CN108828567A - 一种改进的双向双边测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种改进的双向双边测距方法。该方法由移动节点连续发射两次信号给所有固定参考节点，这些固定参考节点中，一个为主固定参考节点，其余的为从固定参考节点。移动节点通过发射两次对时信号，主固定参考节点发送一次对时响应信号，完成移动节点到主、从固定参考节点的距离差测量，同时移动节点发送的第二次对时信号和主固定参考节点发送的对时响应信号作为双向双边测距中的前两帧信号。本发明中的方法，具有双向双边测距方法定位精度高的优点；同时，只需通过移动节点发射两次对时信号即可测得多个距离差，进而可一次性测量得到移动节点到各个固定参考节点的距离，功耗相对较低，解决了多次双向双边测距耗时长的问题。

Description

一种改进的双向双边测距方法

技术领域

本发明涉及超宽带无线定位技术领域，具体地说是一种改进的双向双边测距方法。

背景技术

目前高精度实时定位系统多采用信号飞行时间测量方法实现定位，通过测量信号飞行时间确定移动节点到固定基站距离或者是移动节点到两个固定基站距离差实现定位。基于信号飞行时间测量的定位方法主要有无需时间同步的TOF(Time Of Flight，TOF)定位方法，需要时间同步的TDOA(Time Difference of Arrival，TDOA)定位方法。TOF定位就是测量出三个(或多个)参考节点与移动节点之间的信号传播时间，从而得到移动节点到三个(或多个)参考节点距离的测量值，测距通常采用双向双边测距。

双向双边测距(Two Way Ranging，TWR)是移动节点(例如佩戴在身上可随人体移动的电子标签)发送信号并记录发送时间，固定参考节点(例如为固定基站)记录接收信号时间，处理完毕后延时并返回响应，移动节点接收到响应信号后记录接收时间并延时一段时间后再次发送信号给固定参考节点，固定参考节点再次接收信号并记录接收时间。最后根据电磁波速度与信号传播时间的乘积，可测得移动节点到固定参考节点的距离。双向双边测距可以通过差分运算滤除时钟偏差及漂移对测量精度的影响，无需高精度晶振即可保证测距精度。当有多个固定参考节点时，为了测量移动节点到各个固定参考节点之间的距离，移动节点需要依次同每个固定参考节点完成双向双边测距，一次TOF二维定位至少需要三次双向双边测距，导致TOF定位占用信道时间长。

发明内容

本发明的目的就是提供一种改进的双向双边测距方法，该方法可解决现有技术中多次双向双边测距导致信道占用时间长、耗时长的问题。

本发明的目的是这样实现的：一种改进的双向双边测距方法，包括如下步骤：

a、移动节点连续发射两次信号，分别为第一信号和第二信号；

b、若干固定参考节点均接收到移动节点所发射的两次信号；若干固定参考节点中，存在一个主固定参考节点，其余固定参考节点均为从固定参考节点；

c、所述主固定参考节点在接收到所述第二信号后，延时一段时间发射第三信号给所有从固定参考节点，同时将第三信号发送给移动节点；

d、所述移动节点在接收到第三信号后延时一段时间发射第四信号给主固定参考节点；

e、根据移动节点、固定参考节点发送信号的时间以及接收信号的时间，再结合固定参考节点彼此之间的距离即可计算得出移动节点到各个固定参考节点之间的距离。

固定参考节点至少为三个，下面以四个为例，具体给出相关的计算公式。

四个固定参考节点中，其中一个为主固定参考节点，另外三个分别是第一从固定参考节点、第二从固定参考节点和第三从固定参考节点；

主固定参考节点与移动节点之间的距离计算公式如下：

第一从固定参考节点与移动节点之间的距离计算公式如下：

其中，

第二从固定参考节点与移动节点之间的距离计算公式如下：

其中，

第三从固定参考节点与移动节点之间的距离计算公式如下：

其中，

上面公式中，S_A为主固定参考节点与移动节点之间的距离，S_B为第一从固定参考节点与移动节点之间的距离，S_C为第二从固定参考节点与移动节点之间的距离，S_D为第三从固定参考节点与移动节点之间的距离；τ_RP′为移动节点接收到第三信号的时间，τ_SP′为移动节点发射第二信号的时间，τ_SP′4为移动节点发射第四信号的时间，τ_RP′4为主固定参考节点接收到第四信号的时间，τ_SA3为主固定参考节点发射第三信号的时间，τ_RA2为主固定参考节点接收到第二信号的时间，τ_RA1为主固定参考节点接收到第一信号的时间，τ_RB1为第一从固定参考节点接收到第一信号的时间，τ_RB2为第一从固定参考节点接收到第二信号的时间，τ_RB3为第一从固定参考节点接收到第三信号的时间，τ_RC1为第二从固定参考节点接收到第一信号的时间，τ_RC2为第二从固定参考节点接收到第二信号的时间，τ_RC3为第二从固定参考节点接收到第三信号的时间，τ_RD1为第三从固定参考节点接收到第一信号的时间，τ_RD2为第三从固定参考节点接收到第二信号的时间，τ_RD3为第三从固定参考节点接收到第三信号的时间；C为光速；S_AB为主固定参考节点与第一从固定参考节点之间的距离，S_AC为主固定参考节点与第二从固定参考节点之间的距离，S_AD为主固定参考节点与第三从固定参考节点之间的距离。

本发明所提供的改进的双向双边测距方法，将若干固定参考节点中的一个作为主固定参考节点，其它固定参考节点作为从固定参考节点，移动节点通过发送两次对时信号，主固定参考节点发送一次对时响应信号，完成移动节点到主、从固定参考节点的距离差测量，同时移动节点发送的第二次对时信号和主固定参考节点发送的对时响应信号作为双向双边测距中的前两帧信号。该方法的优点是移动节点通过给各个固定参考节点发送两次对时信号，主固定参考节点发送一次对时响应信号，可以完成多个距离差的测量。移动节点第二帧对时信号和主固定参考节点对时响应信号被用到了双向双边测距中，通过双向双边测距实现移动节点与主固定参考节点的距离测量，再根据测量的移动节点到主固定参考节点的距离与移动节点到从固定参考节点的距离之差，即可一次性测量得到移动节点到各个固定参考节点的距离。

本发明中改进的双向双边测距方法，具有双向双边测距方法定位精度高的优点。本发明通过移动节点发射两次对时信号以及主固定参考节点发送一次对时响应信号就可测得多个距离差，进而可一次性测量得到移动节点到各个固定参考节点的距离，功耗相对较低。相对于改进前的双向双边测距方法，改进后的双向双边测距方法中移动节点只多发了一个信号，就能实现移动节点与主、从固定参考节点的距离差测量，再结合双向双边测距方法，即可通过一次双向双边测距测得移动节点到多个固定参考节点的距离，解决了多次双向双边测距耗时长的问题。

本发明中改进的双向双边测距方法，由移动节点到主固定参考节点的距离、移动节点到主从固定参考节点的距离差计算移动节点到从固定参考节点的距离，实现了误差补偿，当移动节点与主固定参考节点之间被遮挡时，不影响移动节点到从固定参考节点距离的计算结果。同时，改进的双向双边测距方法较改进前的双向双边测距方法在时间上并没有太大增加。

附图说明

图1是本发明中改进的双向双边测距的过程示意图。

具体实施方式

如图1所示，Tag为移动节点，A、B、C、D为固定参考节点，且A为主固定参考节点，B、C、D为从固定参考节点。移动节点Tag以很短的时间间隔T₁连续发射两次广播信号(均为超宽带信号)，分别为信号1和信号2，四个固定参考节点A、B、C、D均可接收到信号1和信号2。因为移动节点Tag到四个固定参考节点A、B、C、D的距离均不相等，所以四个固定参考节点A、B、C、D接收到信号1和信号2的时间也是不一样的，其差值分别为 (C为光速，ΔS_AB是移动节点Tag到主固定参考节点A的距离与移动节点Tag到从固定参考节点B的距离之差，ΔS_AC是移动节点Tag到主固定参考节点A的距离与移动节点Tag到从固定参考节点C的距离之差，ΔS_AD是移动节点Tag到主固定参考节点A的距离与移动节点Tag到从固定参考节点D的距离之差)。

主固定参考节点A接收到信号1和信号2后，分别测量两个信号的接收时间τ_RA1和τ_RA2，并计算接收时间差(τ_RA2-τ_RA1)；从固定参考节点B接收到信号1和信号2后，分别测量两个信号的接收时间τ_RB1和τ_RB2，并计算接收时间差(τ_RB2-τ_RB1)；从固定参考节点C接收到信号1和信号2后，分别测量两个信号的接收时间τ_RC1和τ_RC2，并计算接收时间差(τ_RC2-τ_RC1)；从固定参考节点D接收到信号1和信号2后，分别测量两个信号的接收时间τ_RD1和τ_RD2，并计算接收时间差(τ_RD2-τ_RD1)。因为移动节点Tag连续发射两次信号的时间间隔很短，固定参考节点接收到两次信号的信号飞行路径偏差很小，所以其影响可以忽略不计。从物理角度出发，四个固定参考节点A、B、C、D接收两次信号的时间间隔应该是一样的，均为T₁，那么测量值(τ_RA2-τ_RA1)、(τ_RB2-τ_RB1)、(τ_RC2-τ_RC1)、(τ_RD2-τ_RD1)均应该相等。

但是在实际中，四个固定参考节点A、B、C、D存在时钟偏差及接收时间测量误差，导致(τ_RA2-τ_RA1)、(τ_RB2-τ_RB1)、(τ_RC2-τ_RC1)、(τ_RD2-τ_RD1)数值不相等。主固定参考节点A接收两次广播信号1和信号2后，以信号2接收时间τ_RA2为起点，延时一段时间T₂后发射信号3给从固定参考节点B、C、D。同时信号3作为双向双边测距的第二帧发送给移动节点Tag。本发明中首先计算出移动节点Tag到主固定参考节点A与移动节点Tag到从固定参考节点B、C、D的距离差(分别为ΔS_AB、ΔS_AC、ΔS_AD)，再利用双向双边测距方法得到移动节点Tag到主固定参考节点A的距离(记为S_A)，即可一次性获得移动节点Tag到各个固定参考节点A、B、C、D的距离。将移动节点Tag到四个固定参考节点A、B、C、D的距离分别记为S_A、S_B、S_C、S_D。

下面以固定参考节点A、B为例进行描述。

计算固定参考节点A和B的时钟频率偏差，如下：

主固定参考节点A接收到信号1和信号2后，根据时间间隔测量值(τ_RA2-τ_RA1)，以信号2接收时间τ_RA2为起点，延时一段时间T₂后在τ_SA3时刻发射信号3给从固定参考节点B，延时时间(τ_SA3-τ_RA2)取值尽量接近(τ_RA2-τ_RA1)。在主固定参考节点A发送的信号3中包含τ_RA1、τ_RA2、τ_SA3测量值。

时间段T₃由从固定参考节点B测量，测量值为(τ_RB3-τ_RB2)，对应于主固定参考节点A的测量值为(τ_RB3-τ_RB2)×k_AB。

根据图1所示，有：

T₂由主固定参考节点A来测量，测量值为(τ_SA3-τ_RA2)。

因此有：

ΔS_AB＝(τ_RB3-τ_RB2)×k_AB×C-(τ_SA3-τ_RA2)×C-S_AB (4)

从固定参考节点B接收到信号3后，读取τ_RA1、τ_RA2、τ_SA3；根据式(3)可计算时间差ΔT_AB，根据式(4)可计算距离差ΔS_AB。

同理可得

ΔS_AC＝(τ_RC3-τ_RC2)×k_AC×C－(τ_SA3-τ_RA2)×C-S_AC (5)

ΔS_AD＝(τ_RD3-τ_RD2)×k_AD×C－(τ_SA3-τ_RA2)×C-S_AD (6)

式(5)中，

式(6)中，

同时，信号3作为双向双边测距的第二帧发送给移动节点Tag，移动节点Tag接收到信号3后延时一段时间t_ReplyP′发送信号4给主固定参考节点A，这样信号2、信号3和信号4完成了双向双边测距，过程如下：

移动节点Tag发射信号2并检测发射时间τ_SP'，主固定参考节点A接收到信号2并测量信号2到达时间τ_RA2，主固定参考节点A延时一段时间T₂后在τ_SA3时刻发射信号3，移动节点Tag接收信号3并检测到达时间τ_RP'，移动节点Tag接收到信号3后延时一段时间t_ReplyP′后在τ_SP′4时刻发送信号4给主固定参考节点A，主固定参考节点A接收到信号4并测量信号4的到达时间τ_RP′4。移动节点Tag在发送信号4时将信号2的发射时间τ_SP'、信号3的接收时间τ_RP'以及延时时间t_ReplyP′一并打包发送给主固定参考节点A。

根据图1中信号2、信号3在移动节点Tag和主固定参考节点A间的飞行路径及时间，可得：

2t_P＝t_RoundP'-T₂＝(τ_RP'-τ_SP')-(τ_SA3-τ_RA2) (7)

移动节点Tag接收到主固定参考节点A所发送的信号3后，提取信号3中的延时时间T₂，延时t_ReplyP′后发送信号4，则可完成两次双边测距，可得：

4t_P＝t_RoundP'-t_ReplyP'+t_RoundA-T₂ (8)

于是，

因此，主固定参考节点A到移动节点Tag的距离S_A为

即

即

根据公式(4)、(5)、(6)和(12)，可得S_B、S_C、S_D的计算公式如下：

上面三式中，

Claims (2)

1.一种改进的双向双边测距方法，其特征是，包括如下步骤：

a、移动节点连续发射两次信号，分别为第一信号和第二信号；

b、若干固定参考节点均接收到移动节点所发射的两次信号；若干固定参考节点中，存在一个主固定参考节点，其余固定参考节点均为从固定参考节点；

c、所述主固定参考节点在接收到所述第二信号后，延时一段时间发射第三信号给所有从固定参考节点，同时将第三信号发送给移动节点；

d、所述移动节点在接收到第三信号后延时一段时间发射第四信号给主固定参考节点；

e、根据移动节点、固定参考节点发送信号的时间以及接收信号的时间，再结合固定参考节点彼此之间的距离即可计算得出移动节点到各个固定参考节点之间的距离。

2.根据权利要求1所述的改进的双向双边测距方法，其特征是，固定参考节点有四个，其中一个是主固定参考节点，另外三个分别是第一从固定参考节点、第二从固定参考节点和第三从固定参考节点；

主固定参考节点与移动节点之间的距离计算公式如下：

第一从固定参考节点与移动节点之间的距离计算公式如下：

式(2)中，

第二从固定参考节点与移动节点之间的距离计算公式如下：

式(3)中，

第三从固定参考节点与移动节点之间的距离计算公式如下：

式(4)中，

上面公式中，S_A为主固定参考节点与移动节点之间的距离，S_B为第一从固定参考节点与移动节点之间的距离，S_C为第二从固定参考节点与移动节点之间的距离，S_D为第三从固定参考节点与移动节点之间的距离；τ_RP′为移动节点接收到第三信号的时间，τ_SP′为移动节点发射第二信号的时间，τ_SP′4为移动节点发射第四信号的时间，τ_RP′4为主固定参考节点接收到第四信号的时间，τ_SA3为主固定参考节点发射第三信号的时间，τ_RA2为主固定参考节点接收到第二信号的时间，τ_RA1为主固定参考节点接收到第一信号的时间，τ_RB1为第一从固定参考节点接收到第一信号的时间，τ_RB2为第一从固定参考节点接收到第二信号的时间，τ_RB3为第一从固定参考节点接收到第三信号的时间，τ_RC1为第二从固定参考节点接收到第一信号的时间，τ_RC2为第二从固定参考节点接收到第二信号的时间，τ_RC3为第二从固定参考节点接收到第三信号的时间，τ_RD1为第三从固定参考节点接收到第一信号的时间，τ_RD2为第三从固定参考节点接收到第二信号的时间，τ_RD3为第三从固定参考节点接收到第三信号的时间；C为光速；S_AB为主固定参考节点与第一从固定参考节点之间的距离，S_AC为主固定参考节点与第二从固定参考节点之间的距离，S_AD为主固定参考节点与第三从固定参考节点之间的距离。