CN104378823A - 一种单边同步双向测距方法 - Google Patents

Abstract

一种单边同步双向测距方法，该方法包括以下步骤：移动单位发送定位请求并记录发送时间，基站处理完毕后返回响应并延时，移动单位接收到响应后亦开始计时，当基站上延时时间长度等于处理时间时，再次发送同步响应，由移动单位接收同步响应后，根据移动单位的计时时间长度和移动单位发送的数据包第一次往返的时间计算得到信号传播时间，再根据电磁波速度与信号传播时间的乘积完成测距。本发明所述单边同步双向测距方法不仅可减轻网络负担，而且还可避免基站晶振偏差对测距结果影响。

Description

一种单边同步双向测距方法

技术领域

本发明涉及无线测距技术领域，具体涉及一种双向测距方法。

背景技术

在车联网主动安全应用中，需要知道网络中各车辆的绝对位置和各车辆间的相对位置。但是由于城市环境中，路况复杂，而且立交桥，地下通道以及车辆移动对定位都会产生很大影响。因此产生了基于地面基站的定位方法，这种方法通过测量移动单位发射信号到达多个基站的传播时间即可确定移动单位的位置。但是这种定位方法存在测量误差问题：首先，由于基站数量庞大，各基站间的时间同步非常困难，特别是部分基站设置于隧道或地下，无法通过GPS实现同步；其次，由于基站和车辆信号发射装置的晶振都存在时钟漂移，无法避免，因此计算信号到达时间也会因此产生误差。

现有技术中，通过一些技术改进可以克服时间同步和晶振时钟漂移带来的误差问题。常用的有双向测距法——TWR和对称双向双边测距法——SDS-TWR。其中，参见图1，双向测距法的主要步骤如下：

1.1)移动单位首先向基站发送“定位请求”数据包，并标记发送时间；

1.2)基站接收到“定位请求”数据包后即处理数据，在处理完毕后返回带有基站数据处理时间长度的“定位确认”数据包；

1.3)移动单位接收到“定位确认”数据包后，根据发送时间计算信号往返时间，并通过下式A)计算得到信号传播时间t_p：

$t_p=\frac{1}{2}(t_{\mathrm{roundA}}-t_{\mathrm{replyB}})---A)$

式A)中，t_roundA和t_replyB分别为数据往返时间和处理时间。

由于数据往返一次，移动单位和基站之间的时间同步问题得以避免，但是，由于数据往返时间t_roundA是由移动单位计算得到的，而处理时间t_replyB是由基站计算得到的，两者由于晶振精度不同，会产生计算误差，真实信号传播时间t_p与计算信号传播时间t’_p的误差ΔT_twr可由下式B)表示：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{twr}}=t_p^{\′}-t_p=\frac{1}{2}(t_{\mathrm{roundA}}(1+e_A)-t_{\mathrm{replyB}}(1+e_B))-\frac{1}{2}(t_{\mathrm{roundA}}-t_{\mathrm{replyB}})\\ =\frac{1}{2}(t_{\mathrm{replyB}}(e_A-e_B)+{2t}_p*e_A)\end{array}---B)$

式B)中，e_A和e_B分别为移动单位的晶振偏差和基站的晶振偏差。

对称双向双边测距法是基于双向测距法的改进，参见图2，其主要步骤如下：

2.1)移移动单位首先向基站发送“定位请求”数据包，并标记发送时间；

2.2)基站接收到“定位请求”数据包后即处理数据，处理完毕后返回带有基站数据处理时间长度的“定位确认”数据包，同时，开启基站同步计时；

2.3)移动单位接收到“定位确认”数据包后，根据发送时间计算往返时间，并延时一段时间后，再次向基站发送“定位同步”数据；

2.4)基站接收到“定位同步”数据后，停止基站同步计时，并计算同步计时时间。同时返回同步计时时间长度及相关数据至移动单位，由移动单位按下式C)计算得到信号传播时间t_p：

$t_p=\frac{1}{4}((t_{\mathrm{roundA}}-t_{\mathrm{replyA}})+(t_{\mathrm{roundB}}-t_{\mathrm{replyB}}))---C)$

式C)中，t_roundA、t_roundB、t_replyA和t_replyB分别为定位请求数据往返时间、同步计时时间、移动单位上的延时时间长度和基站上的数据处理时间。由于晶振偏差，采用对称双向双边测距法计算时，真实信号传播时间t_p与计算信号传播时间t’_p的误差ΔT_sds-twr可由下式D)表示：

${\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{sds}-\mathrm{twr}}=t_p^{\′}-t_p=\frac{1}{2}{t}_p(e_A+e_B)+\frac{1}{4}(t_{\mathrm{replyB}}-t_{\mathrm{replyA}})(e_A-e_B)---D)$

式D)中，e_A和e_B分别为移动单位的晶振偏差和基站的晶振偏差。

对比式B)和式D)可知，通过数据通信4次，误差ΔT_sds-twr要比双向测距法的误差ΔT_twr小的多，提高了测距精度。但是，由于一次定位计算需要数据通信4次，无疑增加了网络负担，提高对定位系统容量的要求；其次，测距误差同时受移动单位和基站两者的晶振偏差影响，不利于进一步消除误差。

发明内容

鉴于现有技术之不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种单边同步双向测距方法，该方法既可减少基站与移动单位之间的通信次数，减轻网络负担，同时，还可避免基站晶振偏差对测距结果影响。

本发明解决上述问题的技术方案如下：

一种单边同步双向测距方法，该方法包括以下步骤：

1)移动单位首先向基站发送“定位请求”数据包，并记录发送时间；

2)基站接收到“定位请求”数据包后即处理数据，记录时长t_replyB，处理完毕后，便向移动单位回馈“定位确认”数据包，并延时；

3)移动单位接收到“定位确认”数据包后便记录从发送“定位请求”至接收到“定位确认”的时长t_roundA，并等待、记时；

4)当基站在延时时长t_delayB等于处理时长t_replyB时，停止延时并向移动单位发送“时间同步”数据包；

5)移动单位接收到“时间同步”数据包时则停止等待计时，得到等待时长t_waitA；然后，

6)移动单位先采用下式(I)计算电磁波在基站与移动单位之间一个单程的传播时间t_p，再采用下式(Ⅱ)计算基站与移动单位之间的距离L：

$t_p=\frac{1}{2}(t_{\mathrm{roundA}}-t_{\mathrm{waitA}})---\left(I\right)$

L＝c×t_p      (Ⅱ)

式(I)中，t_roundA为移动单位从发送“定位请求”数据包至接收到基站回馈的“定位确认”数据包的时长，t_waitA为步骤5)所得到的移动单位的等待计时长度；上式(Ⅱ)中，c为电磁波在空气中的传播速度。

相较于现有技术，本发明的优点效果在于：

1、由本发明所述方案的通信过程可见，整个测距过程仅需“定位请求”、“定位确认”和“时间同步”3次通信，因此相较于现有对称双向双边测距法——SDS-TWR网络负担减少了20％以上，降低了对定位系统容量的要求。

2、由于本发明的上述技术方案使移动单位接收到“定位确认”数据包后的等待时长t_waitA＝t_delayB＝t_replyB，因此可巧妙地将基站上的晶振偏差转化为移动单位自身的晶振偏差，从而使真实信号传播时间t_p与计算信号传播时间t’_p的误差ΔT仅为真实信号传播时长t_p乘以移动单位自身的晶振偏差e_A。由此可见，采用本发明提供的方法进行测距定位，测距误差仅受移动单位的晶振偏差影响，用户如需进一步降低误差，只需减少移动单位上的晶振偏差即可。

3、在数据通信过程中无需将时间信息加入到数据包中，免去了数据解析的过程，提高了计算效率。

附图说明

图1为现有技术中双向测距法的测距通信过程示意图。

图2为现有技术中双向双边测距法的测距通信过程示意图。

图3为本发明所提供的一种单边同步双向测距方法的测距通信过程示意图。

图4为采用现有双向双边测距法与本发明所提供的单边同步双向测距方法进行车辆定位的定位精度均方根误差的对比曲线图。

具体实施方式

例1

本例以由基站与移动单位车辆组成的系统为例详细描述单边同步双向测距方法。本例中，基站与移动单位车辆之间的实际距离为750m，基站为车联网路侧定位基站RSPU-B001，车辆上所安装的车联网车载定位仪VOP-A010的晶振偏差是10ppm。

参见附图3，检测基站与车辆距离的步骤如下：

(1)定位仪在某时刻向基站发送“定位请求”数据包，并记录发送时间；

(2)基站接收到“定位请求”数据包后，即对所收到的数据进行处理，记录时长，处理完毕后，便向定位仪回馈“定位确认”数据包，并开始延时；

(3)定位仪历时50.0005μs接收到“定位确认”数据包后便记录所历时先并等待、计时；

(4)当基站的延时时长等于处理时间长度时，停止延时并向定位仪发送“时间同步”数据包；

(5)定位仪等待45.00045μs接收到“时间同步”数据包则停止等待计时；然后，先采用公式计算电磁波在基站与移动单位之间一个单程的传播时间t_p为再采用公式L＝c×t_p计算基站与移动单位之间的距离L为 $3\×{10}^8\×\frac{1}{2}(50.0005-45.00045)=750.0075m.$

例2(通信次数的对比实验)

1、实验设备和条件

本例的硬件系统也由基站与移动单位车辆组成，其中，基站与移动单位车辆之间的实际距离为500m，车辆上所安装的车联网车载定位仪VOP-A020的晶振偏差是20ppm。

实验环境为直径是2千米开阔地带，天气为多云，温度为30°；采用一个车联网路侧定位基站RSPU-B001基站与一部安装有车联网车载定位仪VOP-A020定位仪车辆进行通信实验，数据包大小设定为200字节。

2、实验方法

1)50次测距实验：采用本发明所述方法从网络连接开始，到测距实验结束，共发送62个数据包，接收112个数据包，数据包总是为175个。采用现有对称双向双边测距方法发送了110个数据包，接收112个数据包，数据包总数为222个。本发明所述方法的通信次数比现有方法减少了21.17％。

2)100次测距实验：采用本发明所述方法从网络连接开始，到测距实验结束，共发送118个数据包，接收214个数据包，数据包总是为332个。采用现有对称双向双边测距方法发送了216个数据包，接收218个数据包，数据包总数为434个。本发明所述方法的通信次数比现有方法减少了23.5％。

3)1000次测距实验：采用本发明所述方法从网络连接开始，到测距实验结束，共发送1022个数据包，接收2028个数据包，数据包总是为3050个。采用现有对称双向双边测距方法发送了2026个数据包，接收2024个数据包，数据包总数为4050个。本发明所述方法的通信次数比现有方法的减少了24.69％。

是上述实验结果显示，在数据包大小相等的情况下，本发明所述方法比现有技术能减少20％以上的通信次数，将大大减少网络的负担。

例3(晶振偏差对测距误差影响的对比实验)

为比较本发明和现有技术所述的对称双向双边测距法在实际车辆定位应用中的性能，本例分别采用本发明所述方法和对称双向双边测距法使用四台基站对车辆进行100次定位实验，来验证基站的晶振偏差对本发明所述方法无影响，而对现有方法有较大影响。实验车辆上安装有车联网车载定位仪VOP-A020，四个基站是车联网路侧定位基站RSPU-B001。车辆的坐标、四台基站的晶振规格和坐标如下表所示：

根据上标坐标数据和两点距离公式可知，车辆到四台基站的距离均为212.132m。100次测距定位实验结果如下：

在采用第一组数据的情况下重复100次测距实验，采用现有技术所述的对称双向双边测距法测距误差的绝对值为6m,5.5m,5.3m,和6m，平均误差为1.5870m。但是在使用第二组数据的情况下实验，采用现有技术所述的对称双向双边测距法测量到四台基站的最大距离误差有6m、7m、6m和7m，平均误差为2.5036m；可以看出现有技术所述的方法受基站的晶振漂移影响较大。

在采用第一组数据的的情况下，采用本发明所提供的方法测量到四台基站的最大距离误差为6m,5.4m,5.2m,和5.9m，平均误差为1.4970m；在采用第二组数据的情况下，采用本发明所提供的方法测量到四台基站的最大距离误差为4.5m、6m、4.5m和5m，平均误差为1.4109m。

从以上对比可以看出，本发明所提供的方法不受基站晶振时钟漂移的影响，而现有技术所述的对称双向双边测距法受基站的时钟漂移影响较大。

为更加客观的评价本发明所提供的方法和现有技术所述的对称双向双边测距法的优劣，依次计算两种方法从100次定位实验的均方根误差，并绘制曲线。均方根误差计算如下式III)所示：

${\mathrm{\σ}}_n=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(x_i-x_0)}^2+{(y_i-y_0)}^2}{n}}---\mathrm{III})$

式III)中，σ_n为第n次定位后的均方根误差值，本例中n＝100；x_i和y_i分别为第i次定位计算得到的坐标值；x₀和y₀为实际坐标值。

100次测距定位实验结果的均方根误差曲线如图4所示。由图4可见，本发明提供的方法在两种不同晶振时钟漂移的情况下表现稳定，而现有技术所述的对称双向双边测距法在两种情况下的定位误差相差较大。

Claims (1)

1.一种单边同步双向测距方法，该方法包括以下步骤：

1)移动单位首先向基站发送“定位请求”数据包，并记录发送时间；

2)基站接收到“定位请求”数据包后即处理数据，记录时长t_replyB，处理完毕后，便向移动单位回馈“定位确认”数据包，并延时；

3)移动单位接收到“定位确认”数据包后便记录从发送“定位请求”至接收到“定位确认”的时长t_roundA，并等待、记时；

4)当基站在延时时长t_delayB等于处理时长t_replyB时，停止延时并向移动单位发送“时间同步”数据包；

5)移动单位接收到“时间同步”数据包时则停止等待计时，得到等待时长t_waitA；然后，

6)移动单位先采用下式(I)计算电磁波在基站与移动单位之间一个单程的传播时间t_p，再采用下式(Ⅱ)计算基站与移动单位之间的距离L：

$t_p=\frac{1}{2}(t_{\mathrm{roundA}}-t_{\mathrm{waitA}})---\left(I\right)$

L＝c×t_p       (Ⅱ)

式(I)中，t_roundA为移动单位从发送“定位请求”数据包至接收到基站回馈的“定位确认”数据包的时长，t_waitA为步骤5)所得到的移动单位的等待计时长度；上式(Ⅱ)中，c为电磁波在空气中的传播速度。