CN105954736B - 采用单个基站实现标签定位的方法、装置和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用单个基站实现标签定位的方法、装置和系统，属于通信领域，所述方法包括步骤1：获取待定位标签发送的连续的两次信号，所述标签按照预先设置的固定时间间隔持续发送信号；步骤2：计算出接收到两次信号的时间差，当所述时间差为所述固定时间间隔时，说明所述标签保持静止，否则，计算出所述时间差与所述固定时间间隔的差值并乘以光速，即得所述标签的移动距离。与现有技术相比，在一维空间中，本发明具有耗费时间短、功耗低、Tag容量数大、设计简便和成本低的优点。

Description

采用单个基站实现标签定位的方法、装置和系统

技术领域

本发明涉及通信领域，特别是指一种采用单个基站实现标签定位的方法、装置和系统。

背景技术

随着科技的进步，定位技术在军事、电子和测量等领域均得到了广泛的应用。目前，可以实现定位的方法有很多种，例如基于GPS的定位方法、基于信号强度的定位方法、基于信号接收角度的定位方法或基于信号飞行时间的定位方法等。其中，对于基于信号飞行时间的定位方法，由于其具有原理简单、容易实现和定位准确的特点，使用更为广泛。

现有技术中，基于信号飞行时间的定位方法主要包括两种，一种是基于信号飞行时间的定位方法，简称为TOF；另一种是基于信号飞行时间差的定位方法，简称为TDOA。其中：

对于TOF的定位方法：

TOF(Time Of Flight)，也被称为TOA(Time Of Arrival)，是一种基于信号时间来进行测距以及定位的方法。

如图1所示，其中，T为标签(Tag)，A为基站(Anchor)，t为信号传播时间。Anchor和Tag在互相通信过程中，Anchor可以计算出信号飞行的时间t，然后通过公式S(距离)＝v(光速)×t(飞行时间)可以计算出Tag和Anchor之间的距离，该测距方法可以应用在隧道定位，轨道定位等领域。

TOF定位方法的缺点：

在计算飞行时间t的过程中，Anchor和Tag之间要进行多次通信，耗费大量的时间，这样就导致功耗的增加，以及系统Tag容量数的减小。

对于TDOA的定位方法：

TDOA(Time Difference of Arrival)为到达时间差，是一种基于飞行时间差的定位方法。

如图2所示，其中，A1、A2、A3均为基站(Anchor)，△t1为Tag发射的信号到达A1和A2的时间差，△t2为Tag发射的信号到达A2和A3的时间差。Tag发射的信号到达A1和A2的时间差可以画出一条双曲线，同理，Tag发射的信号到达A2和A3的时间差也可以画出一条双曲线，这两条双曲线的交点就是Tag的位置。

采用TDOA方式定位，Tag只需发射一次信号，收到Tag信号的Anchor就可以计算出相应的时间差，无需多次互相通信，节省了大量的通信时间。相比较TOF，节省了功耗，增大了系统的Tag容量数。

TDOA定位方法的缺点：

首先，TDOA最少需要3台Anchor才可以定位，成本较高；其次，所有的Anchor都需要做时间同步，这也是一个很复杂的过程。

另外，在一维空间定位中，由于场景相对简单，研发一种节约时间、低功耗、Tag容量数大、低成本的定位方法成为了必然选择。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种在一维空间定位中，耗费时间短、功耗低、Tag容量数大、成本低的采用单个基站实现标签定位的方法、装置和定位系统。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一种采用单个基站实现标签定位的方法，包括：

步骤1：获取待定位标签发送的连续的两次信号，所述标签按照预先设置的固定时间间隔持续发送信号；

步骤2：计算出接收到两次信号的时间差，当所述时间差为所述固定时间间隔时，说明所述标签保持静止，否则，计算出所述时间差与所述固定时间间隔的差值并乘以光速，即得所述标签的移动距离。

一种基站，包括：

第一获取模块，用于获取待定位标签发送的连续的两次信号，所述标签按照预先设置的固定时间间隔持续发送信号；

第一计算模块，用于计算出接收到两次信号的时间差，当所述时间差为所述固定时间间隔时，说明所述标签保持静止，否则，计算出所述时间差与所述固定时间间隔的差值并乘以光速，即得所述标签的移动距离。

一种定位系统，包括标签和基站，其中：

所述标签包括：

发送模块，用于按照预先设置的固定时间间隔持续发送信号；所述基站包括：

获取模块，用于获取待定位标签发送的连续的两次信号，所述标签按照预先设置的固定时间间隔持续发送信号；

计算模块，用于计算出接收到两次信号的时间差，当所述时间差为所述固定时间间隔时，说明所述标签保持静止，否则，计算出所述时间差与所述固定时间间隔的差值并乘以光速，即得所述标签的移动距离。

本发明具有以下有益效果：

本发明的单个基站实现标签定位的方法、装置和系统，在一维空间中，当所述时间差为所述固定时间间隔时，说明所述标签保持静止，否则，可以判断待定位标签发生了移动，那么可以通过计算所述时间差与所述固定时间间隔的差值并乘以光速，得到所述标签的移动距离。本发明在进行标签定位时，Anchor只单方向的获取待定位标签发送的两次信号，不需要与标签进行多次通信，耗费时间短、功耗低，同时增大了系统的Tag容量数。此外，本发明在进行标签定位时，只采用一个Anchor，设计简便，避免了采用多个Anchor需要做时间同步的复杂过程。因此，与现有技术相比，本发明具有耗费时间短、功耗低、Tag容量数大、设计简便和成本低的优点。

附图说明

图1为现有技术的TOF定位方法的原理示意图；

图2为现有技术的TDOA定位方法的原理示意图；

图3为本发明的采用单个基站实现标签定位的方法的一种实施例的流程示意图；

图4为本发明的图3实施例中Tag静止情况的原理示意图；

图5为本发明的图3实施例中Tag移动情况的原理示意图；

图6为本发明的采用单个基站实现标签定位的方法的一种改进实施例的流程示意图；

图7为本发明的基站的一种实施例的结构示意图；

图8为本发明的基站的一种改进实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

一方面，本发明提供一种采用单个基站实现标签定位的方法，如图3所示，包括：

步骤1：获取待定位标签发送的连续的两次信号，标签按照预先设置的固定时间间隔持续发送信号；

本步骤中，标签可以按照预先设置的固定时间间隔持续发送信号，如图4-5所示，T为标签(Tag)，A为基站(Anchor)，t1和t2分别表示Tag第一次和第二次发射信号的时间，t1’和t2’分别表示Anchor第一次和第二次获取信号的时间戳，△t表示信号传播时间。待定位的Tag可以每隔0.5s、1s或2s发射一次信号。

步骤2：计算出接收到两次信号的时间差，当时间差为固定时间间隔时，说明标签保持静止，否则，计算出时间差与固定时间间隔的差值并乘以光速，即得标签的移动距离。

本步骤中，如图4所示，如果Tag保持静止，t2’-t1’应该等于1s(假设Tag每隔1s发一次信号)，t1’和t2’为已知量。

理论计算：

t2’–t1’

＝(t2+△t)-(t1+△t)

＝t2-t1+△t-△t

＝t2-t1

＝1s

所以，当Anchor获取两次信号的时间差等于Tag发射信号的固定时间间隔时，说明Tag是静止的，没有移动。

当时间差与固定时间间隔不同时，则表示Tag发生了移动。如图5所示，△t1表示所示Tag第一次信号的传播时间，△t2表示所示Tag第二次信号的传播时间，t1’和t2’为已知量。

理论计算：

t2’–t1’

＝(t2+△t2)-(t1+△t1)

＝t2-t1+△t2-△t1

＝1s+△t2-△t1

所以，△t2-△t1＝t2’–t1’–1s

由图5可见，Tag的移动距离S＝v2×(△t2-△t1)＝v2×(t2’–t1’–1s)

其中，v2是光速，也就是无线信号速度；

所以，Anchor只要计算(t2’–t1’–1s)，再用这个时间差乘以光速，就是Tag在这1s内的移动距离；

另外，得到Tag的移动距离S后，由于S＝v1×t，其中，v1是Tag行进的速度，t表示所示Tag发射信号的固定时间间隔，通过v1＝S/t，还可以得到Tag行进的速度v1。例如，假设Tag发射信号的固定时间间隔1s，则v1＝S/1s；

本步骤中，根据Tag移动距离S的正负值，还可以判断Tag的行进方向。例如，S的值是负的，那么说明Tag向Anchor方向移动，S的值是正的，说明Tag远离Anchor方向移动。

本发明，在一维空间中，当时间差为固定时间间隔时，说明Tag保持静止，否则，可以判断待定位Tag发生了移动，那么可以通过计算时间差与固定时间间隔的差值并乘以光速，得到Tag的移动距离。本发明在进行Tag定位时，Anchor只单方向的获取待定位Tag发送的两次信号，不需要与Tag进行多次通信，耗费时间短、功耗低，同时增大了系统的Tag容量数。此外，本发明在进行Tag定位时，只采用一个Anchor，设计简便，避免了采用多个Anchor需要做时间同步的复杂过程。因此，与现有技术相比，本发明具有耗费时间短、功耗低、Tag容量数大、设计简便和成本低的优点。

作为本发明的一种改进，如图6所示，步骤1之前包括：

步骤10：获取标签的初始位置；

步骤2之后包括：

步骤3：根据初始位置和标签的移动距离，计算出标签的当前位置。

本发明中，预先获取Tag的初始位置，当时间差为固定时间间隔时，说明Tag保持静止，则Tag的初始位置即为当前位置，否则，Tag发生了移动，通过计算Tag的移动距离，并结合Tag的初始位置，即可确定Tag的当前位置。其中，可以通过信号传播时间乘以光速确定Tag的初始位置。本发明对Tag的定位方法设计简便。

作为本发明的进一步改进，步骤10进一步为：

采用信号飞行时间算法确定标签的初始位置。

本发明中，采用信号飞行时间算法确定Tag的初始位置。该方法性能好、测距精度高，可以很好的满足无线定位技术的需要。

本发明的采用单个基站实现Tag定位的方法中，由于信号都是由同一Tag发出来的，而且每隔很短的时间(上面方案说明用的是1s作为例子)发射一次，时间间隔很短，并且Anchor接收的时候会做时间差处理，这种方法还可以抵消大部分的由于时钟漂移出现的误差。

另一方面，与上述的采用单个基站实现标签定位的方法相对应的，本发明还提供一种基站，如图7所示，包括：

第一获取模块11，用于获取待定位标签发送的连续的两次信号，标签按照预先设置的固定时间间隔持续发送信号；

第一计算模块12，用于计算出接收到两次信号的时间差，当时间差为固定时间间隔时，说明标签保持静止，否则，计算出时间差与固定时间间隔的差值并乘以光速，即得标签的移动距离。

在一维空间中，本发明在进行Tag定位时，Anchor只单方向的获取待定位Tag发送的两次信号，不需要与Tag进行多次通信，耗费时间短、功耗低，同时增大了系统的Tag容量数。此外，本发明在进行Tag定位时，只采用一个Anchor，设计简便，避免了采用多个Anchor需要做时间同步的复杂过程。因此，与现有技术相比，本发明具有耗费时间短、功耗低、Tag容量数大、设计简便和成本低的优点。

作为本发明的一种改进，如图8所示，第一获取模块11连接有第二获取模块13，第一计算模块12连接有第二计算模块14，其中：

第二获取模块13，用于获取标签的初始位置；

第二计算模块14，用于根据初始位置和标签的移动距离，计算出标签的当前位置。

本发明中，预先获取Tag的初始位置，根据Tag的移动距离，即可确定Tag的当前位置。本发明对Tag的定位方法设计简便。

作为本发明的进一步改进，第二获取模块13，进一步用于采用信号飞行时间算法确定标签的初始位置。

本发明中，采用信号飞行时间算法确定Tag的初始位置。该方法性能好、测距精度高，可以很好的满足无线定位技术的需要。

再一方面，本发明还提供一种定位系统，包括标签和基站，其中：

标签包括：

发送模块，用于按照预先设置的固定时间间隔持续发送信号；基站包括：

获取模块，用于获取待定位标签发送的连续的两次信号，标签按照预先设置的固定时间间隔持续发送信号；

计算模块，用于计算出接收到两次信号的时间差，当时间差为固定时间间隔时，说明标签保持静止，否则，计算出时间差与固定时间间隔的差值并乘以光速，即得标签的移动距离。

由于本发明的定位系统包括上述的Tag和基站，因此，在一维空间中，本发明的定位系统也具有耗费时间短、功耗低、Tag容量数大、设计简便和成本低的优点。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种采用单个基站实现标签定位的方法，其特征在于，包括：

步骤1：获取待定位标签发送的连续的两次信号，所述标签按照预先设置的固定时间间隔持续发送信号；

步骤2：计算出接收到两次信号的时间差，当所述时间差为所述固定时间间隔时，说明所述标签保持静止，否则，计算出所述时间差与所述固定时间间隔的差值并乘以光速，即得所述标签的移动距离；

所述步骤1之前包括：

步骤10：获取所述标签的初始位置；

所述步骤2之后包括：

步骤3：根据所述初始位置和所述标签的移动距离，计算出所述标签的当前位置；

所述步骤10进一步为：

采用信号飞行时间算法确定所述标签的初始位置。

2.一种基站，其特征在于，包括：

第一获取模块，用于获取待定位标签发送的连续的两次信号，所述标签按照预先设置的固定时间间隔持续发送信号；

第一计算模块，用于计算出接收到两次信号的时间差，当所述时间差为所述固定时间间隔时，说明所述标签保持静止，否则，计算出所述时间差与所述固定时间间隔的差值并乘以光速，即得所述标签的移动距离；

所述第一获取模块连接有第二获取模块，所述第一计算模块连接有第二计算模块，其中：

所述第二获取模块，用于获取所述标签的初始位置；

所述第二计算模块，用于根据所述初始位置和所述标签的移动距离，计算出所述标签的当前位置；

所述第二获取模块，进一步用于采用信号飞行时间算法确定所述标签的初始位置。

3.一种定位系统，其特征在于，包括标签和基站，其中：

所述标签包括：

发送模块，用于按照预先设置的固定时间间隔持续发送信号；所述基站包括：

获取模块，用于获取待定位标签发送的连续的两次信号，所述标签按照预先设置的固定时间间隔持续发送信号；

计算模块，用于计算出接收到两次信号的时间差，当所述时间差为所述固定时间间隔时，说明所述标签保持静止，否则，计算出所述时间差与所述固定时间间隔的差值并乘以光速，即得所述标签的移动距离。