CN107124697B - 一种基于tdoa的室内手机定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于TDOA的室内手机定位方法，其利用智能手机内置的麦克风和无线网卡实现声波信标和无线信标的收发，并依据无线信号和声波信号的传输时间差进行测距和定位。定位基站周期发送广播无线信标和声波信标，并通过驱动层分别记录两者的发送时间戳；定位手机接收附近定位基站的无线信标和声波信标，并通过驱动层分别记录两者的到达时间戳。基于上述的4个时间戳，定位手机可以计算出到达定位基站的距离。其中，声波信标基于MAC地址进行调频调制，该调制方法可以标识信标的源地址。当定位手机分别测得3个定位基站的到达距离时，就可以采用极大似然估计法计算自身的位置坐标。本发明不依赖于特殊硬件，系统节点间无需时间同步，具有简单易行，定位精度高，稳定性好的优点。

Description

一种基于TDOA的室内手机定位方法
技术领域
本发明涉及一种室内定位技术，尤其涉及一种基于TDOA的室内手机定位方法。
背景技术
随着移动智能终端和无线网络的广泛普及，基于位置服务（Location BasedServices，LBS）的应用已日益增长，并在行车导航、智慧管理、社交网络、安防监控等诸多领域发挥着越来越重要的作用。其中，终端定位是位置服务的关键前提，只有获得终端位置信息，物理与信息融合的各种应用和控制才能有效切换。例如，一些大型的室内场所（如停车场、物流仓储、矿井、监狱、考古现场、会展中心）都需要对人员或物品进行定位，才能实现导航、监控和管理。此外，在物联网中，感知层为用户提供终端所在环境的上下文相关信息，其中80%的信息和位置有关。终端节点所采集的信息不仅包含诸如运动参数、温湿度等感知数据，也包含了终端自身的位置信息。
GPS系统以及基于开放网络设施（通信基站/WIFI热点）的无线定位是目前主流的手机终端定位机制。然而，由于信号阻挡和定位精度不足，上述的两种手机定位系统均无法适用于封闭的室内环境。基于WiFi网络的信号指纹定位是目前最常见的室内无线定位方法，然而信号指纹定位算法需要预先建立离线地图，存在人工消耗大等问题，而且精度和稳定性仍然无法满足大多数室内定位场景的需求。而一些基于Zigbee、蓝牙或RFID的短距离定位系统，由于覆盖范围小且依赖于特殊硬件，其应用推广也受到诸多局限。由此可见，如何利用无线网络设施提供一种轻量级、精度满足应用需求的手机定位系统，是当前位置服务发展中亟待解决的热门问题之一。
发明内容
针对智能手机的室内定位需求，本发明提出一种基于TDOA（Time difference ofArrvial，到达时间差）的室内手机定位方法。该方法利用智能手机内置的麦克风和无线网卡实现声波信标和无线信标的收发，并依据无线信号和声波信号的传输时间差进行测距和定位。定位基站周期发送广播无线信标和声波信标，并通过驱动层分别记录两者的发送时间戳；定位手机接收附近定位基站的无线信标和声波信标，并通过驱动层分别记录两者的到达时间戳。基于上述的4个时间戳，定位手机可以计算出到达定位基站的距离。其中，声波信标基于MAC地址进行调频调制，实现源地址识别。当定位手机分别测得3个定位基站的到达距离时，就可以采用极大似然估计法计算自身的位置坐标。本发明不依赖于特殊硬件，系统节点间无需时间同步，具有简单易行，定位精度高，稳定性好的优点。
为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
一种基于TDOA的室内手机定位方法，其包括以下步骤：
步骤1，在系统部署时，预先在室内环境中部署多个具有发送声波信标和无线信标功能的定位基站，基站的部署数量应确保每个定位手机至少与3个基站具有视距传输条件；
步骤2，在定位初始阶段，定位手机首先进行声速检测，获得当前环境下的声速值Vs；然后从定位服务器下载所有定位基站的位置坐标；
步骤3，在定位阶段，每个定位基站周期性广播无线信标和基于MAC地址调频调制的声波信标，要求声波信标发送在先，无线信标发送在后；在发送信标时，基站通过驱动层分别记录两者的发送时间戳ts1和ts2，然后计算Δt=|ts2-ts1|，并将Δt通过无线信标携带广播；
步骤4，定位手机接收附近定位基站的无线信标和声波信标，并通过驱动层分别记录两者的到达时间戳tr1和tr2，并获得无线信标中携带的Δt值；在此基础上，定位手机基于MAC地址识别同一个基站发送的无线和声波信标，并计算出到达该基站的距离，计算公式为D=Vs×(|tr2-tr1|-Δt)；
步骤5，定位手机分别测得3个定位基站的到达距离，即采用极大似然估计法，计算自身的位置坐标。
进一步地，所述步骤2中的声速检测的具体方法为：将手机放置在距离某个定位基站1米处，然后接收该基站的声波信标和无线信标，并分别记录两者的到达时间戳tr1'和tr2'，同时也获得了该基站通过无线信标携带的Δt'，即可计算出当前环境下的声速，计算公式为Vs=1/(|tr2'-tr1'|-Δt')。
进一步地，所述步骤3中每个定位基站的信标发送周期可以定义为2秒。
进一步地，所述步骤3中测量声波信标的发送时间的获取方法为：在Linux系统的声音播放过程中，当声音驱动采用中断方式完成将声音数据从DMA缓冲区传输到硬件缓冲区时，会通过相应的回调函数更新DMA缓冲区指针，记录该更新操作的时间，即为声波信标的实际发送时间。
进一步地，所述步骤3中基于MAC地址的声波信标调频调制方法的具体做法为：取自身无线网卡的MAC地址的后13位为声波信标的身份标识符ID，定义为b13，b12，…，b1，调制时，从高位到低位，当bi=1时，则附加一个时隙频率为fi的音调，fi=18000Hz+(i-1)×250Hz，当bi=0则跳过，i=1，2，…，13。
进一步地，所述步骤4中测量声波信标的到达时间的获取方法为：在Linux系统的声音记录过程中，当声卡硬件完成填写一个单元的声音样本到DMA缓冲区时，会通过中断通知声音驱动去更新DMA缓冲区指针，记录该更新操作的时间，即为声波的实际到达时间。
进一步地，所述步骤4中声波信标的源基站识别方法为：定义每个定位基站的ID为其无线MAC地址，手机端通过解调声波信标获得其ID，再通过比对相应无线信标的MAC地址的后13位，当后13位相同则两者来自同一个定位基站，即可鉴别出声波信标的源基站。
本发明采用以上技术方案，其利用智能手机内置的麦克风和无线网卡实现声波信标和无线信标的收发，并依据无线信号和声波信号的传输时间差进行测距和定位。定位基站周期发送广播无线信标和声波信标，并通过驱动层分别记录两者的发送时间戳；定位手机接收附近定位基站的无线信标和声波信标，并通过驱动层分别记录两者的到达时间戳。基于上述的4个时间戳，定位手机可以计算出到达定位基站的距离。其中，声波信标基于MAC地址进行调频调制，该调制方法可以标识信标的源地址。当定位手机分别测得3个定位基站的到达距离时，就可以采用极大似然估计法计算自身的位置坐标。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：一方面本发明采用TDOA测距技术，降低了定位系统对时间测量精度要求和同步的要求；另一方面，本发明通过记录音频数据在DMA缓冲区与声卡硬件设备之间的传输时间，提高了声波信号发送时间和到达时间的测量精度，提高了定位精度和稳定性。本发明不依赖于特殊硬件，系统节点间无需时间同步，具有简单易行，定位精度高，稳定性好的优点。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；
图1为本发明一种基于TDOA的室内手机定位方法的算法流程图；
图2为本发明一种基于TDOA的室内手机定位方法的无线测距原理图。
具体实施方式
如图1或2所示，本发明公开一种基于TDOA的室内手机定位方法，包括以下步骤：
步骤1，在系统部署时，预先在室内环境中部署多个具有发送声波信标和无线信标功能的定位基站，基站的部署数量应确保每个待定位手机至少与3个基站具有视距传输条件；具体到本发明中可将无线路由器改造为定位基站，硬件方案选择支持OpenWRT的无线路由器，并增加USB声卡和音箱；软件平台采用OpenWRT。
步骤2，在定位初始阶段，定位手机首先进行声速检测，获得当前环境下的声速值V s ；然后从定位服务器下载所有定位基站的位置坐标。
进一步地，步骤2中的声速检测。具体做法为：将手机放置在距离某个定位基站1米处，然后接收该基站的声波信标和无线信标，并分别记录两者的到达时间戳t r1'和t r2'，同时也获得了该基站通过无线信标携带的Δt'，即可计算出当前环境下的声速，计算公式为V s =1/(|t r2'-t r1'|-Δt')；
步骤3，在定位阶段，每个定位基站周期性广播无线信标和基于MAC地址调频调制的声波信标，具体地每个定位基站分别通过无线网卡和声卡+音箱广播无线信标和声波信标，周期为2秒，并要求声波信标发送在先，无线信标发送在后；在发送信标时，基站通过驱动层分别记录两者的发送时间戳t s1和t s2，然后计算Δt=|t s2-t s1|，并将Δt通过无线信标携带广播，如图2所示。
更进一步地，步骤3中的声波发送时间的测量，在Linux系统的声音播放过程中，当声音驱动采用中断方式完成将声音数据从DMA缓冲区传输到硬件缓冲区时，会通过相应的回调函数更新DMA缓冲区指针，记录该更新操作的时间为声波的实际发送时间。
更进一步地，步骤3中基于MAC地址的声波信标调频调制方法。具体做法为：取自身MAC地址后13位为声波信标的身份标识符ID，定义为b13，b12，…，b1，调制时，从高位到低位，当b i =1时，则附加一个时隙频率为f i 的音调，f i= 18000Hz+(i-1)×250Hz，当b i =0则跳过，i=1，2，…，13。
步骤4，定位手机接收附近定位基站的无线信标和声波信标，并通过驱动层分别记录两者的到达时间戳t r1和t r2，并获得无线信标中携带的Δt值。在此基础上，定位手机基于MAC地址识别同一个基站发送的无线和声波信标，并计算出到达该基站的距离，计算公式为D=V s ×(|t r2-t r1|-Δt)。
更进一步地，步骤4中的声波到达时间的测量，在Linux系统的声音记录过程中，当声卡硬件完成填写一个单元的声音样本到DMA缓冲区时，会通过中断通知声音驱动去更新DMA缓冲区指针，记录该更新操作的时间为声波的实际到达时间。
更进一步地，步骤4中声波信标的源基站识别方法。定义每个定位基站的ID为其无线MAC地址，手机端通过解调声波信标获得其ID，再通过比对相应无线信标的MAC地址的后13位，即可鉴别出声波信标的源基站。如果相同，则两者来自同一个定位基站。
步骤5，当定位手机分别测得3个定位基站的到达距离，即采用极大似然估计法，计算自身的位置坐标。
本发明采用以上技术方案，其利用智能手机内置的麦克风和无线网卡实现声波信标和无线信标的收发，并依据无线信号和声波信号的传输时间差进行测距和定位。定位基站周期发送广播无线信标和声波信标，并通过驱动层分别记录两者的发送时间戳；定位手机接收附近定位基站的无线信标和声波信标，并通过驱动层分别记录两者的到达时间戳。基于上述的4个时间戳，定位手机可以计算出到达定位基站的距离。其中，声波信标基于MAC地址进行调频调制，该调制方法可以标识信标的源地址。当定位手机分别测得3个定位基站的到达距离时，就可以采用极大似然估计法计算自身的位置坐标。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：一方面本发明采用TDOA测距技术，降低了定位系统对时间测量精度要求和同步的要求；另一方面，本发明通过记录音频数据在DMA缓冲区与声卡硬件设备之间的传输时间，提高了声波信号发送时间和到达时间的测量精度，提高了定位精度和稳定性。本发明不依赖于特殊硬件，系统节点间无需时间同步，具有简单易行，定位精度高，稳定性好的优点。

Claims (5)

1.一种基于TDOA的室内手机定位方法，其特征在于：其包括以下步骤：
步骤1，在系统部署时，预先在室内环境中部署多个具有发送声波信标和无线信标功能的定位基站，基站的部署数量应确保每个定位手机至少与3个基站具有视距传输条件；
步骤2，在定位初始阶段，定位手机首先进行声速检测，获得当前环境下的声速值Vs；然后从定位服务器下载所有定位基站的位置坐标；
步骤3，在定位阶段，每个定位基站周期性广播无线信标和基于MAC地址调频调制的声波信标，要求声波信标发送在先，无线信标发送在后；在发送信标时，基站通过驱动层分别记录两者的发送时间戳ts1和ts2，然后计算Δt=|ts2-ts1|，并将Δt通过无线信标携带广播；所述步骤3中测量声波信标的发送时间的获取方法为：在Linux系统的声音播放过程中，当声音驱动采用中断方式完成将声音数据从DMA缓冲区传输到硬件缓冲区时，会通过相应的回调函数更新DMA缓冲区指针，记录更新操作的时间，即为声波信标的实际发送时间；
步骤4，定位手机接收附近定位基站的无线信标和声波信标，并通过驱动层分别记录两者的到达时间戳tr1和tr2，并获得无线信标中携带的Δt值；在此基础上，定位手机基于MAC地址识别同一个基站发送的无线和声波信标，并计算出到达该基站的距离，计算公式为D=Vs×(|tr2-tr1|-Δt)；所述步骤4中测量声波信标的到达时间的获取方法为：在Linux系统的声音记录过程中，当声卡硬件完成填写一个单元的声音样本到DMA缓冲区时，会通过中断通知声音驱动去更新DMA缓冲区指针，记录更新操作的时间，即为声波的实际到达时间；
步骤5，定位手机分别测得3个定位基站的到达距离，即采用极大似然估计法，计算自身的位置坐标。
2.根据权利要求1所述的一种基于TDOA的室内手机定位方法，其特征在于：所述步骤2中的声速检测的具体方法为：将手机放置在距离某个定位基站1米处，然后接收该基站的声波信标和无线信标，并分别记录两者的到达时间戳tr1'和tr2'，同时也获得了该基站通过无线信标携带的Δt'，即可计算出当前环境下的声速，计算公式为Vs=1/(|tr2'-tr1'|-Δt')。
3.根据权利要求1所述的一种基于TDOA的室内手机定位方法，其特征在于：所述步骤3中每个定位基站的信标发送周期定义为2秒。
4.根据权利要求1所述的一种基于TDOA的室内手机定位方法，其特征在于：所述步骤3中基于MAC地址的声波信标调频调制方法的具体做法为：取自身无线网卡的MAC地址的后13位为声波信标的身份标识符ID，定义为b13，b12，…，b1，调制时，从高位到低位，当bi=1时，则附加一个时隙频率为fi的音调，fi=18000Hz+(i-1)×250Hz，当bi=0则跳过，i=1，2，…，13。
5.根据权利要求1所述的一种基于TDOA的室内手机定位方法，其特征在于：所述步骤4中声波信标的源基站识别方法为：定义每个定位基站的ID为其无线MAC地址，手机端通过解调声波信标获得其ID，再通过比对相应无线信标的MAC地址的后13位，当后13位相同则两者来自同一个定位基站，即可鉴别出声波信标的源基站。
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Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107623922B (zh) * 2017-09-19 2021-05-18 深圳市深层互联科技有限公司 一种beacon基站的部署方法及装置
CN107819547B (zh) * 2017-09-29 2021-01-22 中山大学 一种用于声波室内定位的声波信号帧码率调整方法
CN109936837B (zh) * 2017-12-19 2023-12-22 深圳长城开发科技股份有限公司 一种基于蓝牙的室内定位方法及系统
CN108093474B (zh) * 2017-12-27 2020-09-29 重庆脉实智能制造有限公司 利用虚拟时间同步实现室内定位的方法及系统
CN108112003B (zh) * 2018-01-17 2021-03-19 河南航飞光电科技有限公司 定位系统中基于频分和时分的通信方法
CN110146905B (zh) * 2018-02-12 2021-06-29 清华大学 定位信号接收方法和接收机
CN108650623A (zh) * 2018-05-15 2018-10-12 重庆邮电大学 一种基于超宽带室内定位技术的智能人员可视化管理方法
CN109959951A (zh) * 2019-02-27 2019-07-02 浙江大学 基于toa测距方法与北斗授时同步的智能终端定位系统及方法
CN112710986B (zh) * 2020-12-18 2023-03-31 武汉大学 基于5g信号同步的声音定位方法及系统
CN113203982B (zh) * 2021-04-30 2024-06-07 中煤科工集团重庆研究院有限公司 一种矿用tdoa跨区域定位方法
CN113589231B (zh) * 2021-07-09 2024-02-02 南京航空航天大学 一种基于声波的多手机定位方法
CN116962964A (zh) * 2022-04-20 2023-10-27 华为技术有限公司 一种定位方法及通信装置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104297729A (zh) * 2014-09-28 2015-01-21 联想(北京)有限公司 一种信息处理方法及电子设备
CN104459626A (zh) * 2014-11-13 2015-03-25 南昌大学 基于cdma-tdma结合的超声波室内定位方法
CN105338625A (zh) * 2015-11-26 2016-02-17 北京像素软件科技股份有限公司 一种超声波室内定位方法及系统
WO2016048022A1 (ko) * 2014-09-24 2016-03-31 주식회사 에이텍정보기술 하이브리드 기반의 공간위치 추적시스템
CN106291463A (zh) * 2016-07-27 2017-01-04 南京崇山通信科技有限公司 一种基于WiFi和声波结合的室内定位方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016048022A1 (ko) * 2014-09-24 2016-03-31 주식회사 에이텍정보기술 하이브리드 기반의 공간위치 추적시스템
CN104297729A (zh) * 2014-09-28 2015-01-21 联想(北京)有限公司 一种信息处理方法及电子设备
CN104459626A (zh) * 2014-11-13 2015-03-25 南昌大学 基于cdma-tdma结合的超声波室内定位方法
CN105338625A (zh) * 2015-11-26 2016-02-17 北京像素软件科技股份有限公司 一种超声波室内定位方法及系统
CN106291463A (zh) * 2016-07-27 2017-01-04 南京崇山通信科技有限公司 一种基于WiFi和声波结合的室内定位方法

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