CN104168642A

CN104168642A - 一种基于无线同步的tdoa一维高精度定位方法及系统

Info

Publication number: CN104168642A
Application number: CN201410448361.2A
Authority: CN
Inventors: 房宏
Original assignee: NANJING WOXU COMMUNICATION TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: NANJING WOXU COMMUNICATION TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2014-09-04
Filing date: 2014-09-04
Publication date: 2014-11-26

Abstract

本发明主要涉及一种基于无线同步的TDOA一维高精度定位方法，包括基站间时间同步的步骤，基站间通过发送时间同步报文及其时间同步处理机制实现相邻基站的时间同步；以及位置计算的步骤，标签定期发送广播报文，通过计算到达相邻的两个基站的时间差计算标签的位置。具有实施难度小，系统容量大，定位精度高，成本低，功耗减小，系统健壮性增强的优点。

Description

一种基于无线同步的TDOA一维高精度定位方法及系统

技术领域

本发明属于无线实时定位技术领域，具体涉及一种通过TDOA的方式实现一维精确定位的方法。

背景技术

实时定位系统，也是就是RTLS(Real Time Location Systems)，RTLS是一种基于信号的无线电定位手段，可以采用主动式，或者被动感应式。RTLS可以让实时了解被定位的财产、人员、车辆或其它定位物体的确切位置。

目前的无线定位系统，主要三种方式：

1、采用的是信号强度(RSSI)的定位

由于射频在空气中传输过程中，随着距离的远近，信号逐步衰减，信号将收到的信号强度进行数字化转换，可以根据信号强度来判断被定位物体和设备的距离。

基于信号强度的方式实现粗略定位，具体的射频(RF)技术，有采用基于WiFi或Zigbee的方式，可以实现粗略定位，知道人们的大体位置，精度能达到10米左右。

2、区域定位

区域定位一般采用RFID的方式，即这个人进入了某个区域，或离开了某个区域，但在这个区域中的具体位置，不清楚。

目前，主流的RFID技术主要有基于13.56MHz和UHF，以及2.4G的其他技术。这里主要是指基于13.56和UHF这两种技术，基于2.4G一般采用信号强度的方式定位。RFID一般为无源标签，工作距离非常有限，即使UHF工作在900MHz，其理想距离也不超过15米，若人体阻隔等，工作距离更短甚至无法工作。

3、基于测距的定位

基于测距的方式，主要是通过无线电波测量从标签到基站的距离，通过时间计算，达到测距的目的。这种测距方式精度比较高，最高可以达到十厘米以内，测距的方法主要是双向测距(TWR)。

目前采用这种测距方式的是基于3～10GHz的UWB技术和2.4GHz的CSS技术。基于这种方式的最大优点在于精度高，但最大的不足在于容量小，实施难度大。

随着客户的要求越来越高，现有的一些方式，已经无法满足客户的需求，这类系统主要有下面的一些缺陷：

1、系统容量问题

在采用信号强度的情况下，系统的容量比较有限，一般只能达到200个用户左右，在采用测距的方式，一般不会超过50个。在煤矿等场景，系统的容量无法满足客户的需求，因为用户可能会在某个时刻集中出现在某些区域，由于容量不够，而导致用户无法被定位。

2、定位精度问题

在采用RFID定位的时候，相当于人进入某个区域的时候，通过刷卡的方式，在这种模式下，无精度结果，只知道用户进入某个区域。WiFi等方案定位的精度只是基于RSSI进行估算，会存在两个方面的问题，RSSI本身精度的问题，在相同的位置，RSSI的变化值最高可以达到10dBm以上；另外一个方面，存在多径问题，多径会导致RSSI更为不稳定。进一步导致误差增加。若希望提供更高精度，则需要在同一个位置，部署更多的网络节点，以改善其定位精度。

3、无法解决真正需求

现在的定位系统，无法解决客户的真正问题。主要有体现在两个方面

A、无法为决策提供依据

当发生事故的时候，由于定位精度偏差比较大，更新的频率不够高，在定位系统中，无法真正了解每个人的最后所处的位置，不能为有效的决策提供可靠的依据。

B、无法为救援提供帮助

现在的系统，无法为救援提供帮助。当发生事故的时候，若人被埋在煤下面，在定位系统无法使用的情况下，无法通过定位标签来确定人员所在位置，以快速救援。

发明内容

针对上述问题，本发明采用了基于无线的时间同步的方式，通过到达时间差(TDoA)来计算每个被定位人或物的具体位置。这种定位系统主要应用在煤矿、隧道等比较特殊的场景，其技术方案如下：

一种基于无线同步的TDOA一维高精度定位方法，包括如下步骤：

步骤一：基站间时间同步的步骤，基站间通过发送时间同步报文及其时间同步处理机制实现相邻基站的时间同步；

步骤二：位置计算的步骤，标签定期发送广播报文，通过计算到达相邻的两个基站的时间差计算标签的位置。

所述步骤一中除末端的基站之外，所有基站都发送时间同步报文。

所述的时间同步处理机制可以为基于本地的处理模式或基于服务器的处理模式。

所述的基于本地的处理模式，用服务器配置基站接收来自哪些其他基站的时间同步报文并建立对应关系。在这种模式中，标签发送广播报文后，与该标签相邻的两个基站中由服务器配置的用于接收其他基站的时间同步报文并建立对应关系的基站将新收到的广播报文的到达时间转换为以该标签的另外一个相邻基站为主基站的到达时间，将处理过的到达时间发送到服务器，由服务器通过到达时间差，计算标签的位置。

所述的基于服务器的处理模式，基站直接将所有的来自任何基站的时间同步报文发送到服务器，让服务器决策哪些基站之间实现时间同步。在这种模式中，标签发送广播报文后，所有收到标签发送的广播报文的基站将该广播报文的到达时间发送到服务器，由服务器根据时间同步报文及广播报文到达时间差计算标签的位置。

本发明还涉及一种基于无线同步的TDOA一维高精度定位系统，包括基站及与其无线连接的服务器和标签，所述的基站分布于巷道中，所述的标签位于相邻两个基站之间。

所述的基站设有本地同步模块及到达时间转换模块，所述的本地同步模块用于依据服务器的指示接收其他基站的时间同步报文并建立对应关系，所述的到达时间转换模块用于将收到的标签发送的广播报文的到达时间转换为以该标签的另外一个相邻基站为主基站的到达时间，将处理过的到达时间发送到服务器，由服务器通过到达时间差，计算标签的位置。

所述的基站还可设有时间同步报文发送模块及广播报文发送模块，所述的时间同步报文发送模块用于发送时间同步报文到服务器，让服务器决策哪些基站之间实现时间同步，所述的广播报文发送模块用于将收到的标签发送的广播报文的到达时间发送到服务器，由服务器根据时间同步报文及广播报文到达时间差计算标签的位置。

本发明不限定无线协议的种类，可以是UWB方式，也可以CSS机制，或其他射频机制。

本发明的有益效果如下：

1、实施难度

系统不需要所有基站都完全时间同步，只需要相邻的基站做时间同步即可。极大减小了系统的实施难度，系统无论是安装还是使用，都极为简单。相较于现有的有线时间同步或全网络无线时间同步，有了质的改进。

2、系统容量

系统容量实现数量级的提升，在现有系统中，任何两个基站之间，可以容纳下2000个标签以1Hz的频率工作，比现有系统的容量提升至少一个数量级。

3、定位精度

该系统采用定位精度可以达到0.5米以内，远高于现有系统，能为决策做出具体的、可靠的数据基础。

4、成本

由于采用一维的方式，基站的部署非常简单，在同一个点不需要同时保证3个基站的覆盖。只需要有两个基站的覆盖即可。简化了安装的难度。

5、功耗

特别是标签的功耗极大降低，在双向测距的模式，标签需要和当前环境中所有基站进行测距，工作时间长，容易发生冲突。而基于TDOA的方式，标签只需要按时工作，发送一个报文之后，随即进入休眠的模式，其工作时间可以控制在2ms以内，极大地降低了标签的功耗。

6、健壮性

其中任何一个基站有问题，只会影响这个基站附近区域标签的定位，但不会对整个系统带来影响，其他地方仍然可以正常工作。所有的时间同步，只需要附近的基站进行两两同步即可。

附图说明

图1为本发明基于无线同步的TDOA一维高精度定位系统简易示意图；

图2为基站间实现时间同步的示意图；

图3为广播报文的发送与接收示意图；

图4为相邻基站间完成时间同步示意图；

其中，1-服务器；2-基站；3-标签；2A-A基站；2B-B基站；2C-C基站。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明：

实施例一

本发明主要由三个部分组成：

计算及呈现服务器1

它根据各个基站1收到的数据，进行数据运算，得出每个被定位物体的位置，并在地图中实时呈现出来，该服务器可以对所有基站1进行管理，位置设定、位置校准、软件升级，对标签进行人或物的一对一绑定。

定位基站2

定位基站2，除操作系统之外，主要有两个部分，一个是RF部分，RF主要实现两个功能，一个是时间同步，实现基站2间时间同步，另外一个方面是实时接收来自标签的数据。另外一个是数据回传功能，能将接收到的所有数据和同步信号传回到服务器2上。让服务器1进行运算。

定位标签3

定位标签3，是绑定每个需要被定位的人或物上，并在系统中进行有效关联，系统实时定位标签3所在的位置，以确定所被定位的人的位置。

在这个系统中，实现步骤主要分为下面几个：

步骤一：系统建设

系统建设，主要是设备的安装和配置等工作，分为下面几个阶段。

阶段一：设备安装，主要是服务器1软件安装和配置，在服务器软件和无线基站2安装成功之后，需要配置每个基站2在实际场景中的具体位置，并设置每个基站2的IP参数，确保每个基站2的数据能正确传输到服务器1上，所有基站2的心跳报文正常；

阶段二：基站2自验证阶段，根据基站2安装的位置，基站2间实现自验证，这个阶段要确认两个问题，一个是基站2间射频信号可见，若射频信号不可见，则需要调整安装位置；另外一个是验证基站2的位置和实际安装的位置是正确的。

阶段三：配置所有标签3，将所有标签3和要定位的人或物一一对应。

步骤二：时间同步

是指系统在安装完成以后，开始正常工作，基站2间自动时间同步，在这个系统中，所有基站2都需要自动实现相邻基站2同步，请参看附图2。

步骤三：位置计算

标签3启动之后，根据系统的需要，设置定位报文的发送频率，基站2收到定位报文后，将定位报文传送到服务器1进行位置计算。请参看附图3。

标签3所发送的报文，是基于广播的方式，在系统建设中，要确保标签3在任何一个位置发送的报文，至少有两个基站2能收到其位置广播报文。基站的距离做合理布置，只要射频可达，这样就能确保标签的射频能同时达到两个基站，让两个基站接收数据。所谓射频可达，就是基站A发，基站B能收到。距离不要太远或有太多阻挡。

关于系统的时间同步：

基站2之间的时间同步，通过无线的方式实现，在这个系统中，基站2发送时间同步的报文，相邻的基站2收到之后，完成时间同步。

1、基站2需要发送时间同步报文

除了末端的基站2之外，原则上所有的基站2都需要发送时间同步报文，保证相邻的基站2时间同步。一个基站2可以和多个相邻的基站2保持时间同步。

在附图4中，基站2A发送时间同步报文，基站2B收到之后，完成时间同步。同时基站2B发送时间同步报文，基站2C和基站2A都可以和它进行时间同步(系统可以决策不让基站2A接收或处理基站2B发送的时间同步报文)。

基站2A发生报文的时间为2ATX；

基站2A和基站2B之间的距离为dAB；

基站2B接收到同步报文的时间为2BRX；

dAB为基站2A和基站2B之间的物理距离；

c为光速，也是电磁波在空中传输的速率；

则2BRX和(2ATX+dAB/c)建立对应关系。

基站2A和基站2B完成时间同步。

2、基站2时间同步处理机制

基站2在收到其他基站2的时间同步报文的时候，有两种模式可以选择：

一种是基于本地的处理，这种模式下，需要用服务器1先配置基站2接收来自哪些其他基站2的时间同步报文；

另外一种处理方式是，基站2不需要处理，直接将所有的来自任何基站2的报文发送到服务器1，让服务器1根据位置进行决策，哪些时间同步。

这两种方式的选择，也直接对应于标签3广播报文的处理模式。

系统的标签广播及位置计算：

主要就三个方面进行说明：

1、标签3广播报文发送

标签3定期发送广播报文，确保同时有两个基站2可以收到广播报文，这样才有可能算出达到时间差。

2、时间和到达时间差

在标签3发送广播报文的时候，基站2回收到广播报文，基站2记录到达时间。根据时间同步处理方式的不同，也对应着两种时间差的计算位置。

若时间同步值是在基站2计算：

基站2将新收到的标签3的广播报文的到达时间转换为以另外一个为主基站的达到时间。而主基站则不需要重新计算时间。将处理过的到达时间发送到服务器1。

若时间同步在在服务器1端：

则所有收到标签3广播报文的基站2，只需要将广播报文的到达时间发送到服务器1即可，服务器1根据时间同步报文自行计算到达时间差。

3、位置

通过到达时间差，计算标签2的位置。由于在这种巷道为背景的情况下，只需要考虑其一维的位置，所以，计算相对非常简单。通过到达时间差乘以光速，则算出标签3和两个基站2的距离差值，根据距离差的正负值，决定是更靠近哪个基站2，来计算标签3的最终位置。

Claims

1.一种基于无线同步的TDOA一维高精度定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于无线同步的TDOA一维高精度定位方法，其特征在于，所述步骤一中除末端的基站之外，所有基站都发送时间同步报文。

3.根据权利要求1所述的一种基于无线同步的TDOA一维高精度定位方法，其特征在于，所述时间同步处理机制为基于本地的处理模式，用服务器配置基站接收来自哪些其他基站的时间同步报文并建立对应关系。

4.根据权利要求1所述的一种基于无线同步的TDOA一维高精度定位方法，其特征在于，所述时间同步处理机制为基于服务器的处理模式，基站直接将所有的来自任何基站的时间同步报文发送到服务器，让服务器决策哪些基站之间实现时间同步。

5.根据权利要求3所述的一种基于无线同步的TDOA一维高精度定位方法，其特征在于，所述步骤二中，标签发送广播报文后，与该标签相邻的两个基站中由服务器配置的用于接收其他基站的时间同步报文并建立对应关系的基站将新收到的广播报文的到达时间转换为以该标签的另外一个相邻基站为主基站的到达时间，将处理过的到达时间发送到服务器，由服务器通过到达时间差，计算标签的位置。

6.根据权利要求4所述的一种基于无线同步的TDOA一维高精度定位方法，其特征在于，所述步骤二中，标签发送广播报文后，所有收到标签发送的广播报文的基站将该广播报文的到达时间发送到服务器，由服务器根据时间同步报文及广播报文到达时间差计算标签的位置。

7.一种基于无线同步的TDOA一维高精度定位系统，其特征在于，包括基站及与其无线连接的服务器和标签，所述的基站分布于巷道中，所述的标签位于相邻两个基站之间。

8.根据权利要求7所述的一种基于无线同步的TDOA一维高精度定位系统，其特征在于，所述的基站设有本地同步模块及到达时间转换模块，所述的本地同步模块用于依据服务器的指示接收其他基站的时间同步报文并建立对应关系，所述的到达时间转换模块用于将收到的标签发送的广播报文的到达时间转换为以该标签的另外一个相邻基站为主基站的到达时间，将处理过的到达时间发送到服务器，由服务器通过到达时间差，计算标签的位置。

9.根据权利要求7所述的一种基于无线同步的TDOA一维高精度定位系统，其特征在于，所述的基站设有时间同步报文发送模块及广播报文发送模块，所述的时间同步报文发送模块用于发送时间同步报文到服务器，让服务器决策哪些基站之间实现时间同步，所述的广播报文发送模块用于将收到的广播报文的到达时间发送到服务器，由服务器根据时间同步报文及广播报文到达时间差计算标签的位置。