CN208125914U - 一种基于改进的双向双边测距的定位系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于改进的双向双边测距的定位系统。该定位系统包括待定位标签、若干基站、交换机和PC机；若干基站中存在一个主基站，其余均为从基站。待定位标签用于连续发射两次对时信号给基站；基站接收待定位标签发送的信号，并计算信号传播时延。主基站发送一次对时响应信号，完成待定位标签到主、从基站的距离差测量，同时待定位标签发送的第二次对时信号和主基站发送的对时响应信号作为双向双边测距中的前两帧信号。本实用新型具有双向双边测距定位精度高的优点；同时，待定位标签只需发射两次对时信号即可测得多个距离差，进而可一次性测量得到待定位标签到各个基站的距离，功耗相对较低，解决了多次双向双边测距耗时长的问题。

Description

一种基于改进的双向双边测距的定位系统

技术领域

本实用新型涉及超宽带无线定位技术领域，具体地说是一种基于改进的双向双边测距的定位系统。

背景技术

目前高精度实时定位系统多采用信号飞行时间测量方法实现定位，通过测量信号飞行时间确定待定位标签到固定基站距离或者是待定位标签到两个固定基站距离差实现定位。基于信号飞行时间测量的定位方法主要有无需时间同步的TOF(Time Of Flight，TOF)定位方法，需要时间同步的TDOA(Time Difference of Arrival，TDOA)定位方法。TOF定位就是测量出三个(或多个)基站与待定位标签之间的信号传播时间，从而得到待定位标签到三个(或多个)基站距离的测量值，测距通常采用双向双边测距。

双向双边测距(Two Way Ranging，TWR)是待定位标签(例如佩戴在人体可随人们移动的电子标签)发送信号并记录发送时间，基站(是固定不动的)记录接收信号时间，处理完毕后延时并返回响应，待定位标签接收到响应信号后记录接收时间并延时一段时间后再次发送信号给基站，基站再次接收信号并记录接收时间。最后根据电磁波速度与信号传播时间的乘积，可测得待定位标签到基站的距离。双向双边测距可以通过差分运算滤除时钟偏差及漂移对测量精度的影响，无需高精度晶振即可保证测距精度。当有多个基站时，为了测量待定位标签到各个基站之间的距离，待定位标签需要依次同每个基站完成双向双边测距，一次TOF二维定位至少需要三次双向双边测距，导致TOF定位占用信道时间长。

实用新型内容

本实用新型的目的就是提供一种基于改进的双向双边测距的定位系统，该定位系统可解决现有技术中多次双向双边测距导致信道占用时间长、耗时长的问题。

本实用新型的目的是这样实现的：一种基于改进的双向双边测距的定位系统，包括待定位标签、若干基站、交换机和PC机；所述若干基站中存在一个主基站，其余均为从基站；所述待定位标签用于连续发射两次信号给所有基站，待定位标签所连续发射的两次信号分别为第一信号和第二信号；所述主基站在接收到第二信号后延时一段时间发射第三信号给所有从基站，同时将第三信号发送给待定位标签；所述待定位标签在接收到第三信号后延时一段时间发射第四信号给主基站，所述待定位标签在发射第四信号时连同其所发送第二信号的时间以及接收第三信号的时间均发送至主基站，由主基站计算待定位标签与主基站的距离；各基站通过所述交换机将各自所知悉的相应信号的发送时间、接收时间发送至PC机，同时主基站还将其与待定位标签的距离也发送至PC机，由PC机通过数据处理得到待定位标签的坐标。

所述待定位标签中包含有DW1000射频芯片和MSP430单片机。各基站中均包含有DW1000射频芯片和ARM单片机。

所述基站的数量为四个；其中，主基站的坐标为(x₁，y₁)，其他三个从基站的坐标分别为(x₂，y₂)、(x₃，y₃)和(x₄，y₄)；

所述PC机通过数据处理得到待定位标签的坐标(x，y)，具体是通过如下方程组计算所得：

所述PC机根据上述方程组求解最小二乘解得到待定位标签的坐标(x，y)；

上述方程组中，d₁为主基站到待定位标签的距离；将三个从基站分别命名为第一从基站、第二从基站和第三从基站；d₂是第一从基站到待定位标签的距离，d₃是第二从基站到待定位标签的距离，d₄是第三从基站到待定位标签的距离；

d₁、d₂、d₃、d₄的具体计算公式如下：

其中，

上面公式中，τ_RP′为待定位标签接收到第三信号的时间，τ_SP′为待定位标签发射第二信号的时间，τ_SP′4为待定位标签发射第四信号的时间，τ_RP′4为主基站接收到第四信号的时间，τ_SA3为主基站发射第三信号的时间，τ_RA2为主基站接收到第二信号的时间，τ_RA1为主基站接收到第一信号的时间，τ_RB1为第一从基站接收到第一信号的时间，τ_RB2为第一从基站接收到第二信号的时间，τ_RB3为第一从基站接收到第三信号的时间，τ_RC1为第二从基站接收到第一信号的时间，τ_RC2为第二从基站接收到第二信号的时间，τ_RC3为第二从基站接收到第三信号的时间，τ_RD1为第三从基站接收到第一信号的时间，τ_RD2为第三从基站接收到第二信号的时间，τ_RD3为第三从基站接收到第三信号的时间；C为光速；S_AB为主基站与第一从基站之间的距离，S_AC为主基站与第二从基站之间的距离，S_AD为主基站与第三从基站之间的距离。

本实用新型中的定位系统还包括与所述PC机相接的显示器，通过所述显示器可对所述待定位标签的坐标进行显示。

本实用新型所提供的定位系统包括待定位标签、若干基站、交换机和PC机。待定位标签用于发射两次超宽带对时信号给各个基站，这些基站中，其中一个为主基站，其余的为从基站。基站接收待定位标签发送的超宽带信号，并计算信号传播时延。主基站发送一次对时响应信号，完成待定位标签到主、从基站的距离差测量，同时待定位标签发送的第二次对时信号和主基站发送的对时响应信号作为双向双边测距中的前两帧信号。本实用新型的优点是待定位标签通过给各个基站发送两次对时信号，主基站发送一次对时响应信号，PC机可据此实现多个距离差的测量。待定位标签第二帧对时信号和主基站对时响应信号被用到了双向双边测距中，主基站可通过双向双边测距实现待定位标签与主基站的距离测量，PC机根据测量的待定位标签到主基站的距离与待定位标签到从基站的距离之差，即可一次性测量得到待定位标签到各个基站的距离，进而可求得待定位标签的坐标。

本实用新型中的定位系统，具有双向双边测距定位精度高的优点。在本实用新型中，PC机根据待定位标签所发射的两次对时信号和主基站发射的对时响应信号可测得多个距离差，进而可一次性测量得到待定位标签到各个基站的距离，功耗相对较低。而且与双向双边测距系统相比，本定位系统中待定位标签只多发了一个信号，就能实现待定位标签与主、从基站的距离差测量，再结合双向双边测距原理，即可通过一次双向双边测距测得待定位标签到多个基站的距离，解决了多次双向双边测距耗时长的问题。

本实用新型中，PC机根据待定位标签到主基站的距离、待定位标签到主从基站的距离差即可计算出待定位标签到从基站的距离，这样的计算过程可实现误差补偿，当待定位标签与主基站之间被遮挡时，不影响待定位标签到从基站间距离的计算结果。同时，本实用新型中的定位系统在运算时间上也是比较快的。

附图说明

图1是本实用新型中定位系统的结构示意图。

图2是本实用新型中待定位标签与各基站之间的信号传输过程示意图。

具体实施方式

图1所示，本实用新型所提供的基于改进的双向双边测距的定位系统包括待定位标签Tag、四个基站、交换机和PC机。一个定位系统一般由三个以上的基站组成，本实施例中以四个基站为例进行说明。四个基站分别为主基站A、从基站B、从基站C和从基站D，四个基站分布在确定的区域内，四个基站的坐标是已知的，在基站所覆盖的范围内待定位标签Tag可发射超宽带信号，四个基站均可接收到待定位标签Tag所发送的超宽带信号。四个基站通过交换机与PC机之间以以太网的形式进行数据传输。信号的发送过程具体是：待定位标签Tag发射两次超宽带对时信号给四个基站，主基站A在接收到第二次对时信号后延时一段时间发送一次对时响应信号给各从基站以及待定位标签Tag，待定位标签Tag在接收到主基站A所发送的对时响应信号后延时一段时间再次发送信号给主基站A，进而可由主基站A根据双向双边测距原理计算出主基站A与待定位标签Tag之间的距离。各基站将各自所知悉的数据(包括信号的发送时间、接收时间、主基站A与待定位标签Tag之间的距离等)通过交换机发送给PC机，由PC机通过数据处理得到待定位标签Tag的坐标。

本实用新型中硬件的设计直接影响待定位标签的有效发射功率和基站接收信号后处理数据的准确性。因此，本系统中，待定位标签Tag和各基站中均采用了Decawave公司推出的IR-UWB通信技术的DW1000射频芯片，典型带宽500MHz。支持六个信道，频率范围3.5GHz-6.5GHz，采用脉冲位置调制(Pulse Position Modulation,PPM)和二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying,BPSK)调制方式，发射功率-35dBm/MHz to-62dBm/MHz可调。DW1000芯片内部集成63.8976GHz采样时钟，计时分辨率为15.65ps，保证了测距过程中的时间测量精度。发送数据帧格式参照IEEE802.15.4-2011标准，包括前导码(Preamble code)、数据帧分隔符(start of frame delimiter，SFD)、数据帧头(physical layer header，PHR)、数据区部分。芯片在发送数据时，可以记录发送数据中PHR首字符发出时的时钟计数，同样接收时也可以测量记录接收数据PHR首字符到达的采样时钟计数。DW1000可以采用延时发送机制，根据当前时钟计数，设定延时时间，可以精确计算将要发送数据PHR首字符发出时的时钟计数，并可将该时钟计数值加入到数据包中，发送给接收方。这些功能保证了DW1000可以实现SDS-TWR(Symmetrical Double-Sided Two Way Ranging，对称双面双向测距)测距。同时，DW1000还具有外围元件少，易实现微型化、低功耗设计的优点。其外围元件主要包括38.4MHz晶振、环路滤波器、巴伦、退偶电容等。

待定位标签Tag和各基站中除了包含有上述DW1000射频芯片外，待定位标签Tag和各基站中还包含有单片机。各基站中的单片机采用意法半导体(ST)公司的STM32f105 32位ARM单片机，自带完整的SPI接口控制器，能够胜任对DW1000射频芯片的控制及数据收发工作；并且集成串口控制器、USB控制器、Ethernet控制器，可用于实现与PC机的通信。待定位标签Tag中的单片机可采用低功耗的MSP430系列的单片机。

下面结合图2对本实用新型中待定位标签Tag与各基站之间的信号传输过程进行详细描述。

如图2所示，待定位标签Tag以很短的时间间隔T₁连续发射两次广播信号(均为超宽带信号)，分别为信号1和信号2，四个基站A、B、C、D均可接收到信号1和信号2。因为待定位标签Tag到四个基站A、B、C、D的距离均不相等，所以四个基站A、B、C、D接收到信号1和信号2的时间也是不一样的，其差值分别为(C为光速，ΔS_AB是待定位标签Tag到主基站A的距离与待定位标签Tag到从基站B的距离之差，ΔS_AC是待定位标签Tag到主基站A的距离与待定位标签Tag到从基站C的距离之差，ΔS_AD是待定位标签Tag到主基站A的距离与待定位标签Tag到从基站D的距离之差)。

主基站A接收到信号1和信号2后，分别测量两个信号的接收时间τ_RA1和τ_RA2，并计算接收时间差(τ_RA2-τ_RA1)；从基站B接收到信号1和信号2后，分别测量两个信号的接收时间τ_RB1和τ_RB2，并计算接收时间差(τ_RB2-τ_RB1)；从基站C接收到信号1和信号2后，分别测量两个信号的接收时间τ_RC1和τ_RC2，并计算接收时间差(τ_RC2-τ_RC1)；从基站D接收到信号1和信号2后，分别测量两个信号的接收时间τ_RD1和τ_RD2，并计算接收时间差(τ_RD2-τ_RD1)。因为待定位标签Tag连续发射两次信号的时间间隔很短，基站接收到两次信号的信号飞行路径偏差很小，所以其影响可以忽略不计。从物理角度出发，四个基站A、B、C、D接收两次信号的时间间隔应该是一样的，均为T₁，那么测量值(τ_RA2-τ_RA1)、(τ_RB2-τ_RB1)、(τ_RC2-τ_RC1)、(τ_RD2-τ_RD1)均应该相等。

但是在实际中，四个基站A、B、C、D存在时钟偏差及接收时间测量误差，导致(τ_RA2-τ_RA1)、(τ_RB2-τ_RB1)、(τ_RC2-τ_RC1)、(τ_RD2-τ_RD1)数值不相等。主基站A接收两次广播信号1和信号2后，以信号2接收时间τ_RA2为起点，延时一段时间T₂后发射信号3给从基站B、C、D。同时信号3作为双向双边测距的第二帧发送给待定位标签Tag。本实用新型中，四个基站A、B、C、D将各自所测量的信号发送时间、信号接收时间发送至PC机，PC机即可计算出待定位标签Tag到主基站A与待定位标签Tag到从基站B、C、D的距离差(分别为ΔS_AB、ΔS_AC、ΔS_AD)。主基站A根据双向双边测距原理可得到待定位标签Tag与主基站A之间的距离(记为d₁)，主基站A将d₁发送至PC机，由PC机计算得出待定位标签Tag到各个基站A、B、C、D的距离，进而计算出待定位标签Tag的坐标。本实用新型中将待定位标签Tag到四个基站A、B、C、D的距离分别记为d₁、d₂、d₃、d₄。

下面以基站A、B为例进行描述。

计算主基站A和从基站B的时钟频率偏差k_AB，如下：

主基站A接收到信号1和信号2后，根据时间间隔测量值(τ_RA2-τ_RA1)，以信号2接收时间τ_RA2为起点，延时一段时间T₂后在τ_SA3时刻发射信号3给从基站B，延时时间(τ_SA3-τ_RA2)取值尽量接近(τ_RA2-τ_RA1)。在主基站A发送的信号3中包含τ_RA1、τ_RA2、τ_SA3测量值。

时间段T₃由从基站B测量，测量值为(τ_RB3-τ_RB2)，对应于主基站A的测量值为(τ_RB3-τ_RB2)×k_AB。

根据图2所示，有：

T₂由主基站A来测量，测量值为(τ_SA3-τ_RA2)。

因此有：

ΔS_AB＝(τ_RB3-τ_RB2)×k_AB×C-(τ_SA3-τ_RA2)×C-S_AB (4)

从基站B接收到信号3后，读取τ_RA1、τ_RA2、τ_SA3；从基站B将τ_RA1、τ_RA2、τ_SA3、τ_RB1、τ_RB2、τ_RB3一并发送给PC机，PC机根据式(3)可计算时间差ΔT_AB，根据式(4)可计算距离差ΔS_AB。当然，τ_RA1、τ_RA2和τ_SA3也可由主基站A来发送。S_AB是主基站A和从基站B之间的距离，主基站A的坐标为(x₁，y₁)，从基站B的坐标为(x₂，y₂)，坐标(x₁，y₁)和(x₂，y₂)均存储于PC机中，因此PC机可很容易计算得出S_AB。

同理可得

ΔS_AC＝(τ_RC3-τ_RC2)×k_AC×C－(τ_SA3-τ_RA2)×C-S_AC (5)

ΔS_AD＝(τ_RD3-τ_RD2)×k_AD×C－(τ_SA3-τ_RA2)×C-S_AD (6)

式(5)中，

式(6)中，

同时，信号3作为双向双边测距的第二帧发送给待定位标签Tag，待定位标签Tag接收到信号3后延时一段时间t_ReplyP′发送信号4给主基站A，这样信号2、信号3和信号4完成了双向双边测距，过程如下：

待定位标签Tag发射信号2并检测发射时间τ_SP'，主基站A接收到信号2并测量信号2到达时间τ_RA2，主基站A延时一段时间T₂后在τ_SA3时刻发射信号3，待定位标签Tag接收信号3并检测到达时间τ_RP'，待定位标签Tag接收到信号3后延时一段时间t_ReplyP′后在τ_SP′4时刻发送信号4给主基站A，主基站A接收到信号4并测量信号4的到达时间τ_RP′4。待定位标签Tag在发送信号4时将信号2的发射时间τ_SP'、信号3的接收时间τ_RP'以及延时时间t_ReplyP′一并打包发送给主基站A。

根据图1中信号2、信号3在待定位标签Tag和主基站A间的飞行路径及时间，可得：

2t_P＝t_RoundP'-T₂＝(τ_RP'-τ_SP')-(τ_SA3-τ_RA2) (7)

待定位标签Tag接收到主基站A所发送的信号3后，提取信号3中的延时时间T₂，延时t_ReplyP′后发送信号4，则可完成两次双边测距，可得：

4t_P＝t_RoundP'-t_ReplyP'+t_RoundA-T₂ (8)

于是，

因此，主基站A到待定位标签Tag的距离d₁为

即

即

主基站A可根据公式(12)计算出主基站A到待定位标签Tag的距离d₁。主基站A将d₁发送至PC机，PC机可根据d₁和ΔS_AB、ΔS_AC、ΔS_AD计算待定位标签Tag到从基站B、C、D的距离，即：PC机根据公式(4)、(5)、(6)和(12)，可计算出d₂、d₃、d₄，具体计算公式如下：

其中，

在计算出d₁、d₂、d₃、d₄后，PC机可根据如下方程组求解待定位标签Tag的坐标(x,y)。

上述方程组中存在四个方程，两个未知数，该方程组属于超定方程组，没有精确解，PC机可通过求解最小二乘解确定(x,y)，即可得到待定位标签Tag的坐标(x,y)。

PC机可连接显示器，通过显示器可对待定位标签Tag的坐标(x,y)进行显示。

以上对本实用新型所提供的一种基于改进的双向双边测距的定位系统进行了详细介绍，本文中对此定位系统的功能框架、设备安装、以及测距实现过程进行了详细叙述。本定位系统将在定位领域有较好的应用前景。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (1)

1.一种基于改进的双向双边测距的定位系统，其特征是，包括待定位标签、若干基站、交换机、PC机以及与PC机相接的显示器；所述若干基站中存在一个主基站，其余均为从基站；所述待定位标签中包含有DW1000射频芯片和MSP430单片机；各基站中均包含有DW1000射频芯片和ARM单片机；所述待定位标签用于连续发射两次对时信号给所有基站，所述主基站用于发送一次对时响应信号，完成待定位标签到主从基站的距离差测量；同时待定位标签发送的第二次对时信号和主基站发送的对时响应信号作为双向双边测距中的前两帧信号，以完成待定位标签与主基站间的距离测量；各基站通过交换机与PC机之间以以太网的形式进行数据传输，PC机根据待定位标签到主基站的距离、待定位标签到主从基站的距离差即可计算出待定位标签到从基站的距离，进而可求得待定位标签的坐标；所述显示器用于对待定位标签的坐标进行显示。