CN115134763B - 一种信标广播型uwb测距方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种信标广播型UWB测距方法，通过制订特定的双边双向测距协议，可以使待测终端的前导码错开，根据待测终端的ID来选择分组上报，对测距和广播使用不同的射频参数做区分，进行接收窗口大小和时间节点的设计和白名单引入，以降低测距系统的成本和施工复杂度，减少数据竞争，提高成功率，扩大系统容量和测距时效。
Description
技术领域
本发明涉及UWB测距技术领域，尤其涉及一种信标广播型UWB测距方法。
背景技术
UWB定位技术也称超宽带技术，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、能提供精确定位等优点。因此，超宽带技术可以应用于室内外静止或移动物体以及人的定位跟踪与导航，能提供十分精确的定位精度。目前，UWB定位常用的无线定位方法主要通过飞行时间测距法TOF(Time of Flight)、到达时间差定位法TDOA(Time Difference of Arrival)、到达角度定位法AOA(Activity On Arrow)定位三种定位算法。
传统的UWB测距方式为：
测距模型
UWB测距的通用模型为基站+待测终端。终端发送带有测距协议的广播信息，基站收到广播信息后，通过双边双向TOF方式计算出终端距离基站本身的距离。
数据竞争
在测距模型中，存在多个终端同时定位的情况，一旦当周围的待测终端数量增多，数据之间相互竞争将会造成系统容量的下降，一般采用分时复用(TDMA)的方式来避免定位标签之间数据相互干扰的问题。
中国专利文献CN107671414A公开了一种“UWB测距方法和系统”。采用了基于测距频率确定信标与信源之间的实测距离，获取所述信标的运动数据，基于所述实测距离和所述运动数据确定更新测距频率，将所述测距频率更新为所述更新测距频率，以实现下一次测距基于所述更新测距频率进行。上述技术方案需要终端与基站进行时间同步来解决数据竞争，导致成本和复杂度高。
发明内容
本发明主要解决原有的技术方案要求终端与基站进行时间同步来解决数据竞争，并且架构不够灵活，系统并发容量不高的技术问题，提供一种信标广播型UWB测距方法，通过制订特定的双边双向测距协议，可以使待测终端的前导码错开，根据待测终端的ID来选择分组上报，对测距和广播使用不同的射频参数做区分，进行接收窗口大小和时间节点的设计和白名单引入，以降低测距系统的成本和施工复杂度，减少数据竞争，提高成功率，扩大系统容量和测距时效。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明包括以下步骤：
S1信标与TAG进行广播通信；
S2 TAG接收信标广播协议帧并对数据进行校验；
S3若白名单中不存在该信标，则判断广播协议中group字段是否有分组需求；
S4 TAG进入到发送测距阶段并进行错开设置；
S5信标唤醒后接收测距帧并对测距帧中携带的目标信标ID判断；
S6 TAG唤醒后接收测距回复帧并对测距回复帧中携带的目标TAG ID判断。
作为优选，所述的步骤S1首先信标在信道上以第一脉冲重复频率定时发送广播帧，当TAG需要测距时在同一信道打开接收窗口来接收广播信号，信标发送完成后更改为第二脉冲重复频率，并在等待固定时间后打开窗口等待TAG的测距帧。首先Beacon在信道5上以16MHz的PRF定时发送广播帧，当TAG需要测距时会在信道5打开接收窗口来接收广播信号。Beacon发送完成后将PRF改为64MHz的，并等待1.3ms后打开0.27ms的窗口等待TAG的测距帧。
作为优选，所述的步骤S2 TAG校验数据后，查看白名单中是否已存在该信标，若已存在，则忽略，将该信标让与其它TAG通信。
作为优选，所述的步骤S3，若group字段没有分组需求则直接进入TAG发送测距帧阶段，若有则需判断TAG的id尾号是否在该组中，只有在该组中才进入TAG发送测距帧阶段，否则重新回到接收广播，将信标让与其它TAG通信。
作为优选，所述的步骤S4错开设置具体包括，按照接收到的信标广播协议帧中的前导码字段设置对应的前导码，以错开其它信标与TAG测距使用的前导码，并且设定为第二脉冲重复频率，使得测距帧和广播帧在空中错开，增加空中测距信道的容量，设定发送的时间为接收到的广播帧时间戳往后偏移固定时间，并且将设定打开下次接收为此次发送完成时间戳往后偏移等待回复时间，同样设定接收窗口不变。TAG按照接收到beacon广播协议帧中的前导码字段设置对应的前导码，以错开其它beacon与TAG测距使用的前导码，减少竞争几率。
作为优选，所述的具体包括，信标在固定时间后唤醒，打开接收窗口进行测距帧的接收并校验数据，然后判断测距帧中携带的目标信标ID与自身的ID是否相同，如果相同，则进行测距回复，回复的时间为接收到的测距帧的时间戳往后偏移等待回复时间。
作为优选，所述的步骤S6具体包括，TAG在等待回复时间后唤醒，打开接收窗口对信标的测距回复帧进行接收，校验数据后，判断测距回复帧中携带的目标TAG ID与自身的ID是否相同，如果相同，则进行距离计算，并将该信标纳入本次搜索白名单。
本发明的有益效果是：通过制订特定的双边双向测距协议，可以使待测终端的前导码错开，根据待测终端的ID来选择分组上报，对测距和广播使用不同的射频参数做区分，进行接收窗口大小和时间节点的设计和白名单引入，以降低测距系统的成本和施工复杂度，减少数据竞争，提高成功率，扩大系统容量和测距时效。
附图说明
图1是本发明的一种流程图。
图2是本发明的一种具体流程图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种信标广播型UWB测距方法，如图1和图2所示，包括以下步骤：
S1信标与TAG进行广播通信。首先Beacon在信道5上以第一脉冲重复频率16MHz的PRF(脉冲重复频率)定时发送广播帧，当TAG需要测距时会在信道5打开接收窗口来接收广播信号。Beacon发送完成后将PRF改为第二脉冲重复频率64MHz的，并等待固定时间1.3ms后打开0.27ms的窗口等待TAG的测距帧。
S2 TAG接收信标广播协议帧并对数据进行校验。TAG接收到的beacon广播协议帧后，对数据进行校验。校验数据后，查看白名单中是否已存在该beacon，若已存在，则忽略，将beacon让与其它TAG通信。
S3若白名单中不存在该信标，则判断广播协议中group字段是否有分组需求。TAG接收到beacon广播协议帧后，若白名单中不存在，则判断广播协议中group字段是否有分组需求，若没有则直接进入TAG发送测距帧阶段，若有则需判断TAG的id尾号是否在该组中，只有在该组中才进入TAG发送测距帧阶段，否则重新回到接收广播，将beacon让与其它TAG通信。
S4 TAG进入到发送测距阶段并进行错开设置。TAG进入到发送测距阶段时，会按照接收到beacon广播协议帧中的前导码字段设置对应的前导码，以错开其它beacon与TAG测距使用的前导码，减少竞争几率。并且将PRF设定为64Mhz，使得测距帧和广播帧在空中错开，增加空中测距信道的容量。
设定发送的时间为接收到的广播帧时间戳往后偏移1.3ms，此时刚好对应beacon打开接收的时刻。并且将设定打开下次接收为此次发送完成时间戳往后偏移等待回复时间1ms，同样设定接收窗口为0.27ms。
S5信标唤醒后接收测距帧并对测距帧中携带的目标信标ID判断。beacon在1.3ms后唤醒，打开接收窗口进行测距帧的接收，校验数据后，判断测距帧中携带的目标beaconID与自身的ID是否相同。如果相同，则进行测距回复。回复的时间为接收到的测距帧的时间戳往后偏移1ms。
S6 TAG唤醒后接收测距回复帧并对测距回复帧中携带的目标TAG ID判断。TAG在1ms后唤醒，打开接收窗口对beacon的测距回复帧进行接收，校验数据后，判断测距回复帧中携带的目标TAG ID与自身的ID是否相同。如果相同，则进行距离计算，并将该beacon纳入本次搜索白名单。
从划分广播和测距频率来看
没有对广播和测距的频率进行划分，会出现如下情况：当其中一个beacon正处于接收来自tag的测距数据时，会接收到另一个beacon发送的广播包数据；当其中一个tag正处于接收来自beacon的广播包数据时，会接收到另一个tag发送的测距数据包，造成了tag与tag之间，beacon与beacon之间数据的串扰。
对广播和测距的频率进行划分，广播16Mhz，测距64Mhz。可以解决广播包与测距包之间数据互相干扰的问题，从而提升系统的并发容量。
从白名单和分组选择来看
没有引入白名单和分组策略，会出现以下情况：在某一时刻，某固定位置的beacon总会和离他最近的tag进行测距。
引入白名单和分组策略：当存在白名单后，tag会记录与自己通信过的beacon在白名单中，本次通信过程中发现白名单中存在该beacon，则将该beacon的通信权让与其它tag。
当存在分组策略时，若某一时刻两个tag均与同一个beacon进行测距，tag会根据自身的尾号和beacon广播信息中的选择组号进行对应，若一致则通信，若不一致则将该beacon的通信权让与其它tag。
这样一来每个tag都有和不同beacon通信的机会，从而解决数据竞争的问题。
从划分前导码来看
没有进行前导码区分：当两个tag的测距前导码相同时，beacon在接收对应tag的测距包时，会接收到另一个tag的测距包；同理，当其中一个tag在接收对应beacon的测距回复时，会接收到另一个beacon的测距回复。
前导码进行区分：多个tag在进行测距流程时，与对应beacon使用相同的前导码进行通信，不会因为前导码相同而造成数据错误。
在UWB人员定位卡片项目中，实际测试使用4个beacon。可以满足200平米的房间的定位需求。在施工成本和硬件成本低于传统的基站+终端方式的情况下，测距精度效果一样。且4个beacon，与50个TAG进行通信，其定位时效在200ms左右，大大提高了测距的容量。
Claims (2)
1.一种信标广播型UWB测距方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1信标与TAG进行广播通信，首先信标在信道上以第一脉冲重复频率定时发送广播帧，当TAG需要测距时在同一信道打开接收窗口来接收广播信号，信标发送完成后更改为第二脉冲重复频率，并在等待固定时间后打开窗口等待TAG的测距帧；
S2 TAG接收信标广播协议帧并对数据进行校验；
S3若白名单中不存在该信标，则判断广播协议帧中group字段是否有分组策略，若group字段没有分组策略则直接进入TAG发送测距帧阶段，若有则需判断TAG的id尾号是否在该组中，只有在该组中才进入TAG发送测距帧阶段，否则重新回到接收广播，将信标让与其它TAG通信；
S4 TAG进入到发送测距帧阶段并进行错开设置，具体包括，按照接收到的信标广播协议帧中的前导码字段设置对应的前导码，以错开其它信标与TAG测距使用的前导码，并且设定为第二脉冲重复频率，使得测距帧和广播帧在空中错开，增加空中测距信道的容量，设定发送的时间为接收到的广播帧时间戳往后偏移固定时间，并且将设定打开下次接收为此次发送完成时间戳往后偏移等待回复时间，同样设定接收窗口不变；
S5信标唤醒后接收测距帧并对测距帧中携带的目标信标ID判断，具体包括，信标在固定时间后唤醒，打开接收窗口进行测距帧的接收并校验数据，然后判断测距帧中携带的目标信标ID与自身的ID是否相同，如果相同，则进行测距回复，回复的时间为接收到的测距帧的时间戳往后偏移等待回复时间；
S6 TAG唤醒后接收测距回复帧并对测距回复帧中携带的目标TAG ID判断，具体包括，TAG在等待回复时间后唤醒，打开接收窗口对信标的测距回复帧进行接收，校验数据后，判断测距回复帧中携带的目标TAG ID与自身的ID是否相同，如果相同，则进行距离计算，并将该信标纳入本次搜索白名单。
2.根据权利要求1所述的一种信标广播型UWB测距方法，其特征在于，所述步骤S2 TAG校验数据后，查看白名单中是否已存在该信标，若已存在，则忽略，将该信标与其它TAG通信。
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