CN110988797A - 定位系统与定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线通信领域，公开了一种定位系统与定位方法。该定位系统包括：定位标签，用于发射反映待定位物的实时位置的信号；至少三个基站，用于分别接收定位标签的信号，并记录接收到相应的所述信号的时间；时钟同步装置，用于执行以下操作：确定所述至少三个基站中最早或最晚接收到所述信号的基站为基准基站；以及计算所述至少三个基站中的除基准基站之外的两个特定基站与基准基站接收到所述信号的时间差，及计算装置，用于基于所述两个特定基站与所述基准基站接收到所述信号的时间差及所述基准基站与所述两个特定基站的位置，计算待定位物的实时位置。本发明可在不增加通信开销的情况下提高基站的利用率，从而可降低定位系统的布置成本。

Description

定位系统与定位方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，具体地涉及一种定位系统与定位方法。
背景技术
室外定位技术已经相当成熟，借助全球导航卫星系统，可以达到很高的精确度，基本满足了人们在室外进行位置感知的各类需要。然而，在室内环境中，由于建筑物遮挡和多径效应等不利因素的影响，卫星定位技术无法完全搬移到室内空间中。因此，一套成熟的室内定位技术已经成为人们研究的一大热点需求。
超宽带(Ultra Wide Band，UWB)技术采用极窄的脉冲信号来传送信息,它不使用载波，而是利用基带技术直接传送信息。超宽带系统与传统的窄带系统相比，具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低等优点。因此，超宽带技术广泛应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航，提供高精度的室内定位。
目前，UWB定位系统至少包含4个或以上基站(基站11、12、13、14等)及待定位物携带的定位标签15，如图1所示。选取基站11作为固定的锚基站，以定位标签15所发射的脉冲信号到达该锚基站的时间为基准时间，通过到达时间差(TDOA)算法定出定位标签15的位置(其中所述锚基站的位置信息并未在位置解算中使用)。然而，因上述基站的利用率低导致布置定位系统所需花费的成本较高。针对上述定位系统的布置成本高的缺陷，现有技术中还公开通过布置三个基站，并采用到达时间(TOA)算法进行定位，但需要在基站的反馈信息中插入包含时钟源等级、时钟等级、时钟同步跳数以及时钟计数等信息的时钟同步信息，由此在很大程度上增大了通信开销。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的基站的资源利用率低或通信开销大的问题，提供了一种定位系统与方法，其可在不增加通信开销的情况下提高基站的利用率，从而可降低定位系统的布置成本。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种定位系统，该定位系统包括：定位标签，该定位标签被设置在待定位物上，用于发射反映所述待定位物的实时位置的信号；至少三个基站，用于分别接收所述定位标签的信号，并记录接收到相应的所述信号的时间；时钟同步装置，用于执行以下操作：确定所述至少三个基站中最早或最晚接收到所述信号的基站为基准基站；以及计算所述至少三个基站中的除所述基准基站之外的两个特定基站与所述基准基站接收到所述信号的时间差，以及计算装置，用于基于所述两个特定基站与所述基准基站接收到所述信号的时间差及所述基准基站与所述两个特定基站的位置，计算所述待定位物的实时位置。
优选地，所述计算装置包括：构建模块，用于以所述基准基站的位置为第一焦点，以所述两个特定基站中的每一者的位置为第二焦点，且以所述两个特定基站中的每一者与所述基准基站接收到所述信号的时间差及所述信号在空气中的传播速度的乘积作为所述待定位物到所述第二焦点与所述第一焦点的距离差，分别构建第一曲线与第二曲线；以及计算模块，用于计算所述第一曲线与所述第二曲线的交点的坐标，以获取所述待定位物的实时位置。
优选地，在所述至少三个基站为三个基站的情况下，所述构建模块用于以所述基准基站的位置为第一焦点，以所述三个基站中的除所述基准基站外的两个基站中的每一者的位置为第二焦点，且以所述两个基站中的每一者与所述基准基站接收到所述信号的时间差及所述信号在空气中的传播速度的乘积作为所述待定位物到所述第二焦点与所述第一焦点的距离差，分别构建第三曲线与第四曲线；相应地，所述计算模块用于，计算所述第三曲线与所述第四曲线的交点的坐标，以获取所述待定位物的实时位置。
优选地，所述定位标签为超宽带标签，相应地，所述基站为超宽带基站。
本发明第二方面提供一种定位方法，该定位方法通过至少包括定位标签、至少三个基站及时钟同步装置的定位系统来执行，该方定位方法包括：通过所述至少三个基站分别接收所述定位标签所发射的反映待定位物的实时位置的信号，并记录接收到相应的所述信号的时间；通过所述时钟同步装置执行以下操作：确定所述至少三个基站中最早或最晚接收到所述信号的基站为基准基站；以及计算所述至少三个基站中的除所述基准基站之外的两个特定基站与所述基准基站接收到所述信号的时间差，以及基于所述两个特定基站与所述基准基站接收到所述信号的时间差及所述基准基站与所述两个特定基站的位置，计算所述待定位物的实时位置。
优选地，所述计算所述待定位物的实时位置包括：用于以所述基准基站的位置为第一焦点，以所述两个特定基站中的每一者的位置为第二焦点，且以所述两个特定基站中的每一者与所述基准基站接收到所述信号的时间差及所述信号在空气中的传播速度的乘积作为所述待定位物到所述第二焦点与所述第一焦点的距离差，分别构建第一曲线及第二曲线；以及用于计算所述第一曲线与所述第二曲线的交点的坐标，以获取所述待定位物的实时位置。
优选地，在所述至少三个基站为三个基站的情况下，所述计算所述待定位物的实时位置包括：以所述基准基站的位置为第一焦点，以所述三个基站中的除所述基准基站外的两个基站中的每一者的位置为第二焦点，且以所述两个基站中的每一者与所述基准基站接收到所述信号的时间差及所述信号在空气中的传播速度的乘积作为所述待定位物到所述第二焦点与所述第一焦点的距离差，分别构建第三曲线与第四曲线；以及计算所述第三曲线与所述第四曲线的交点的坐标，以获取所述待定位物的实时位置。
优选地，所述定位标签为超宽带标签，相应地，所述基站为超宽带基站。
优选地，所述时钟同步装置通过有线通信方式或无线通信方式与所述至少三个基站建立通信。
本发明第二方面提供一种机器可读存储介质，所述机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行上述的定位方法。
通过上述技术方案，本发明创造性地动态选取至少三个基站中的最早或最晚接收到定位标签的信号的基站为基准基站，并根据除所述基准基站之外的两个特定基站与所述基准基站接收到所述信号的时间差、及所述基准基站与所述两个特定基站的位置，计算待定位物的实时位置。因此，本发明可在不增加通信开销(无需在通信协议中插入时钟同步信息)的情况下提高基站的利用率，从而可降低定位系统的布置成本。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是现有技术中的定位标签与基站的布设示意图；
图2是本发明实施例提供的定位系统的结构图；
图3是本发明实施例提供的定位系统的结构图；
图4是本发明实施例提供的计算装置的结构图；
图5是本发明实施例提供的图4中的4个基站的时序图；以及
图6是本发明实施例提供的定位方法的流程图。
附图标记说明
1-4、11-14、20 基站 10、15 定位标签
30 时钟同步装置 40 计算装置
50 基站 60 计算模块
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
为了克服现有的定位算法中存在的基站资源的利用率低或通信开销大的不足，本发明取消固定锚基站(或基准基站)提供基准时间的功能，将定位系统中第一个或最后一个接收到定位标签发射的信号的基站作为基准基站，并将接收到该信号的时间作为基准时间。以其他任意两个基站与该基准基站接收到信号的时间差来确定待定位物的实时位置，从而无需增设单独的时间基准基站，也无需在基站传输的数据包中增加同步帧结构。由此，可在不插入时钟同步信息的情况下，减少系统所需基站数量，缩减系统成本。
图2是本发明一实施例提供的定位系统的结构图。如图2所示，所述定位系统可包括：定位标签10，该定位标签10被设置在待定位物上，用于发射反映所述待定位物的实时位置的信号；至少三个基站20，用于分别接收所述定位标签10的信号，并记录接收到相应的所述信号的时间；时钟同步装置30，用于执行以下操作：确定所述至少三个基站20中最早或最晚接收到所述信号的基站为基准基站；以及计算所述至少三个基站20中的除所述基准基站之外的两个特定基站与所述基准基站接收到所述信号的时间差，以及计算装置40，用于基于所述两个特定基站与所述基准基站接收到所述信号的时间差及所述基准基站与所述两个特定基站的位置，计算所述待定位物的实时位置。
其中，所述定位标签10可为超宽带(UWB)标签，所述定位标签10以一定的周期(或频率)发射信号。相应地，所述基站20可为超宽带基站。在一实施例中，以图5为例，在周期1中，由于基站1最早接收到信号，故所述时钟同步装置30可将该基站1作为基准基站，并基于该基准基站确定待定位物在该周期1中的实时位置；在周期m中，由于基站4最早接收到信号，故所述时钟同步装置30可将该基站4作为基站基站，并基于该基准基站确定待定位物在该周期m中的实时位置。
当然，在另一实施例中，在周期1中，由于基站4最晚接收到信号，故也可将该基站4作为基准基站，并基于该基准基站确定待定位物在该周期1中的实时位置；在周期m中，由于基站2最晚接收到信号，故也可将该基站2作为基站基站，并基于该基准基站确定待定位物在该周期m中的实时位置。
其中，所述时钟同步装置30可以通过有线通信方式或无线通信方式与各个基站建立通信，从而可节约电缆的铺设成本。
在确定基准基站之后，基于其余基站中的任两个基站与基准基站接收定位标签10的信号的时间差，确定待定位物的实时位置。具体地，如图3所示，所述计算装置40可包括：构建模块50，用于以所述基准基站的位置为第一焦点，以所述两个特定基站中的每一者的位置为第二焦点，且以所述两个特定基站中的每一者与所述基准基站接收到所述信号的时间差及所述信号在空气中的传播速度的乘积作为所述待定位物到所述第二焦点与所述第一焦点的距离差，分别构建第一曲线与第二曲线；以及计算模块60，用于计算所述第一曲线与所述第二曲线的交点的坐标，以获取所述待定位物的实时位置。
在所述至少三个基站为三个基站的情况下，所述构建模块用于以所述基准基站的位置为第一焦点，以所述三个基站中的除所述基准基站外的两个基站中的每一者的位置为第二焦点，且以所述两个基站中的每一者与所述基准基站接收到所述信号的时间差及所述信号在空气中的传播速度的乘积作为所述待定位物到所述第二焦点与所述第一焦点的距离差，分别构建第三曲线与第四曲线；相应地，所述计算模块用于，计算所述第三曲线与所述第四曲线的交点的坐标，以获取所述待定位物的实时位置。具体地，在定位标签10所发射的信号的周期1(如图5所示)内，采用最早接收到信号的基站1为基准基站，以基站1、基站2为焦点A、B，以基站2与基站1接收到信号的时间差Δt2＝t2-t1与该信号在空气中的传播速度的乘积为待定位物到焦点B与焦点A的距离差，构建第一双曲线中的相应一支曲线；以基站1、基站4为焦点A、C，以基站4与基站1接收到信号的时间差Δt4＝t4-t1与该信号在空气中的传播速度的乘积为待定位物到焦点C与焦点A的距离差，构建第二双曲线中的相应一支曲线。然后，基于所构建的两支曲线，求出交点，即为待定位物在周期1内的当前位置。周期2内，采用与上述类似的方式确定待定位物在周期2内的当前位置，由此，可依次确定待定位物在其他任意周期m内的当前位置，从而完成对待定位物的实时定位。
在上述过程中，由于采用任两个基站与基准基站接收到信号的时间差并结合该三个基站的位置信息的方式即可实现对待定位物进行定位，故本发明相对于传统的通信协议设计，没有单独布设锚基站，而是让某一个(定位)基站兼顾锚基站的功能，因此，即时不在传输信息中加入时间信息，也可以完成定位功能。不在数据包内加入时间信息，则每个数据包的大小更小，传输过程中误差更小，有助于达到更高的定位精度。
具体而言，现以图4所示的定位系统为例对本发明提供的定位过程进行详细地解释和说明。
首先，搭建定位系统的硬件平台(如图4所示)，该定位系统包括UWB定位标签10、4个UWB基站1-4、时钟同步装置(未示出)以及计算装置(未示出)。
其次，分别记录各个基站收到定位标签10的信号的时间，并记为tn，其中，n为基站的编号。
接着，以最早接收到定位标签10的信号的基站(以图5中的周期1为例的基站1)为基准基站，通过时钟同步装置计算其余基站中的任意两个基站(例如，基站2、4)收到信号的时间ti(例如，t2、t4)与1号基站收到信号时间之间的时间差Δti＝ti-t1。
最后，计算模块基于所述两个基站(例如，基站2、4)中的每一者与所述基准基站(例如，基站1)收到信号的时间差、所述信号在空气中的传播速度及所述两个基站中的每一者与所述基准基站的位置，分别构建一个曲线；并求解所构建的两个曲线的交点为待定位物的实时位置。
综上所述，本发明创造性地动态选取至少三个基站中的最早或最晚接收到定位标签的信号的基站为基准基站，并根据除所述基准基站之外的两个特定基站与所述基准基站接收到所述信号的时间差、及所述基准基站与所述两个特定基站的位置，计算待定位物的实时位置。因此，本发明可在不增加通信开销(无需在通信协议中插入时钟同步信息)的情况下提高基站的利用率，从而可降低定位系统的布置成本。
图6是本发明一实施例提供的定位方法的流程图。所述定位方法可通过至少包括定位标签、至少三个基站及时钟同步装置的定位系统来执行。如图6所示，所述方定位方法可包括如下步骤：步骤S601，通过所述至少三个基站分别接收所述定位标签所发射的反映待定位物的实时位置的信号，并记录接收到相应的所述信号的时间；步骤S602，通过所述时钟同步装置确定所述至少三个基站中最早或最晚接收到所述信号的基站为基准基站；步骤S603，通过所述时钟同步装置计算所述至少三个基站中的除所述基准基站之外的两个特定基站与所述基准基站接收到所述信号的时间差；以及步骤S604，基于所述两个特定基站与所述基准基站接收到所述信号的时间差及所述基准基站与所述两个特定基站的位置，计算所述待定位物的实时位置。
优选地，所述计算所述待定位物的实时位置包括：用于以所述基准基站的位置为第一焦点，以所述两个特定基站中的每一者的位置为第二焦点，且以所述两个特定基站中的每一者与所述基准基站接收到所述信号的时间差及所述信号在空气中的传播速度的乘积作为所述待定位物到所述第二焦点与所述第一焦点的距离差，分别构建第一曲线及第二曲线；以及用于计算所述第一曲线与所述第二曲线的交点的坐标，以获取所述待定位物的实时位置。
优选地，在所述至少三个基站为三个基站的情况下，所述计算所述待定位物的实时位置包括：以所述基准基站的位置为第一焦点，以所述三个基站中的除所述基准基站外的两个基站中的每一者的位置为第二焦点，且以所述两个基站中的每一者与所述基准基站接收到所述信号的时间差及所述信号在空气中的传播速度的乘积作为所述待定位物到所述第二焦点与所述第一焦点的距离差，分别构建第三曲线与第四曲线；以及计算所述第三曲线与所述第四曲线的交点的坐标，以获取所述待定位物的实时位置。
优选地，所述定位标签为超宽带标签，相应地，所述基站为超宽带基站。
有关本发明提供的定位方法的具体细节及益处可参阅上述针对定位系统的描述，于此不再赘述。
相应地，本发明还提供一种机器可读存储介质，所述机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行上述的定位方法。
所述机器可读存储介质包括但不限于相变内存(相变随机存取存储器的简称，Phase Change Random Access Memory，PRAM，亦称为RCM/PCRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体(Flash Memory)或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁盘存储或其他磁性存储设备等各种可以存储程序代码的介质。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种定位系统，其特征在于，该定位系统包括：
定位标签，该定位标签被设置在待定位物上，用于发射反映所述待定位物的实时位置的信号；
至少三个基站，用于分别接收所述定位标签的信号，并记录接收到相应的所述信号的时间；
时钟同步装置，用于执行以下操作：
确定所述至少三个基站中最早或最晚接收到所述信号的基站为基准基站；以及
计算所述至少三个基站中的除所述基准基站之外的两个特定基站与所述基准基站接收到所述信号的时间差，以及
计算装置，用于基于所述两个特定基站与所述基准基站接收到所述信号的时间差及所述基准基站与所述两个特定基站的位置，计算所述待定位物的实时位置。
2.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述计算装置包括：
构建模块，用于以所述基准基站的位置为第一焦点，以所述两个特定基站中的每一者的位置为第二焦点，且以所述两个特定基站中的每一者与所述基准基站接收到所述信号的时间差及所述信号在空气中的传播速度的乘积作为所述待定位物到所述第二焦点与所述第一焦点的距离差，分别构建第一曲线与第二曲线；以及
计算模块，用于计算所述第一曲线与所述第二曲线的交点的坐标，以获取所述待定位物的实时位置。
3.根据权利要求2所述的定位系统，其特征在于，在所述至少三个基站为三个基站的情况下，所述构建模块用于以所述基准基站的位置为第一焦点，以所述三个基站中的除所述基准基站外的两个基站中的每一者的位置为第二焦点，且以所述两个基站中的每一者与所述基准基站接收到所述信号的时间差及所述信号在空气中的传播速度的乘积作为所述待定位物到所述第二焦点与所述第一焦点的距离差，分别构建第三曲线与第四曲线；
相应地，所述计算模块用于，计算所述第三曲线与所述第四曲线的交点的坐标，以获取所述待定位物的实时位置。
4.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述定位标签为超宽带标签，相应地，所述基站为超宽带基站。
5.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述时钟同步装置通过有线通信方式或无线通信方式与所述至少三个基站建立通信。
6.一种定位方法，其特征在于，该定位方法通过至少包括定位标签、至少三个基站及时钟同步装置的定位系统来执行，该定位方法包括：
通过所述至少三个基站分别接收所述定位标签所发射的反映待定位物的实时位置的信号，并记录接收到相应的所述信号的时间；
通过所述时钟同步装置执行以下操作：
确定所述至少三个基站中最早或最晚接收到所述信号的基站为基准基站；以及
计算所述至少三个基站中的除所述基准基站之外的两个特定基站与所述基准基站接收到所述信号的时间差，以及
基于所述两个特定基站与所述基准基站接收到所述信号的时间差及所述基准基站与所述两个特定基站的位置，计算所述待定位物的实时位置。
7.根据权利要求6所述的定位方法，其特征在于，所述计算所述待定位物的实时位置包括：
用于以所述基准基站的位置为第一焦点，以所述两个特定基站中的每一者的位置为第二焦点，且以所述两个特定基站中的每一者与所述基准基站接收到所述信号的时间差及所述信号在空气中的传播速度的乘积作为所述待定位物到所述第二焦点与所述第一焦点的距离差，分别构建第一曲线及第二曲线；以及
用于计算所述第一曲线与所述第二曲线的交点的坐标，以获取所述待定位物的实时位置。
8.根据权利要求7所述的定位方法，其特征在于，在所述至少三个基站为三个基站的情况下，所述计算所述待定位物的实时位置包括：
以所述基准基站的位置为第一焦点，以所述三个基站中的除所述基准基站外的两个基站中的每一者的位置为第二焦点，且以所述两个基站中的每一者与所述基准基站接收到所述信号的时间差及所述信号在空气中的传播速度的乘积作为所述待定位物到所述第二焦点与所述第一焦点的距离差，分别构建第三曲线与第四曲线；以及
计算所述第三曲线与所述第四曲线的交点的坐标，以获取所述待定位物的实时位置。
9.根据权利要求6所述的定位方法，其特征在于，所述定位标签为超宽带标签，相应地，所述基站为超宽带基站。
10.一种机器可读存储介质，其特征在于，所述机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行上述权利要求6-9中任一项所述的定位方法。
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