CN109001675B

CN109001675B - 一种基于相位差测量距离差的定位方法

Info

Publication number: CN109001675B
Application number: CN201810874345.8A
Authority: CN
Inventors: 张扬; 邓术芬; 周映伶; 张翔
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2018-08-03
Filing date: 2018-08-03
Publication date: 2022-06-03
Anticipated expiration: 2038-08-03
Also published as: CN109001675A

Abstract

本发明涉及无线电定位领域，提供一种基于相位差测量距离差的定位方法，本发明利用跳频的方式改变两个阶段下基站发送信号的频率，且步进频率已知，在相同阶段基站分时发送信号，待测节点接收基站发送的信号并测量得到多组到达相位差，利用相邻阶段的相位差相减得到各基站与标签的距离差信息，从而实现对待测节点的位置坐标的确定。本发明通过跳频前后两个阶段相位差相减将由基站与待测节点之间的频率偏差引起的对距离差测量的误差降到更低，且利用基站来回发送信号往复差分的方法消除基站之间的初始相差，从而得到更加精确的距离差信息，进而实现对待定位目标的精确定位，相对于同领域的现有技术大大提高了定位精度。

Description

一种基于相位差测量距离差的定位方法

技术领域

本发明涉及无线电定位领域，尤其涉及一种基于相位差测量距离差的定位方法。

背景技术

众所周知，现有的室内定位技术常采用的方法主要有到达角(angle of arrival，AOA)测量、基于信号到达时间(time of arrival，TOA)、基于信号到达时间差(timedifference of a rrival，TDOA)、基于接收信号强度指示(received signal strengthindication，RSSI)、TDOA/AOA混合定位等；其中，AOA算法通过某些硬件设备感知发射节点信号的到达方向，计算接收节点和锚节点之间的相对方位或角度，再利用三角测量法或其他方式计算出未知节点的位置，算法复杂度较高，且需要高精度的天线阵列，从而也会导致系统成本增加；TOA定位系统通过测量信号的传播时间来求取距离，微小的时间检测误差会导致很大的距离估计误差；另外时钟同步也是引起定位误差的原因，如果接收端与发送端无法做到精确的时钟同步，也会导致很大的定位误差，这就要求TOA定位算法需要精确的时间检测装置，硬件设备要求较高；TDOA定位系统通过同一信号到达不同信标节点的时间差定位，系统对时间同步的要求较低，但存在的问题系统对时间信息测量的分辨率较差，尤其是针对窄带信号的测量，难以实现ns级的分辨率，故而在这种情况下系统获得的定位精度较低；而基于RSSI测量的定位方法，信号强度受环境影响大，如受非视距、反射、多径等因素的影响，接收信号值不稳定，定位精度差。

文献“基于相位差测距的RFID室内定位系统设计”中提到的又一种定位方法即基于测量相位差进一步测得标签与读卡器之间的距离从而实现定位；其将标签与读卡器的初始相位和相位偏移量视为相同，但实际应用中，因为硬件设计结构上的差异，或者受温度影响，必然使得发射设备和接收设备存在频率上的偏移，也就使得两者在相位上存在偏差，因此该定位方法在实际应用中也会存在很大的定位误差。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中各种定位方法上存在的问题，提出一种基于相位差测量距离差的定位方法，该方法能够更加有效的定位，通过本发明，能够实现在相同硬件开销下，对接收信号的相位信息测量比通过测量时间信息可以获得更高的分辨率，并且，待测节点与基站之间也无需严格要求初始相位和相位偏移量的相同便能够精准的测得待测节点的位置，大大提高了定位精度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于相位差测量距离差的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、获得待测节点C在第一阶段接收到的任意两个基站A与基站B发送的第一射频信号的相位差；具体过程如下：

步骤1.1、通过有线或无线发送时钟的方式使得基站之间保持时钟同频；

步骤1.2、设置基站发射信号的频率为参考时钟的N倍频率，N为正整数；具体N的取值根据基站发送的射频信号的频率来确定；

步骤1.3、所有基站按时间顺序依次发送第一射频信号，待测节点C接收来自基站A、基站B发送的信号，测得待测节点C接收到两个发送信号的时间差Δt，并测到对应接收时刻的瞬时相位Φ₁、Φ₂，并计算得到相位差：Φ₁-Φ₂；

步骤1.4、基站A与基站B来回发送一次信号，分别测得基站A相对基站B的相位差ε_AB1及基站B相对基站A的相位差ε_BA1；

步骤2、获得待测节点C在第二阶段接收到的任意两个基站A与基站B发送的第二射频信号的相位差；具体过程为：

步骤2.1、更改基站发射信号的频率为参考时钟的N+1倍频率，

步骤2.2、所有基站按时间顺序依次发送第二射频信号，待测节点C接收来自基站A、基站B发送的信号，测到对应接收时刻的瞬时相位Φ₃、Φ₄，并计算得到相位差：Φ₃-Φ₄；

步骤2.3、基站A与基站B来回发送一次信号，分别测得基站A相对基站B的相位差ε_AB2及基站B相对基站A的相位差ε_BA2；

步骤3、基站发射信号的频率不变，基站A连续两个时刻向待测节点C发送第三射频信号，待测节点C接收来自基站A两个信号，并测得对应接收时刻的瞬时相位Φ₅、Φ₆，并计算得到相位差：Φ₆-Φ₅；

步骤4、根据下式计算得到距离差信息d₁-d₂：

其中，d₁表示基站A到待测节点C的距离，d₂表示基站B到待测节点C的距离；c为光速，W为基站参考时钟频率，

W_C为待测节点C的频率；

步骤5、根据上述距离差信息，实现待测节点C定位。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明利用跳频的方式改变两个阶段下基站发送信号的频率，且步进频率已知，在相同阶段基站分时发送信号，待测节点接收基站发送的信号并测量得到多组到达相位差，利用相邻阶段的相位差相减得到各基站与标签的距离差信息，从而实现对待测节点的位置坐标的确定。本发明利用相位测量技术精度的优势，再利用跳频前后两个阶段相位差相减将由基站与待测节点之间的频率偏差引起的对距离差测量的误差降到更低，且利用基站来回发送信号往复差分的方法消除基站之间的初始相差，从而得到更加精确的距离差信息，进而实现对待定位目标的精确定位，相对于同领域的现有技术大大提高了定位精度。

附图说明

图1是本发明基于相位差测量距离差的定位方法的流程图。

图2是本发明实施例中一维定位示意图。

图3是本发明实施例中二维定位示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术给出详细的说明。

本实施例提供一种基于相位差测量距离差的定位方法，其流程如图1所示，具体包含如下步骤：

步骤2.1、更改基站发射信号的频率为参考时钟的N+1倍频率，

步骤4、根据下式计算得到距离差信息d₁-d₂：

W_C为待测节点C的频率；

步骤5、根据上述距离差信息，实现待测节点C定位。

本实施例中，如图1所示，以两个基站为例，完成1维定位；假设待测节点c到基站A的距离为d₁，到基站B的距离为d₂，A、B两基站的时钟同频，且已知距离为d；d₁、d₂均为未知；基站之间时钟同频可以通过有线或者无线发送时钟的方式实现；理论上，设A和B的计时器角速度为W＝2π*500KHz，待测节点c与A、B基站间时钟有微小差别(因晶振精度及温度变化的影响)，理论上，设待测节点c的计时器角速度也为W_c＝2π*500KHz；但实际上存在偏差ΔW＝W-W_c；

将A、B两基站要发射的射频信号频率都设置到参考时钟的N倍频率上，N为正整数，则基站A第一阶段发射的射频信号(天线上)为S_A1＝cos(NWt+ε₁)，基站B第一阶段发射的射频信号(天线上)为S_B1＝cos(NWt)，ε₁为A基站发射信号相对于B基站发射信号的初始相位；待测节点c第一阶段的比较信号为：S_C1＝cos(NW_ct+ε_C1)，ε_C1为待测节点c第一阶段的初始相位；

在第二阶段，将A、B两基站要发射的射频信号频率都设置为参考频率的N+1倍，则基站A第二阶段发射的射频信号(天线上)为S_A2＝cos(NWt+ε₂)，基站B第二阶段发射的射频信号(天线上)为S_B2＝cos(NWt)，ε₂为A基站发射信号相对于B基站发射信号的初始相位；待测节点c第二阶段的比较信号为S_C2＝cos((N+1)W_ct+ε_C2)，ε_C2为待测节点c第二阶段的初始相位；

令t₁为待测节点C的计时器翻转a次的时刻，即

t₀为实际的初始时间；

令t₂为待测节点C的计时器翻转b次的时刻，即

t₀为实际的初始时间；

令t₃为待测节点C的计时器翻转d次的时刻，即

t₀为实际的初始时间；

令t₄为待测节点C的计时器翻转e次的时刻，即

t₀为实际的初始时间；

且：|t₁-t₂|＝|t₃-t₄|＝Δt；

第一阶段：先由基站A发送信号而基站B不发送信号，则待测节点C在t₁时刻接收到A基站的信号后瞬时相位为：

c为光速；

然后由基站B发送信号而基站A不发送，则待测节点C在t₂时刻接收到的信号后瞬时相位为：

这两个时刻的信号的相位差为：

对于误差项NΔW(t₁-t₂)，可以在t₁的下一时刻，即：

时刻再测一次A基站发射信号到待测节点C的相位差来消除：

则

而

则：NΔWΔt＝(a-b)(Ф₁₁-Ф₁)；

同理，第二阶段：还是先由基站A发送信号而基站B不发送，待测节点C在t₃时刻接收，然后由基站B发送信号而基站A不发送，待测节点C在t₄时刻接收；则这两个时刻的相位差为：

将上述两个相位差作减得到：

由上述可知，该等式中ΔWΔt是可以消除的，故只需要求得ε₂-ε₁，便可得到两个基站A、B相对于待测节点C之间的距离差信息；

对于ε₂-ε₁的求解，采用的方法如下：

首先由基站A向基站B发送信号，由于两者同频，故任意时刻在基站B中测得AB的相位差为：

ε_AB＝Δε_AB+ε_{TX_A}+ε_{REC_B}-ε_fly

其中，Δε_AB为基站A的射频振荡器相对于基站B的射频振荡器的相位，ε_{TX_A}为基站A发射链路的相移，ε_{REC_B}为基站B接收链路的相移，ε_fly为信号在空气中传播带来的相移；

同理，基站B向基站A发送信号，则任意时刻(由于同频)在基站A中测得BA的相位差为：

ε_BA＝Δε_AB+ε_{TX_B}+ε_{REC_A}-ε_fly

其中，ε_{TX_B}为基站B发射链路的相移，ε_{REC_A}为基站A接收链路的相移；

以上两个等式相加得：

ε_AB+ε_BA＝2Δε_AB+ε_{TX_A}+ε_{REC_B}+ε_{TX_B}+ε_{REC_A}

因为ε₁为第一阶段基站A天线发射的信号相对于基站B天线发射的信号的初始相位，ε₂为第二阶段基站A天线发射信号相对于基站B天线发射信号的初始相位，则可以知道：

ε₁＝Δε_AB1+(ε_{TX_A}-ε_{TX_B})，ε₂＝Δε_AB2+(ε_{TX_A}-ε_{TX_B})，

考虑跳频步进很小，则可以认为ε_{TX_A}和ε_{TX_B}不变，则：

ε₂-ε₁＝Δε_AB2-Δε_AB1

因此，A、B两基站在每次跳频时各来回发送一次信号并测相位，然后做如下运算即：

即可求得ε₂-ε₁；

因此，只需要每次跳频后，按上述方法测试A、B基站的相对相位，便可修正初始相位不同带来的误差；计算得距离差d₁-d₂之后，可以结合基站A和基站B之间的距离确定待测节点C的位置：

具体的确定位置的原则可以是：

若|d₁-d₂|≠d、d为基准A与基准B的距离，则判定待测节点C位于基站A与基准B之间；否则，进一步判定：

当d₁-d₂＞0，判定待测节点C位于基站B的右侧；

当d₁-d₂＜0，判定待测节点C位于基站A的左侧。

如图1所示的位置，此时结合AB之间的距离d，联立方程得到待测节点C的准确位置。

要实现对待测节点的二维定位，则至少需要4个坐标已知的基站，如图2所示，通过本发明上述所述的方法可以得到至少三组距离差，利用现有技术中的双曲定位原理，可以得到待测节点在二维平面内的位置坐标。需要特别说明的是：在基于距离差的定位方法中，无论是一维定位还是二维定位中，得到距离差信息后的具体定位过程为本领域公知常识，并不局限于上述说明，其他定位过程本发明中不再赘述。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，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；所公开的所有特征、或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，均可以任何方式组合。

Claims

1.一种基于相位差测量距离差的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.2、设置基站发射信号的频率为参考时钟的N倍频率；

步骤2.1、更改基站发射信号的频率为参考时钟的N+1倍频率，

步骤4、根据下式计算得到距离差信息d₁-d₂：

W_C为待测节点C的频率；

步骤5、根据上述距离差信息，实现对待测节点C定位。

2.按权利要求1所述基于相位差测量距离差的定位方法，其特征在于，所述步骤5的具体定位过程为：

若d₁-d₂≠d、d为基准A与基准B的距离，则判定待测节点C位于基站A与基准B之间；否则，进一步判定：

当d₁-d₂＞0，判定待测节点C位于基站B的右侧；

当d₁-d₂＜0，判定待测节点C位于基站A的左侧。