CN110167135A - 一种免时钟同步的tdoa无线定位方法及系统 - Google Patents

一种免时钟同步的tdoa无线定位方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及无线定位技术领域，具体为一种免时钟同步的TDOA无线定位方法及系统；所述方法包括在一个TDOA定位周期中，通过待测目标节点向各个定位基站广播一次数据包，定位基站之间分别进行一次单向通信和一次双向通信，实现对待测目标节点到各个定位基站之间信号飞行时间差的测量以及对当前设备在一个时钟周期内时钟偏移量的估计。通过所估计的时钟偏移量对信号到达时间差进行时间补偿，从而获得精准的到达时间差测量值，以提升TDOA定位精度；该方法在整个定位过程不需要各个定位基站之间时钟精准同步，同时由于待测目标节点在一个定位周期中只发送一次测距数据包，可以有效降低待测目标节点在实际定位过程中的功耗。

Description

一种免时钟同步的TDOA无线定位方法及系统
技术领域
本发明涉及无线定位技术领域，特别涉及一种免时钟同步的TDOA无线定位方法及系统。
背景技术
无线定位系统通常由若干定位基站和定位标签组成，通过定位基站与定位标签之间通信获取定位标签与各个定位基站之间某种位置关系，然后通过相关无线定位算法估计出定位标签当前位置。常用的无线定位方法包括基于RSSI(Received Signal StrengthIndication,信号接收强度)的定位方法、基于AOA(Angle of Arrival,信号到达角度)的定位方法、基于TOA(Time of Arrival,信号到达时间)的定位方法及基于TDOA(TimeDifference of Arrival,信号达到时间差)的定位方法等。
基于RSSI的无线定位方法容易受到多径效应及非视距的影响，定位精度通常很低，非理想条件下误差甚至可以达到50％以上。基于AOA的无线定位方法虽然原理简单，但在实际的定位场景中容易受到周围环境等因素的影响，使得待测目标节点与定位基站之间的夹角难以准确测量，从而造成较高的定位误差。基于TOA的无线定位方法要求待测目标节点与定位基站之间时间同步，否则由于时钟偏移的因素产生距离测量误差，导致以定位基站为圆心，待测目标节点与定位基站之间的距离为半径的各个圆形不相交于一点，从而影响位置估计的准确度。基于TDOA的无线定位方法通过测量待测目标节点至各个定位基站之间信号飞行时间差来估计待测目标节点的位置坐标，因此只需要各个定位基站之间时间同步。相比于其他几种无线定位方法，TDOA定位方法在定位精度及系统实现上有更大的优势。
TDOA定位通过测量待测目标节点与各个定位基站之间距离差来估计当前待测目标节点的精确位置，理想条件下该方法具有较高的定位精度。TDOA距离差通过测量定位标签所发出的信号到达各个定位基站的信号飞行时间差获得。电磁波在空气中传播的速度为3×108m/s，因此精确地计算时间差是TDOA定位的关键，所以要求各个基站之间时钟精准同步。由于每一个设备都有自己独立的本地时钟源，且设备的晶振存在着制造工艺、环境、运行时间、温度等因素的差异，致使不同基站时钟产生漂移，因此通过TOF(Time of Flight,飞行时间)的方法计算TDOA信号飞行时间差的过程中产生的误差将会直接影响定位精度。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种免时钟同步的TDOA无线定位方法。本发明的目的在于，针对TDOA定位过程中设备时钟偏移对无线定位精度的影响的问题，通过待测目标节点与定位基站、定位基站与定位基站之间进行多次通信，从而获得某一时间段内每个定位基站的时钟周期相对标准时钟周期的偏移量，然后对TDOA定位过程中所计算的本地时钟条件下的时间测量值进行时间补偿，从而提升TDOA测量值的准确性，减少时钟偏移对定位误差的影响。
本发明的一种免时钟同步的TDOA无线定位方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1)初始化定位子系统，测量出各个定位基站之间的距离；
步骤2)在一个TDOA定位周期内，待测目标节点首先向各个定位基站广播一次测距数据包，然后每两个定位基站之间进行一次单向通信，从而获得待测目标节点到各个定位基站之间的信号到达时间差；
步骤3)每两个定位基站之间再分别进行一次双向通信，根据相关时间关系，从而实现定位基站在当前TDOA定位周期内的时钟偏移量估计；
步骤4)通过步骤3)中所估计出的时钟偏移量对步骤2)中所测得信号到达时间差进行时间补偿，从而获得精准的到达时间差测量值；
步骤5)将步骤4)所得到的精准到达时间差测量值通过TDOA定位算法估计出待测目标节点的坐标；
步骤6)返回步骤2)，进行下一个TDOA定位周期定位，直至定位结束。
进一步的，所述定位子系统包括若干定位基站与若干定位标签，所述定位基站部署于定位现场，待测目标节点与至少一个定位标签绑定；通过获取定位标签的位置信息从而实现对待测目标节点的定位。
进一步的，所述待测目标节点到各个定位基站之间的到达时间差测量包括在一个TDOA定位周期中，待测目标节点向各个定位基站广播一个测距数据包，基站收到待测目标节点广播的测距数据包后，每两个定位基站之间再进行一次单向通信；根据两个定位基站单向通信过程中发送和接收数据包的时间，以及接收待测目标节点广播数据包的时间，并结合定位基站之间的距离信息，计算出每一个定位基站在本地时钟条件下与其他定位基站接收到待测目标节点广播数据包的到达时间差。
进一步的，所述定位基站时钟偏移估计包括计算出每一个基站在本地时钟条件下与其他基站接收到待测目标节点广播数据包的到达时间差后，通过每两个基站之间进行一次双向通信，根据相关时间关系估计出当前TDOA定位周期中定位基站相对于标准时间周期的时钟偏移量；所述时钟偏移估计周期为5～15个TDOA定位周期。
进一步的，所述时间偏移估计还包括在一个时钟偏移估计周期内其时钟偏移量保持不变，到达该时钟偏移估计周期后再进行时间偏移估计并更新各个基站的时钟偏移量。
本发明还提出了一种免时钟同步的TDOA无线定位系统，所述无线定位系统包括定位子系统以及上位机系统；
所述上位机系统用于实现对整个系统的功能管理与数据处理，并通过跟踪定位标签实现对待测目标节点的跟踪与定位；
所述定位子系统包括若干定位基站与若干定位标签，所述定位标签与待测目标节点绑定；
所述定位基站与定位标签均包括时钟偏移估计模块与时间差测量模块；
所述时间差测量模块用于测量待测目标节点到定位基站之间的到达时间差；
所述时钟偏移估计模块用于测量出各个定位基站的时钟偏移量。
进一步的，所述定位基站部署于定位现场，待测目标节点与至少一个定位标签绑定；通过获取定位标签的位置信息从而实现对待测目标节点的定位。
进一步的，所述时间差测量模块包括第一高精度计时单元以及第一处理单元；在一个TDOA定位周期中，定位基站收到待测目标节点广播的测距数据包后，每两个定位基站之间再进行一次单向通信；第一高精度计时单元检测到两个定位基站单向通信过程中发送和接收数据包的时间，以及接收待测目标节点广播数据包的时间；第一处理单元根据定位基站之间的距离信息，计算出每一个定位基站在本地时钟条件下与其他定位基站接收到待测目标节点广播数据包的到达时间差。
进一步的，所述时钟偏移估计模块包括第二高精度计时单元以及第二处理单元，在第一处理单元计算出的到达时间差后，每两个定位基站之间进行一次双向通信，第二高精度计时单元检测到两个定位基站双向通信过程中发送和接收数据包的时间；第二处理单元根据相关时间关系估计出当前TDOA定位周期中定位基站相对于标准时间周期的时钟偏移量。
另外，本发明中的“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”、的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
进一步的，所述时间偏移估计模块还包括时钟唤醒装置，所述时钟唤醒装置用于在一个时钟偏移估计周期内保证时钟偏移量保持不变，到达该时钟偏移估计周期后唤醒时钟偏移估计模块，再进行时间偏移估计并更新各个基站的时钟偏移量。
本发明的有益效果在于：在一个TDOA周期定位过程中，待测目标节点向各个基站广播一次数据包，基站与基站之间进行一次单向通信和一次双向通信。通过该通信过程，获取待测目标节点所发出的信号到达各个基站的时间差，并计算出每个基站相对于标准时钟周期的时钟偏移量。然后使用所计算出的基站时钟偏移量对所获得的到达时间差进行时间补偿，从而提升TDOA定位过程中到达时间差测量的准确性。整个定位过程不需要求各个定位基站之间时钟精准同步。同时，待测目标节点所绑定的定位标签在一个测距周期中只发送一次数据包，在实际定位过程中极大地降低了定位标签的功耗，有很好的工程应用价值。
附图说明
图1为本发明优选实施例的一种免时钟同步的TDOA无线定位方法流程图；
图2为本发明优选实施例的一种免时钟同步的TDOA无线定位方法应用场景原理图；
图3为本发明优选实施例的一种免时钟同步的TDOA无线定位方法双基站到达时间差测量数据传输时序图；
图4为本发明优选实施例的一种免时钟同步的TDOA无线定位方法多基站到达时间差测量数据传输时序图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合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。
实施例1
作为一种优选实施例，本发明的一种免时钟同步的TDOA无线定位方法，如图1所示，包括：
S1、初始化定位子系统，测量出各个定位基站之间的距离；
当定位设备在定位现场部署好以后，定位基站之间的位置固定为不变，各个基站之间的距离可以精确测量；
S2、在一个信号达到时间差TDOA定位周期内，待测目标节点向各个定位基站广播一个测距数据包，定位基站接收到待测目标节点广播数据包后，任意的每两个定位基站之间再通过单向通信；
S3、根据步骤S2中每两个定位基站单向通信过程中发送和接收数据包的时间，以及接收待测目标节点广播数据包的时间，结合S1中获得的定位基站之间的距离信息；对应计算出每一个定位基站在本地时钟条件下与其他定位基站接收到待测目标节点广播数据包的时间差；
其中，S3中所计算出的待测目标节点信号到达不同基站的时间差基于基站的本地时钟。
S4、在步骤S3的基础上，每两个定位基站之间进行一次双向通信，根据相关时间关系估计出当前TDOA定位周期中每个定位基站相对于标准时间周期的时钟偏移量；
S5、用S4中所估计的时钟偏移量对S3中所计算出的信号从待测目标节点到达各个不同基站之间的时间差进行时间补偿；从而提升待测目标节点到各个基站信号到达时间差测量的准确性；
S6、将S5补偿后的到达时间差通过TDOA定位算法估计出待测目标节点位置坐标；
S7、返回步骤S2，进行下一个TDOA定位周期定位，直至定位结束。
实施例2
为了更好地说明本发明，本发明的一种免时钟同步的TDOA无线定位方法另一种优选实施例如下：
如图2所示为本实施例TDOA定位原理图，则通过几何关系可得到方程组：
所述方程组中，d21为待测目标节点Tag(标签)到Anchor B(基站B)与Anchor A(基站A)的距离差，d31为待测目标节点Tag到Anchor C(基站C)与Anchor A的距离差，该距离通过待测目标节点发出的信号到不同基站的飞行时间差乘以信号在空气中传播速度获得。在TDOA定位过程中通过计算出d21和d31，然后使用TDOA定位算法求解所述方程组获得待测目标节点的位置最优估计值。
如图3所示，本发明一种免时钟同步的TDOA无线定位方法中待测目标节点Tag到两个基站Anchor A和Anchor B信号飞行时间差的测量，包括：
S11：测量Anchor A和Anchor B之间的信号飞行所需要的时间TOFAB，其为固定值。
S21：待测目标节点Tag首先向基站Anchor A和基站Anchor B广播一个测距数据包Packet1，Anchor A在收到Tag广播的数据包后，间隔时间TA1向Anchor B发送一个新的数据包Packet2，记Anchor B收到数据包Packet1与Packet2的时间差为TB1。
S31：根据S2可得到时间关系：TOFA+TA1＝TOFB+TB1-TOFAB，进一步可得到待测目标节点Tag所发出的信号到达Anchor A和Anchor B的时间差为：DISAB＝TOFA-TOFB＝TB1-TA1-TOFAB，其中，TA1与TB1表示真实时间基准下的计时。
假设a和b分别表示Anchor A与Anchor B在TA1与TB1时间内设备高精度计时单元计数次数。在考虑设备时钟偏移的情况下满足等式TA1＝a(To-eA)TB1＝b(To-eB)，其中T0为基站Anchor A和Anchor B标准时钟周期，eA和eB为设备相对与真实时钟的时钟偏移量，则满足关系：DISAB＝a(To-eA)-b(To-eB)-TOFAB。
S41：为了获取Anchor A和Anchor B时钟偏移量eA和eB，在上述测距过程Anchor A发送Packet2后间隔时间TA2再次向Anchor B发送数据包Packet3，Anchor B收到数据包Packet3与上次收到的数据包Packet2间隔时间为TB2，在此过程中Anchor A发送时间差等于Anchor B接收时间差，即：TA2＝TB2，其中TA2＝n(To-eA)，TB2＝m(To-eB)，n和m分别为Anchor A和Anchor B在TA2与TB2时间内设备高精度计时单元计数次数。则满足关系：n(To-eA)＝m(To-eB)。
在上述过程的基础上，当Anchor B收到Packet3后间隔时间TB3向Anchor B回复数据包Packet4，Anchor A接收数据包Packet4与上次发送Packet3的时间间隔为TB3。信号在Anchor A和Anchor B之间飞行的固定时间为TOFAB，经过两次飞行后满足条件：TB3+2TOFAB＝TA3，其中，TA3＝k(To-eA)，TB3＝l(To-eB)，k,l分别为Anchor A和Anchor B在TA3与TB3时间内设备高精度计时单元计数次数，则满足关系：l(To-eB)+2TOFAB＝k(To-eA)。
S51：根据S41中得到的关系：n(To-eA)＝m(To-eB)，l(To-eB)+2TOFAB＝k(To-eA)，可以计算出在此定位周期过程中Anchor A和Anchor B时钟偏移量eA和eB。然后将所求eA和eB带入式S3中DISAB的表达式可求得校准后Tag到Anchor A和Anchor B信号飞行时间差DISAB。
S61：通过上述过程可计算出待测目标节点Tag所发出信号到各个基站的时间差，然后通过TDOA定位算法对目标节点位置做出精确估计。
S71：完成一个TDOA周期的定位过程后，回到S21开始进行下一个TDOA周期定位，直至定位结束。
上述实施例中，仅包含测量待测目标节点Tag所发出信号到定位基站Anchor A和Anchor B的飞行时间差，在实际定位场景中，可通过本发明所提出的方法计算出待测目标节点所发出信号达到任意两个基站之间信号飞行时间差。
如图4所示，在上述两个定位基站到达时间差测量过程中，将Anchor A发送给Anchor B的数据包广播到当前定位场景中其余所有定位基站Anchor C～Anchor N，其他基站在收到Anchor A广播的两次数据包后，分别向Anchor A回复一个数据包，如Anchor B回复的Packet4，Anchor C回复的Packet5，Anchor N回复的Packetn。则待测目标节点Tag所发出的信号到基站Anchor A与其他基站的信号飞行时间差，可根据上述两个定位基站到达时间差测量方法获得。
如图4所示，以基站Anchor A为基准测量待测目标节点Tag所发出信号到Anchor A与其他基站的信号飞行时间差，通过本发明的方法，同样可以其他任意一个基站为基准测得待测目标节点Tag所发出信号到该基站与其他基站的信号飞行时间差，从而获得待测目标节点到任意两基站之间的距离差。另外，本实施例中定位维度为二维，本领域技术人员可根据实际需求将本发明应用于三维定位场景，本发明仍能适用。
本发明中的方法和系统的部分特征可以相互引用，本发明不再赘述。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种免时钟同步的TDOA无线定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1)初始化定位子系统，测量出各个定位基站之间的距离；
步骤2)在一个TDOA定位周期内，待测目标节点首先向各个定位基站广播一次测距数据包，然后每两个定位基站之间进行一次单向通信，从而获得待测目标节点到各个定位基站之间的信号到达时间差；
步骤3)每两个定位基站之间再分别进行一次双向通信，根据相关时间关系，从而实现定位基站在当前TDOA定位周期内的时钟偏移量估计；
步骤4)通过步骤3)中所估计出的时钟偏移量对步骤2)中所测得信号到达时间差进行时间补偿，从而获得精准的到达时间差测量值；
步骤5)将步骤4)所得到的精准到达时间差测量值通过TDOA定位算法估计出待测目标节点的坐标；
步骤6)返回步骤2)，进行下一个TDOA定位周期定位，直至定位结束。
2.根据权利要求1所述的一种免时钟同步的TDOA无线定位方法，其特征在于，所述定位子系统包括若干定位基站与若干定位标签，所述定位基站部署于定位现场，待测目标节点与至少一个定位标签绑定；通过获取定位标签的位置信息从而实现对待测目标节点的定位。
3.根据权利要求1所述的一种免时钟同步的TDOA无线定位方法，其特征在于，所述待测目标节点到各个定位基站之间的信号到达时间差测量包括在一个TDOA定位周期中，待测目标节点向各个定位基站广播一个测距数据包，定位基站收到待测目标节点广播的测距数据包后，每两个定位基站之间再进行一次单向通信；根据两个定位基站单向通信过程中发送和接收数据包的时间，以及接收待测目标节点广播数据包的时间，并结合定位基站之间的距离信息，计算出每一个定位基站在本地时钟条件下与其他定位基站接收到待测目标节点广播的测距数据包的到达时间差。
4.根据权利要求3所述的一种免时钟同步的TDOA无线定位方法，其特征在于，所述定位基站时钟偏移估计包括计算出每一个定位基站在本地时钟条件下与其他定位基站接收到待测目标节点广播数据包的到达时间差后，通过每两个定位基站之间再进行一次双向通信，根据相关时间关系估计出当前TDOA定位周期中定位基站相对于标准时间周期的时钟偏移量。
5.根据权利要求4所述的一种免时钟同步的TDOA无线定位方法，其特征在于，所述时间偏移估计还包括在一个时钟偏移估计周期内其时钟偏移量保持不变，到达该时钟偏移估计周期后再进行时间偏移估计并更新各个基站的时钟偏移量；所述时钟偏移估计周期为5～15个TDOA定位周期。
6.一种免时钟同步的TDOA无线定位系统，其特征在于，所述无线定位系统包括定位子系统以及上位机系统；所述定位子系统包括若干定位基站与若干定位标签，所述定位标签与待测目标节点绑定；
所述上位机系统用于实现对整个系统的功能管理与数据处理，并通过跟踪定位标签实现对待测目标节点的跟踪与定位；
所述定位基站与定位标签均包括时钟偏移估计模块与时间差测量模块；
所述时间差测量模块用于测量待测目标节点到各个定位基站之间的信号到达时间差；
所述时钟偏移估计模块用于估计在一个TDOA定位周期内各个定位基站相对于标准时钟周期的时钟偏移量。
7.根据权利要求6所述的一种免时钟同步的TDOA无线定位系统，其特征在于，所述定位基站部署于定位现场，待测目标节点与至少一个定位标签绑定；通过获取定位标签的位置信息从而实现对待测目标节点的定位。
8.根据权利要求6所述的一种免时钟同步的TDOA无线定位系统，其特征在于，所述时间差测量模块包括第一高精度计时单元以及第一处理单元；在一个TDOA定位周期中，定位基站收到待测目标节点广播的测距数据包后，每两个定位基站之间再进行一次单向通信；第一高精度计时单元检测到两个定位基站单向通信过程中发送和接收数据包的时间，以及接收待测目标节点广播数据包的时间；第一处理单元根据定位基站之间的距离信息，计算出每一个定位基站在本地时钟条件下与其他定位基站接收到待测目标节点广播数据包的到达时间差。
9.根据权利要求8所述的一种免时钟同步的TDOA无线定位系统，其特征在于，所述时钟偏移估计模块包括第二高精度计时单元以及第二处理单元，在第一处理单元计算出的到达时间差后，每两个定位基站之间进行一次双向通信，第二高精度计时单元检测到两个定位基站双向通信过程中发送和接收数据包的时间；第二处理单元根据相关时间关系估计出当前TDOA定位周期中定位基站相对于标准时间周期的时钟偏移量。
10.根据权利要求9所述的一种免时钟同步的TDOA无线定位系统，其特征在于，所述时间偏移估计模块还包括时钟唤醒装置，所述时钟唤醒装置用于在一个时钟偏移估计周期内保证时钟偏移量保持不变，到达该时钟偏移估计周期后唤醒时钟偏移估计模块，再进行时间偏移估计并更新各个基站的时钟偏移量。
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