CN106954188B - 一种定位系统中测量Tof和Tdoa的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定位系统中测量Tof和Tdoa的方法，选取与标签保持连接的一个锚节点作为通信锚节点，发起通信锚节点与标签的一次请求‑响应式通信，在通信过程中进行以下测量：标签接收请求数据包到发送响应数据包的时间、通信锚节点发出请求数据包到接收到响应数据包的时间、每个监听锚节点接收通信锚节点发送的请求数据包到接收标签发送的响应数据包的时间。最后计算通信锚节点到标签的传播时间和所述响应数据包从标签到监听锚节点的传播时间、生成标签发送的响应数据包到任意两个锚节点之间的传播时间差。本发明无需高精度的同步时钟，具有定位速度较快、定位成本低、定位精度较高的优点，尤其适合于无线网络中设备的定位。

Description

一种定位系统中测量Tof和Tdoa的方法

技术领域

本发明涉及一种定位系统中测量Tof和Tdoa的方法，为无线传感器网络的节点定位或者无线接入设备的节点定位提供技术基础,属于信号检测的技术领域。

背景技术

在日常生活、生产过程中常常需要测量无线设备的地理位置信息，测量的瞬时相位越准确，应用的效果往往更好。ToF测距方法属于双向测距技术，它主要利用信号在两个异步收发机之间往返的飞行时间来测量节点间的距离，则一个节点的定位需要多次Tof测量才能达到定位所需要的数据。不同于TOA，传统的TDOA（到达时间差）是通过检测信号到达两个基站的时间差，而不是到达的绝对时间来确定移动台的位置，定位过程中被定位节点只需要发送一次信息即可完成定位，但这也提高了对设备的时钟同步要求。

发明内容

随着现代通信技术的发展，通信设备已经可以获取准确的数据包到达时间，也可以准确控制数据包的发送时间。在此基础上，本发明提出了一种定位系统中测量Tof和Tdoa的方法，该方法在利用地理信息的基础上，只需要收发两个数据包即可完成节点定位。相比较传统的TOF技术，大大缩短了定位时间，但测量精度可能会略有下降；相比较传统的TDOA技术，一次定位的时间稍稍加长，但不需要实现时钟同步的复杂算法和相应过程。本发明的方法尤其适合于采用主从通信模式的无线传感器网络，也可以适合于任一种无线通信网络。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种定位系统中测量Tof和Tdoa的方法，所述定位系统包含需要定位的标签以及至少三个锚节点，所述锚节点包含至少一个与标签保持连接的通信锚节点以及至少两个监听锚节点，所述测量Tof和Tdoa的方法包括以下步骤：

步骤１），发起通信锚节点与标签的一次请求-响应式通信：

步骤1.1），通信锚节点发出请求数据包；

步骤1.2），标签和各个监听锚节点接收通信锚节点发出的请求数据包；

步骤1.3），标签发出响应数据包；

步骤1.4），通信锚节点和各个监听锚节点接收标签发出的响应数据包；

步骤2），在通信锚节点与标签的请求-响应式通信的过程中，对标签接收请求数据包到发送响应数据包的时间进行设定或测量；

步骤3），在通信锚节点与标签的请求-响应式通信的过程中进行以下测量：通信锚节点发出请求数据包到接收到响应数据包的时间、每个监听锚节点接收通信锚节点发送的请求数据包到接收标签发送的响应数据包的时间；

步骤4），根据各个锚节点的地理坐标或各个锚节点之间的距离，计算通信锚节点到标签的传播时间和响应数据包从标签到各个监听锚节点的传播时间，同时生成所述标签发送的响应数据包到任意两个锚节点之间的传播时间差。

作为本发明一种定位系统中测量Tof和Tdoa的方法进一步的优化方案，步骤4）中所述通信锚节点到标签的传播时间的计算方法如下：

通信锚节点到标签的传播时间=（通信锚节点发出请求数据包到接收到响应数据包的时间-标签接收请求数据包到发送响应数据包的时间）/2。

作为本发明一种定位系统中测量Tof和Tdoa的方法进一步的优化方案，步骤4）中,对于每个监听锚节点，所述响应数据包从标签到该监听锚节点的传播时间的计算方法如下：

步骤4.1），根据通信锚节点、该监听锚节点的地理坐标或者通信锚节点、该监听锚节点之间的距离，计算出该监听锚节点到通信锚节点的传播时间；

步骤4.2），响应数据包从标签到该监听锚节点的传播时间=该监听锚节点接收通信锚节点发送的请求数据包到接收标签发送的响应数据包的时间+该监听锚节点到通信锚节点的传播时间-通信锚节点到标签的传播时间-标签接收请求数据包到发送响应数据包的时间。

作为本发明一种定位系统中测量Tof和Tdoa的方法进一步的优化方案，步骤4）中所述标签发送的响应数据包到任意两个锚节点之间的传播时间差的计算方法如下：

对于涉及到的两个锚节点，分别获取标签到其的传播时间后进行作差。

作为本发明一种定位系统中测量Tof和Tdoa的方法进一步的优化方案，所述标签将其接收请求数据包到发送响应数据包的时间放置在响应数据包中，以方便通信锚节点和监听锚节点进行计算。

作为本发明一种定位系统中测量Tof和Tdoa的方法进一步的优化方案，所述标签具有表明其唯一身份的标签地址。

作为本发明一种定位系统中测量Tof和Tdoa的方法进一步的优化方案，采用以下方法解决各锚节点和标签的时钟稳定度问题：

通信锚节点周期性的发送一种广播数据包或者发送至少两次包含发送时间的广播数据包，标签或监听锚节点根据接收的两个广播数据包的到达时间作如下计算：

频率比因子 = 标签或监听锚节点接收的两个广播数据包的到达时间差 / 标签或监听节点从两个广播数据包中提取的通信锚节点的发送时间差

如果标签对标签接收请求数据包到发送响应数据包的时间进行设定，在设定数据基础上乘所述频率比因子进行校正；

如果标签对标签接收请求数据包到发送响应数据包的时间进行测量，在测量数据基础上除所述频率比因子进行校正；

监听锚节点在测量其接收通信锚节点发送的请求数据包到接收标签发送的响应数据包的时间时，在测量数据基础上除所述频率比因子进行校正。

作为本发明一种定位系统中测量Tof和Tdoa的方法进一步的优化方案，对测量结果进行电路延迟和天线延迟的校正。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1）传统的TOF技术在进行节点定位时需要进行多次TOF测量，本发明所述的方法利用了地理信息，只需要在通信锚节点发送一次数据包、标签发送一次数据包的情况下即可完成所有锚节点和标签之间传播时间的采集与计算，大大缩短了定位时间。

2）传统的TDOA技术在进行节点定位时需要严格的时钟同步，本发明的方法利用了地理信息，结合监听锚节点测量的数据包到达时间差，可以快速解算出标签到锚节点的传播时间，并且在整个测量过程中无须实现复杂的时钟同步算法。

附图说明

图1是采用本发明对1个标签进行TOF和Tdoa测量的示意图。

图2是采用本发明对2个标签进行TOF和Tdoa测量的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明公开了一种定位系统中测量Tof和Tdoa的方法，所述定位系统包含需要定位的标签以及至少三个锚节点，所述锚节点包含至少一个与标签保持连接的通信锚节点以及至少两个监听锚节点。

图1为采用本发明对1个标签进行TOF和Tdoa测量的示意图，具体如下：

通信锚节点根据标签地址发起与标签的一次请求-响应式通信，即通信锚节点发出请求数据包1，标签和各个监听锚节点接收通信锚节点发出的请求数据包1；然后，标签发出响应数据包2；最后，通信锚节点和各个监听锚节点接收标签发出的响应数据包2。

在通信锚节点与标签的请求-响应式通信的过程中，首先对标签接收请求数据包1到发送响应数据包2的时间（T_REPLY）进行设定或测量，然后进行以下测量：

通信锚节点发出请求数据包1到接收到响应数据包2的时间（T_ROUND）、每个监听锚节点i接收通信锚节点发送的请求数据包1到接收标签发送的响应数据包2的时间(T_Di)。

i表示参与定位的第i个监听锚节点，i≥2。图1只画了一个监听锚节点，其他锚节点的处理方式同监听锚节点i。

通信锚节点到标签的传播时间的计算方法如下：

通信锚节点到标签的传播时间(T_PROG)=（通信锚节点发出请求数据包1到接收到响应数据包2的时间（T_ROUND）-标签接收请求数据包1到发送响应数据包2的时间(T_REPLY)）/ 2。其中通信锚节点发出请求数据包1到接收到响应数据包2的时间（T_ROUND）由通信锚节点进行测量，标签接收请求数据包1到发送响应数据包2的时间(T_REPLY)）由标签进行测量或者设定。

监听锚节点i到标签的传播时间的计算方法如下：

由于监听锚节点在通信的整个过程中只能接收通信锚节点发送的请求数据包和标签发送的响应数据包，测量并记录接收通信锚节点发送的请求数据包到接收标签发送的响应数据包的时间。该时间与通信锚节点和监听锚节点之间距离折算的传播时间之和表示的是通信锚节点发送请求数据包到监听锚节点接收标签发送的响应数据包的时间，通信锚节点发送请求数据包到监听锚节点接收标签发送的响应数据包的时间可进一步分解为通信锚节点到标签的传播时间、标签接收请求数据包到发送响应数据包的时间、标签到监听锚节点的传播时间。通信锚节点到标签的传播时间已经由通信锚节点进行计算，标签接收请求数据包到发送响应数据包的时间是一个设定的时间（经过测量获得该时间），因此标签到监听锚节点的传播时间可以通过解算直接获取。

由于通信锚节点和监听锚节点i的位置是固定的，因此可根据通信锚节点和监听锚节点i的地理坐标或者锚节点之间的距离，计算监听锚节点i和通信锚节点的传播时间。则监听锚节点i到标签的传播时间（T_Pi）=监听锚节点i接收通信锚节点发送的请求数据包1到接收标签发送的响应数据包2的时间(T_Di)+由通信锚节点和监听锚节点i之间距离折算的传播时间(T_Ci)-通信锚节点到标签的传播时间(T_PROG)-标签接收请求数据包1到发送响应数据包2的时间(T_REPLY)。

其中通信锚节点到标签的传播时间由通信锚节点计算获取；标签接收请求数据包1到发送响应数据包2的时间(T_REPLY)由标签进行测量或者设定；通信锚节点和监听锚节点i之间距离折算的传播时间(T_Ci)由通信锚节点、监听锚节点i的地理坐标或者通信锚节点、监听锚节点i之间的距离计算获取；监听锚节点i接收通信锚节点发送的请求数据包1到接收标签发送的响应数据包2的时间(T_Di)由监听锚节点i进行测量。

标签接收请求数据包1到发送响应数据包2的时间(T_REPLY)可以是一个互相约定的时间，或者标签根据自己实际的收发时间差，将该时间差放置在响应数据包2中，以方便通信锚节点和监听锚节点进行相关计算。

由上述步骤获取的锚节点到标签之间的传播时间，选取任意两个锚节点的锚节点到标签的传播时间，进行减法操作即可生成所述标签到任意两个锚节点之间的传播时间差。

获取上述锚节点的坐标以及所述信号从标签到锚节点的传播时间和/或从标签到锚节点的传播时间差的统计信息，采用TOF、TDOA、TOF/TDOA混合算法确定标签的最终位置估计值。

通信中标签具有表明其唯一身份的标签地址，通信锚节点在其发送的请求数据包1内包含标签地址、一组标签地址或广播地址，标签根据所述请求数据包1内包含的标签地址、一组标签地址或广播地址来确认是否进行响应以及在何时进行响应，即通过所述标签地址来确认系统中的标签或系统中的多标签。

为解决各锚节点和标签的时钟稳定度问题，包含一个获取本地时钟频率和通信锚节点时钟频率的频率比过程，其方法如下：通信锚节点周期性的发送一种广播数据包或者发送至少两次包含发送时间的广播数据包，标签或监听锚节点根据接收的两个广播数据包的到达时间作如下计算：

频率比 = 标签或监听锚节点接收的两个广播数据包的到达时间差 / 标签或监听节点从两个广播数据包中提取的通信锚节点的发送时间差。

如果标签对标签接收请求数据包到发送响应数据包的时间进行设定，在设定数据基础上乘所述频率比因子进行校正；

如果标签对标签接收请求数据包到发送响应数据包的时间进行测量，在测量数据基础上除所述频率比因子进行校正；

监听锚节点在测量其接收通信锚节点发送的请求数据包到接收标签发送的响应数据包的时间时，在测量数据基础上除所述频率比因子进行校正。

校正行为可以在服务器上进行。

优选方案是各模块采用高精度时钟而无需计算频率比。

由于射频芯片产生的输出的射频信号会经过放大电路、天线进入媒体，从媒体接收的射频信号会经过天线、调理电路后进入射频芯片，而信号在电路和天线中的传播需要时间，对测量结果进行电路延迟和天线延迟的校正可获得更为准确的测量结果。

图2是采用本发明对2个标签进行TOF和Tdoa测量的示意图，具体过程不再赘述。

传统的以TOF为基础的定位技术由于采用多次测距而造成定位时间长的缺点，传统的TDOA为基础的定位技术由于需要高精度的时钟而造成定位成本高昂的缺点。

综上所述，本发明所涉及的一种TOF测量方法，该方法具有适当增加系统开销，且无需高精度的同步时钟，具有定位速度较快，定位成本低，定位精度较高等优点，尤其适合于无线网络中设备的定位。

Claims (8)

1.一种定位系统中测量Tof和Tdoa的方法，所述定位系统包含需要定位的标签以及至少三个锚节点，所述锚节点包含至少一个与标签保持连接的通信锚节点以及至少两个监听锚节点，其特征在于，所述测量Tof和Tdoa的方法包括以下步骤：

步骤1），发起通信锚节点与标签的一次请求-响应式通信：

步骤1.1），通信锚节点发出请求数据包；

步骤1.2），标签和各个监听锚节点接收通信锚节点发出的请求数据包；

步骤1.3），标签发出响应数据包；

步骤1.4），通信锚节点和各个监听锚节点接收标签发出的响应数据包；

步骤2），在通信锚节点与标签的请求-响应式通信的过程中，对标签接收请求数据包到发送响应数据包的时间进行设定或测量；

步骤3），在通信锚节点与标签的请求-响应式通信的过程中进行以下测量：通信锚节点发出请求数据包到接收到响应数据包的时间、每个监听锚节点接收通信锚节点发送的请求数据包到接收标签发送的响应数据包的时间；

步骤4），根据各个锚节点的地理坐标或各个锚节点之间的距离，计算通信锚节点到标签的传播时间和响应数据包从标签到各个监听锚节点的传播时间，同时生成所述标签发送的响应数据包到任意两个锚节点之间的传播时间差。

2.根据权利要求1所述的定位系统中测量Tof和Tdoa的方法，其特征在于，步骤4）中所述通信锚节点到标签的传播时间的计算方法如下：

通信锚节点到标签的传播时间=（通信锚节点发出请求数据包到接收到响应数据包的时间-标签接收请求数据包到发送响应数据包的时间）/2。

3.根据权利要求2所述的定位系统中测量Tof和Tdoa的方法，其特征在于，步骤4）中,对于每个监听锚节点，所述响应数据包从标签到该监听锚节点的传播时间的计算方法如下：

步骤4.1），根据通信锚节点、该监听锚节点的地理坐标或者通信锚节点、该监听锚节点之间的距离，计算出该监听锚节点到通信锚节点的传播时间；

步骤4.2），响应数据包从标签到该监听锚节点的传播时间=该监听锚节点接收通信锚节点发送的请求数据包到接收标签发送的响应数据包的时间+该监听锚节点到通信锚节点的传播时间-通信锚节点到标签的传播时间-标签接收请求数据包到发送响应数据包的时间。

4.根据权利要求3所述的定位系统中测量Tof和Tdoa的方法，其特征在于，步骤4）中所述标签发送的响应数据包到任意两个锚节点之间的传播时间差的计算方法如下：

对于涉及到的两个锚节点，分别获取标签到其的传播时间后进行作差。

5.根据权利要求1所述的定位系统中测量Tof和Tdoa的方法，其特征在于，所述标签将其接收请求数据包到发送响应数据包的时间放置在响应数据包中，以方便通信锚节点和监听锚节点进行计算。

6.根据权利要求1所述的定位系统中测量Tof和Tdoa的方法，其特征在于，所述标签具有表明其唯一身份的标签地址。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的定位系统中测量Tof和Tdoa的方法，其特征在于，采用以下方法解决各锚节点和标签的时钟稳定度问题：

通信锚节点周期性的发送一种广播数据包或者发送至少两次包含发送时间的广播数据包，标签或监听锚节点根据接收的两个广播数据包的到达时间作如下计算：

频率比因子 = 标签或监听锚节点接收的两个广播数据包的到达时间差 / 标签或监听节点从两个广播数据包中提取的通信锚节点的发送时间差

如果标签对标签接收请求数据包到发送响应数据包的时间进行设定，在设定数据基础上乘所述频率比因子进行校正；

如果标签对标签接收请求数据包到发送响应数据包的时间进行测量，在测量数据基础上除所述频率比因子进行校正；

监听锚节点在测量其接收通信锚节点发送的请求数据包到接收标签发送的响应数据包的时间时，在测量数据基础上除所述频率比因子进行校正。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对测量结果进行电路延迟和天线延迟的校正。