀+R_B/c，T_C=T₀+R_C/c时刻收到X发出的宽带信号，其中c是电磁波在定位网络所处介质中传播速度，所述介质通常为空气。如此便可得到：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_A-R_B=c(T_A-T_B)\\ R_B-R_C=c(T_B-T_C)\end{array}\right.$

R_A-R_B=c(T_A-T_B)对应于节点A、B之间的双曲线，即X节点位于A、B之间的双曲线上，同理R_B-R_C=c(T_B-T_C)位于B、C之间双曲线上，如此便可以计算两双曲线的交点，得到X的位置坐标。

在TDOA定位方法中，要求已知位置的参考节点的时间尽可能的同步，同步误差每增加1纳秒(ns)，则测量误差增加0.3米；当同步误差达到3.3纳秒以上时，则会产生米级以上的误差，这种米级的误差对于某些高精度的应用是无法满足定位需求的。

目前已有的同步方法有如下几种：

1、采用IEEE-1588工业以太网同步标准。

2、设定网络内一个主参考节点，采用网线向其他分参考节点周期性的发送定时脉冲用于同步网络内参考节点。

这两种同步方法均基于以太网，其缺点如下：

1、参考节点需要用额外的以太网相连，并且如果使用IEEE-1588组网，需要额外的支持IEEE-1588协议的交换机进行组网，增加额外开销。

2、对于参考节点的接收机，由于接收机前端有射频模块以及模数转换器等器件，每个节点的这些器件延时并不一样，同时这些器件的延时还会随着温度等环境因素发生抖动，从而会引入定位误差。

发明内容

针对上述问题，有必要提供一种异步定位方法与系统，以解决已有到达时间方法和到达时间差方法与系统中参考节点间时钟用有线同步导致的额外开销和部署困难，以及接收机前端射频延时变化对造成的定位误差。

一种异步定位方法，包括如下步骤：

发送一指令数据包至一已知位置的参考标签；

接收四个参考节点输出的时间差，其中，每一参考节点输出的时间差为该参考节点接收到一参考量测信号与一定位量测信号的时间差，该参考量测信号由所述参考标签接收到所述第一指令数据包时输出，该定位量测信号由一待定位标签输出；

根据所述参考标签的位置坐标、每一所述参考节点的位置坐标以及每一所述参考节点的所述时间差计算所述待定位标签的位置坐标。

优选地，根据所述参考标签的位置坐标、每一所述参考节点的位置坐标以及每一所述参考节点的所述时间差计算所述待定位标签的位置坐标的步骤，具体包括：

采用矩阵：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_2-r_1=c({\mathrm{\Δt}}_2-{\mathrm{\Δt}}_1)+(r_{02}-r_{01})\\ r_3-r_2=c({\mathrm{\Δt}}_3-{\mathrm{\Δt}}_2)+(r_{03}-r_{02})\\ r_4-r_3=c({\mathrm{\Δt}}_4-{\mathrm{\Δt}}_3)+(r_{04}-r_{03})\end{array}\right.$

或者该矩阵的变形计算所述待定位标签至所述四个参考节点的距离；以及

根据计算出的所述待定位标签至所述四个参考节点的距离以及每一所述参考节点的位置坐标计算所述待定位标签的位置坐标；其中，在所述矩阵中，c表示电磁波在所述参考标签、参考节点以及待定位标签所处介质中的传播速度；r₀₁，r₀₂，r₀₃以及r₀₄分别表示所述参考标签至所述四个参考节点的距离；Δt₁，Δt₂，Δt₃以及Δt₄分别表示所述四个参考节点接收到所述参考量测信号与所述定位量测信号的时间差；r₁，r₂，r₃以及r₄分别表示所述待定位标签至所述四个参考节点的距离。

优选地，所述第一指令数据包包括有定位标识信息及控制节点信息；该参考量测信号包括有定位标识信息、参考标签的标识信息及控制节点信息；该定位量测信号包括有定位标识信息、待定位标签的标识信息及控制节点信息；该时间差信号还包括有参考标签的标识信息、定位标识信息及待定位标签的标识信息；其中，接收四个参考节点输出的时间差信号的步骤中，还包括：从时间差信号中所包含的参考标签的标识信息、定位标识信息及待定位标签的标识信息确定计算所需的四个参考节点的时间差。

一种控制节点，该控制节点包括：

指令数据产生模块，用于产生一第一指令数据包；

通信模块，用于将所述第一指令数据包输出至一参考标签，并从四个参考节点接收时间差，其中，每一参考节点输出的时间差为该参考节点接收到一参考量测信号与一定位量测信号的时间差，该参考量测信号由所述参考标签接收到所述第一指令数据包时输出，该定位量测信号由一待定位标签输出；以及

定位信息处理模块，用于根据所述参考标签的位置坐标、每一所述参考节点的位置坐标以及每一所述参考节点的所述时间差计算所述待定位标签的位置坐标。

优选地，所述控制节点内存储有一矩阵：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_2-r_1=c({\mathrm{\Δt}}_2-{\mathrm{\Δt}}_1)+(r_{02}-r_{01})\\ r_3-r_2=c({\mathrm{\Δt}}_3-{\mathrm{\Δt}}_2)+(r_{03}-r_{02})\\ r_4-r_3=c({\mathrm{\Δt}}_4-{\mathrm{\Δt}}_3)+(r_{04}-r_{03})\end{array}\right.$

所述控制节点根据所述矩阵计算所述待定位节点的位置坐标；其中，c表示电磁波在所述参考标签、参考节点以及待定位标签所处介质中的传播速度；r₀₁，r₀₂，r₀₃以及r₀₄分别表示所述参考标签至所述四个参考节点的距离；Δt₁，Δt₂，Δt₃以及Δt₄分别表示所述四个参考节点接收到所述参考量测信号与所述定位量测信号的时间差；r₁，r₂，r₃以及r₄分别表示所述待定位标签至所述四个参考节点的距离。

优选地，所述第一指令数据包包括有定位标识信息及控制节点信息；该参考量测信号包括有定位标识信息、参考标签的标识信息及控制节点信息；该定位量测信号包括有定位标识信息、待定位标签的标识信息及控制节点信息；该时间差信号还包括有参考标签的标识信息、定位标识信息及待定位标签的标识信息；所述定位信息处理模块从时间差信号中所包含的参考标签的标识信息、定位标识信息及待定位标签的标识信息确定计算所需的四个参考节点的时间差。

优选地，所述指令数据产生模块还用于产生一第二指令数据包，所述通信模块还用于输出所述第二指令数据包，所述第二指令数据包用于控制所述待定位标签输出所述定位量测信号。

一种异步定位方法，该方法包括如下步骤：

发送一指令数据包至N个已知位置的参考标签，其中N为大于一的整数；

接收四个参考节点输出的时间差，其中，每一参考节点输出N个时间差，每一参考节点输出的N个时间差分别为该参考节点接收到N个参考量测信号与一定位量测信号的时间差，该参考量测信号由每一所述参考标签接收到所述第一指令数据包时输出，该定位量测信号由一待定位标签输出；

根据每一所述参考标签的位置坐标、每一所述参考节点的位置坐标以及每一所述参考节点的多个所述时间差计算所述待定位标签的估计坐标；以及

对计算出的多个所述估计坐标进行加权平均，得到所述待定位标签的位置坐标。

优选地，根据每一所述参考标签的位置坐标、每一所述参考节点的位置坐标以及每一所述参考节点的多个所述时间差计算所述待定位标签的估计坐标的步骤中采用的计算公式为矩阵：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_2-r_1=c({\mathrm{\Δt}}_2-{\mathrm{\Δt}}_1)+(r_{02}-r_{01})\\ r_3-r_2=c({\mathrm{\Δt}}_3-{\mathrm{\Δt}}_2)+(r_{03}-r_{02})\\ r_4-r_3=c({\mathrm{\Δt}}_4-{\mathrm{\Δt}}_3)+(r_{04}-r_{03})\end{array}\right.$

其中，c表示电磁波在所述参考标签、参考节点以及待定位标签所处介质中的传播速度；r₀₁，r₀₂，r₀₃以及r₀₄分别表示其中一个所述参考标签至所述四个参考节点的距离；Δt₁，Δt₂，Δt₃以及Δt₄分别表示所述四个参考节点接收到所述参考量测信号与所述定位量测信号的时间差；r₁，r₂，r₃以及r₄分别表示所述待定位标签至所述四个参考节点的距离。

优选地，对计算出的多个所述估计坐标进行加权平均的步骤中，采用的公式为：

$\hat{p}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^n{\stackrel{\→}{p}}_k\left|\right|{\stackrel{\→}{p}}_k-{\stackrel{\→}{P}}_k\left|\right|}{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^n\left|\right|{\stackrel{\→}{p}}_k-{\stackrel{\→}{P}}_k\left|\right|}$

其中，

表示所述待定位标签的位置坐标；表示n个参考标签的坐标，

n为整数；

表示对待定位标签的估计坐标， ${\stackrel{\→}{p}}_k=({\hat{x}}_k,{\hat{y}}_k{,\hat{z}}_k),k=\mathrm{1,2},\·\·\·,n;\left|\right|{\stackrel{\→}{p}}_k-{\stackrel{\→}{P}}_K\left|\right|$ 表示

到的距离。

一种异步定位系统，该异步定位系统包括：

控制节点，用于输出一指令数据包；

已知位置的参考标签，用于接收所述指令数据包，并在接收到所述指令数据包后输出一参考量测信号；

未知位置的待定位标签，用于输出一定位量测信号；以及

四个已知位置的参考节点，每一所述参考节点用于接收所述参考量测信号及一所述定位量测信号，记录接收到所述参考量测信号与所述定位量测信号的时间差，并输出所述时间差至所述控制节点；

所述控制节点还用于根据所述参考标签的位置坐标、每一所述参考节点的位置坐标以及每一所述参考节点的所述时间差计算所述待定位标签的位置坐标。

优选地，所述控制节点为其中一个参考节点。

优选地，所述控制节点内存储有一矩阵：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_2-r_1=c({\mathrm{\Δt}}_2-{\mathrm{\Δt}}_1)+(r_{02}-r_{01})\\ r_3-r_2=c({\mathrm{\Δt}}_3-{\mathrm{\Δt}}_2)+(r_{03}-r_{02})\\ r_4-r_3=c({\mathrm{\Δt}}_4-{\mathrm{\Δt}}_3)+(r_{04}-r_{03})\end{array}\right.$

所述控制节点根据所述矩阵计算所述待定位节点的位置坐标；其中，c表示电磁波在所述参考标签、参考节点以及待定位标签所处介质中的传播速度；r₀₁，r₀₂，r₀₃以及r₀₄分别表示所述参考标签至所述四个参考节点的距离；Δt₁，Δt₂，Δt₃以及Δt₄分别表示所述四个参考节点接收到所述参考量测信号与所述定位量测信号的时间差；r₁，r₂，r₃以及r₄分别表示所述待定位标签至所述四个参考节点的距离。

优选地，所述异步定位系统包括多个已知位置的参考标签；每一所述参考标签均接收所述第一指令数据包，并返回所述参考量测信号至每一参考节点；每一所述参考节点记录接收到每一所述参考标签输出的参考量测信号与所述定位量测信号的时间差，并输出记录的多个所述时间差至所述控制节点；所述控制节点根据每一所述参考标签的位置坐标、每一所述参考节点的位置坐标以及每一所述参考节点的多个所述时间差计算所述待定位标签的估计坐标，并对计算出的多个所述估计坐标进行加权平均，从而得到所述待定位标签的位置坐标。

优选地，所述控制节点内存储有公式：

$\hat{p}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^n{\stackrel{\→}{p}}_k\left|\right|{\stackrel{\→}{p}}_k-{\stackrel{\→}{P}}_k\left|\right|}{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^n\left|\right|{\stackrel{\→}{p}}_k-{\stackrel{\→}{P}}_k\left|\right|}$

所述控制节点根据所述公式对多个所述估计坐标进行加权平均；其中，

表示所述待定位标签的位置坐标；

表示n个参考标签的坐标，

n为整数；

表示对待定位标签的估计坐标， ${\stackrel{\→}{p}}_k=({\hat{x}}_k,{\hat{y}}_k,{\hat{z}}_k),k=\mathrm{1,2},\·\·\·,n;\left|\right|{\stackrel{\→}{p}}_k-{\stackrel{\→}{P}}_K\left|\right|$ 表示

到

的距离。

所述的异步定位方法及系统通过每一参考节点统计接收到的时间差来相应计算待定位标签的坐标，因此并不需要四个参考节点的时间轴同步，无需用有线连接来传递时钟信号，避免了现有TOA和TDOA无线定位系统中参考节点（锚点）一般需要有线连接进行时钟、时间戳发送来时间同步而造成的系统部署过于复杂的问题，同时也避免了参考节点必须使用昂贵的高精度时钟源。此外，不需要对系统中接收机前端器件延时τ_k进行测量以纠正其对定位产生的误差，显著降低由于接收机前端（包括天线、射频传输线、射频模块、模数转换等接收机前端部分）的延时抖动、漂移等造成的误差，从而避免复杂的校正。因此，所述的异步定位方法及系统不仅提高了定位精度还简化了系统结构。

附图说明

图1A为现有的基于TOA的无线定位方法的原理示意图。

图1B为现有的基于TDOA的无线定位方法的原理示意图。

图2所示为本发明较佳实施方式的异步定位系统的网络拓扑结构图。

图3所示为图2所示异步定位系统的参考标签的功能模块图。

图4所示为图2所示异步定位系统的待定位标签的功能模块图。

图5所示为图2所示异步定位系统的参考节点的功能模块图。

图6所示为图2所示异步定位系统的控制节点的功能模块图。

图7所示为本发明较佳实施方式的异步定位方法的流程图。

主要元件符号说明

异步定位系统          10

参考标签              N

待定位标签            L

参考节点              M1-M4

指令数据包接收模块    11、21

参考量测信号发送模块  13

定位量测信号发送模块  23

量测信号接收模块      31

时间差记录模块        33

通信模块              35、45

指令数据产生模块      41

定位信息处理模块      43

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

请参阅图2，图2所示为本发明较佳实施方式的异步定位系统10的网络拓扑结构图。异步定位系统10包括已知位置的参考标签N、未知位置的待定位标签L以及至少四个已知位置的参考节点。在本实施方式中，以异步定位系统10包括四个已知位置的参考节点M1-M4为例对本发明进行说明。参考节点M1-M4可以为已知位置的基站；待定位标签L可以为移动台，如手机；参考标签N可以为已知位置的基站或移动台。

设四个参考节点M1-M4的坐标分别为：(x₁,y₁,z₁)，(x₂,y₂,z₂)，(x₃,y₃,z₃)，(x₄,y₄,z₄)；参考标签N的坐标为：(x₀,y₀,z₀)；待定位标签L的坐标为：(x,y,z)。设参考标签N至四个参考节点M1-M4的距离分别为：r₀₁，r₀₂，r₀₃，r₀₄；待定位标签L至四个参考节点M1-M4的距离分别为：r₁，r₂，r₃，r₄。

请参阅图3，参考标签N包括指令数据包接收模块11以及参考量测信号发送模块13。指令数据包接收模块11用于接收一第一指令数据包。参考量测信号发送模块13用于在指令数据包接收模块11接收到该第一指令数据包后，输出一参考量测信号至四个参考节点M1-M4，即该参考量测信号会被四个参考节点M1-M4接收到。所述参考量测信号可以为超宽带脉冲或宽带伪码信号。在本实施方式中，该第一指令数据包包括有定位标识信息及控制节点信息，该参考量测信号包括有定位标识信息、参考标签的标识信息及控制节点信息。进一步，该定位标识信息可以是待定位标签的标识信息或是其他唯一标识本次定位需求的信息。

请参阅图4，待定位标签L包括指令数据包接收模块21以及定位量测信号发送模块23。指令数据包接收模块21用于接收一第二指令数据包。定位量测信号发送模块23用于在指令数据包接收模块21接收到该第二指令数据包后，输出一定位量测信号至四个参考节点M1-M4，即该定位量测信号会被四个参考节点M1-M4接收到。所述定位量测信号可以为超宽带脉冲或宽带伪码信号。在本实施方式中，该第二指令数据包包括有定位标识信息及控制节点信息，该定位量测信号包括有定位标识信息、待定位标签的标识信息及控制节点信息。

请参阅图5，每一参考节点包括量测信号接收模块31、时间差记录模块33以及通信模块35。量测信号接收模块31用于接收所述参考量测信号以及定位量测信号。时间差记录模块33用于利用本地时间轴记录量测信号接收模块31接收到所述参考量测信号以及定位量测信号的本地时刻，并统计量测信号接收模块31接收到所述参考量测信号以及定位量测信号的时间差。通信模块35用于输出所述时间差。在本实施方式中，该时间差记录模块33具体为计算具有相同定位标识信息的参考量测信号及定位量测信号的时间差。通信模块35将该时间差发送给参考量测信号及定位量测信号中控制节点信息所标识的控制节点。通信模块35发送时间差时的信号中（以下称为时间差信号）还包括有参考标签的标识信息、定位标识信息及待定位标签的标识信息。

请参阅图2及图6，异步定位系统10还包括控制节点Q。控制节点Q可以为基站或定位服务中心。控制节点Q包括指令数据产生模块41、定位信息处理模块43以及通信模块45。指令数据产生模块41用于产生所述第一指令数据包及所述第二指令数据包，且所述第一指令数据包及所述第二指令数据包经过通信模块45分别发送至参考标签N以及待定位标签L。当异步定位系统10包括多个参考标签N，且仅使用其中一个参考标签N进行定位时，也就是说，控制节点Q在选择参考标签N时，可以选择离待定位标签L当前连接的基站距离最近的参考标签N。通信模块45还用于从参考节点M1-M4的通信模块35接收所述时间差。定位信息处理模块43内存储有各个已知位置的参考节点M1-M4以及已知位置的参考标签N的位置坐标。定位信息处理模块43用于接收至少四个参考节点M1-M4的时间差，并根据参考标签N的位置坐标、四个参考节点M1-M4的位置坐标以及四个参考节点M1-M4记录的所述时间差计算待定位标签L的位置坐标。在本实施方式中，定位信息处理模块43是为从时间差信号中所包含的参考标签的标识信息、定位标识信息及待定位标签的标识信息确定计算所需的四个参考节点M1-M4的时间差。可以理解，在其他实施方式中，控制节点Q可以为其中一个参考节点，如参考节点M1。也就是说，参考节点M1除了包括上述的量测信号接收模块31、时间差记录模块33以及通信模块35外，还包括指令数据产生模块41以及定位信息处理模块43。当参考节点M1作为控制节点时，参考节点M1的通信模块35还用于从其他参考节点M2-M4的通信模块35接收所述时间差。

请一并参阅图7，本发明较佳实施方式的异步定位方法包括如下步骤：

步骤S1：控制节点Q向已知位置的参考标签N发送所述第一指令数据包。当异步定位系统10包括多个参考标签N，且仅使用其中一个参考标签N进行定位时，也就是说，控制节点Q在选择参考标签N时，可以选择离待定位标签L当前所连接的基站距离最近的参考标签N或是待定位标签L当前所连接的基站所覆盖的参考标签N。

步骤S2：参考标签N输出参考量测信号至四个已知位置的参考节点M1-M4。

步骤S3：每一参考节点M1-M4接收所述参考量测信号，并利用本地时间轴记录接收到所述参考量测信号的本地时刻。设四个参考节点M1-M4接收到所述参考量测信号的本地时刻分别为：t₀₁,t₀₂,t₀₃,t₀₄。

步骤S4：控制节点Q向未知位置的待定位标签L发送第二指令数据包。

步骤S5：待定位标签L输出定位量测信号至每一已知位置的参考节点M1-M4。

步骤S6：每一参考节点M1-M4接收所述定位量测信号，并利用本地时间轴记录收到所述定位量测信号的本地时刻。设四个参考节点M1-M4接收到所述定位量测信号的本地时刻分别为：t₁₁,t₁₂,t₁₃,t₁₄。

步骤S7：每一参考节点M1-M4计算接收到所述参考量测信号以及所述定位量测信号的时间差，并输出所述时间差至控制节点Q。

步骤S8：控制节点Q根据参考标签N的位置坐标、四个参考节点M1-M4的位置坐标以及四个参考节点M1-M4的所述时间差计算待定位标签L的位置坐标。

具体计算原理为：假设参考节点Mk(k=1,2,3,4)的本地时间轴原点和绝对时间相差Δt_0k，在绝对时间T₀时刻，参考标签N发送一段参考测量信号，在参考节点Mk的时间轴上t_0k时刻收到该定位测量信号，则有：

$t_{0k}={\mathrm{\τ}}_k+\frac{r_{0k}}{c}+(T_0-{\mathrm{\Δt}}_{0k})$

其中，τ_k是参考节点Mk接收到的信号经量测信号接收模块31的接收天线到参考节点Mk内部的处理芯片这段链路的传播延时，该链路的路径包括射频模块，数模转换器（ADC）等，这段链路的传播延时会受到环境因素，如温度等的影响，但是在短时间内（如数毫秒内）变化可以忽略；r_0k是参考标签N距离参考节点Mk的距离，为已知。

同理，在绝对时间T₁时刻待定位标签L发送定位测量信号，参考节点于t_1k时刻收到该测量信号，则有：

$t_{1k}={\mathrm{\τ}}_k+\frac{r_k}{c}+(T_1-{\mathrm{\Δt}}_{0k})$

则参考节点收到两个定位信号之间的时间差为：

${\mathrm{\Δt}}_k=t_{1k}-t_{0k}=[{\mathrm{\τ}}_k+\frac{r_k}{c}+(T_1-{\mathrm{\Δt}}_{0k})]-[{\mathrm{\τ}}_k+\frac{r_{0k}}{c}+(T_0-{\mathrm{\Δt}}_{0k})]=\frac{r_k}{c}-\frac{r_{0k}}{c}+\mathrm{\ΔT}$

其中，ΔT=T₁-T₀；

对于四个参考节点，则有：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δt}}_1=\frac{r_1}{c}-\frac{r_{01}}{c}+\mathrm{\ΔT}\\ {\mathrm{\Δt}}_2=\frac{r_2}{c}-\frac{r_{02}}{c}+\mathrm{\ΔT}\\ {\mathrm{\Δt}}_3=\frac{r_3}{c}-\frac{r_{03}}{c}+\mathrm{\ΔT}\\ {\mathrm{\Δt}}_4=\frac{r_4}{c}-\frac{r_{04}}{c}+\mathrm{\ΔT}\end{array}\right.$     （公式一）

此时便可以得到伪距，然后进行定位解算。在上述公式一中，Δt₁,Δt₂,Δt₃,Δt₄,r₀₁,r₀₂,r₀₃,r₀₄均为已知；r₁，r₂，r₃，r₄分别表示待定位标签L至四个参考节点M1-M4的距离。因此，通过上述公式一即可解算出待定位标签L的三维位置坐标。

又或者，上述公式一可转换为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δt}}_2-{\mathrm{\Δt}}_1=\frac{1}{c}(r_2-r_1)-\frac{1}{c}(r_{02}-r_{01})\\ {\mathrm{\Δt}}_3-{\mathrm{\Δt}}_2=\frac{1}{c}(r_3-r_2)-\frac{1}{c}(r_{03}-r_{02})\\ {\mathrm{\Δt}}_4-{\mathrm{\Δt}}_3=\frac{1}{c}(r_4-r_3)-\frac{1}{c}(r_{04}-r_{03})\end{array}\right.$     （公式二）

最后得到：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_2-r_1=c({\mathrm{\Δt}}_2-{\mathrm{\Δt}}_1)+(r_{02}-r_{01})\\ r_3-r_2=c({\mathrm{\Δt}}_3-{\mathrm{\Δt}}_2)+(r_{03}-r_{02})\\ r_4-r_3=c({\mathrm{\Δt}}_4-{\mathrm{\Δt}}_3)+(r_{04}-r_{03})\end{array}\right.$     （公式三）

同样，通过四个参考节点M1-M4以及参考标签N的坐标以及上述公式三，即可解算出待定位标签L的三维位置坐标。

所述的异步定位方法及系统通过每一参考节点统计接收到的时间差来相应计算待定位标签的坐标，因此并不需要四个参考节点M1-M4的时间轴同步，无需用有线连接来传递时钟信号，避免了现有TOA和TDOA无线定位系统中参考节点（锚点）一般需要有线连接进行时钟、时间戳发送来时间同步而造成的系统部署过于复杂的问题，同时也避免了参考节点必须使用昂贵的高精度时钟源。此外，不需要对系统中接收机前端器件延时τ_k进行测量以纠正其对定位产生的误差，显著降低由于接收机前端（包括天线、射频传输线、射频模块、模数转换等接收机前端部分）的延时抖动、漂移等造成的误差，从而避免复杂的校正。因此，所述的异步定位方法及系统不仅提高了定位精度还简化了系统结构。

可以理解，当所述待定位标签L主动要求定位时，上述步骤S4可以省略。也就是说，所述控制节点Q无需产生并输出所述第二指令数据包，而由所述待定位标签L主动发送所述定位量测信号至参考节点M1-M4。此外，在这种情况下，可以由待定位标签L发送定位请求信号至控制节点Q，从而请求控制节点Q输出所述第一指令数据包，以启动对待定位标签L的定位。

可以理解，当r₀₁，r₀₂，r₀₃，r₀₄中其中一个等于零时，说明已知位置参考标签N与其中一个对应的参考节点的位置坐标重叠，此时可将已知位置参考标签N与对应的参考节点合二为一，即，采用该参考节点代替参考标签N发送相应的参考测量信号。

可以理解，为了进一步提高定位精度，所述异步定位系统10可以包括多个已知位置参考标签。例如，设异步定位系统10包括n个参考标签。此时，控制节点向每一个参考标签N均发送第一指令封包，而每一参考标签N则返回所述参考量测信号至每一参考节点。计算每一所述参考节点接收到每一所述参考标签返回的参考量测信号与所述定位量测信号的时间差，如此，每一参考节点会输出k个时间差。在位置解算时，先将各个参考标签以及参考节点的位置坐标及对应的时间差带入公式三，解算得到n个对待定标签位置的估计坐标

${\stackrel{\→}{p}}_k=({\hat{x}}_k,{\hat{y}}_k,{\hat{z}}_k),k=\mathrm{1,2},\·\·\·,n.$ 已知位置参考节点坐标分别为 ${\stackrel{\→}{P}}_k=(X_k,Y_k,Z_k),k=\mathrm{1,2},\·\·\·,n,$ 则最终未知位置的待定位标签按照如下式进行加权平均：

$\hat{p}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^n{\stackrel{\→}{p}}_k\left|\right|{\stackrel{\→}{p}}_k-{\stackrel{\→}{P}}_k\left|\right|}{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^n\left|\right|{\stackrel{\→}{p}}_k-{\stackrel{\→}{P}}_k\left|\right|}$

其中，

表示所述待定位标签的位置坐标；

表示

到

的距离，即距离越近，加权越多。

Claims (15)

1.一种异步定位方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

发送一指令数据包至一已知位置的参考标签；

接收四个参考节点输出的时间差信号，其中，每一参考节点输出的时间差信号包括时间差，该时间差为该参考节点接收到一参考量测信号与一定位量测信号的时间差，该参考量测信号由所述参考标签接收到所述第一指令数据包时输出，该定位量测信号由一待定位标签输出；

根据所述参考标签的位置坐标、每一所述参考节点的位置坐标以及每一所述参考节点的所述时间差计算所述待定位标签的位置坐标。

2.如权利要求1所述的异步定位方法，其特征在于，根据所述参考标签的位置坐标、每一所述参考节点的位置坐标以及每一所述参考节点的所述时间差计算所述待定位标签的位置坐标的步骤，具体包括：

采用矩阵：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_2-r_1=c({\mathrm{\Δt}}_2-{\mathrm{\Δt}}_1)+(r_{02}-r_{01})\\ r_3-r_2=c({\mathrm{\Δt}}_3-{\mathrm{\Δt}}_2)+(r_{03}-r_{02})\\ r_4-r_3=c({\mathrm{\Δt}}_4-{\mathrm{\Δt}}_3)+(r_{04}-r_{03})\end{array}\right.$

或者该矩阵的变形计算所述待定位标签至所述四个参考节点的距离；以及

根据计算出的所述待定位标签至所述四个参考节点的距离以及每一所述参考节点的位置坐标计算所述待定位标签的位置坐标；

其中，在所述矩阵中，c表示电磁波在所述参考标签、参考节点以及待定位标签所处介质中的传播速度；r₀₁，r₀₂，r₀₃以及r₀₄分别表示所述参考标签至所述四个参考节点的距离；Δt₁，Δt₂，Δt₃以及Δt₄分别表示所述四个参考节点接收到所述参考量测信号与所述定位量测信号的时间差；r₁，r₂，r₃以及r₄分别表示所述待定位标签至所述四个参考节点的距离。

3.如权利要求1所述的异步定位方法，其特征在于：所述第一指令数据包包括有定位标识信息及控制节点信息；该参考量测信号包括有定位标识信息、参考标签的标识信息及控制节点信息；该定位量测信号包括有定位标识信息、待定位标签的标识信息及控制节点信息；该时间差信号还包括有参考标签的标识信息、定位标识信息及待定位标签的标识信息；其中，接收四个参考节点输出的时间差信号的步骤中，还包括：从时间差信号中所包含的参考标签的标识信息、定位标识信息及待定位标签的标识信息确定计算所需的四个参考节点的时间差。

4.一种控制节点，其特征在于，该控制节点包括：

指令数据产生模块，用于产生一第一指令数据包；

通信模块，用于将所述第一指令数据包输出至一参考标签，并从四个参考节点接收时间差信号，其中，每一参考节点输出的时间差信号包括一时间差，该时间差为该参考节点接收到一参考量测信号与一定位量测信号的时间差，该参考量测信号由所述参考标签接收到所述第一指令数据包时输出，该定位量测信号由一待定位标签输出；以及

定位信息处理模块，用于根据所述参考标签的位置坐标、每一所述参考节点的位置坐标以及每一所述参考节点的所述时间差计算所述待定位标签的位置坐标。

5.如权利要求4所述的控制节点，其特征在于：所述控制节点内存储有一矩阵：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_2-r_1=c({\mathrm{\Δt}}_2-{\mathrm{\Δt}}_1)+(r_{02}-r_{01})\\ r_3-r_2=c({\mathrm{\Δt}}_3-{\mathrm{\Δt}}_2)+(r_{03}-r_{02})\\ r_4-r_3=c({\mathrm{\Δt}}_4-{\mathrm{\Δt}}_3)+(r_{04}-r_{03})\end{array}\right.$

所述控制节点根据所述矩阵计算所述待定位节点的位置坐标；其中，c表示电磁波在所述参考标签、参考节点以及待定位标签所处介质中的传播速度；r₀₁，r₀₂，r₀₃以及r₀₄分别表示所述参考标签至所述四个参考节点的距离；Δt₁，Δt₂，Δt₃以及Δt₄分别表示所述四个参考节点接收到所述参考量测信号与所述定位量测信号的时间差；r₁，r₂，r₃以及r₄分别表示所述待定位标签至所述四个参考节点的距离。

6.如权利要求4所述的控制节点，其特征在于：所述第一指令数据包包括有定位标识信息及控制节点信息；该参考量测信号包括有定位标识信息、参考标签的标识信息及控制节点信息；该定位量测信号包括有定位标识信息、待定位标签的标识信息及控制节点信息；该时间差信号还包括有参考标签的标识信息、定位标识信息及待定位标签的标识信息；所述定位信息处理模块从时间差信号中所包含的参考标签的标识信息、定位标识信息及待定位标签的标识信息确定计算所需的四个参考节点的时间差。

7.如权利要求4所述的控制节点，其特征在于：所述指令数据产生模块还用于产生一第二指令数据包，所述通信模块还用于输出所述第二指令数据包，所述第二指令数据包用于控制所述待定位标签输出所述定位量测信号。

8.一种异步定位方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

发送一指令数据包至N个已知位置的参考标签，其中N为大于一的整数；

接收四个参考节点输出的时间差，其中，每一参考节点输出N个时间差，每一参考节点输出的N个时间差分别为该参考节点接收到N个参考量测信号与一定位量测信号的时间差，该参考量测信号由每一所述参考标签接收到所述第一指令数据包时输出，该定位量测信号由一待定位标签输出；

根据每一所述参考标签的位置坐标、每一所述参考节点的位置坐标以及每一所述参考节点的多个所述时间差计算所述待定位标签的估计坐标；以及

对计算出的多个所述估计坐标进行加权平均，得到所述待定位标签的位置坐标。

9.如权利要求8所述的异步定位方法，其特征在于：根据每一所述参考标签的位置坐标、每一所述参考节点的位置坐标以及每一所述参考节点的多个所述时间差计算所述待定位标签的估计坐标的步骤中采用的计算公式为矩阵：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_2-r_1=c({\mathrm{\Δt}}_2-{\mathrm{\Δt}}_1)+(r_{02}-r_{01})\\ r_3-r_2=c({\mathrm{\Δt}}_3-{\mathrm{\Δt}}_2)+(r_{03}-r_{02})\\ r_4-r_3=c({\mathrm{\Δt}}_4-{\mathrm{\Δt}}_3)+(r_{04}-r_{03})\end{array}\right.$

其中，c表示电磁波在所述参考标签、参考节点以及待定位标签所处介质中的传播速度；r₀₁，r₀₂，r₀₃以及r₀₄分别表示其中一个所述参考标签至所述四个参考节点的距离；Δt₁，Δt₂，Δt₃以及Δt₄分别表示所述四个参考节点接收到所述参考量测信号与所述定位量测信号的时间差；r₁，r₂，r₃以及r₄分别表示所述待定位标签至所述四个参考节点的距离。

10.如权利要求8所述的异步定位方法，其特征在于：对计算出的多个所述估计坐标进行加权平均的步骤中，采用的公式为：

$\hat{p}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^n{\stackrel{\→}{p}}_k\left|\right|{\stackrel{\→}{p}}_k-{\stackrel{\→}{P}}_k\left|\right|}{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^n\left|\right|{\stackrel{\→}{p}}_k-{\stackrel{\→}{P}}_k\left|\right|}$

其中，

表示所述待定位标签的位置坐标；

表示n个参考标签的坐标，

n为整数；

表示对待定位标签的估计坐标， ${\stackrel{\→}{p}}_k=({\hat{x}}_k,{\hat{y}}_k,{\hat{z}}_k),k=\mathrm{1,2},\·\·\·,n;\left|\right|{\stackrel{\→}{p}}_k-{\stackrel{\→}{P}}_K\left|\right|$ 表示

到

的距离。

11.一种异步定位系统，其特征在于，该异步定位系统包括：

控制节点，用于输出一指令数据包；

已知位置的参考标签，用于接收所述指令数据包，并在接收到所述指令数据包后输出一参考量测信号；

未知位置的待定位标签，用于输出一定位量测信号；以及

四个已知位置的参考节点，每一所述参考节点用于接收所述参考量测信号及一所述定位量测信号，记录接收到所述参考量测信号与所述定位量测信号的时间差，并输出所述时间差至所述控制节点；

所述控制节点还用于根据所述参考标签的位置坐标、每一所述参考节点的位置坐标以及每一所述参考节点的所述时间差计算所述待定位标签的位置坐标。

12.如权利要求11所述的异步定位系统，其特征在于：所述控制节点为其中一个参考节点。

13.如权利要求11所述的异步定位系统，其特征在于：所述控制节点内存储有一矩阵：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_2-r_1=c({\mathrm{\Δt}}_2-{\mathrm{\Δt}}_1)+(r_{02}-r_{01})\\ r_3-r_2=c({\mathrm{\Δt}}_3-{\mathrm{\Δt}}_2)+(r_{03}-r_{02})\\ r_4-r_3=c({\mathrm{\Δt}}_4-{\mathrm{\Δt}}_3)+(r_{04}-r_{03})\end{array}\right.$

所述控制节点根据所述矩阵计算所述待定位节点的位置坐标；其中，c表示电磁波在所述参考标签、参考节点以及待定位标签所处介质中的传播速度；r₀₁，r₀₂，r₀₃以及r₀₄分别表示所述参考标签至所述四个参考节点的距离；Δt₁，Δt₂，Δt₃以及Δt₄分别表示所述四个参考节点接收到所述参考量测信号与所述定位量测信号的时间差；r₁，r₂，r₃以及r₄分别表示所述待定位标签至所述四个参考节点的距离。

14.如权利要求11所述的异步定位系统，其特征在于：所述异步定位系统包括多个已知位置的参考标签；每一所述参考标签均接收所述第一指令数据包，并返回所述参考量测信号至每一参考节点；每一所述参考节点记录接收到每一所述参考标签输出的参考量测信号与所述定位量测信号的时间差，并输出记录的多个所述时间差至所述控制节点；所述控制节点根据每一所述参考标签的位置坐标、每一所述参考节点的位置坐标以及每一所述参考节点的多个所述时间差计算所述待定位标签的估计坐标，并对计算出的多个所述估计坐标进行加权平均，从而得到所述待定位标签的位置坐标。

15.如权利要求14所述的异步定位系统，其特征在于：所述控制节点内存储有公式：

$\hat{p}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^n{\stackrel{\→}{p}}_k\left|\right|{\stackrel{\→}{p}}_k-{\stackrel{\→}{P}}_k\left|\right|}{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^n\left|\right|{\stackrel{\→}{p}}_k-{\stackrel{\→}{P}}_k\left|\right|}$

所述控制节点根据所述公式对多个所述估计坐标进行加权平均；其中，

表示所述待定位标签的位置坐标；

表示n个参考标签的坐标，

n为整数；

表示对待定位标签的估计坐标，表示

到

的距离。

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