CN104267377A

CN104267377A - 一种标签主动向锚节点发出信号实现定位的方法

Info

Publication number: CN104267377A
Application number: CN201410278086.4A
Authority: CN
Inventors: 林伟
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-06-20
Filing date: 2014-06-20
Publication date: 2015-01-07

Abstract

本发明公开一种标签主动向锚节点发出信号实现定位的方法，涉及电子信息技术领域，解决了现有标签主动向锚节点发出信号实现定位方法中，通常需要锚节点之间或标签与锚节点之间的时间同步，从而导致系统复杂，建设与维护成本升高的问题。该方法如下：各锚节点按照特定顺序发出定位广播包，标签需要定位时发出定位广播包；各锚节点接收上述定位广播包，计算出相对于本地时钟的准确到达时间，上传到集中解算单元进行处理，获得以标签坐标为变量的方程组，求解后得到标签坐标。本发明所述方法用于标签主动向锚节点发出信号实现定位时，不需要在锚节点之间或标签与锚节点之间实现时间同步，从而降低了系统复杂度，并降低了系统建设与维护成本。

Description

一种标签主动向锚节点发出信号实现定位的方法

技术领域

本发明涉及电子信息技术领域，尤其涉及利用通信技术与信息技术实现一种标签主动向锚节点发出信号实现定位的方法。

背景技术

现有的标签主动向锚节点发出信号实现定位方法，通常包括接收信号强度方法(received signal strength,简称RSS)、信号到达时间方法(time of arrival,简称TOA)、信号到达时间差方法(time difference of arrival,简称TDOA)等。其中, RSS方法受到信号反射、散射、绕射等多径衰减与遮挡影响非常严重，实际上存在较大误差。TOA和TDOA方法具有较高的定位精度。这两种方案用于标签主动向锚节点发出信号实现定位时, 需要测量标签所发出的信号到达各个锚节点的绝对时间或时间差，以计算出标签的坐标。TOA方案通常需要锚节点与标签间的时间同步，TDOA方案通常需要锚节点之间的时间同步，从而导致系统复杂，建设与维护成本升高。

发明内容

基于现有标签主动向锚节点发出信号实现定位方法中，通常需要锚节点之间或标签与锚节点之间的时间同步，从而导致系统复杂成本过高的问题，本发明的目的是提供一种利用通信技术与信息技术实现标签主动向锚节点发出信号实现定位的方法。

假设区域内有N个锚节点，以A1，…AN来代表。每个锚节点具备绝对或相对坐标。区域内有多个标签，使用M0代表其中的一个。每个锚节点和标签具备唯一的标识。锚节点和标签可以发出与定位相关的数据包，称为定位广播包。该定位广播包有如下3个特征：1）可以被一定范围内的锚节点所接收；2）包含发送设备（锚节点与标签）的标识；3）采用接收设备（锚节点）易于计算到达时间的信号调制方式如CSS（线性调频扩频）调制或者采用UWB（超宽带）信号。

使用Taiaj表示Ai接收到Aj所发出的定位请求广播包的相对于Ai本地时钟的准确到达时间，并以此类推。使用Taim0 表示Ai接收到M0所发出的定位广播包的相对时间，并以此类推。使用Xai表示Ai发出定位广播包的绝对时间,并以此类推。使用Xm0表示M0发出定位广播包的绝对时间。使用Faiaj表示Aj所发出的定位广播包数据包到达Ai所需要的时间。对于无线通信设备来说，该值表示定位广播包的无线信号从Aj天线相位中心到达Ai天线相位中心所需要的时间，该值可以认为是Aj与Ai之间的距离除以信号传播速度，有Faiaj = Fajai,并以此类推。用Faim0表示M0所发出的定位请求广播包数据包到达Ai所需要的时间,并以此类推。使用Rai表示Ai接收器件延迟。对于无线载波通信设备来说，该值表示定位请求广播包无线信号从Ai天线相位中心经过射频接收电路与模数转换器件，转换为数字信号的延迟。在本方案所涉及到的时间范围内，可以认为Ai所接收到的每个定位请求广播包，该值均一致。而不同的锚节点，该值会有不同。Taiaj – Taiam表示Aj和Am所发出定位广播包到达Ai的时间差，该时间差基于Ai的时钟计算。考虑到当前硬件技术水准，在本技术方案所涉及到的时间范围内，锚节点时钟的频差与抖动可以归于噪声范畴而不影响数据分析。与此类似，Taim0 – Taiaj表示M0和Aj所发出定位广播包到达Ai的时间差。

以下所称“设备”表示锚节点或标签。

本发明的技术方案具体是这样实现的，包括如下步骤。

1.各个锚节点由时间或事件触发，发出定位广播包；同时接收其他锚节点所发出的定位广播包，得到发送锚节点标识，计算该定位广播包相对于本地时钟的准确到达时间，并记录。

根据不同应用需求，可以由时间或事件触发各个锚节点发出定位广播包。例如，每个锚节点可以每隔一定时间间隔，发出定位广播包。也可以通过管理服务器，通知区域内的锚节点发出定位广播包。时间间隔根据应用需求可以从数秒到数十秒，一般说来，过大的时间间隔，会导致锚节点时钟频差及抖动累计，从而影响定位精确度。

在多设备共享通信信道情况下，应该采取信道共享机制，以保障每个锚节点和标签都得到发送机会。

不要求各锚节点按照特定顺序发送上述定位广播包。

2.各个标签要求定位时，发出定位广播包。锚节点接收标签所发出的定位请求广播包，得到发送标签标识，计算该定位广播包相对于本地时钟的准确到达时间，并记录。

3.锚节点将上述发送标签标识和相对于本地时钟的准确到达时间，以及步骤1所记录的其他锚节点所发出的定位广播包的相对到达时间和发送锚节点标识一同上传到指定的集中解算单元。

该集中结算单元可以是独立的服务器，也可以集成在锚节点或标签中。

根据不同应用需求，锚节点可以采用不同的上传机制，可以是累积一段时间后，也可以是累计接收到一定数量的来自锚节点或标签的定位广播包后，将所接收到的多个来自锚节点和标签的定位广播包的发送设备标识和相对于本地时钟的准确到达时间，上传到集中解算单元。也可以是每次接收到来自锚节点或标签的定位广播包后，将定位广播包的发送设备标识和相对于本地时钟的准确到达时间，上传到集中解算单元。

4.集中解算单元对于接收到的数据，按照如下方式处理。

以Ai,Aj,Ak三个锚节点和M0一个标签为例，有如下等式：

Taim0 – Taiaj = Xm0 + Fm0ai + Rai – Xaj – Fajai – Rai，等式1。

即Ai接收到M0发出数据包相对时间和Ai接收到Aj发出数据包相对时间之差 = M0在Xm0时刻发出的数据包到达Ai的绝对时间 – Aj在Xaj时刻发出的数据包到达Ai的绝对时间。注意到，Ai的接收器件延迟Rai被相互抵消掉。

Tajm0 – Tajak = Xm0 + Fm0aj + Raj – Xak – Fajak –Raj，等式2。

Taiaj – Taiak = Xaj + Fajai + Rai – Xak – Fajai – Rai，等式3。

由等式1 – 等式2，可得：

(Taim0 – Taiaj) – (Tajm0 – Tajak) = (Fm0ai – Fm0aj) – (Fajai – Fajak) – (Xaj – Xak)，等式4。

由等式3可得:

Xaj – Xak = Taiaj – Taiak – (Fajai – Fakai),等式5。

将等式5代入等式4，可得：

(Taim0 – Taiaj) – (Tajm0 – Tajak) = (Fm0ai – Fm0aj) – (Fajai – Fajak) –Taiaj + Taiak + Fajai – Fakai = (Fm0ai – Fm0aj) – (Taiaj – Taiak) – (Fakai – Fajak),等式6。

等式6整理后得到：

Fm0ai – Fm0aj = (Taim0 – Taiaj) – (Tajm0 – Tajak) + (Taiaj – Taiak) – (Fakai – Fajak)，等式7。

等式7整理后得到：

Fm0ai – Fm0aj = (Taim0 – Taiak) - (Tajm0 – Tajak) - (Faiak – Fajak)，等式8。

上述等式左侧是标签所发出的定位广播包到达两个锚节点的时间差，右侧是实测值和已知值；假设区域内有N个锚节点，对于每个标签有N*(N-1)/2个上述形式的方程，组成方程组；集中解算单元求解上述方程组，计算出标签的坐标值。

本发明所述方法用于实现标签主动向锚节点发出信号实现定位时，不需要在锚节点之间或锚节点与标签之间实现时间同步，从而降低了系统复杂度并降低了系统建设与维护成本。在智慧城市与物联网快速发展背景下，具备广阔的应用前景。

具体实施方式

本发明所述的方法的核心思想是按照发明内容中所述4个步骤，在集中解算单元生成以标签坐标值为变量的方程组，并进一步求出标签的坐标。

在下面的说明中，公知的方法将不再详细说明，以避免与本方法的内容存在不必要的混淆。

步骤1和步骤2：

锚节点所发出的定位广播包，采用2.4G ISM公用频段无线信号CSS（线性调频扩频）调制方式。定位广播包中码元的基带信号解析式归一化后为：s(t) = exp(j*2*pi*（f0*t+u*t*t/2)。0=<t<=T。其中，T为每个码元的时间宽度，u为调频斜率，f0为起始频率，pi代表圆周率，t表示离散的基带发送采样时刻,第一个采样时刻记为0。

每个锚节点每隔一定时间间隔，如30秒钟发出定位广播包。每个标签根据对定位的实时性要求，可以每隔1秒钟发出定位广播包。

各个锚节点与标签采用CSMA/CD（载波侦听多路访问/碰撞检测）方式，共享无线信道。

步骤1和步骤2：

接收设备可以借鉴LFMCW（线性调频连续波）雷达技术，计算出所接收到的定位广播包中第一个码元相对于本地时钟的准确到达时间。

具体计算方法如下：

1）生成本地码元基带参考信号：r(t) =exp(j*2*pi*（f0*t+u*t*t/2), 0=<t<=T。其中，T为每个码元的时间宽度，u为调频斜率，f0为起始频率，pi代表圆周率，t表示离散的基带接收采样时刻,第一个采样时刻记为0。

2）将所生成的本地码元基带参考信号与所接收到的第一个码元基带信号混频。

不考虑接发送设备与接收设备存在相对运动的情况或者发送设备与接设备时钟频率不一致的情况，接收设备所接收到的定位广播包中第一个码元基带信号可以表示为：s(t) =a* exp(j*2*pi*（f0*(t+dt)+u*(t+dt)*(t+dt)/2), 0=<t<=T。其中，a为接收信号幅值，T为每个码元的时间宽度，u为调频斜率，f0为起始频率，pi代表圆周率，t表示离散的基带接收采样时刻，第一个采样时刻记为0。dt表示接收设备所接收到的第一个码元基带信号相对于接收设备起始采样时刻的时间偏移。混频信号的低频成分df 近似等于u*dt。

3）先对混频信号做FFT（快速傅里叶）运算。考虑到信号多径问题，即定位广播包信号会沿多条路径到达，从而在混频信号低频成分中形成多个谱峰，其中频率值最大的谱峰代表了最先到达信号与本地码元基带参考信号的频差。找出上述峰值点K后,还需要计算K-1和K+1两点处的频率值。在这两个频率值区间对上述混频信号做CZT变换（Chirp-z变换），就可以计算出最先到达信号与本地码元基带参考信号的频差精确值df。根据公式dt = df/u，计算出dt，即接收到的第一个码元基带信号相对于接收设备起始采样时刻的时间偏移。

4）接收设备采样时刻以本地时钟作为参考，假设所接收到的信号起始采样时刻为接收设备启动后的第P个时钟周期，可以计算出定位广播包中第一个码元基带信号相对于接收设备本地时钟的准确到达时间 = P/接收设备时钟频率 – dt，以此作为定位广播包相对于接收设备本地时钟的准确到达时间；

在发送与接收设备存在相对运动的情况，或者发送设备与接设备时钟频率不一致的情况下，依然可以采用上述方法得到定位广播包中第一个码元基带信号相对于接收设备本地时钟的准确到达时间，这样计算出的到达时间与真实值存在偏差，考虑到现有时钟精确度及大多数定位应用场景下，该偏差可以视作噪声干扰，可以在后续的处理过程中采用抗噪声方法计算标签相对坐标。

集中解算单元生成Fm0ai – Fm0aj = (Taim0 – Taiak) - (Tajm0 – Tajak) - (Faiak – Fajak)（各变量含义已在发明内容中详述）形式的方程组后，可以采用如采用经典的TDOA算法, 该算法具备一定的抗噪声能力，计算出标签的坐标值。

当然，本发明不局限于上述具体实施方式，实施本发明时，步骤1和步骤2中，设备可以采用其他信号来传播定位广播包，如声波，超声波或超宽带无线信号等；步骤1和步骤2中，设备可以采用其他方法求解信号准确到达时间，如超分辨率算法等；步骤4中，集中解算单元可以采取不同的方法，来求解所获得的方程组。但只要其采用发明内容中所述4个步骤，在集中解算单元生成以标签坐标值为变量的方程组，并进一步求出标签的坐标，则均落入本发明保护范围。

Claims

1.一种标签主动向锚节点发出信号实现定位的方法，该方法通过在区域内部署多个已知坐标的锚节点，标签主动向锚节点发出定位广播包，根据上述信号到达各个锚节点的时间差来计算标签的坐标，其特征是包括如下步骤：

1）各个锚节点由时间或事件触发，发出定位广播包；同时接收其他锚节点所发出的定位广播包，得到发送锚节点标识，计算该定位广播包相对于本地时钟的准确到达时间，并记录；

2）各个标签要求定位时，发出定位广播包；锚节点接收标签所发送的定位请求广播包，得到发送标签标识，计算该定位广播包相对于本地时钟的准确到达时间，并记录；

3）锚节点将上述发送标签标识和相对于本地时钟的准确到达时间，以及步骤1）中所记录的其他锚节点所发出的定位广播包相对于本地时钟的准确到达时间和发送锚节点标识一同上传到指定的集中解算单元；

4）集中解算单元对于接收到的上述数据进行处理，获得以标签坐标为变量的方程组，求解上述方程组，得到标签的坐标。

2.根据权利要求1所述的一种标签主动向锚节点发出信号实现定位的方法，其特征在于，各个锚节点之间以及各个锚节点与标签之间不需要时钟同步。

3.根据权利要求1所述的一种标签主动向锚节点发出信号实现定位的方法，其特征在于，步骤1）所述的各个锚节点发出定位广播包，不要求各个锚节点按照特定顺序发送定位广播包。

4.根据权利要求1所述的一种标签主动向锚节点发出信号实现定位的方法，其特征在于，步骤1）步骤2）所述定位广播包具备如下三个特征：1）可以被一定范围内的其它设备（锚节点）所接收；2）包含发送设备（锚节点和标签）标识；3）采用接收设备（锚节点）易于计算到达时间的信号调制方式如CSS（线性调频扩频）调制或者采用UWB（超宽带）信号。

5.根据权利要求1所述的一种标签主动向锚节点发出信号实现定位的方法，其特征在于，步骤4）所述的集中解算单元对于接收到的上述数据进行处理，获得以标签坐标为变量的方程组，组成方程组的各方程形式如下：

Fm0ai – Fm0aj = (Taim0 – Taiak) - (Tajm0 – Tajak) - (Faiak – Fajak)，

其中，Fm0ai表示标签所发出的定位广播包到达第i个锚节点所需要的时间，Fm0aj表示标签所发出的定位广播包到达第j个锚节点所需要的时间，Taim0表示第i个锚节点接收到标签所发出的定位广播包的相对第i个锚节点时钟的准确到达时间，Taiak表示第i个锚节点接收到第k个锚节点所发出的定位广播包的相对第i个设备时钟的准确到达时间，Tajm0表示第j个锚节点接收到标签所发出的定位广播包的相对第j锚节点时钟的准确到达时间，Tajak表示第j个锚节点接收到第k个锚节点所发出的定位广播包的相对第j个设备时钟的准确到达时间，Faiak 表示第k个锚节点所发出的定位广播包到达第i个锚节点所需要的时间，Fajak 表示第k个锚节点所发出的定位广播包到达第i个锚节点所需要的时间；

上述方程左侧是标签坐标的函数，右侧是实测值和已知值；区域内有N个锚节点的情况下，对于每个标签有N*(N-1)/2个上述形式的方程，组成方程组。