CN110099354B - 一种结合tdoa与tof的超宽带通信二维定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结合TDOA与TOF的超宽带通信二维定位方法，属于移动无线通信及位置的服务技术领域，包括确定三个基站的位置坐标以及主基站分别到所述第一从基站和第二从基站的距离；标签依次广播Poll请求帧、接收主基站发送的Response回复帧以及广播Final终止帧，获取标签从广播Poll请求帧至Final终止帧发送完成过程中的时间戳信息；根据时间戳信息，计算主基站到标签的距离d_MA,T；利用时间戳信息、d_MA,T、三个基站的位置坐标以及主基站分别到所述第一从基站和第二从基站的距离，计算标签的坐标。本发明克服传统方法在时间不对称的情况下的测距误差，有效地提升TDOA定位方法的精确性。

Description

一种结合TDOA与TOF的超宽带通信二维定位方法

技术领域

本发明涉及移动无线通信及位置的服务技术领域，特别涉及一种结合TDOA与TOF的超宽带通信二维定位方法及系统。

背景技术

近年来，位置服务的相关技术和产业正从室外向室内发展，催生出一系列的无线定位技术RFID、WIFI、ZigBee、蓝牙、超声波、红外线等。但是这些定位技术普遍存在定位精度不高，易受环境影响，适用场景单一等问题，无法满足当今高精度定位的需求。但是UWB(Ultra Wideband,超宽带)技术具有时间分辨率高，穿透力强，抗多径衰弱能力和抗干扰能力强的特点，能有效提升定位服务的性能。

由于UWB技术的高时间分辨率的特性，业内一般采用TOA(Time of Arrival，到达时刻)或TDOA(Time Difference of Arrivalm，到达时间差)的方案来完成定位。为了避免标签与基站之间高难度的时钟同步，一般采用ADS-TWR(Asymmetric Double Sided Two-Way Ranging，内三角形质心算法)的方法来测量移动标签到每一个基站的距离，再通过TOA方法完成定位。这种方法精度很高，但是一次定位所需的定位帧数过多(是多次测距过程的累加)，导致这种方法扩展性能很差；而且ADS-TWR定位方法要求较严格的对称时间，非对称时间将带来较大误差，进一步限制了TOA系统的扩展。

另外，TDOA方案需要基站之间严格的时钟同步，通过计算标签信号达到各个基站之间的时间差来完成位置的解算，其优点在于定位速度快，但是TDOA方法的误差受基站时钟同步精度、基站位置摆放、标签位置等的影响，导致定位误差较大。而且时钟同步的要求使得TDOA方案的扩展性仍然较差，不能够大规模铺设。

发明内容

本发明的目的在于克服上述背景技术存在的缺陷，以提高二维定位精度。

为实现以上目的，采用一种结合TDOA与TOF的超宽带通信二维定位方法，用于对定位区域内的UWB移动标签的进行定位，定位区域为不共线布置的三个基站的通信范围的交集，该三个基站分别为主基站、第一从基站和第二从基站，包括：

根据所述三个基站的布置位置，确定所述三个基站的位置坐标以及所述主基站分别到所述第一从基站和第二从基站的距离；

利用所述UWB移动标签依次广播Poll请求帧、接收所述主基站发送的Response回复帧以及广播Final终止帧，获取所述UWB移动标签从广播Poll请求帧至Final终止帧发送完成过程中的时间戳信息；

根据所述时间戳信息，计算所述主基站到所述UWB移动标签的距离d_MA,T；

利用所述时间戳信息、所述d_MA,T、所述三个基站的位置坐标以及所述主基站分别到所述第一从基站和第二从基站的距离，计算所述UWB移动标签的坐标，并发送至所述三个基站处。

进一步地，所述利用所述UWB移动标签依次广播Poll请求帧、接收所述主基站发送的Response回复帧以及广播Final终止帧，获取所述UWB移动标签从广播Poll请求帧至Final终止帧发送完成过程中的时间戳信息，包括：

所述UWB移动标签在所述定位区域内广播Poll请求帧以供所述三个基站接收，且所述UWB移动标签记录发送Poll请求帧的时间戳t₁，所述主基站、所述第一从基站和所述第二从基站接收所述Poll请求帧后，分别记录下接收的时间戳a₁、b₁和c₁；

所述UWB移动标签、所述第一从基站和所述第二从基站分别接收所述主基站在时间戳a₂时刻广播的所述Response回复帧，并分别记录下接收所述Response回复帧的时间戳t₂、b₂和c₂；

所述UWB移动标签确定发送时间戳t₃，并将t_roundT和t_replyT值写入到所述Final终止帧发送缓冲中，其中，t_roundT＝t₂-t₁，t_replyT＝t₃-t₂；

所述UWB移动标签在时间戳t₃时广播所述Final终止帧，以供所述三个基站接收，所述主基站、所述第一从基站和所述第二从基站接收所述Final终止帧后，分别记录下接收的时间戳a₃、b₃和c₃。

进一步地，所述根据所述时间戳信息，计算所述主基站到所述UWB移动标签的距离d_MA,T，包括：通过以下公式计算出所述主基站到所述UWB移动标签的距离：

其中，t_synMA＝a₃-a₁，为所述主基站从接收所述Poll请求帧到接收所述Final终止帧的时间间隔；t_replyMA＝a₂-a₁，为所述主基站从接收所述Poll请求帧到发送所述Response回复帧的时间间隔；t_MA,T为所述UWB移动标签与所述主基站之间的UWB信号单向传播的时间，d_MA,T为所述主基站到所述UWB移动标签的距离值，c为电磁波传播速度值。

进一步地，所述利用所述时间戳信息、所述d_MA,T、所述三个基站的位置坐标以及所述主基站分别到所述第一从基站和第二从基站的距离，计算所述UWB移动标签的坐标，并发送至所述三个基站处，包括：

计算所述UWB移动标签从所述第一从基站的距离与所述UWB移动标签到所述主基站的距离之间的差值Δd_A1,MA：

Δd_A1,MA＝c×tdoa_A1,MA，

其中，tdoa_A1,MA＝t_replyMA-t_replyA1k_MA,A1+d_MA,A1/c，

t_replyA1＝b₂-b₁，表示第一从基站从接收所述Poll请求帧到接收所述Response回复帧的时间间隔信息；t_synA1＝b₃-b₁，表示第一从基站从接收所述Poll请求帧到接收所述Final终止帧的时间间隔信息，d_MA,A1表示所述主基站到第一从基站的距离；

计算所述UWB移动标签从所述第二从基站的距离与所述UWB移动标签到所述主基站的距离之间的差值Δd_A2,MA：

Δd_A2,MA＝c×tdoa_A2,MA，

其中，tdoa_A2,MA＝t_replyMA-t_replyA2k_MA,A2+d_MA,A2/c，

t_replyA2＝c₂-c₁，表示第二从基站接收所述Poll请求帧到接收所述Response回复帧的时间间隔信息；t_synA2＝c₃-c₁，表示所述第二从基站从接收所述Poll请求帧到接收所述Final终止帧的时间间隔信息，d_MA,A2表示所述主基站到第二从基站的距离；

对差值Δd_A1,MA和差值Δd_A2,MA进行处理，解算出所述UWB移动标签的二维坐标。

进一步地，所述对差值Δd_A1,MA和差值Δd_A2,MA进行处理，解算出所述UWB移动标签的二维坐标，包括：

根据X_T＝A^-1Bd_MA,T+A^-1C，求解所述UWB移动标签的二维坐标(x,y)，其中，r_2,1＝Δd_A1,MA，r_3,1＝Δd_A2,MA，

K₁＝x₁ ²+y₁ ²，K₂＝x₂ ²+y₂ ²，K₃＝x₃ ²+y₃ ²，所述主基站坐标值(x₁，y₁)，所述第一从基站坐标值(x₂，y₂)，第二从基站坐标值(x₃，y₃)。

进一步地，所述第一从基站和第二从基站安装在所述主基站的可通信区域内。

另一方面，采用一种结合TDOA与TOF的超宽带通信二维定位系统，包括主基站、第一从基站、第二从基站、UWB移动标签、交换机以及上位机，主基站、第一从基站和第二从基站不共线布置，且三个基站的通信范围的交集作为定位区域，UWB移动标签布置在定位区域内，三个基站和UWB移动标签经交换机与上位机连接，所述上位机包括第一获取模块、第二获取模块、计算模块和解算模块；

第一获取模块用于获取所述三个基站的位置坐标以及所述主基站分别到所述第一从基站和第二从基站的距离；

第二获取模块用于获取所述UWB移动标签从广播Poll请求帧至Final终止帧发送完成过程中的时间戳信息；

计算模块用于根据所述时间戳信息，计算所述主基站到所述UWB移动标签的距离d_MA,T；

解算模块用于利用所述时间戳信息、所述d_MA,T、所述三个基站的位置坐标以及所述主基站分别到所述第一从基站和第二从基站的距离，计算所述UWB移动标签的坐标，并发送至所述三个基站处。

进一步地，所述UWB移动标签从广播Poll请求帧至Final终止帧发送完成过程中的时间戳信息包括：

所述UWB移动标签在所述定位区域内广播Poll请求帧以供所述三个基站接收，且所述UWB移动标签记录发送Poll请求帧的时间戳t₁，所述主基站、所述第一从基站和所述第二从基站接收所述Poll请求帧后，分别记录下接收的时间戳a₁、b₁和c₁；

所述UWB移动标签、所述第一从基站和所述第二从基站分别接收所述主基站在时间戳a₂时刻广播的所述Response回复帧，并分别记录下接收所述Response回复帧的时间戳t₂、b₂和c₂；

所述UWB移动标签确定发送时间戳t₃，并将t_roundT和t_replyT值写入到所述Final终止帧发送缓冲中，其中，t_roundT＝t₂-t₁，t_replyT＝t₃-t₂；

所述UWB移动标签在时间戳t₃时广播所述Final终止帧，以供所述三个基站接收，所述主基站、所述第一从基站和所述第二从基站接收所述Final终止帧后，分别记录下接收的时间戳a₃、b₃和c₃。

进一步地，所述计算模块用于通过以下公式计算出所述主基站到所述UWB移动标签的距离：

其中，t_synMA＝a₃-a₁，为所述主基站从接收所述Poll请求帧到接收所述Final终止帧的时间间隔；t_replyMA＝a₂-a₁，为所述主基站从接收所述Poll请求帧到发送所述Response回复帧的时间间隔；t_MA,T为所述UWB移动标签与所述主基站之间的UWB信号单向传播的时间，d_MA,T为所述主基站到所述UWB移动标签的距离值，c为电磁波传播速度值。

进一步地，所述解算模块包括第一差值计算单元、第二差值计算单元和坐标解算单元；

第一差值计算单元用于计算所述UWB移动标签从所述第一从基站的距离与所述UWB移动标签到所述主基站的距离之间的差值Δd_A1,MA：

Δd_A1,MA＝c×tdoa_A1,MA，

其中，tdoa_A1,MA＝t_replyMA-t_replyA1k_MA,A1+d_MA,A1/c，

t_replyA1＝b₂-b₁，表示第一从基站从接收所述Poll请求帧到接收所述Response回复帧的时间间隔信息；t_synA1＝b₃-b₁，表示第一从基站从接收所述Poll请求帧到接收所述Final终止帧的时间间隔信息，d_MA,A1表示所述主基站到第一从基站的距离；

第二差值计算单元用于计算所述UWB移动标签从所述第二从基站的距离与所述UWB移动标签到所述主基站的距离之间的差值Δd_A2,MA：

Δd_A2,MA＝c×tdoa_A2,MA，

其中，tdoa_A2,MA＝t_replyMA-t_replyA2k_MA,A2+d_MA,A2/c，

t_replyA2＝c₂-c₁，表示第二从基站接收所述Poll请求帧到接收所述Response回复帧的时间间隔信息；t_synA2＝c₃-c₁，表示所述第二从基站从接收所述Poll请求帧到接收所述Final终止帧的时间间隔信息，d_MA,A2表示所述主基站到第二从基站的距离；

坐标解算单元用于对差值Δd_A1,MA和差值Δd_A2,MA进行处理，解算出所述UWB移动标签的二维坐标。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：本发明在布置基站后，实际测量出三个基站的位置坐标，以及测量出两个从基站到主基站的距离。并采用超宽带通信定位技术，通过移动标签与相关基站进行定位帧交换得到时间戳信息，只需3次通信便可得出TDOA方法所需的时间差信息以及额外的一个距离信息(主基站到移动标签的距离)，然后对实际测量信息、时间差信息和主基站到移动标签的距离进行处理，解算出标签的二维坐标信息。本方案结合TDOA和TOF的方法，无需传统TDOA方案所需的高精度的基站时钟同步，通过三帧的定位通信即可将TDOA方案所需的时间戳信息以及移动标签到主基站之间的距离计算出来，通过采用SY-TWR测距算法计算除移动标签与主基站之间的距离，克服了ADS-TWR测距算法在时间不对称的情况下的测距误差，可以有效地提升TDOA定位方法的精确性，同时由于通信帧的广播特性，使得系统的扩展性得到提升，为实现高精度、高实时性大范围定位提供保障。

附图说明

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述：

图1是一种结合TDOA与TOF的超宽带通信二维定位方法的流程示意图；

图2是基站信号覆盖区域图；

图3是二维基站分布示意图；

图4是UWB移动标签与基站的结构框图；

图5是UWB移动标签与基站的通信过程示意图；

图6是UWB移动标签与基站的通信过程传输的信息的格式内容；

图7是UWB移动标签与基站的定位流程示意图；

图8是一种结合TDOA与TOF的超宽带通信二维定位系统结构示意图；

图9是采用TDOA方案、采用TOA方案和采用本发明进行定位得到的x轴标准差对比示意图；

图10是采用TDOA方案、采用TOA方案和采用本发明进行定位得到的x轴平均值偏移对比示意图。

具体实施方式

为了更进一步说明本发明的特征，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。所附图仅供参考与说明之用，并非用来对本发明的保护范围加以限制。

如图1所示，本实施例公开了一种结合TDOA与TOF的超宽带通信二维定位方法，用于对定位区域内的UWB移动标签的进行定位，定位区域为不共线布置的三个基站的通信范围的交集，该三个基站分别为主基站、第一从基站和第二从基站，该定位过程包括如下步骤S1至S4：

S1、根据所述三个基站的布置位置，确定所述三个基站的位置坐标以及所述主基站分别到所述第一从基站和第二从基站的距离；

如图2-图3所示，二维定位所需三个基站，一个作为主基站MA，其它两个作为从基站A1，A2。两个从基站与主基站的安装距离要确保从基站和主基站能正常通信。由三个基站的圆形覆盖范围的交集阴影区域为定位区域；UWB移动标签的移动范围为图3中显示为黑色圆形的覆盖面积，该覆盖面积必须足够大，以保证能在定位区域内达到每一个基站，从而才能完成正常的定位操作。

在确定好基站布置位置之后，按照实际布置确定主基站MA坐标值(x₁，y₁)，第一从基站A1坐标值(x₂，y₂)，第二从基站A2坐标值(x₃，y₃)并测量出主基站MA分别到第一从基站A1的距离d_MA,A1，以及测量出主基站MA到第二从基站A2的距离d_MA,A2。本实施例通过实际测量得到基站的位置坐标和两个从基站到主基站的距离，测量结果更加准确。而采用传统的TOF方法测量基站位置会有误差，导致确定的位置坐标出现误差，从而在移动标签的位置计算过程中会产生累计误差。

S2、利用所述UWB移动标签依次广播Poll请求帧、接收所述主基站发送的Response回复帧以及广播Final终止帧，获取所述UWB移动标签从广播Poll请求帧至Final终止帧发送完成过程中的时间戳信息；

需要说明的是，在开始时，所有基站均处于接收状态，按照图5所示的UWB通信流程，由进入定位区域的移动标签通过广播Poll请求帧来开始定位过程，在移动标签广播Final帧完成时，得到所有二维定位所需的时间戳数据。

S3、根据所述时间戳信息，计算所述主基站到所述UWB移动标签的距离d_MA,T；

S4、利用所述时间戳信息、所述d_MA,T、所述三个基站的位置坐标以及所述主基站分别到所述第一从基站和第二从基站的距离，计算所述UWB移动标签的坐标，并发送至所述三个基站处。

需要说明的是，传统的采用TOA方案的精度高，但是需要的通信次数为至少5次。采用TDOA方案在时钟同步的基础上虽然只需一次通信就可在基站处得到定位信息，但TDOA方案同步困难，同步区域有限，而且TDOA在某些区域定位数据极差。本方案无论对于几个基站来说，都只需要3次通信，通信次数少就代表一次定位时间少，系统定位刷新率就会增加，由于物体运动而产生的误差将会减少。且本方案不需要时钟同步，不受区域影响，数据结果精确，稳定性接近于TOA，且扩展性强。

优选地，三个基站呈三角形布置，第一从基站和第二从基站安装在主基站的可通信区域内。

进一步地，如图5、图6、图7所示，上述步骤S2：利用所述UWB移动标签依次广播Poll请求帧、接收所述主基站发送的Response回复帧以及广播Final终止帧，获取所述UWB移动标签从广播Poll请求帧至Final终止帧发送完成过程中的时间戳信息，具体包括如下细分步骤S21至S24：

S21、所述UWB移动标签在所述定位区域内广播Poll请求帧以供所述三个基站接收，且所述UWB移动标签记录发送Poll请求帧的时间戳t₁，所述主基站、所述第一从基站和所述第二从基站接收所述Poll请求帧后，分别记录下接收的时间戳a₁、b₁和c₁；

S22、所述UWB移动标签、所述第一从基站和所述第二从基站分别接收所述主基站在时间戳a₂时刻广播的所述Response回复帧，并分别记录下接收所述Response回复帧的时间戳t₂、b₂和c₂；

S23、所述UWB移动标签确定发送时间戳t₃，并将t_roundT和t_replyT值写入到所述Final终止帧发送缓冲中，其中，t_roundT＝t₂-t₁，t_replyT＝t₃-t₂；

S24、所述UWB移动标签在时间戳t₃时广播所述Final终止帧，以供所述三个基站接收，所述主基站、所述第一从基站和所述第二从基站接收所述Final终止帧后，分别记录下接收的时间戳a₃、b₃和c₃。

需要说明的是，移动标签、主基站和两个从基站记录的时间戳都是以自己的时钟记录的，所述UWB移动标签从广播Poll请求帧至Final终止帧发送完成过程中的时间差信息包括：

(1)主基站从接收Poll请求帧到发送Response回复帧的时间间隔信息t_replyMA＝a₂-a₁；主基站从发送Response回复帧到接收Final终止帧的时间间隔信息t_roundMA＝a₃-a₂；主基站从接收Poll请求帧到接收Final终止帧的时间间隔信息t_synMA＝a₃-a₁。

(2)UWB移动标签从发送Poll请求帧到接收Response回复帧的时间间隔信息t_roundT＝t₂-t₁；UWB移动标签从接收Response回复帧到发送Final终止帧的时间间隔信息t_replyT＝t₃-t₂。

(3)第一从基站从接收Poll请求帧到接收Response回复帧的时间间隔信息t_replyA1＝b₂-b₁；第一从基站从接收Poll请求帧到接收Final终止帧的时间间隔信息t_synA1＝b₃-b₁。

(4)第二从基站接收Poll请求帧到接收Response回复帧的时间间隔信息t_replyA2＝c₂-c₁；第二从基站从接收Poll请求帧到接收Final终止帧的时间间隔信息t_synA2＝c₃-c₁。

进一步地，上述步骤S3：根据所述时间戳信息，计算所述主基站到所述UWB移动标签的距离d_MA,T，具体为：通过执行SY-TWR算法计算出主基站到UWB移动标签的距离：

其中，t_synMA＝a₃-a₁，为主基站从接收Poll请求帧到接收Final终止帧的时间间隔；t_replyMA＝a₂-a₁，为主基站从接收Poll请求帧到发送Response回复帧的时间间隔；t_MA,T为UWB移动标签与主基站之间的UWB信号单向传播的时间，d_MA,T为主基站到UWB移动标签的距离值，c为电磁波传播速度值。

需要说明的是，本实施例采用SY-TWR算法计算出主基站MA到移动标签T的距离d_MA,T，克服了采用ADS-TWR算法在时间不对称情况喜爱的测距误差，为步骤S4中结算过程提供了移动标签到主基站有效的距离值，有效的提升了移动标签定位的精确性。

进一步地，上述步骤S4：利用所述时间戳信息、所述d_MA,T、所述三个基站的位置坐标以及所述主基站分别到所述第一从基站和第二从基站的距离，计算所述UWB移动标签的坐标，并发送至所述三个基站处，其具体包括：

(1)先计算校正时钟漂移所需要的时钟漂移参数k_MA,A1,k_MA,A2：

(2)再计算出移动标签的信号到达各个从基站与主基站之间的时间差值：

(3)将上式计算出的时间差值乘以电磁波速度c即可得到测量得距离差值：

其中：Δd_A1,MA表示所述主基站到第一从基站的距离，Δd_A2,MA表示主基站到第二从基站的距离。

(4)对差值Δd_A1,MA和差值Δd_A2,MA进行处理，解算出所述UWB移动标签的二维坐标(x，y)，具体解算过程为：

根据X_T＝A^-1Bd_MA,T+A^-1C，求解所述UWB移动标签的二维坐标(x,y)，其中，r_2,1＝Δd_A1,MA，r_3,1＝Δd_A2,MA，

K₁＝x₁ ²+y₁ ²，K₂＝x₂ ²+y₂ ²，K₃＝x₃ ²+y₃ ²，所述主基站坐标值(x₁，y₁)，所述第一从基站坐标值(x₂，y₂)，第二从基站坐标值(x₃，y₃)。

如图8所示，本实施例公开了一种结合TDOA与TOF的超宽带通信二维定位系统，包括主基站10、第一从基站20、第二从基站30、UWB移动标签40、交换机50以及上位机50，主基站10、第一从基站20和第二从基站30不共线布置，且三个基站的通信范围的交集作为定位区域，UWB移动标签40布置在定位区域内，三个基站和UWB移动标签40经交换机50与上位机60连接，上位机60包括第一获取模块61、第二获取模块62、计算模块63和解算模块64；

第一获取模块61用于获取三个基站的位置坐标以及主基站分别到第一从基站和第二从基站的距离；

第二获取模块62用于获取UWB移动标签从广播Poll请求帧至Final终止帧发送完成过程中的时间戳信息；

计算模块63用于根据所述时间戳信息，计算主基站到UWB移动标签的距离d_MA,T；

解算模块64用于利用时间戳信息、d_MA,T、三个基站的位置坐标以及主基站分别到第一从基站和第二从基站的距离，计算UWB移动标签的坐标，并发送至三个基站处。

进一步地，如图4所示，基站包括第一无线收发模块、第一处理器、以太网单元、第一天线和第一电源管理模块，第一电源管理模块的输出端分别与第一无线收发模块、第一处理器和以太网单元连接，第一无线收发模块与第一处理器连接进行双向通讯，以太网单元与第一处理器连接进行双向通讯，第一无线收发模块连接有第一天线，第一处理器还连接有其它外设模块。

UWB移动标签40包括第二电池管理模块、第二无线收发模块、第二处理器和第二天线，第二电池管理模块分别与第二无线收发模块和第二处理器连接，第二无线收发模块连接有第二天线，第二处理器连接有其它外设模块。第二无线收发模块和第一无线收发模块连接，上位机经交换机接入以太网单元，基站通过以太网单元将定位数据通过以太网传输到上位机取进行解算。

具体地，本实施例中第一处理器和第二处理器均采用含有以太网模块的STM32F107芯片，第一无线收发模块和第二无线收发模块均采用DW1000芯片。

进一步地，进入定位区域的UWB移动标签40通过广播Poll请求帧来开始定位过程，在Final帧发送完成时得到所有二维定位所需的时间戳数据。具体过程如下：

UWB移动标签40发送完Poll帧之后记录下发送的时间戳t₁，所有基站接收到Poll请求帧后，分别记录下接收的时间戳a₁，b₁，c₁。延迟一段时间之后由主基站在时间戳a₂时刻广播Response回复帧，从基站接收完Poll帧后保持接收状态，主基站发送完Response后转为接收状态，并计算出其接收Poll帧到发送Response帧的时间间隔t_replyMA，其中t_replyMA＝a₂-a₁。

UWB移动标签40和两从基站接收到主基站发送的Response帧并分别记录下时间戳t₂，b₂，c₂，移动标签T计算出其发送Poll帧到接收到Response帧的时间间隔t_roundT＝t₂-t₁，第一从基站A1和第二从基站A2分别计算出其接收Poll帧到接收Response帧的时间间隔t_replyA1＝b₂-b₁，t_replyA2＝c₂-c₁值。之后所有从基站均转为接收状态。移动标签需确定发送时间戳t₃并提前计算出其接收Response帧到发送Final帧的时间间隔t_replyT＝t₃-t₂，，并将t_roundT和t_replyT值写入到Final帧发送缓冲中，然后在时间戳t₃时由移动标签广播Final帧，其中Final帧的信息格式如图6所示；

所有基站接收到Final帧后，记录下时间戳a₃,b₃,c₃，主基站MA计算出其发送Response帧到接收Final的时间间隔t_roundMA＝a₃-a₂，主基站MA、第一从基站A1和第二从基站A2分别计算出其接收到Poll帧到接收到Final帧的时间间隔t_synMA＝a₃-a₁，t_synA1＝b₃-b₁和t_synA2＝c₃-c₁。

进一步地，计算模块63用于通过以下公式计算出所述主基站到所述UWB移动标签的距离：

其中，t_synMA＝a₃-a₁，为所述主基站从接收所述Poll请求帧到接收所述Final终止帧的时间间隔；t_replyMA＝a₂-a₁，为所述主基站从接收所述Poll请求帧到发送所述Response回复帧的时间间隔；t_MA,T为所述UWB移动标签与所述主基站之间的UWB信号单向传播的时间，d_MA,T为所述主基站到所述UWB移动标签的距离值，c为电磁波传播速度值。

进一步地，解算模块64包括第一差值计算单元、第二差值计算单元和坐标解算单元；

第一差值计算单元用于计算所述UWB移动标签从所述第一从基站的距离与所述UWB移动标签到所述主基站的距离之间的差值Δd_A1,MA：

Δd_A1,MA＝c×tdoa_A1,MA，

其中，tdoa_A1,MA＝t_replyMA-t_replyA1k_MA,A1+d_MA,A1/c，

t_replyA1＝b₂-b₁，表示第一从基站从接收所述Poll请求帧到接收所述Response回复帧的时间间隔信息；t_synA1＝b₃-b₁，表示第一从基站从接收所述Poll请求帧到接收所述Final终止帧的时间间隔信息，d_MA,A1表示所述主基站到第一从基站的距离；

第二差值计算单元用于计算所述UWB移动标签从所述第二从基站的距离与所述UWB移动标签到所述主基站的距离之间的差值Δd_A2,MA：

Δd_A2,MA＝c×tdoa_A2,MA，

其中，tdoa_A2,MA＝t_replyMA-t_replyA2k_MA,A2+d_MA,A2/c，

t_replyA2＝c₂-c₁，表示第二从基站接收所述Poll请求帧到接收所述Response回复帧的时间间隔信息；t_synA2＝c₃-c₁，表示所述第二从基站从接收所述Poll请求帧到接收所述Final终止帧的时间间隔信息，d_MA,A2表示所述主基站到第二从基站的距离；

坐标解算单元用于对差值Δd_A1,MA和差值Δd_A2,MA进行处理，解算出所述UWB移动标签的二维坐标(x，y)，具体为：

根据X_T＝A^-1Bd_MA,T+A^-1C，求解所述UWB移动标签的二维坐标(x,y)，其中，r_2,1＝Δd_A1,MA，r_3,1＝Δd_A2,MA，

K₁＝x₁ ²+y₁ ²，K₂＝x₂ ²+y₂ ²，K₃＝x₃ ²+y₃ ²，所述主基站坐标值(x₁，y₁)，所述第一从基站坐标值(x₂，y₂)，第二从基站坐标值(x₃，y₃)。

需要说明的是，本方案经过实际测量二维定位精度x,y轴的精度优于TDOA方案，接近与纯TOA方案，有效地解决了传统TDOA方案由于移动标签位置变动而导致的测量误差放大现象，如图9-图10所示，采用本发明方法即图标HF的定位精度及稳定性接近于TOA方案，但本发明方法的实用性高于TDOA方案。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种结合TDOA与TOF的超宽带通信二维定位方法，其特征在于，用于对定位区域内的UWB移动标签的进行定位，定位区域为不共线布置的三个基站的通信范围的交集，该三个基站分别为主基站、第一从基站和第二从基站，包括：

根据所述三个基站的布置位置，确定所述三个基站的位置坐标以及所述主基站分别到所述第一从基站和第二从基站的距离；

利用所述UWB移动标签依次广播Poll请求帧、接收所述主基站发送的Response回复帧以及广播Final终止帧，获取所述UWB移动标签从广播Poll请求帧至Final终止帧发送完成过程中的时间戳信息；

根据所述时间戳信息，计算所述主基站到所述UWB移动标签的距离d_MA,T；

利用所述时间戳信息、所述d_MA,T、所述三个基站的位置坐标以及所述主基站分别到所述第一从基站和第二从基站的距离，计算所述UWB移动标签的坐标，并发送至所述三个基站处，包括：

计算所述UWB移动标签从所述第一从基站的距离与所述UWB移动标签到所述主基站的距离之间的差值Δd_A1,MA：

Δd_A1,MA＝c×tdoa_A1,MA，

其中，tdoa_A1,MA＝t_replyMA-t_replyA1k_MA,A1+d_MA,A1/c，

t_replyA1＝b₂-b₁，表示第一从基站从接收所述Poll请求帧到接收所述Response回复帧的时间间隔信息；t_synA1＝b₃-b₁，表示第一从基站从接收所述Poll请求帧到接收所述Final终止帧的时间间隔信息，d_MA,A1表示所述主基站到第一从基站的距离，k_MA,A1表示主基站对于第一从基站的时钟漂移比例系数；

计算所述UWB移动标签从所述第二从基站的距离与所述UWB移动标签到所述主基站的距离之间的差值Δd_A2,MA：

Δd_A2,MA＝c×tdoa_A2,MA，

其中，tdoa_A2,MA＝t_replyMA-t_replyA2k_MA,A2+d_MA,A2/c，

t_replyA2＝c₂-c₁，表示第二从基站接收所述Poll请求帧到接收所述Response回复帧的时间间隔信息；t_synA2＝c₃-c₁，表示所述第二从基站从接收所述Poll请求帧到接收所述Final终止帧的时间间隔信息，d_MA,A2表示所述主基站到第二从基站的距离，k_MA,A2表示主基站对于第二从基站的时钟漂移比例系数；

对差值Δd_A1,MA和差值Δd_A2,MA进行处理，解算出所述UWB移动标签的二维坐标。

2.如权利要求1所述的一种结合TDOA与TOF的超宽带通信二维定位方法，其特征在于，所述利用所述UWB移动标签依次广播Poll请求帧、接收所述主基站发送的Response回复帧以及广播Final终止帧，获取所述UWB移动标签从广播Poll请求帧至Final终止帧发送完成过程中的时间戳信息，包括：

所述UWB移动标签在所述定位区域内广播Poll请求帧以供所述三个基站接收，且所述UWB移动标签记录发送Poll请求帧的时间戳t₁，所述主基站、所述第一从基站和所述第二从基站接收所述Poll请求帧后，分别记录下接收的时间戳a₁、b₁和c₁；

所述UWB移动标签、所述第一从基站和所述第二从基站分别接收所述主基站在时间戳a₂时刻广播的所述Response回复帧，并分别记录下接收所述Response回复帧的时间戳t₂、b₂和c₂；

所述UWB移动标签确定发送时间戳t₃，并将t_roundT和t_replyT值写入到所述Final终止帧发送缓冲中，其中，t_roundT＝t₂-t₁，t_replyT＝t₃-t₂；

所述UWB移动标签在时间戳t₃时广播所述Final终止帧，以供所述三个基站接收，所述主基站、所述第一从基站和所述第二从基站接收所述Final终止帧后，分别记录下接收的时间戳a₃、b₃和c₃。

3.如权利要求2所述的一种结合TDOA与TOF的超宽带通信二维定位方法，其特征在于，所述根据所述时间戳信息，计算所述主基站到所述UWB移动标签的距离d_MA,T，包括：通过以下公式计算出所述主基站到所述UWB移动标签的距离：

其中，t_synMA＝a₃-a₁，为所述主基站从接收所述Poll请求帧到接收所述Final终止帧的时间间隔；t_replyMA＝a₂-a₁，为所述主基站从接收所述Poll请求帧到发送所述Response回复帧的时间间隔；k_MA,T为所述UWB移动标签对于所述主基站的时钟漂移比例系数，t_MA,T为所述UWB移动标签与所述主基站之间的UWB信号单向传播的时间，d_MA,T为所述主基站到所述UWB移动标签的距离值，c为电磁波传播速度值。

4.如权利要求1所述的一种结合TDOA与TOF的超宽带通信二维定位方法，其特征在于，所述对差值Δd_A1,MA和差值Δd_A2,MA进行处理，解算出所述UWB移动标签的二维坐标，包括：

根据X_T＝A^-1Bd_MA,T+A^-1C，求解所述UWB移动标签的二维坐标(x,y)，其中，r_2,1＝Δd_A1,MA，r_3,1＝Δd_A2,MA，

K₁＝x₁ ²+y₁ ²，K₂＝x₂ ²+y₂ ²，K₃＝x₃ ²+y₃ ²，所述主基站坐标值(x₁，y₁)，所述第一从基站坐标值(x₂，y₂)，第二从基站坐标值(x₃，y₃)。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种结合TDOA与TOF的超宽带通信二维定位方法，其特征在于，所述第一从基站和第二从基站安装在所述主基站的可通信区域内。

6.一种结合TDOA与TOF的超宽带通信二维定位系统，其特征在于，包括主基站、第一从基站、第二从基站、UWB移动标签、交换机以及上位机，主基站、第一从基站和第二从基站不共线布置，且三个基站的通信范围的交集作为定位区域，UWB移动标签布置在定位区域内，三个基站和UWB移动标签经交换机与上位机连接，所述上位机包括第一获取模块、第二获取模块、计算模块和解算模块；

第一获取模块用于获取所述三个基站的位置坐标以及所述主基站分别到所述第一从基站和第二从基站的距离；

UWB移动标签依次广播Poll请求帧、接收所述主基站发送的Response回复帧以及广播Final终止帧，获取所述UWB移动标签从广播Poll请求帧至Final终止帧发送完成过程中的时间戳信息

第二获取模块用于获取所述UWB移动标签从广播Poll请求帧至Final终止帧发送完成过程中的时间戳信息；

计算模块用于根据所述时间戳信息，计算所述主基站到所述UWB移动标签的距离d_MA,T；

解算模块用于利用所述时间戳信息、所述d_MA,T、所述三个基站的位置坐标以及所述主基站分别到所述第一从基站和第二从基站的距离，计算所述UWB移动标签的坐标，并发送至所述三个基站处；

所述解算模块包括第一差值计算单元、第二差值计算单元和坐标解算单元；

第一差值计算单元用于计算所述UWB移动标签从所述第一从基站的距离与所述UWB移动标签到所述主基站的距离之间的差值Δd_A1,MA：

Δd_A1,MA＝c×tdoa_A1,MA，

其中，tdoa_A1,MA＝t_replyMA-t_replyA1k_MA,A1+d_MA,A1/c，

t_replyA1＝b₂-b₁，表示第一从基站从接收所述Poll请求帧到接收所述Response回复帧的时间间隔信息；t_synA1＝b₃-b₁，表示第一从基站从接收所述Poll请求帧到接收所述Final终止帧的时间间隔信息，d_MA,A1表示所述主基站到第一从基站的距离，k_MA,A1表示主基站对于第一从基站的时钟漂移比例系数；

第二差值计算单元用于计算所述UWB移动标签从所述第二从基站的距离与所述UWB移动标签到所述主基站的距离之间的差值Δd_A2,MA：

Δd_A2,MA＝c×tdoa_A2,MA，

其中，tdoa_A2,MA＝t_replyMA-t_replyA2k_MA,A2+d_MA,A2/c，

t_replyA2＝c₂-c₁，表示第二从基站接收所述Poll请求帧到接收所述Response回复帧的时间间隔信息；t_synA2＝c₃-c₁，表示所述第二从基站从接收所述Poll请求帧到接收所述Final终止帧的时间间隔信息，d_MA,A2表示所述主基站到第二从基站的距离，k_MA,A2表示主基站对于第二从基站的时钟漂移比例系数；

坐标解算单元用于对差值Δd_A1,MA和差值Δd_A2,MA进行处理，解算出所述UWB移动标签的二维坐标。

7.如权利要求6所述的一种结合TDOA与TOF的超宽带通信二维定位系统，其特征在于，所述UWB移动标签从广播Poll请求帧至Final终止帧发送完成过程中的时间戳信息包括：

所述UWB移动标签在所述定位区域内广播Poll请求帧以供所述三个基站接收，且所述UWB移动标签记录发送Poll请求帧的时间戳t₁，所述主基站、所述第一从基站和所述第二从基站接收所述Poll请求帧后，分别记录下接收的时间戳a₁、b₁和c₁；

所述UWB移动标签、所述第一从基站和所述第二从基站分别接收所述主基站在时间戳a₂时刻广播的所述Response回复帧，并分别记录下接收所述Response回复帧的时间戳t₂、b₂和c₂；

所述UWB移动标签确定发送时间戳t₃，并将t_roundT和t_replyT值写入到所述Final终止帧发送缓冲中，其中，t_roundT＝t₂-t₁，t_replyT＝t₃-t₂；

所述UWB移动标签在时间戳t₃时广播所述Final终止帧，以供所述三个基站接收，所述主基站、所述第一从基站和所述第二从基站接收所述Final终止帧后，分别记录下接收的时间戳a₃、b₃和c₃。

8.如权利要求7所述的一种结合TDOA与TOF的超宽带通信二维定位系统，其特征在于，所述计算模块用于通过以下公式计算出所述主基站到所述UWB移动标签的距离：

其中，t_synMA＝a₃-a₁，为所述主基站从接收所述Poll请求帧到接收所述Final终止帧的时间间隔；t_replyMA＝a₂-a₁，为所述主基站从接收所述Poll请求帧到发送所述Response回复帧的时间间隔；k_MA,T为所述UWB移动标签对于所述主基站的时钟漂移比例系数，t_MA,T为所述UWB移动标签与所述主基站之间的UWB信号单向传播的时间，d_MA,T为所述主基站到所述UWB移动标签的距离值，c为电磁波传播速度值。

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