CN110568405A - 一种双向测距与定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种双向测距与定位方法，该方法包括以下步骤：锚节点i发射测距信号，并记录该锚节点i的测距信号的发送时刻以及该锚节点的ID标识，其中i＝1，2，…n，n≥3；移动终端接收和解调来自所述锚节点i的测距信号，并重新进行信息调制后向所述锚节点i转发经调制的测距信号；锚节点i从移动终端接收并识别该锚节点i的经调制的测距信号，并记录所述经调制的测距信号的接收时刻根据发送时刻接收时刻锚节点i的位置坐标，计算移动终端的位置坐标。

Description

一种双向测距与定位方法
技术领域
本发明涉及物联网领域。具体的，涉及一种双向测距与定位方法。
背景技术
室内定位是物联网的核心技术之一。
由于全球定位系统GPS等全球导航卫星系统GNSS的卫星信号难以有效覆盖室内环境，因此室内定位通常需要基于室内锚节点实现。这些锚点节点可以是不同类型的传感器，包括射频标签RFID、无限局域网Wi-Fi、蓝牙BlueTooth、紫蜂ZigBee、超宽带UWB等。
实现室内定位的方法体制有多种。其中，基于距离测量和交会的定位是最为有效和常用的方法之一。锚节点至移动终端之间的距离可以通过信号强度RSSI测量或到达时间TOA测量两种方式获得。其中，信号强度测量依赖和使用无线电信号场强衰减模型，受具体环境和情况影响很大，但方法对各锚节点之间时间同步的精度要求较低。经典的到达时间测量类似于室外GPS，通过测量信号从锚节点到达移动终端所经历的时间计算两者之间的距离，能够获得很高的测距精度，但方法对各锚节点之间时间同步的精度要求很高。据估算，锚节点之间10ns的时间同步误差，即能够导致3m的测距误差，从而最终影响定位精度；而如果采用原子钟或其他高性能时钟晶振对锚节点进行时间同步，则会导致成本过高，以及系统复杂度的大幅度提升。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种双向测距与定位方法，用于解决由于锚节点之间的时间同步误差造成的定位误差的问题，从而获得较高的定位精度。
本发明提供了一种双向测距与定位方法，该方法包括以下步骤：锚节点i发射测距信号，并记录该锚节点i的测距信号的发送时刻以及该锚节点的ID标识，其中i＝1，2，...n，n≥3；移动终端接收和解调来自所述锚节点i的测距信号，并重新进行信息调制后向所述锚节点i转发经调制的测距信号；锚节点i从移动终端接收并识别该锚节点i的经调制的测距信号，并记录所述经调制的测距信号的接收时刻根据发送时刻接收时刻锚节点i的位置坐标，计算移动终端的位置坐标。
优选的，所述锚节点i将所述发送时刻和所述接收时刻发送给所述移动终端；所述移动终端计算该移动终端的位置坐标。
优选的，所述锚节点i将所述发送时刻和所述接收时刻发送给后台处理器；所述后台处理器计算该移动终端的位置坐标；所述锚节点i将所述移动终端的位置坐标发送至所述移动终端。
优选的，所述测距信号为无线电测距信号。
优选的，所述无线电测距信号为脉冲测距信号、扩频码测距信号、或载波测距信号中的一种。
优选的，所述移动终端对所述测距信号进行重新调制时，对所述测距信号添加所述锚节点i的ID标识。
优选的，可以根据公式计算移动终端的位置坐标的横坐标值X、纵坐标值Y、竖坐标值Z及信号处理时延Δt，其中为锚节点i的位置坐标的横坐标，为锚节点i的位置坐标的纵坐标，为锚节点i的位置坐标的竖坐标，c＝3×108米/秒。
优选的，通过对公式展开泰勒级数，进行高斯-牛顿线性化迭代求解或卡尔曼滤波求解，计算移动终端的位置坐标的横坐标值X、纵坐标值Y、竖坐标值Z及信号处理时延Δt。
利用本发明专利提供的双向测距与定位方法，由锚节点向终端节点发射测距信号，进行处理后转发回锚节点，通过计算时间差获取双向传播距离。由于测距信号的收发均由锚节点测量，因此避免了锚节点之间的时间同步问题，降低了系统和设备成本。同时，根据优选实施方式，可以将移动终端的信号转发处理时延作为公共误差参数，与移动终端位置坐标参数一并解算处理，从而进一步消除移动终端时钟晶振误差，提高定位精度。
附图说明
图1示出了根据本发明的双向测距与定位方法的流程图；
图2示出了根据本发明的双向测距与定位方法的信号传输示意图；
图3示出了根据本发明的双向测距与定位系统的组成示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
图1示出了根据本发明的双向测距与定位方法的流程图，图2示出了根据本发明的双向测距与定位方法的信号传输示意图。参考图1和图2，本发明提供了一种双向测距与定位方法，该方法包括以下步骤：
步骤101，锚节点i发射测距信号，并记录该锚节点i的测距信号的发送时刻以及该锚节点的ID标识，其中i＝1，2，...n，n≥3；
步骤102，移动终端接收和解调来自所述锚节点i的测距信号，并重新进行信息调制后向所述锚节点i转发经调制的测距信号；步骤103，锚节点i从移动终端接收并识别该锚节点i的经调制的测距信号，并记录所述经调制的测距信号的接收时刻
步骤104，根据发送时刻接收时刻锚节点i的位置坐标，计算移动终端的位置坐标。
具体来说，在步骤101中，定位时，各个锚节点i(i＝1，2，...n)分别发射无线电测距信号，并记录自身的测距信号的发送时刻在步骤102中，移动终端接收各个锚节点i的测距信号，对所述测距信号进行调制，并向各个锚节点i转发经调制的测距信号。在步骤103中，各个锚节点i再从移动终端接收经调制的测距信号，并识别出自己的测距信号，记录下经调制的测距信号的接收时刻然后，在步骤104中，根据已知的各个锚节点i的位置坐标以及根据所记录的各个锚节点i向移动终端发送测距信号的发送时刻和从移动终端接收经调制的测距信号的接收时刻计算时间差，从而获得移动终端的位置坐标。
利用本发明提供的双向测距与定位方法，由于测距信号的收发时间均由锚节点测量，因此避免了锚节点之间的时间同步问题，可以获得较高的测距精度，降低系统和设备成本。
在一种可选的实施方式中，可以由所述锚节点i将所述发送时刻和所述接收时刻发送给所述移动终端；由所述移动终端计算该移动终端的位置坐标(X，Y，Z)。
在另一种可选的实施方式中，可以由所述锚节点i将所述发送时刻和所述接收时刻发送给后台处理器；所述后台处理器计算该移动终端的位置坐标(X，Y，Z)；所述锚节点i将所述移动终端的位置坐标(X，Y，Z)及信号处理时延Δt发送至所述移动终端。
根据一种优选的实施方式，所述测距信号可以为无线电测距信号。进一步优选的，所述无线电测距信号可以为脉冲测距信号、扩频码测距信号、或载波测距信号中的一种。
锚节点发射的测距信号中包含自身设备ID标识，因此各锚节点能够从所接收到的移动终端的转发测距信号中，识别来自自己的测距信号。为了进一步便于各个锚节点i识别出自己的测距信号，在步骤102中，所述移动终端对所述测距信号进行调制时，可以对所述测距信号添加所述锚节点i的ID标识，从而，各个锚节点i可以通过ID标识来识别出自己的测距信号。
根据一种优选的实施方式，在步骤104中，移动终端至锚节点i的几何距离di可表示为公式(1)，
其中，为测距信号的发送时刻，为经调制的测距信号的接收时刻，Δt为移动终端的信号处理时延，c为光速，c＝3×108m/s，ε为测量误差残余。
移动终端的位置坐标表示为(X，Y，Z)，锚节点i的位置坐标表示为通过测量多个锚点i的位置坐标可联立得到公式(2)：
对公式(2)求解，可以计算得到移动终端的位置坐标(X，Y，Z)，还可以计算得到信号处理时延Δt。
优选的，可以通过对公式(2)展开泰勒级数，进行高斯-牛顿线性化迭代求解或卡尔曼滤波求解，计算移动终端的位置坐标(X，Y，Z)及信号处理时延Δt。
通过上述优选实施方式，可以将移动终端的信号转发处理时延作为公共误差参数，与移动终端的位置坐标一并解算处理，从而进一步消除移动终端时钟晶振误差，提高定位精度。
需要说明的是，以上说明仅是本发明的优选实施方式，应当理解，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明技术构思的前提下还可以做出若干改变和改进，这些都包括在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种双向测距与定位方法，该方法包括以下步骤：
锚节点i发射测距信号，并记录该锚节点i的测距信号的发送时刻以及该锚节点的ID标识，其中i＝1，2，...n，n≥3；
移动终端接收和解调来自所述锚节点i的测距信号，并重新进行信息调制后向所述锚节点i转发经调制的测距信号；
锚节点i从移动终端接收并识别该锚节点i的经调制的测距信号，并记录所述经调制的测距信号的接收时刻
根据发送时刻接收时刻锚节点i的位置坐标，计算移动终端的位置坐标。
2.根据权利要求1所述的双向测距与定位方法，其中还包括，
所述锚节点i将所述发送时刻和所述接收时刻发送给所述移动终端；
所述移动终端计算该移动终端的位置坐标。
3.根据权利要求1所述的双向测距与定位方法，其中还包括，
所述锚节点i将所述发送时刻和所述接收时刻发送给后台处理器；
所述后台处理器计算该移动终端的位置坐标；
所述锚节点i将所述移动终端的位置坐标发送至所述移动终端。
4.根据权利要求1所述的双向测距与定位方法，其中，所述测距信号为无线电测距信号。
5.根据权利要求4述的双向测距与定位方法，其中，所述无线电测距信号为脉冲测距信号、扩频码测距信号、或载波测距信号中的一种。
6.根据权利要求1所述的双向测距与定位方法，其中，所述移动终端对所述测距信号进行重新调制时，对所述测距信号添加所述锚节点i的ID标识。
7.根据权利要求1所述的双向测距与定位方法，其中，
根据公式计算移动终端的位置坐标的横坐标值X、纵坐标值Y、竖坐标值Z及信号处理时延Δt，其中为锚节点i的位置坐标的横坐标，为锚节点i的位置坐标的纵坐标，为锚节点i的位置坐标的竖坐标，c＝3×108米/秒。
8.根据权利要求7所述的双向测距与定位方法，其中，通过对公式展开泰勒级数，进行高斯-牛顿线性化迭代求解或卡尔曼滤波求解，计算移动终端的位置坐标的横坐标值X、纵坐标值Y、竖坐标值Z及信号处理时延Δt。
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