CN108093474A - 利用虚拟时间同步实现室内定位的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用虚拟时间同步实现室内定位的方法及系统，该方案中在定位时，锚节点之间无需进行硬件同步，节约了网络资源；由于每次虚拟同步都是一次新的开始，消除了同步的误差累积，可以提高室内定位的精确度；此外，在进行虚拟时间同步时，不需要安装额外的设备，极大地降低了传统TDOA方法的复杂性和计算度，降低了成本。

Description

利用虚拟时间同步实现室内定位的方法及系统

技术领域

本发明涉及无线网络技术与室内定位系统领域，尤其涉及一种利用虚拟时间同步实现室内定位的方法及系统。

背景技术

由于人们的需求，位置感知定位正成为很多新型的计算领域的一个重要需求点，而且位置感知服务业带来了很多新型的位置服务应用，如当下流行的地图导航、室内人员监控管理、特种人质拯救系统等应用。尽管GPS在室外定位上获得了很大而广泛的应用，由于其信号无法穿透屋顶和建筑材料，在室内环境的应用十分有限。智能工厂作为一个典型的室内环境应用，在智能工厂里面使用位置感知的计算服务就依靠于一个有效而有力室内环境定位系统。

当前基于WIFI、蓝牙或ZigBee等实现的室内定位系统，存在精度不高、电磁环境适应性差等不足。

目前，主要的室内定位基本算法有四种，分别是：时间到达法(TOA，Time ofArrival)；时间到达差法(TDOA，Time Difference of Arrival)；信号强度法(RSSI，Received Signal Strength Indication)；到达角度法(AOA，Angle of Arrival)。

在基于TDOA的室内定位算法中，定位过程需要两个阶段来完成，第一阶段的任务是测量待定位节点到两个锚节点的传播时延差(TDOA)值，第二阶段的任务就是对节点实现定位，估计其相对坐标位置。TDOA测量技术是时差定位系统中的一项关键技术，其测量精度直接关系到系统的定位精度；但是目前的相关方案中计算量较大，而且锚节点之间同步将占用大量的网络资源，同时，锚节点之间的多次同步也造成误差累积，影响后续定位精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用虚拟时间同步实现室内定位的方法及系统，实现了高精度的室内定位，极大地降低了传统TDOA方法的复杂性和计算度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种利用虚拟时间同步实现室内定位的方法，包括：

由虚拟同步节点、待定位节点分别在不同时刻对应的发送虚拟同步信号、定位信号；

各个锚节点分别接收所述虚拟同步信号和定位信号，并将虚拟同步信号与定位信号中包含的时间戳，以及接收到虚拟同步信号与定位信号的时间戳发送至定位服务器；

定位服务器提取多个锚节点发送的上述数据，基于虚拟同步信号中包含的时间戳，将任意两个锚节点接收到的同一个定位信号的时间戳映射到虚拟同步节点的时钟维度上，从而获得TDOA信息；然后，重复上述过程，获得多组TDOA信息，从而计算待定位节点的位置。

一种利用虚拟时间同步实现室内定位的系统，包括：

虚拟同步节点，用于发送虚拟同步信号；

待定位节点，用于发送定位信号；所述虚拟同步信号与定位信号在不同时刻发送；

锚节点，用于接收所述虚拟同步信号和定位信号，并将虚拟同步信号与定位信号中包含的时间戳，以及接收到虚拟同步信号与定位信号的时间戳发送至定位服务器；

定位服务器，用于提取多个锚节点发送的上述数据，基于虚拟同步信号中包含的时间戳，将任意两个锚节点接收到的同一个定位信号的时间戳映射到虚拟同步节点的时钟维度上，从而获得TDOA信息；然后，重复上述过程，获得多组TDOA信息，从而计算待定位节点的位置。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，在定位过程中，锚节点之间无需进行硬件同步，节约了网络资源；由于每次虚拟时间同步都是一次新的开始，消除了同步的误差累积，可以提高室内定位的精确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例一提供的一种利用虚拟时间同步实现室内定位的方法的流程图；

图2为本发明实施例一提供的锚节点发送数据的格式示意图；

图3为本发明实施例一提供的虚拟时间同步过程的示意图；

图4为本发明实施例一提供的待定位节点坐标解算的原理图；

图5为本发明实施例二提供的系统拓扑图；

图6为本发明实施例二提供的系统的工作流程图；

图7为本发明实施例二提供的系统中节点硬件结构图；

图8为本发明实施例二提供的系统中网关的硬件结构图；

图9为本发明实施例二提供的系统中服务器的处理流程图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例一

本发明实施例提供一种利用虚拟时间同步实现室内定位的方法，如图1所示，其主要包括如下步骤：

步骤1、由虚拟同步节点、待定位节点分别在不同时刻对应的发送虚拟同步信号、定位信号。

步骤2、各个锚节点分别接收所述虚拟同步信号和定位信号，并将虚拟同步信号与定位信号中包含的时间戳，以及接收到虚拟同步信号与定位信号的时间戳发送至定位服务器。

本发明实施例中，虚拟同步信号的时间戳为上次发送虚拟同步信号的时间戳，还包含了本次发送虚拟同步信号的序列号(用于数据对齐)；定位信号的时间戳为上次发送定位信号的时间戳，还包含本次发送定位信号的序列号。

如图2所示，为锚节点发送数据的格式，锚节点将按照图2所示的格式进行数据封装并发送给定位服务器。发送设备ID用来标识虚拟同步节点或者待定位节点，而通过序列号Seq进行对齐，防止丢包后引起不可预知的错误，上次的发送时间戳PS对应于虚拟同步节点或者待定位节点中包含的上次的发送时间戳；接收设备ID用于标识锚节点，本次的发送时间戳CR表示锚节点接收到虚拟同步节点或者待定位节点的时间戳；其中的发送设备ID、序列号、上次的发送时间戳PS与本次的发送时间戳CR是对应于同一个虚拟同步节点或者待定位节点。

步骤3、定位服务器提取多个锚节点发送的上述数据，基于虚拟同步信号中包含的时间戳，将任意两个锚节点接收到的同一个定位信号的时间戳映射到虚拟同步节点的时钟维度上，从而获得TDOA信息；然后，重复上述过程，获得多组TDOA信息，从而计算待定位节点的位置。

本步骤中，先要进行时间的映射，即进行虚拟时间同步，也就是将与虚拟同步信号相关的时间戳作为时间参考轴，根据锚节点接收到上一次虚拟同步信号与本次虚拟同步信号的时间戳，来确定锚节点接收到上一次定位信号的时间戳所在区间。

本发明实施例中，进行虚拟时间同步，也即确定锚节点接收到本次定位信号的时间戳映射到虚拟同步节点时钟维度上所对应的时间戳；而该时间戳，与虚拟同步节点上一次和本次发送虚拟同步信号的时间戳、锚节点接收到上一次和本次虚拟同步信号的发送时间戳，以及锚节点接收到本次定位信号的时间戳存在映射关系；映射关系表示为：

(同步信号发送_上次时间-定位信号接收_本次映射)/(同步信号发送_本次时间-同步信号发送_上次时间)＝(同步信号接收_上次时间-定位信号接收_本次时间)/(同步信号接收_本次时间-同步信号接收_上次时间)。

上式中，同步信号发送_上次时间，即为虚拟同步节点上一次发送虚拟同步信号的时间戳；定位信号接收_本次映射，即为锚节点接收到本次定位信号的时间戳映射到虚拟同步节点时钟维度上所对应的时间戳(待求解)；同步信号发送_本次时间，即为虚拟同步节点本次发送虚拟同步信号的时间戳(锚节点可以在下一次接收到虚拟同步信号时确定该时间戳)；同步信号接收_上次时间，即为锚节点接收到上一次虚拟同步信号的时间戳；定位信号接收_本次时间，即为锚节点接收到本次定位信号的时间戳；同步信号接收_本次时间，即为锚节点接收到本次虚拟同步信号的时间戳。

对于提取出来的任意两个锚节点，根据上述公式可以计算出相关的映射时间(即时钟的“定位信号接收_本次映射”)，从而计算两个锚节点针对同一个定位信号的时间差，即TDOA信息，最终计算其距离差。

根据虚拟同步节点的位置、多组TDOA信息及相关锚节点的位置，求解定位方程组，从而获得待定位节点的位置。

如图3所示，为虚拟时间同步过程的示意图。每条竖线代表的分别是每个节点的时间轴(ANA、ANB分别对应锚节点A、B；RN对应虚拟同步节点；Tag对应待定位节点)，虚拟同步节点定时发送虚拟同步信号，并且可以记录下发送的时间(本次记录，下一次信号才发送本次信号发送的时间)，而锚节点收到了这个虚拟定位信号，也可以记录接收的时间，A₁、A₂、B₁、B₂代表锚节点A和B收到虚拟同步节点两次虚拟同步信号的时间，R₁、R₂则是虚拟同步节点发送这两个虚拟同步信号的时间，S代表待定位节点发送定位信号的时间，A_T、B_T分别是锚节点A、B收到这个信号的时间。把定位节点发送的同一个定位信号到锚节点A、B的时间统一规划到虚拟同步节点的时钟维度上来：

A_T->>R₁+(R₂-R₁)*(A_T-A₁)/(A₂-A₁)

B_T->>R₁+(R₂-R₁)*(B_T-B₁)/(B₂-B₁)

TDOA＝(R₂-R₁)*((A_T-A₁)/(A₂-A₁)-(B_T-B₁)/(B₂-B₁))。

原理如下：

当锚节点收到定位信号后，时间距离上次虚拟同步信号到达的时间是△ta＝A_T-A₁和△tb＝B_T-B₁。在不考虑随机误差和干扰误差的情况下，当虚拟同步节点到两个锚节点距离相等时，两个锚节点收到虚拟同步信号应为同一时刻，即A₁、B₁为同一时刻。现在假设同步节点和锚节点的时钟漂移相同，即实测的△ta等于虚拟同步节点时间标准下的△ta_s，实测的△tb等于虚拟同步节点时间标准下的△ta_s，因为A₁、B₁是同一时刻，所以到达的时间差为TDOA＝△ta_s-△tb_s＝△ta-△tb。

考虑时钟漂移存在差异，即以锚节点A的时间标准去衡量△ta是不同于同步节点去衡量的△ta_s，但是由于同步信号的发送间隔很短，在短时间内时钟漂移可以看做定值，也即锚节点与虚拟同步节点的时钟漂移比W恒定，以锚节点A为例Wa＝(A₂-A₁)/(R₂-R₁)＝△ta/△ta_s。

将这个时钟漂移比补偿到之前的公式中的出最后的结论：

TDOA＝△ta_s-△tb_s＝△ta/Wa-△tb/Wb＝(R₂-R₁)*((A_T-A₁)/(A₂-A₁)-(B_T-B₁)/(B₂-B₁))。

同理，当虚拟同步节点到两个锚节点距离不相等时，映射公式可以表示为：

TDOA＝(R₂-R₁)*((A_T-A₁)/(A₂-A₁)-(B_T-B₁)/(B₂-B₁))+(dis_ra-dis_rb)/c

其中，dis_ra和dis_rb分别为虚拟同步节点到锚节点A和B的距离，c为信号传播速度。

如图4所示，为待定位节点坐标解算的原理图。TDOA算法能够测得到达的时间差，而电磁波传播速度为c，是个已知量，所以TDOA计算后可以得到待定位节点到两个锚节点的距离差d。现在考虑这样的场景：有三个锚节节点A、B、C，一个虚拟同步节点RN和一个待定位节点Tag，通过上面的虚拟同步策略，可以得到待定位节点到任意两个锚节点的距离差，分别为ΔAB，ΔAC，ΔBC因为ΔAB-ΔAC＝-ΔBC所以有效数据其实只有两组。以ΔAB，ΔAC为例，可以根据距离差为定值这一条件，在平面中画双曲线(其中一支)，这样便得到两条双曲线，而双曲线的交点就是即为的待定位节点的位置。于是问题转变为如何求一对双曲线的交点。

求两双曲线的交点涉及到高等数学范畴的超越方程求解问题。在程序设计求解类似问题的时候常采用的方法是牛顿迭代法。牛顿迭代法的主要思想是，当遇到非线性的方程求解的时候，在选择合适的初值点后，进行迭代，用线性解的方式不断去约束非线性解。

实施例二

本发明实施例提供一种利用虚拟时间同步实现室内定位的系统，其主要包括：

虚拟同步节点，用于发送虚拟同步信号；

待定位节点，用于发送定位信号；所述虚拟同步信号与定位信号在不同时刻发送；

锚节点，用于接收所述虚拟同步信号和定位信号，并将虚拟同步信号与定位信号中包含的时间戳，以及接收到虚拟同步信号与定位信号的时间戳发送至定位服务器；

定位服务器，用于提取多个锚节点发送的上述数据，基于虚拟同步信号中包含的时间戳，将任意两个锚节点接收到的同一个定位信号的时间戳映射到虚拟同步节点的时钟维度上，从而获得TDOA信息；然后，重复上述过程，获得多组TDOA信息，从而计算待定位节点的位置。

本发明实施例中，虚拟同步信号的时间戳为上次发送虚拟同步信号的时间戳，还包含了本次发送虚拟同步信号的序列号；

定位信号的时间戳为上次发送定位信号的时间戳，还包含本次发送定位信号的序列号。

本发明实施例中，锚节点接收到上一次定位信号的时间戳，位于接收到上一次虚拟同步信号与本次虚拟同步信号的时间戳之间；

将与虚拟同步信号相关的时间戳作为时间参考轴，根据锚节点接收到上一次虚拟同步信号与本次虚拟同步信号的时间戳，来确定锚节点接收到上一次定位信号的时间戳所在区间。

本发明实施例中，锚节点接收到的上次定位节点的时间戳，位于接收到的上次与本次虚拟同步节点信号的时间戳之间；映射到虚拟同步节点的定位节点接收时间与虚拟同步节点的上次发送时间和本次发送时间，以及锚节点接收到的虚拟同步节点的上一次和本次的时间、接收待定位节点的时间，存在映射关系：

(同步信号发送_上次时间-定位信号接收_本次映射)/(同步信号发送_本次时间-同步信号发送_上次时间)＝(同步信号接收_上次时间-定位信号接收_本次时间)/(同步信号接收_本次时间-同步信号接收_上次时间)。

上式中，同步信号发送_上次时间，即为虚拟同步节点上一次发送虚拟同步信号的时间戳；定位信号接收_本次映射，即为锚节点接收到本次定位信号的时间戳映射到虚拟同步节点时钟维度上所对应的时间戳(待求解)；同步信号发送_本次时间，即为虚拟同步节点本次发送虚拟同步信号的时间戳(锚节点可以在下一次接收到虚拟同步信号时确定该时间戳)；同步信号接收_上次时间，即为锚节点接收到上一次虚拟同步信号的时间戳；定位信号接收_本次时间，即为锚节点接收到本次定位信号的时间戳；同步信号接收_本次时间，即为锚节点接收到本次虚拟同步信号的时间戳。

如图5所示，为本系统的拓扑图。定位以及显示的流程为：锚节点和待定位节点进行TDOA定位得到定位的原始数据，然后将数据传给网关，网关负责转发，将原始数据转发给定位服务器。定位服务器对原始数据进行处理，首先对齐时钟求出到达时间差和距离差，然后利用迭代法求出待定位节点的坐标。并将坐标通过WEB服务器发到前端网页，网页部分则负责处理服务器发过来的坐标转化为图像显示出来，呈现在用户面前。

如图6所示，为本系统的工作流程图。数据的采集：硬件部分采集时间戳信息，并将定位包和同步包的形式传输到定位服务器。定位服务器处理：对收到的数据包进行解析、存储；对同步包进行缓存，对定位包进行收集，并进行坐标计算。计算过程中，选取5个最近的锚节点，利用基于虚拟时间同步的距离差测量方法计算TDOA信息，获取坐标位置后，剔除坏值，获取最终定位结果。WEB服务器处理：将最终的定位结果传送给WEB服务器，经过封装后，发送至网页前端。定位显示：网页前端获取数据，进行定位显示。

如图7所示，系统中节点硬件结构图。数据采集后需要进行转发，第一跳转发为，锚节点到网关。采用的是780MHz频段的芯片LPC1769，控制芯片STM32与LPC1769芯片的接口为串口。

如图8所示，为系统中网关的硬件结构图。转发到网关的过程就是LPC1769芯片的数据交互，网络层面为MAC层。数据部分格式与信标节点发送过来的格式一致。这部分数据的接收端为网关部分的LPC1769芯片，在收到数据后也是通过串口与网关设备进行数据交互，这里的网关设备为Linux系统的网关。

如图9所示，本系统中服务器的处理流程图。经过网关的转发后，数据进入下一跳：网关—定位服务器。这两者之间是基于Internet的以太网口连接，首先传输速度和可靠性是可以保障的，其次数据接口可以使用Socket接口。定位服务端接收到来自网关的Socket包，并进行数据部分的剥离，这里数据部分就是前面提到的锚节点发送的数据包的格式。包含的信息有发送设备ID、数据包序列号Seq、发送节点上次发送时间戳PS、接收设备ID、接收数据包的时间戳CR。得到这些数据后，下一步要进行的是带入时钟同步算法计算TDOA得出距离差，然后带入双曲线迭代算法的到移动节点的坐标。最后将运算得到的坐标数据存储进数据库，同时通过WebSocket接口实时传送到网页前端的页面进行显示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种利用虚拟时间同步实现室内定位的方法，其特征在于，包括：

由虚拟同步节点、待定位节点分别在不同时刻对应的发送虚拟同步信号、定位信号；

各个锚节点分别接收所述虚拟同步信号和定位信号，并将虚拟同步信号与定位信号中包含的时间戳，以及接收到虚拟同步信号与定位信号的时间戳发送至定位服务器；

定位服务器提取多个锚节点发送的上述数据，基于虚拟同步信号中包含的时间戳，将任意两个锚节点接收到的同一个定位信号的时间戳映射到虚拟同步节点的时钟维度上，从而获得TDOA信息；然后，重复上述过程，获得多组TDOA信息，从而计算待定位节点的位置。

2.根据权利要求1所述的一种利用虚拟时间同步实现室内定位的方法，其特征在于，虚拟同步信号的时间戳为上次发送虚拟同步信号的时间戳，还包含了本次发送虚拟同步信号的序列号；

定位信号的时间戳为上次发送定位信号的时间戳，还包含本次发送定位信号的序列号。

3.根据权利要求1所述的一种利用虚拟时间同步实现室内定位的方法，其特征在于，锚节点接收到上一次定位信号的时间戳，位于接收到上一次虚拟同步信号与本次虚拟同步信号的时间戳之间；

将与虚拟同步信号相关的时间戳作为时间参考轴，根据锚节点接收到上一次虚拟同步信号与本次虚拟同步信号的时间戳，来确定锚节点接收到上一次定位信号的时间戳所在区间。

4.根据权利要求1或3所述的一种利用虚拟时间同步实现室内定位的方法，其特征在于，将锚节点接收到本次定位信号的时间戳映射到虚拟同步节点时钟维度上所对应的时间戳；而该时间戳，与虚拟同步节点上一次和本次发送虚拟同步信号的时间戳、锚节点接收到上一次和本次虚拟同步信号的发送时间戳，以及锚节点接收到本次定位信号的时间戳存在映射关系；映射关系表示为：

(同步信号发送_上次时间-定位信号接收_本次映射)/(同步信号发送_本次时间-同步信号发送_上次时间)＝(同步信号接收_上次时间-定位信号接收_本次时间)/(同步信号接收_本次时间-同步信号接收_上次时间)；

上式中，同步信号发送_上次时间，即为虚拟同步节点上一次发送虚拟同步信号的时间戳；定位信号接收_本次映射，即为锚节点接收到本次定位信号的时间戳映射到虚拟同步节点时钟维度上所对应的时间戳；同步信号发送_本次时间，即为虚拟同步节点本次发送虚拟同步信号的时间戳；同步信号接收_上次时间，即为锚节点接收到上一次虚拟同步信号的时间戳；定位信号接收_本次时间，即为锚节点接收到本次定位信号的时间戳；同步信号接收_本次时间，即为锚节点接收到本次虚拟同步信号的时间戳。

5.一种利用虚拟时间同步实现室内定位的系统，其特征在于，包括：

虚拟同步节点，用于发送虚拟同步信号；

待定位节点，用于发送定位信号；所述虚拟同步信号与定位信号在不同时刻发送；

锚节点，用于接收所述虚拟同步信号和定位信号，并将虚拟同步信号与定位信号中包含的时间戳，以及接收到虚拟同步信号与定位信号的时间戳发送至定位服务器；

定位服务器，用于提取多个锚节点发送的上述数据，基于虚拟同步信号中包含的时间戳，将任意两个锚节点接收到的同一个定位信号的时间戳映射到虚拟同步节点的时钟维度上，从而获得TDOA信息；然后，重复上述过程，获得多组TDOA信息，从而计算待定位节点的位置。

6.根据权利要求5所述的一种利用虚拟时间同步实现室内定位的系统，其特征在于，虚拟同步信号的时间戳为上次发送虚拟同步信号的时间戳，还包含了本次发送虚拟同步信号的序列号；

定位信号的时间戳为上次发送定位信号的时间戳，还包含本次发送定位信号的序列号。

7.根据权利要求5所述的一种利用虚拟时间同步实现室内定位的系统，其特征在于，锚节点接收到上一次定位信号的时间戳，位于接收到上一次虚拟同步信号与本次虚拟同步信号的时间戳之间；

将与虚拟同步信号相关的时间戳作为时间参考轴，根据锚节点接收到上一次虚拟同步信号与本次虚拟同步信号的时间戳，来确定锚节点接收到上一次定位信号的时间戳所在区间。

8.根据权利要求5或7所述的一种利用虚拟时间同步实现室内定位的系统，其特征在于，将锚节点接收到本次定位信号的时间戳映射到虚拟同步节点时钟维度上所对应的时间戳；而该时间戳，与虚拟同步节点上一次和本次发送虚拟同步信号的时间戳、锚节点接收到上一次和本次虚拟同步信号的发送时间戳，以及锚节点接收到本次定位信号的时间戳存在映射关系；映射关系表示为：

(同步信号发送_上次时间-定位信号接收_本次映射)/(同步信号发送_本次时间-同步信号发送_上次时间)＝(同步信号接收_上次时间-定位信号接收_本次时间)/(同步信号接收_本次时间-同步信号接收_上次时间)；

上式中，同步信号发送_上次时间，即为虚拟同步节点上一次发送虚拟同步信号的时间戳；定位信号接收_本次映射，即为锚节点接收到本次定位信号的时间戳映射到虚拟同步节点时钟维度上所对应的时间戳；同步信号发送_本次时间，即为虚拟同步节点本次发送虚拟同步信号的时间戳；同步信号接收_上次时间，即为锚节点接收到上一次虚拟同步信号的时间戳；定位信号接收_本次时间，即为锚节点接收到本次定位信号的时间戳；同步信号接收_本次时间，即为锚节点接收到本次虚拟同步信号的时间戳。