CN108124309B

CN108124309B - 一种导航式距离差计算方法、tdoa定位方法及装置

Info

Publication number: CN108124309B
Application number: CN201711327684.6A
Authority: CN
Inventors: 高阳
Original assignee: Chengdu Sixiangzhi New Technology Co ltd
Current assignee: Chengdu Sixiangzhi New Technology Co., Ltd.
Priority date: 2017-12-13
Filing date: 2017-12-13
Publication date: 2020-04-07
Anticipated expiration: 2037-12-13
Also published as: CN108124309A

Abstract

本发明涉及TDOA定位技术，尤其是一种导航式距离差计算方法、TDOA定位方法及装置。本发明中各个定位基站按照正序依次广播UWB信号给终端；然后各个定位基站反序依次广播UWB信号给终端；终端接收各个定位基站正序依次广播的所述UWB信号，并记录终端接收到该UWB信号时对应的本地接收时间t_zs；同理，终端接收各个定位基站反序依次广播的UWB信号，记录终端接收到该UWB信号时对应的本地接收时间t_zf;根据终端接收到的任意两个定位基站正序、反序广播的UWB信号的本地接收时间计算终端到对应两个定位基站之间的距离差。

Description

一种导航式距离差计算方法、TDOA定位方法及装置

技术领域

本发明涉及TDOA定位技术，尤其是一种导航式距离差计算方法、TDOA定位方法及装置。

背景技术

当前基于UWB的TDOA定位技术，如图1所示，终端广播信号，各个定位基站接收，并将接收时间戳信息传送到由服务器或者专用处理器构成的定位引擎，由定位引擎计算出终端位置。使用该技术，对于例如人员监控，物资监控等位置跟踪应用已经可以满足需求。但是，例如机器人导航，机车导航等应用中，终端需要知道自己的位置信息，如果使用该方式，终端只能通过无线网络访问定位引擎获得自己的位置，从而造成不小的延时，在很多对延时有严格要求的导航应用中是不可接受的。同时，终端的容量也受到限制。针对该问题，后来就有了导航式定位方法。

现有的导航式定位方法如专利申请号为CN201310178604.0中，提出的一种被动式定位方法，如所图2示，由定位基站广播信号，终端接收各个定位基站的广播信号，根据接收信号的到达时间和发送时间计算自己的位置。使用该方法，可以大大节省定位延时，达到实时定位。并且所有终端都可以同时接收定位信号，因此终端可以做到无限容量。但是，该方法的实现过程中，定位终端需要在不同时刻接收不同定位基站的信号，由于定位终端和定位基站存在因为工艺和温度等因素产生频率误差，会导致定位精度受频率误差的影响而恶化。而现有的导航式定位技术中，一方面技术人员通常假设定位终端频率与定位基站频率完全相同，往往忽略了定位终端与定位基站频率差造成的误差，故而其实际定位效果不佳。另一方面，若考虑了定位终端和定位基站之间的频率误差，假设定位基站和终端计时器频率比为k时，要使用k进行修正时，需要硬件或者系统能以某些方式测出终端和定位基站之间的频率比，增大了系统复杂程度。同时，测频率比会存在误差，并且该误差随着时间累积，影响定位精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种导航式距离差计算方法、TDOA定位方法及装置。即定位基站按照正序发，再反序发。

本发明采用的技术方案如下：

一种导航式距离差计算方法包括：

各个定位基站按照正序依次广播UWB信号给终端；然后各个定位基站反序依次广播UWB信号给终端；

终端接收各个定位基站正序依次广播的所述UWB信号，并记录接收到该UWB信号时对应的本地接收时间t_zs；同理，终端接收各个定位基站反序依次广播的UWB信号，记录接收到该UWB信号时对应的本地接收时间t_zf；

根据终端接收到的任意两个定位基站正序、反序广播的UWB信号时的本地接收时间计算终端到对应两个定位基站之间的距离差。

进一步的，所述各个定位基站的计时器频率相同。

进一步的，所述终端到两个定位基站之间的距离差＝c*((t_zsi-t_zsj)-(t_zfj-t_zfi))/2；其中，i，j为任意两个定位基站的基站号；t_zsi代表终端接收定位基站i正向顺序广播UWB信号时，终端记录的该UWB信号对应的时间值；t_zsj代表终端接收定位基站j正向顺序广播UWB信号时，终端记录的该UWB信号对应的时间值；t_zfi代表终端接收定位基站i反向顺序广播UWB信号时，终端记录的该UWB信号对应的时间值；t_zfj代表终端接收定位基站j反向顺序广播UWB信号时，终端记录的该UWB信号对应的时间值。

基于所述距离差计算方法的TDOA定位方法还包括：终端根据所述终端到对应两个定位基站之间的距离差，利用双曲线定位原理获得终端一维位置、二维位置或者三维位置；其中获得一维位置时，定位基站数量为至少两个；获得终端二维位置时，定位基站数量至少为4个不共线定位基站；获得终端的三维位置时，定位基站数量至少为5个不共线定位基站。

一种导航式距离差计算装置包括：

定位基站：所述各个定位基站按照正序依次广播UWB信号给终端，然后各个定位基站反序依次广播UWB信号给终端；

终端：所述终端接收各个定位基站正序依次广播的所述UWB信号，并记录该UWB信号对应的本地时间t_zs；同理，终端接收各个定位基站反序依次广播的UWB信号，记录该UWB信号对应的本地时间t_zf；终端根据任意两个定位基站正序、反序广播UWB信号的本地时间计算终端到对应两个定位基站之间的距离差。

进一步的，所述各个定位基站的计时器频率相同。例如可以通过线缆向各个定位基站传送同一个计时器时钟。

基于所述距离差计算装置的TDOA定位装置还包括：终端根据所述终端到对应两个定位基站之间的距离差，获得终端一维位置、二维位置或者三维位置；其中获得一维位置时，定位基站数量为至少两个；获得终端二维位置时，定位基站数量至少为4个不共线定位基站；获得终端的三维位置时，定位基站数量至少为5个不共线定位基站。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明以数个定位基站和终端组成，终端可以获得到任意两个定位基站之间的距离差，利用终端到任意两个定位基站之间的距离差信息，通过双曲线定位原理即可获得终端位置。解决了传统的终端广播定位信号的TDOA定位技术在导航使用中面临的延时，容量问题。相比现有的导航式定位方法，本发明考虑了终端与定位基站的频率误差对距离差测量精度的影响，提出了使用定位基站与定位终端的频率差信息参与解算，在求解任意两个定位基站与终端之间的距离差时，只需要利用终端接收到这两个定位基站分别正序和反序方式发送的UWB定位信号时的四个时间戳，即可消除频率误差，从而获得更高的距离差测量精度。该方案的实现方式十分巧妙，计算简单，运算量小，故而定位终端也无需使用高性能的MCU，提高了距离差测量精度，降低了定位终端功耗，同时也大大减少了定位系统成本。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是现有技术中的定位方法结构示意图。

图2是现有技术中的导航式定位方法的结构示意图。

图3是本发明一实施例(以4个不共线定位基站和一个定位终端)结构示意图。

图4是本发明中4个不共线定位基站正序以及反序广播UWB信号时，终端记录本地接收时间tzs和tzf的示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

一、本发明导航式距离差计算方法，实现过程是：

步骤1：各个定位基站按照正序依次广播UWB信号给终端；然后各个定位基站反序依次广播UWB信号给终端；

步骤2：终端接收各个定位基站正序依次广播的所述UWB信号，并记录接收到该UWB信号时对应的本地接收时间t_zs；同理，终端接收各个定位基站反序依次广播的UWB信号，记录接收到该UWB信号时对应的本地接收时间t_zf；

步骤3：根据终端接收到任意两个定位基站正序、反序广播的UWB信号时的本地时间计算终端到对应两个定位基站之间的距离差。其中，

1、所述各个定位基站的计时器频率相同，具体设置过程是：

从n个定位基站之中选择一个定位基站作为主基站，可以通过线缆从主基站向其余n-1个定位基站输送时钟，使n个定位基站都有完全相同的计时器频率。终端的计时器频率与定位基站的计时器频率由于工艺误差和温漂不完全相同。

例如图3所述，4个定位基站之中选择一个定位基站作为主基站，通过线缆向其余3个定位基站输送时钟，使4个定位基站都有完全相同的计时器频率fb。终端的计时器频率与定位基站由于工艺误差和温漂不完全相同，记为fz。

2、各个定位基站正序广播UWB信号，然后各个定位基站反序广播UWB信号；

更具体的，以4个定位基站举例说明：为4个定位基站分配序号1-4。4个定位基站按照1-2-3-4-3-2-1的顺序依次广播UWB信号。其中，1-2-3-4叫做正序广播，4-3-2-1叫做反序广播。

3、每个定位基站在接收到上述顺序的前一个定位基站的UWB广播信号后，经过△t后开始广播本定位基站UWB信号。

更具体的，以定位基站的计时器频率f_b作为计时基准，设定位基站1的广播传播到定位基站2的时间为t_△12，定位基站2的广播传播到定位基站1的时间为t_△21，由无线链路的可逆性可知，t_△12＝t_△21。则定位基站1在t_1S时刻进行顺序广播时，定位基站2在t_2S＝t_1S+t_△12+△t时刻进行顺序广播。定位基站2在t_2F时刻进行反序广播时，定位基站1在t_1F＝t_2F+t_△21+△t时刻进行反序广播。

由上一条可以得到，定位基站1和2的实际顺序广播时间差为△t₁₂＝t_2S-t_1S＝t_△12+△t，反序广播时间差为△t₂₁＝t_1F-t_2F＝t_△21+△t，可以得到△t₁₂＝△t₂₁。即定位基站1和定位基站2顺序广播的发送时间差和反序广播的发送时间差是相等的。

类似的，可以得到任意两个定位基站M和N的顺序广播发送时间差△t_MN和反序广播发送时间差△t_NM是相等的。

4、终端接收该次定位的每个定位基站的广播信号，并记录下接收到各个定位基站正序和反序广播的定位信号时对应的本地接收时间tzs和tzf。如图4所示。

5、终端只需要利用接收到的任意两个定位基站分别正序和反序方式发送的UWB定位信号时的四个时间戳，即可计算终端与这两个定位基站之间的距离差d1-d2＝c(△t_1z-△t_2z)＝c((t_zf1-t_zf2)-(t_zs2-t_zs1))/2。该方法消除了定位基站与终端之间的频率误差对距离差测量精度的影响，并且计算量简单，不需要终端使用高性能的MCU。

更具体的，仍以定位基站1和定位基站2进行说明。设定位基站的计时器频率f_b与终端的计时器频率f_z的比值为k＝f_b/f_z，以终端的计时器频率f_z作为计时基准，定位基站1到终端的传播延时为△t_1z，定位基站2到终端的传播延时为△t_2z，则终端到定位基站1和定位基站2之间的距离差为d₁-d₂＝c(△t_1z-△t_2z)。其中，

a)顺序广播时，记定位基站在t_1S时刻对应的终端时间为t_1s’,定位基站在t_2S时刻对应的终端为t_2s’，则t_2S’-t_1S’＝k△t₁₂,则t_zs2-t_zs1＝(t_2S’+△t_2z)-(t_1S’+△t_1z)＝(t_2S’-t_1S’)+(△t_2z-△t_1z)＝k△t₁₂+(△t_2z-△t_1z)。

b)同理可得，反序广播时，t_zf1-t_zf2＝k△t₂₁+(△t_1z-△t_2z)。

c)由于△t₁₂＝△t₂₁，可以得到d₁-d₂＝c(△t_1z-△t_2z)＝c((t_zf1-t_zf2)-(t_zs2-t_zs1))/2。

二、基于上述距离差计算方法，终端一维位置、二维位置或者三维位置获取过程具体是：

1.利用双曲线与定位基站连线的交点确定终端一维位置，具体过程是：定位基站A与定位基站B的坐标已知，终端到两个已知定位基站A、B坐标点的距离差已知。因此，标签可能存在的位置为以定位基站A和B为焦点的双曲线的其中一条上(距离差正负已知)。如果已知标签就处于定位基站A和定位基站B的连接线上，则可以利用这两个定位基站进行一维定位。该方法常用于一维定位中，例如隧道，过道，由于环境因素，限制标签相对于定位基站的方向，则系统可根据地图信息自动获得标签位置。

2.利用至少4个不共线定位基站(其中不共线定位基站指的是任意三个定位基站都不在同一直线上；)的双曲线的交点确定终端二维位置，具体过程是：以四个定位基站为例，布设4个不共线的定位基站，分别测量标签与两个定位基站之间的距离差。用d_i，12表示终端到定位基站1、定位基站2的距离差；d_i，23表示终端到定位基站2、定位基站3的距离差；d_i，34表示终端到定位基站3、定位基站4的距离差，按照上述一的实施方法，则d_i，12、d_i，23、d_i，34、为已知的数据。设(x₁，y₁,z₁)为定位基站1的坐标，(x₂，y₂,z₂)为定位基站2的坐标，(x₃，y₃,z₃)为定位基站3的坐标，(x₄，y₄,z₄)为定位基站4的坐标，终端的坐标为(x_i,y_i,z_i),其中各个定位基站坐标已知，终端坐标中的z_i为已知值，则终端二维位置计算公式如公式1所示：

理论上利用三组不相关的距离差信息，通过求得双曲线的交点就可以精确获得标签的二维坐标，但实际定位过程中往往因为受到环境的干扰所以一般需要利用引入冗余数据才会使得定位更加精确。即可能需要用到其他冗余的距离差信息例如终端与定位基站1和定位基站4之间的距离差来精确解算出定位标签的二维位置坐标。计算公式如公式2所示：

3、类似于上述2，利用至少5个不共线定位基站双曲面的交点确定终端三

维空间位置。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims

1.一种导航式距离差计算方法，其特征在于包括：

终端接收各个定位基站正序依次广播的所述UWB信号，并记录接收到该UWB信号对应的本地接收时间t_zs；同理，终端接收各个定位基站反序依次广播的UWB信号，记录接收到该UWB信号对应的本地时间t_zf；

根据终端接收到任意两个定位基站正序、反序广播的UWB信号时的本地接收时间计算终端到对应两个定位基站之间的距离差；

其中，所述计算终端到两个定位基站之间的距离差的步骤包括:终端利用接收到的任意两个定位基站分别正序和反序方式发送的UWB定位信号时的四个时间戳，计算终端与这两个定位基站之间的距离差d1-d2＝c(△t_iz-△t_jz)＝c*((t_zsi-t_zsj)-(t_zfj-t_zfi))/2；i，j为任意两个定位基站的基站号；t_zsi代表终端接收定位基站i正向顺序广播UWB信号时，终端记录的该UWB信号对应的时间值；t_zsj代表终端接收定位基站j正向顺序广播UWB信号时，终端记录的该UWB信号对应的时间值；t_zfi代表终端接收定位基站i反向顺序广播UWB信号时，终端记录的该UWB信号对应的时间值；t_zfj代表终端接收定位基站j反向顺序广播UWB信号时，终端记录的该UWB信号对应的时间值；△t_iz为定位基站i到终端的传播延时，△t_jz为定位基站j到终端的传播延时。

2.根据权利要求1所述的一种导航式距离差计算方法，其特征在于所述各个定位基站的计时器频率相同。

3.基于权利要求1或2所述距离差计算方法的TDOA定位方法，其特征在于还包括：终端根据所述终端到对应两个定位基站之间的距离差，利用双曲线定位原理获得终端一维位置、二维位置或者三维位置；其中获得一维位置时，定位基站数量为至少两个；获得终端二维位置时，定位基站数量至少为4个不共线定位基站；获得终端的三维位置时，定位基站数量至少为5个不共线定位基站。

4.一种导航式距离差计算装置，其特征在于包括：

广播UWB信号模块，各个定位基站按照正序依次广播UWB信号给终端，然后各个定位基站反序依次广播UWB信号给终端；

距离差计算模块，所述终端接收各个定位基站正序依次广播的所述UWB信号，并记录接收到该UWB信号时对应的本地接收时间t_zs；同理，终端接收各个定位基站反序依次广播的UWB信号，记录接收到该UWB信号时对应的本地接收时间t_zf；终端根据其接收到的任意两个定位基站正序、反序广播UWB信号时的本地接收时间计算终端到对应两个定位基站之间的距离差；

5.根据权利要求4所述的一种导航式距离差计算装置，其特征在于所述各个定位基站的计时器频率相同。

6.基于权利要求4或5所述距离差计算装置的TDOA定位装置，其特征在于还包括：终端根据所述终端到对应两个定位基站之间的距离差，获得终端一维位置、二维位置或者三维位置；其中获得一维位置时，定位基站数量为至少两个；获得终端二维位置时，定位基站数量至少为4个不共线定位基站；获得终端的三维位置时，定位基站数量至少为5个不共线定位基站。