CN110850367A - 一种在定位系统中测量空气折射率及晶振实际频率并应用于距离测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在定位系统中测量空气折射率及晶振实际频率并应用于距离测量的方法。即通过测量定位系统中的空气折射率与晶振实际频率，并用于测距的方法。在高频率稳定度晶振的定位系统中，已知两节点之间的距离L，节点间采用双边通信或双边双向通信，得到信号在两节点之间的传播时间T，则L₁＝V*T，V为节点间信号传递速度，利用L与L₁之间的数量关系，可求出此时的空气折射率与实际的晶振频率，之后当进行固定节点到移动节点的测距时，带入空气折射率与实际的晶振频率，可提高测距精度。此方法解决了定位中折射率与晶振频率对测距结果的影响，可提高定位精度。

Description

一种在定位系统中测量空气折射率及晶振实际频率并应用于 距离测量的方法

技术领域

本发明涉及一种室内定位中测距校准的方法，具体涉及利用计算大气折射率与实际的晶振频率来减小测距误差，属于减小误差的技术领域。

背景技术

在日常生活、生产过程中常常需要测量无线设备的地理位置信息，在一个采用高频率稳定度晶振的定位系统中，大气折射率与晶振的实际频率是影响无线电波传播速率的一项重要指标，将大气折射率所造成的误差考虑到其中时可以减小定位中测距的误差。

发明内容

本发明的目的是为了一种高频率稳定度晶振的定位系统中提高测距精度的方法，该方法在利用地理信息的基础上，针对信号的飞行时间来减小测距误差；相比较传统测距定位方式，大大的提高了精度。本发明的方法尤其适合于采用主从通信模式的无线传感器网络，也可以适合于任一种无线通信网络。

本发明的技术方案是：1、一种在定位系统中测量空气折射率并应用于距离测量的方法；具体步骤如下：

(1)、在一个采用高频率稳定度晶振的定位系统中，已知主节点与副节点之间的真实距离为L₁，采用任意一种方法测量主节点与副节点两者之间的传播时间T₁，计算L_1s＝C*T₁，其中C为真空光速；L_1s是其一次测量值或多次测量的平均值；其空气折射率S＝L_1s/L₁；

(2)、在进行固定节点到移动节点之间的一次距离测量中，假定测量的传播时间为T₂，则固定节点到移动节点的实际距离采用下述公式计算：L₂＝(C/S)*T。

2、一种在定位系统中测量晶振实际频率并应用于距离测量的方法；具体步骤如下：

(1)、在一个未采用/采用高频率稳定度晶振的定位系统中，用于晶振的频率标称值为F₀，主节点的实际频率为F_X，首先将主节点与副节点两者之间、主节点与移动节点两者之间进行时钟同步，所述定位系统中的所有节点具有相同的频率F_x；其中，空气折射率为S；

(2)、已知两个固定节点之间的真实距离为L₁，采用任意一种方法测量两个固定节点之间的传播时间T₁，计算L_1s＝(C/S)*T₁，其中C为真空光速；L_1s是一次测量值或多次测量的平均值；其主节点频率是F_X＝(L_1s/L₁)*F₀；

(3)、在进行固定节点到移动节点之间的一次距离测量中，假定测量的传播时间为T₂，则固定节点到移动节点的实际距离采用下述公式计算：L₂＝(C/S)*T₂*(F₀/F_X)。

3、优选的，所述两个固定节点是定位系统中任意两个互相通信的锚节点，分别称之为通信主节点和通信副节点。

4、优选的，所述任意一种测量方法可以是一种TOF、TOA或类似的距离测量方法，包括且不仅限于如下的双边测距与双向双边测距两种方法：

4.1、双边测距方法：

步骤1)、主节点发出请求数据包；

步骤2)、副节点接收主节点发出的请求数据包并经过一段时间的响应；

步骤3)、副节点发出响应数据包；

步骤4)、主节点接受副节点发出的响应数据包。

步骤5)、主节点与副节点之间数据包的传递时间＝(主节点发出数据请求包到接收到响应数据包的时间-副节点接收请求数据包到发送响应数据包的响应时间)/2；

4.2、双向双边测距方法：

步骤1)、主节点发出请求数据包；

步骤2)、副节点接收主节点发出的请求数据包并经过一段时间的响应；

步骤3)、副节点发出响应数据包；

步骤4)、主节点接收副节点发出的响应数据包并经过一段时间的响应；

步骤5)、主节点发出响应数据包；

步骤6)、副节点接收副节点发出的响应数据包；

步骤7)、主节点与副节点之间数据包的传递时间＝(主节点可发出请求数据包到接收到响应数据包的时间*副节点发送响应数据包到接收来自主节点的再响应数据包的时间-副节点接收请求数据包到发送响应数据包的时间*主节点接收来自标签节点的响应数据包到发送再响应数据包的时间)/(主节点发出请求数据包到接收到响应数据包的时间+副节点发送响应数据包到接收来自主节点的再响应数据包的时间+副节点接收请求数据包到发送响应数据包的时间+主节点接收来自标签节点的响应数据包到发送响应数据包的时间)；

其中，所述距离测量的方法是采用任意一种TOF、TOA或类似方法，还包括与TOF、TOA相类似或者相近的其他测量方法。

5、优选的，所得到的主节点与副节点之间数据包的传递时间，根据1确定的主节点与副节点之间的距离，得出空气折射率S：

空气折射率S＝(主节点与副节点之间数据包的传递时间*光速)/主节点与副节点之间已知的真实距离。

6、优选的，所述的在进行固定节点到移动节点之间的一次距离测量中，采用4的测量方法，测量的传播时间为锚节点到移动节点之间数据包的传递时间，则锚节点到移动节点的实际距离采用如下公式计算：锚节点到移动节点的实际距离＝(真空光速/空气折射率)*锚节点到移动节点之间数据包的传递时间。

7、优选的，所得到的主节点与副节点之间数据包的传递时间，再根据2所确定的主节点与副节点之间的真实距离，得出主节点用于测距的晶振实际频率：

主节点用于测距的晶振实际频率＝((真空光速/空气折射率)*主节点与副节点之间数据包的传递时间/主节点与副节点之间的真实距离)*晶振的标称值。

8、优选的，在进行固定节点到移动节点之间的一次距离测量中，其采用了如4所述的测量方法，测量的传播时间为锚节点到移动节点之间数据包的传递时间，则锚节点到移动节点的实际距离采用下述公式计算：锚节点到移动节点的实际距离＝(真空光速/空气折射率)*锚节点到移动节点之间数据包的传递时间*(晶振的标称值/主节点用于测距的晶振实际频率)。

9、优选的，所述时钟同步是用于解决主节点与副节点、主节点与移动节点之间的时间同步问题，

其中：主节点发送两次请求数据包到副节点，副节点根据接收的两个请求数据包的到达时间作下述计算：

频率比因子＝副节点接收的两个请求数据包的到达时间差/副节点从两个请求数据包中提取的主节点的发送时间差；

若副节点对其接收请求数据包到发送响应数据包的时间进行设定，在设定数据基础上乘以所述频率比因子进行校正；

若副节点对其接收请求数据包到发送响应数据包的时间进行测量，在测量数据基础上除以所述频率比因子进行校正；

副节点在测量时间参数时，在测量数据基础上除以所述频率比因子进行校正；

校正后的传递时间＝(主节点发出数据请求包到接收到响应数据包的时间-副节点接收请求数据包到发送响应数据包的响应时间)(1+主节点处的时钟偏移)/2。

本发明的有益效果是：传统的TOF技术在进行节点定位时需要进行多次TOF测量，每一次测量过程中都会受到大气折射率以及实际的晶振频率的影响，进而影响到测量距离，计算出此阶段时间的大气折射率与实际的晶振频率，代入之后的测距过程中，则测距的误差减小。

附图说明

图1是本发明中其中一种信号传递模式双边测距的结构示意图；

图2是本发明中其中另外一种信号传递模式双边双向测距的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做详细说明。

如图所述，1、一种在定位系统中测量空气折射率并应用于距离测量的方法；具体步骤如下：

(1)、在一个采用高频率稳定度晶振的定位系统中，已知主节点与副节点之间的真实距离为L₁，采用任意一种方法测量主节点与副节点两者之间的传播时间T₁，计算L_1s＝C*T₁，其中C为真空光速；L_1s是其一次测量值或多次测量的平均值；其空气折射率S＝L_1s/L₁；

(2)、在进行固定节点到移动节点之间的一次距离测量中，假定测量的传播时间为T₂，则固定节点到移动节点的实际距离采用下述公式计算：L₂＝(C/S)*T。

2、一种在定位系统中测量晶振实际频率并应用于距离测量的方法；具体步骤如下：

(1)、在一个未采用/采用高频率稳定度晶振的定位系统中，用于晶振的频率标称值为F₀，主节点的实际频率为F_X，首先将主节点与副节点两者之间、主节点与移动节点两者之间进行时钟同步，所述定位系统中的所有节点具有相同的频率F_x；其中，空气折射率为S；

(2)、已知两个固定节点之间的距离为L₁，采用任意一种方法测量两个固定节点之间的传播时间T₁，计算L_1s＝(C/S)*T₁，其中C为真空光速；L_1s是一次测量值或多次测量的平均值；其主节点频率是F_X＝(L_1s/L₁)*F₀；

(3)、在进行固定节点到移动节点之间的一次距离测量中，假定测量的传播时间为T₂，则固定节点到移动节点的实际距离采用下述公式计算：L₂＝(C/S)*T₂*(F₀/F_X)。

3、优选的，所述两个固定节点是定位系统中任意两个互相通信的锚节点，分别称之为通信主节点和通信副节点。

4、优选的，所述任意一种测量方法可以是一种TOF、TOA或类似的距离测量方法，包括且不仅限于如下的双边测距与双向双边测距两种方法：

4.1、双边测距方法：

步骤1)、主节点发出请求数据包；

步骤2)、副节点接收主节点发出的请求数据包并经过一段时间的响应；

步骤3)、副节点发出响应数据包；

步骤4)、主节点接受副节点发出的响应数据包。

步骤5)、主节点与副节点之间数据包的传递时间＝(主节点发出数据请求包到接收到响应数据包的时间-副节点接收请求数据包到发送响应数据包的响应时间)/2；

4.2、双向双边测距方法：

步骤1)、主节点发出请求数据包；

步骤2)、副节点接收主节点发出的请求数据包并经过一段时间的响应；

步骤3)、副节点发出响应数据包；

步骤4)、主节点接收副节点发出的响应数据包并经过一段时间的响应；

步骤5)、主节点发出响应数据包；

步骤6)、副节点接收副节点发出的响应数据包；

步骤7)、主节点与副节点之间数据包的传递时间＝(主节点可发出请求数据包到接收到响应数据包的时间*副节点发送响应数据包到接收来自主节点的再响应数据包的时间-副节点接收请求数据包到发送响应数据包的时间*主节点接收来自标签节点的响应数据包到发送再响应数据包的时间)/(主节点发出请求数据包到接收到响应数据包的时间+副节点发送响应数据包到接收来自主节点的再响应数据包的时间+副节点接收请求数据包到发送响应数据包的时间+主节点接收来自标签节点的响应数据包到发送响应数据包的时间)；

其中，所述距离测量的方法是采用任意一种TOF、TOA或类似方法，还包括与TOF、TOA相类似或者相近的其他测量方法。

5、优选的，所得到的主节点与副节点之间数据包的传递时间，根据1确定的主节点与副节点之间的距离，得出空气折射率S：

空气折射率S＝(主节点与副节点之间数据包的传递时间*光速)/主节点与副节点之间已知的真实距离。

6、优选的，所述的在进行固定节点到移动节点之间的一次距离测量中，采用4的测量方法，测量的传播时间为锚节点到移动节点之间数据包的传递时间，则锚节点到移动节点的实际距离采用如下公式计算：锚节点到移动节点的实际距离＝(真空光速/空气折射率)*锚节点到移动节点之间数据包的传递时间。

7、优选的，所得到的主节点与副节点之间数据包的传递时间，再根据2所确定的主节点与副节点之间的真实距离，得出主节点用于测距的晶振实际频率：

主节点用于测距的晶振实际频率＝((真空光速/空气折射率)*主节点与副节点之间数据包的传递时间/主节点与副节点之间的真实距离)*晶振的标称值。

8、优选的，在进行固定节点到移动节点之间的一次距离测量中，其采用了如4所述的测量方法，测量的传播时间为锚节点到移动节点之间数据包的传递时间，则锚节点到移动节点的实际距离采用下述公式计算：锚节点到移动节点的实际距离＝(真空光速/空气折射率)*锚节点到移动节点之间数据包的传递时间*(晶振的标称值/主节点用于测距的晶振实际频率)。

9、优选的，所述时钟同步是用于解决主节点与副节点、主节点与移动节点之间的时间同步问题，

其中：主节点发送两次请求数据包到副节点，副节点根据接收的两个请求数据包的到达时间作下述计算：

频率比因子＝副节点接收的两个请求数据包的到达时间差/副节点从两个请求数据包中提取的主节点的发送时间差；

若副节点对其接收请求数据包到发送响应数据包的时间进行设定，在设定数据基础上乘以所述频率比因子进行校正；

若副节点对其接收请求数据包到发送响应数据包的时间进行测量，在测量数据基础上除以所述频率比因子进行校正；

副节点在测量时间参数时，在测量数据基础上除以所述频率比因子进行校正；

校正后的传递时间＝(主节点发出数据请求包到接收到响应数据包的时间-副节点接收请求数据包到发送响应数据包的响应时间)(1+主节点处的时钟偏移)/2。

本发明涉及一种室内定位中测距校准的方法，此方法需要两个确定的节点，一个主节点一个副节点，主节点与副节点之间的距离已知。

图1表示的是主节点与副节点之间的双边通信，即请求—响应式通信，即主节点发出请求数据包，副节点接受主节点发出的请求数据包并经过一段的响应时间(T_reply)，接着副节点发送响应数据包，然后主节点接受副节点发出的响应数据包，主节点从发送请求数据包到接受响应数据包的时间为(T_round)，因此主节点与副节点之间的信号传递时间(T_t)＝主节点发出数据请求包到接收到响应数据包的时间(T_round)-副节点接收请求数据包到发送响应数据包的响应时间(T_reply))/2。

图2表示的是主节点与副节点之间的双边双向通信，即请求-响应-再响应式通信，主节点发送请求数据包，副节点接收主节点发出的请求数据包，经过一段响应时间，副节点向主节点发出响应数据包，主节点接收副节点发出的响应数据包，经过一段响应时间后，主节点向副节点发出再响应数据包，副节点接收再响应数据包。

根据图2所示可得到主节点与副节点之间数据包的传递时间，主节点与副节点之间数据包的传递时间(T_t)＝(主节点发出请求数据包到接收到响应数据包的时间(T_round1)*副节点发送响应数据包到接收来自主节点的再响应数据包的时间(T_round2)-副节点接收请求数据包到发送响应数据包的时间(T_reply1)*主节点接收来自标签节点的响应数据包到发送再响应数据包的时间(T_reply2))/(主节点发出请求数据包到接收到响应数据包的时间(T_round1)+副节点发送响应数据包到接收来自主节点的再响应数据包的时间(T_round2)+副节点接收请求数据包到发送响应数据包的时间(T_reply1)+主节点接收来自标签节点的响应数据包到发送响应数据包的时间(T_reply2))。

当采用双边通信：

空气折射率(s)＝[(主节点发出数据请求包到接收到响应数据包的时间(T_round)-副节点接收请求数据包到发送响应数据包的响应时间(T_reply))/2)*C]/主节点与副节点之间的距离(L)。

当采用双向双边通信：

空气折射率(s)＝[(主节点发出请求数据包到接收到响应数据包的时间(T_round1)*副节点发送响应数据包到接收来自主节点的再响应数据包的时间(T_round2)-副节点接收请求数据包到发送响应数据包的时间(T_reply1)*主节点接收来自标签节点的响应数据包到发送再响应数据包的时间(T_reply2))/(主节点发出请求数据包到接收到响应数据包的时间(T_round1)+副节点发送响应数据包到接收来自主节点的再响应数据包的时间(T_round2)+副节点接收请求数据包到发送响应数据包的时间(T_reply1)+主节点接收来自标签节点的响应数据包到发送响应数据包的时间(T_reply2))*C]/主节点与副节点之间的距离(L)。

则锚节点到移动节点的距离(L₁)＝(真空光速(C)/空气折射率(s))*锚节点到移动节点之间数据包的传递时间(T₁)。其中锚节点到移动节点之间数据包的传递时间(T₁)采用双边通信或双向双边通信皆可。

根据上述所得到的主节点与副节点之间数据包的传递时间，所确定的主节点与副节点之间的距离(L)，得出主节点用于测距的晶振实际频率：

主节点用于测距的晶振实际频率(F_X)＝((真空光速(C)/空气折射率(s))*主节点与副节点之间数据包的传递时间(T_t)/主节点与副节点之间的距离(L))*晶振的标称值(F₀)。

在做完节点处的同步工作后，节点到移动节点的实际距离(L₁)＝(真空光速(C)/空气折射率(s))*锚节点到移动节点之间数据包的传递时间(T_t1)*(晶振的标称值(F₀)/测距的晶振实际频率(F_X))。带入上式公式可得：

节点到移动节点的实际距离(L₁)＝(真空光速(C)/空气折射率(s))*锚节点到移动节点之间数据包的传递时间(T_t1)*[主节点与副节点之间的距离(L)/((真空光速(C)/空气折射率(s))*主节点与副节点之间数据包的传递时间(T_t)]。

Claims (9)

1.一种在定位系统中测量空气折射率并应用于距离测量的方法；其特征在于，具体步骤如下：

(1)、在一个采用高频率稳定度晶振的定位系统中，已知主节点与副节点之间的真实距离为L₁，采用任意一种方法测量主节点与副节点两者之间的传播时间T₁，计算L_1s＝C*T₁，其中C为真空光速；L_1s是其一次测量值或多次测量的平均值；其空气折射率S＝L_1s/L₁；

(2)、在进行固定节点到移动节点之间的一次距离测量中，假定测量的传播时间为T₂，则固定节点到移动节点的实际距离采用下述公式计算：L₂＝(C/S)*T。

2.一种在定位系统中测量晶振实际频率并应用于距离测量的方法；其特征在于，具体步骤如下：

(1)、在一个未采用/采用高频率稳定度晶振的定位系统中，用于晶振的频率标称值为F₀，主节点的实际频率为F_X，首先将主节点与副节点两者之间、主节点与移动节点两者之间进行时钟同步，所述定位系统中的所有节点具有相同的频率F_x；其中，空气折射率为S；

(2)、已知两个固定节点之间的真实距离为L₁，采用任意一种方法测量两个固定节点之间的传播时间T₁，计算L_1s＝(C/S)*T₁，其中C为真空光速；L_1s是一次测量值或多次测量的平均值；其主节点频率是F_X＝(L_1s/L₁)*F₀；

(3)、在进行固定节点到移动节点之间的一次距离测量中，假定测量的传播时间为T₂，则固定节点到移动节点的实际距离采用下述公式计算：L₂＝(C/S)*T₂*(F₀/F_X)。

3.根据权利要求1或2所述的一种在定位系统中测量空气折射率及晶振实际频率应并用于距离测量的方法；其特征在于，所述两个固定节点是定位系统中任意两个互相通信的锚节点，分别称之为通信主节点和通信副节点。

4.根据权利要求1或2所述的一种在定位系统中测量空气折射率及晶振实际频率并应用于距离测量的方法；其特征在于，所述任意一种测量方法可以是一种TOF、TOA或类似的距离测量方法，包括且不仅限于如下的双边测距与双向双边测距两种方法：

4.1、双边测距方法：

步骤1)、主节点发出请求数据包；

步骤2)、副节点接收主节点发出的请求数据包并经过一段时间的响应；

步骤3)、副节点发出响应数据包；

步骤4)、主节点接受副节点发出的响应数据包。

步骤5)、主节点与副节点之间数据包的传递时间＝(主节点发出数据请求包到接收到响应数据包的时间-副节点接收请求数据包到发送响应数据包的响应时间)/2；

4.2、双向双边测距方法：

步骤1)、主节点发出请求数据包；

步骤2)、副节点接收主节点发出的请求数据包并经过一段时间的响应；

步骤3)、副节点发出响应数据包；

步骤4)、主节点接收副节点发出的响应数据包并经过一段时间的响应；

步骤5)、主节点发出响应数据包；

步骤6)、副节点接收副节点发出的响应数据包；

步骤7)、主节点与副节点之间数据包的传递时间＝(主节点可发出请求数据包到接收到响应数据包的时间*副节点发送响应数据包到接收来自主节点的再响应数据包的时间-副节点接收请求数据包到发送响应数据包的时间*主节点接收来自标签节点的响应数据包到发送再响应数据包的时间)/(主节点发出请求数据包到接收到响应数据包的时间+副节点发送响应数据包到接收来自主节点的再响应数据包的时间+副节点接收请求数据包到发送响应数据包的时间+主节点接收来自标签节点的响应数据包到发送响应数据包的时间)；

其中，所述距离测量的方法是采用任意一种TOF、TOA或类似方法，还包括与TOF、TOA相类似或者相近的其他测量方法。

5.根据权利要求1所述的一种在定位系统中测量空气折射率并应用于距离测量的方法；其特征在于，所得到的主节点与副节点之间数据包的传递时间，根据权1确定的主节点与副节点之间的距离，得出空气折射率S：

空气折射率S＝(主节点与副节点之间数据包的传递时间*光速)/主节点与副节点之间已知的真实距离。

6.根据权利要求1和5所述的一种在定位系统中测量空气折射率并应用于距离测量的方法；其特征在于，所述的在进行固定节点到移动节点之间的一次距离测量中，采用权4的测量方法，测量的传播时间为锚节点到移动节点之间数据包的传递时间，则锚节点到移动节点的实际距离采用如下公式计算：锚节点到移动节点的实际距离＝(真空光速/空气折射率)*锚节点到移动节点之间数据包的传递时间。

7.根据权利要求2所述的一种在定位系统中测量晶振实际频率并应用于距离测量的方法；其特征在于，所得到的主节点与副节点之间数据包的传递时间，再根据权2所确定的主节点与副节点之间的真实距离，得出主节点用于测距的晶振实际频率：

主节点用于测距的晶振实际频率＝((真空光速/空气折射率)*主节点与副节点之间数据包的传递时间/主节点与副节点之间的真实距离)*晶振的标称值。

8.根据权利要求2和7所述的一种在定位系统中测量晶振实际频率并应用于距离测量的方法；其特征在于，在进行固定节点到移动节点之间的一次距离测量中，其采用了如权4所述的测量方法，测量的传播时间为锚节点到移动节点之间数据包的传递时间，则锚节点到移动节点的实际距离采用下述公式计算：锚节点到移动节点的实际距离＝(真空光速/空气折射率)*锚节点到移动节点之间数据包的传递时间*(晶振的标称值/主节点用于测距的晶振实际频率)。

9.根据权利要求2所述的一种在定位系统中测量晶振实际频率并应用于距离测量的方法；其特征在于，所述时钟同步是用于解决主节点与副节点、主节点与移动节点之间的时间同步问题，

其中：主节点发送两次请求数据包到副节点，副节点根据接收的两个请求数据包的到达时间作下述计算：

频率比因子＝副节点接收的两个请求数据包的到达时间差/副节点从两个请求数据包中提取的主节点的发送时间差；

若副节点对其接收请求数据包到发送响应数据包的时间进行设定，在设定数据基础上乘以所述频率比因子进行校正；

若副节点对其接收请求数据包到发送响应数据包的时间进行测量，在测量数据基础上除以所述频率比因子进行校正；

副节点在测量时间参数时，在测量数据基础上除以所述频率比因子进行校正；

校正后的传递时间＝(主节点发出数据请求包到接收到响应数据包的时间-副节点接收请求数据包到发送响应数据包的响应时间)(1+主节点处的时钟偏移)/2。

Images