CN110850368A - 一种在定位系统中测量误差系数并应用于距离测量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在定位系统中测量误差系数并应用于距离测量的方法,在定位系统中,已知两节点之间的距离L,节点间采用双边通信的方式,得到信号在两节点之间的传播时间T,则计算可得节点间的距离L1=C*T,其中C为真空光速。计算可得误差系数s=L/L1。在进行固定节点到移动点的测距过程中,其真实距离L2=Tt*C*s,其中Tt为节点间信号传递时间。此方法解决了定位系统中折射率与时钟偏移对测距结果的影响,可提高定位精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种定位系统中测距校准的方法,通过测量时钟偏移与大气电折射率引起的误差系数,进一步减小测距误差,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,测量的距离越准确,应用的效果往往更好。时钟漂移和大气折射率是影响测量距离的重要因素,因此,在测距过程中通过消除时钟漂移和无线电折射率的影响,可以降低测距的误差。
发明内容
本发明的目的是随着现代通信技术的发展,通信设备已经可以获取准确的数据包到达时间,也可以准确控制数据包的发送时间;在此基础上,本发明提出了一种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,通过消除时钟偏移与大气折射率的影响来降低测距误差。相比较传统测距定位方式,大大的提高了精度。
本发明技术方案是:一种在定位系统中测量误差系数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,将所述定位系统中的主节点与副节点之间、主节点与移动节点之间进行时钟同步;
(2)、对已知真实距离为L1的两个固定节点:主节点与副节点之间进行一次距离测量,采用任意一种TOF、TOA或类似方法测量两个固定节点之间的传播时间T1,计算L1s=c*T1,其中c为真空光速;L1s为其一次的测量值或多次测量的平均值;其误差系数S=L1/L1s;
(3)、将固定节点到移动节点之间进行一次距离测量,假定距离测量的传播时间为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*T2)*S。
进一步的,所述主节点与副节点两个固定节点是定位系统中任意两个可以互相通信的锚节点,分别称之为通信主节点和通信副节点。
进一步的,所述步骤(2)中对主节点与副节点之间进行一次距离测量,其测量步骤具体如下:
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)、计数的主节点与副节点之间数据包的传递时间:所述传递时间=(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;
步骤6)、主节点与副节点的测量距离:所述的测量距离=(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*真空光速
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。
进一步的,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,所述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。
进一步的,所得到的校正后的主节点与副节点之间的距离具体如下:
校正后的主节点与副节点之间的距离=[(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]*数据包的传递速度;
数据包的传递速度=真空光速/大气折射率:
校正后的主节点与副节点之间的距离=[(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]*(真空光速/空气折射率);
其中,校正后的主节点与副节点之间的距离与权3步骤6)中获取的主节点与副节点的测量距离相对比存在一个误差系数,该所述误差系数是:
误差系数=(1+主节点处的时钟偏移)/空气折射率。
进一步的,所述在固定节点到移动节点之间进行的一次距离测量中,采用如权3所述的测量方法,测量了计数的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=计数的锚节点与移动节点之间数据包的传递时间*真空光速*误差系数=计数的锚节点与移动节点之间数据包的传递时间*真空光速*[(1+主节点处的时钟偏移)/空气折射率]。
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由于时钟漂移对节点处的响应时间造成一定的影响,进而对测距造成影响,在信号飞行途中由于大气折射率的影响信号的飞行速度,综合考虑大气折射率与时钟偏移造成的误差,计算由大气折射率与时钟偏移引起的误差系数,将误差系数代入之后的测距过程中,便可以减小测距的误差。
附图说明
图1是本发明的双边测距的结构示意图。
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;一种在定位系统中测量误差系数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,将所述定位系统中的主节点与副节点之间、主节点与移动节点之间进行时钟同步;
(2)、对已知真实距离为L1的两个固定节点:主节点与副节点之间进行一次距离测量,采用任意一种TOF、TOA或类似方法测量两个固定节点之间的传播时间T1,计算L1s=c*T1,其中c为真空光速;L1s为其一次的测量值或多次测量的平均值;其误差系数S=L1/L1s;
(3)、将固定节点到移动节点之间进行一次距离测量,假定距离测量的传播时间为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*T2)*S。
进一步的,所述主节点与副节点两个固定节点是定位系统中任意两个可以互相通信的锚节点,分别称之为通信主节点和通信副节点。
进一步的,所述步骤(2)中对主节点与副节点之间进行一次距离测量,其测量步骤具体如下:
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)、计数的主节点与副节点之间数据包的传递时间:所述传递时间=(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;
步骤6)、主节点与副节点的测量距离:所述的测量距离=(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*真空光速。
进一步的,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,所述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。
进一步的,所得到的校正后的主节点与副节点之间的距离如下:
校正后的主节点与副节点之间的距离=[(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]*数据包的传递速度;
数据包的传递速度=真空光速/大气折射率:
校正后的主节点与副节点之间的距离=[(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]*(真空光速/空气折射率);
其中,校正后的主节点与副节点之间的距离与权3步骤6)中获取的主节点与副节点的测量距离相对比存在一个误差系数,该所述误差系数是:
误差系数=(1+主节点处的时钟偏移)/空气折射率。
进一步的,所述在固定节点到移动节点之间进行的一次距离测量中,采用如权3所述的测量方法,测量了计数的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=计数的锚节点与移动节点之间数据包的传递时间*真空光速*误差系数=计数的锚节点与移动节点之间数据包的传递时间*真空光速*[(1+主节点处的时钟偏移)/空气折射率]。
进一步的,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;距离测量的方法可以是上述的测量方法,还可以是其他与之相近的测量方法。
本发明涉及一种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(Treply),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(Tround),因此主节点与副节点之间的信号传递时间(Tt)=主节点发出数据请求包到接收到响应数据包的时间(Tround)-副节点接收请求数据包到发送响应数据包的响应时间(Treply))/2。
主节点与副节点发送与接受信号时,由于时钟偏移的影响,会使得测量的时间与真实时间之间存在着一定偏差,考虑时钟偏移对此系统的影响,主节点与副节点之间数据包的传递时间(Tt)=[主节点发出数据请求包到接收到响应数据包的时间(Tround)*(1+主节点处的时钟偏移(Ea))-副节点接收请求数据包到发送响应数据包的响应时间(Treply)*(1+副节点处的时钟偏移(Eb))]/2。
为了解决主节点与副节点之间的时间同步问题,做如下工作: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如下计算:频率比因子=副节点接就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通信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;
完成了主节点与副节点处的时间同步后,可保证两节点处的时钟偏移相等,因此在完成主节点与副节点的时间同步后,主节点与副节点之间数据包的传递时间(Tt)=(主节点发出数据请求包到接收到响应数据包的时间(Tround)-副节点接收请求数据包到发送响应数据包的响应时间(Treply))(1+节点处的时钟偏移(Ea))/2。
主节点与副节点之间数据包的传递时间(Tt)又可以通过其他公式来表达,即:主节点与副节点之间数据包的传递时间(Tt)=主节点与副节点之间的距离(L)/数据包的传递速度(V)。
主节点与副节点之间的距离(L)已知。
结合上述主节点与副节点之间数据包的传递时间(Tt)的两种表达式,可得到:主节点与副节点之间的距离(L)=[(主节点发出数据请求包到接收到响应数据包的时间(Tround)-副节点接收请求数据包到发送响应数据包的响应时间(Treply))(1+节点处的时钟偏移(Ea))/2]*数据包的传递速度(V)。
由于存在大气折射率(n),数据包的传递速度(V)=光速(C)/大气折射率(n);而大气折射率(n)=1+无线电折射率(N)*10-6,所以数据包的传递速度(V)=光速(C)/1+无线电折射率(N)*10-6。
将得到的数据包的传递速度(V)带入测量距离的公式可以得到:主节点与副节点之间的距离(L)=[(主节点发出数据请求包到接收到响应数据包的时间(Tround)-副节点接收请求数据包到发送响应数据包的响应时间(Treply))(1+节点处的时钟偏移(Ea))/2]*[光速(C)/1+无线电折射率(N)*10-6]。
处理上述公式:分子分母同时乘上(1-无线电折射率(N)*10-6),整理后得到以下公式:主节点与副节点之间的距离(L)=[(1+节点处的时钟偏移(Ea))*(1-无线电折射率(N)*10-6)]/[(1+无线电折射率(N)*10-6)*(1-无线电折射率(N)*10-6)]*[(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(Treply))]/2*光速(C)。
将上述等式展开得到:
主节点与副节点之间的距离(L)=(1+节点处的时钟偏移(Ea))-无线电折射率(N)*10-6-节点处的时钟偏移((Ea))*无线电折射率(N)*10-6)/(1-无线电折射率(N)2*10-12)*[(主节点发出数据请求包到接收到响应数据包的时间(Tround)-副节点接收请求数据包到发送响应数据包的响应时间(Treply))]/2*光速(C)。
观察上述等式可以发现,无线电折射率(N)2*10-12与节点处的时钟偏移(Ea)*无线电折射率(N)*10-6两项对等式左侧的值影响极小,所以可以直接剔除这两项,得到新等式:主节点与副节点之间的距离(L)=(1+点处的时钟偏移(Ea)-无线电折射率(N)*10-6)*[(主节点发出数据请求包到接收到响应数据包的时间(Tround)-副节点接收请求数据包到发送响应数据包的响应时间(Treply))]/2*光速(C)。
整理上述等式可得到:(1+点处的时钟偏移(Ea)-无线电折射率(N)*10-6)=(2*主节点与副节点之间的距离(L))/[(主节点发出数据请求包到接收到响应数据包的时间(Tround)-副节点接收请求数据包到发送响应数据包的响应时间(Treply))*光速(C)]。
而等式左边的(1+点处的时钟偏移(Ea)-无线电折射率(N)*10-6)即误差系数。
在进行固定节点到移动节点之间的一次距离测量中,锚节点到移动节点的实际距离=计数的锚节点与移动节点之间数据包的传递时间*真空光速*误差系数=计数的锚节点与移动节点之间数据包的传递时间(Tt)*真空光速(C)*(1+点处的时钟偏移(Ea)-无线电折射率(N)*10-6)。
Claims (6)
1.一种在定位系统中测量误差系数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,将所述定位系统中的主节点与副节点之间、主节点与移动节点之间进行时钟同步;
(2)、对已知真实距离为L1的两个固定节点:主节点与副节点之间进行一次距离测量,采用任意一种TOF、TOA或类似方法测量两个固定节点之间的传播时间T1,计算L1s=c*T1,其中c为真空光速;L1s为其一次的测量值或多次测量的平均值;其误差系数S=L1/L1s;
(3)、将固定节点到移动节点之间进行一次距离测量,假定距离测量的传播时间为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*T2)*S。
2.根据权利要求1所述的一种在定位系统中测量误差系数并应用于距离测量的方法,其特征在于,所述主节点与副节点两个固定节点是定位系统中任意两个可以互相通信的锚节点,分别称之为通信主节点和通信副节点。
3.根据权利要求1所述的一种在定位系统中测量误差系数并应用于距离测量的方法,其特征在于,所述步骤(2)中对主节点与副节点之间进行一次距离测量,其测量步骤具体如下:
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)、计数的主节点与副节点之间数据包的传递时间:所述传递时间=(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;
步骤6)、主节点与副节点的测量距离:所述的测量距离=(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*真空光速;
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。
4.根据权利要求1所述的一种在定位系统中测量误差系数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,所述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。
5.根据权利要求4所述的一种在定位系统中测量误差系数并应用于距离测量的方法,其特征在于,所得到的校正后的主节点与副节点之间的距离具体如下:
校正后的主节点与副节点之间的距离=[(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]*数据包的传递速度;
数据包的传递速度=真空光速/大气折射率:
校正后的主节点与副节点之间的距离=[(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]*(真空光速/空气折射率);
其中,校正后的主节点与副节点之间的距离与权3步骤6)中获取的主节点与副节点的测量距离相对比存在一个误差系数,该所述误差系数是:
误差系数=(1+主节点处的时钟偏移)/空气折射率。
6.根据权利要求1所述的一种在定位系统中测量误差系数并应用于距离测量的方法,其特征在于,所述在固定节点到移动节点之间进行的一次距离测量中,采用如权3所述的测量方法,测量了计数的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=计数的锚节点与移动节点之间数据包的传递时间*真空光速*误差系数=计数的锚节点与移动节点之间数据包的传递时间*真空光速*[(1+主节点处的时钟偏移)/空气折射率]。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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