CN113687298A

CN113687298A - 一种不需要时钟同步的相对tdoa算法

Info

Publication number: CN113687298A
Application number: CN202110970578.XA
Authority: CN
Inventors: 伍峥; 刘秉欣
Original assignee: Laixun Suzhou Computer Technology Co ltd
Current assignee: Laixun Suzhou Computer Technology Co ltd
Priority date: 2021-08-23
Filing date: 2021-08-23
Publication date: 2021-11-23

Abstract

本发明涉及通信信号处理技术领域，具体为一种不需要时钟同步的相对TDOA算法，其包含标签节点以及锚节点，所述锚节点包含一个主锚节点及N个副锚节点(N≥3)，步骤1，主锚节点发出请求数据包，并记录信号发送时间T_X0,T；步骤2，各副锚节点与标签节点接收主锚节点发出的请求数据包，并分别记录信号到达时间R_X0,i和R_X0,T；步骤3，各副锚节点发出响应数据包，并记录信号发送时间T_Xi,T；步骤4，标签节点接收各副锚节点发出的响应数据包，并记录信号到达时间R_Xi,T；步骤5，标签节点与各副锚节点和主锚节点的信号到达时间差TDoA_i的计算公式为：TDoA_i＝(R_Xi,T–R_X0,T)‑(T_Xi,T‑R_X0,i+ToF_0,i)。本发明大大缩短了定位时间，且不需要标签节点和锚节点之间连线作时钟同步，无需网线即可消除时间误差。

Description

一种不需要时钟同步的相对TDOA算法

技术领域

本发明涉及通信信号处理技术领域，具体为一种不需要时钟同步的相对TDOA算法。

背景技术

在通信领域中，对发射源的追踪定位都是非常重要的。常见的定位问题分为有源定位、无源定位和自定位三种。其中，无源定位通过检测发射源与监测站的特征参数如场强、传播时间或者时间差、信号到达角等信息，来确定发射源的位置信息。其定位方式决定了该定位方式具有隐蔽性强、不易被察觉等优点，已成为未来无线定位技术的热点。

根据定位参数的不同，无源定位主要分为到达时间(TOA)、到达时间差(TDOA)、到达角(AOA)、到达功率(POA)以及它们的联合定位等。其中，因TDOA定位算法的各个监测站只需要监测天线和接收机，对天线要求不高，不需要昂贵的测向天线，系统成本低、定位精度取决于时间测量的精度，定位精度高等优点，TDOA定位被越来越多的研究和采用，但是传统的TDoA算法要求系统严格时间同步，所有的基站都需要额外的开销来做时间同步，绝大部分产品需要网线做时间同步。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不需要时钟同步的相对TDOA算法，可以不要求各锚节点之间时间同步，同时还能保持TDoA算法的优点。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种不需要时钟同步的相对TDOA算法，其包含需要定位的标签节点以及锚节点，所述锚节点包含与标签节点保持连接的一个主锚节点及N个副锚节点(N≥3)，所述主锚节点用于信号发起，所述副锚节点用于监听主锚节点的信号后再发送一次，所述标签节点用于获得其与各副锚节点和主锚节点的信号到达时间差TDoA_i(1≤i≤N)，包括以下步骤：

步骤1，主锚节点发出请求数据包，并记录信号发送时间T_X0,T；

步骤2，各副锚节点与标签节点接收主锚节点发出的请求数据包，并分别记录信号到达时间R_X0,i和R_X0,T；

步骤3，各副锚节点发出响应数据包，并记录信号发送时间T_Xi,T；

步骤4，标签节点接收各副锚节点发出的响应数据包，并记录信号到达时间R_Xi,T；

步骤5，标签节点与各副锚节点和主锚节点的信号到达时间差TDoA_i的计算公式为：

TDoA_i＝ToF_i,T-ToF_0,T

＝R_Xi,T-T_Xi,T-(R_X0,T-T_X0,T)

＝R_Xi,T-R_X0,T–(T_Xi,T-T_X0,T)

＝δR_X–δT_X

＝(R_Xi,T–R_X0,T)-(T_Xi,T-R_X0,i+ToF_0,i)

其中ToF_0，i是主锚节点到各副锚节点的单向飞行时间，为已知。

可选的，所述主锚节点/各副锚节点发送的请求数据包/响应数据包包含其自身节点的位置坐标。

可选的，各所述副锚节点将其接收请求数据包到发送响应数据包的时间放置于响应数据包中，以方便标签节点进行计算。

可选的，所述标签节点和锚节点具有表明其唯一身份的地址。

与现有技术相比，本发明提供了一种不需要时钟同步的相对TDOA算法，具备以下有益效果：本发明仅需在主锚节点发送一次请求数据包、各副锚节点发送一次响应数据包的情况下即可完成对所有锚节点和标签节点之间传播时间的采集与计算，大大缩短了定位时间，且不需要标签节点和锚节点之间连线作时钟同步，无需网线即可消除时间误差，减少了大量的布线成本；且本发明使标签节点具备边缘计算和判断能力。

附图说明

图1为本发明的实施例原理图。

具体实施方式

下面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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提出了一种不需要时钟同步的相对TDOA算法，其包含需要定位的标签节点以及锚节点，锚节点包含与标签节点保持连接的一个主锚节点及N个副锚节点(N≥3)，主锚节点用于信号发起，副锚节点用于监听主锚节点的信号后再发送一次，标签节点用于获得其与各副锚节点和主锚节点的信号到达时间差TDoA_i(1≤i≤N)，其中，锚节点由一个Decawave DW1000的芯片来收发信号，并由一个STM32主控芯片来控制，标签节点则由一个Decawave DW1000的射频芯片，天线和STM32的主控芯片组成，当获取三个或以上的TDoA_i数据时可以计算并定位出一个标签节点，由于该计算方法为现有技术，故此处不再赘述。

上述TDoA_i信号的获得包括以下步骤：

TDoA_i＝ToF_i,T-ToF_0,T

＝R_Xi,T-T_Xi,T-(R_X0,T-T_X0,T)

＝R_Xi,T-R_X0,T–(T_Xi,T-T_X0,T)

＝δR_X–δT_X

＝(R_Xi,T–R_X0,T)-(T_Xi,T-R_X0,i+ToF_0,i)

请参阅图1所示，其中0node为主锚节点，T tag为标签节点，副锚节点(i node)和主锚节点(0node)的信号到达时间差到达时间差

TDoA_i＝ToF_i,T-ToF_0,T

＝R_Xi,T-T_Xi,T-(R_X0,T-T_X0,T)

＝R_Xi,T-R_X0,T–(T_Xi,T-T_X0,T)

＝δR_X–δT_X

＝(R_Xi,T–R_X0,T)-(T_Xi,T-R_X0,i+ToF_0,i)

上述ToF_0，i是主锚节点到副锚节点的单向飞行时间，为已知；R_Xi,T和R_X0,T是标签节点分别接收副锚节点的响应数据包和主锚节点的请求数据包时记录的时间戳，且均是标签节点测的时钟；T_Xi,T和R_X0,i是副锚节点发送的响应数据包和接收的请求数据包时记录的时间戳，且是利用副锚节点的晶振进行记录。当收发间隔较小时，如在ns或μs等级的时候，可以保证误差很小。本算法的目的在于确保到达时间差TDoA_i的计算是基于单个晶振，这样当晶振的精度较高时，误差会很小。

其中，主锚节点/各副锚节点发送的请求数据包/响应数据包包含其自身节点的位置坐标。

此外，各副锚节点将其接收请求数据包到发送响应数据包的时间放置于响应数据包中，以方便标签节点进行计算。

最后，标签节点和锚节点具有表明其唯一身份的地址。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种不需要时钟同步的相对TDOA算法，其包含需要定位的标签节点以及锚节点，其特征在于，所述锚节点包含与标签节点保持连接的一个主锚节点及N个副锚节点(N≥3)，所述主锚节点用于信号发起，所述副锚节点用于监听主锚节点的信号后再发送一次，所述标签节点用于获得其与各副锚节点和主锚节点的信号到达时间差TDoA_i(1≤i≤N)，包括以下步骤：

TDoA_i＝ToF_i,T-ToF_0,T

＝R_Xi,T-T_Xi,T-(R_X0,T-T_X0,T)

＝R_Xi,T-R_X0,T–(T_Xi,T-T_X0,T)

＝δR_X–δT_X

＝(R_Xi,T–R_X0,T)-(T_Xi,T-R_X0,i+ToF_0,i)

2.根据权利要求1所述的一种不需要时钟同步的相对TDOA算法，其特征在于:所述主锚节点/各副锚节点发送的请求数据包/响应数据包包含其自身节点的位置坐标。

3.根据权利要求1所述的一种不需要时钟同步的相对TDOA算法，其特征在于：各所述副锚节点将其接收请求数据包到发送响应数据包的时间放置于响应数据包中，以方便标签节点进行计算。

4.根据权利要求1所述的一种不需要时钟同步的相对TDOA算法，其特征在于：所述标签节点和锚节点具有表明其唯一身份的地址。