WO2012166015A2 - Способ локации радиоузла и средства локации радиоузла - Google Patents

Способ локации радиоузла и средства локации радиоузла Download PDF

Info

Publication number
WO2012166015A2
WO2012166015A2 PCT/RU2012/000404 RU2012000404W WO2012166015A2 WO 2012166015 A2 WO2012166015 A2 WO 2012166015A2 RU 2012000404 W RU2012000404 W RU 2012000404W WO 2012166015 A2 WO2012166015 A2 WO 2012166015A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
delay
radio
signal
radio signal
receiving
Prior art date
Application number
PCT/RU2012/000404
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2012166015A3 (ru
Inventor
Денис Евгеньевич ГОРДЕЕВ
Алексей Петрович МОЩЕВИКИН
Александр Анатольевич ФЕДОРОВ
Original Assignee
Эртээл - Сервис Лимитед
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Эртээл - Сервис Лимитед filed Critical Эртээл - Сервис Лимитед
Priority to EA201300327A priority Critical patent/EA024885B1/ru
Publication of WO2012166015A2 publication Critical patent/WO2012166015A2/ru
Publication of WO2012166015A3 publication Critical patent/WO2012166015A3/ru

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/0273—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves using multipath or indirect path propagation signals in position determination
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S11/00—Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation
    • G01S11/02—Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation using radio waves

Definitions

  • the present group of inventions relates to wireless radio communications and, more specifically, to devices and methods for determining the location (location) of a radio node relative to other radio nodes.
  • GNSS global navigation
  • GPS global navigation
  • GLONASS global navigation
  • the disadvantages of the methods based on RSSI measurement are that the measured power of the input radio signal is strongly influenced by the propagation conditions and the method of detecting radio waves, in particular the anisotropy of the antennas in the direction of the radio signal, the presence and nature of the radio noise (not necessarily in the same frequency range), features terrain, changes in the relative position of objects in the location zone during measurements (especially indoors), fluctuations in supply voltage, changes in atmospheric conditions in the process shaking antennas, etc. (see Elnahrawy E., Xiaoyan Li, Martin R.P., The Limits of Localization Using Signal Strength: A Comparative Study. IEEE SECON, October 2004). The action of these factors is expressed in unpredictable fluctuations in the power of the radio signal (see ibid.).
  • the RTT method for measuring distances is widely known (from the English “Roundtrip Time”), in which the time (including TOF) of the propagation of a radio signal from one radio node to another and in the opposite direction is measured (see the article by Gogolev A., Ekimov D., Ekimov K., Moshchevikin A., Fedorov A., Tsykunov I. “Accuracy determining distances using nanoLoc technology "Wireless Technologies, 2008, 2: 48-51). To this end, as shown in FIG.
  • the radio node 1 transmits to the radio node 2 a first radio signal containing a measurement request (“DATA” packet) and fixes the transmission time; after receiving the first radio signal, radio node 2 immediately transmits to the radio node 1 a second radio signal (“ASK” package) and, finally, radio node 1 fixes the time of reception of the second radio signal.
  • the propagation time of the radio signal t p is usually calculated by the formula:
  • T 0T veta1 the time measured by the radio node 1, from the moment of transmission of the first radio signal to the moment of reception of the second radio signal,
  • Processing 1 the time measured by the radio node 2 from the moment of receiving the first radio signal to the moment of transmission of the second radio signal.
  • the distance between the radio nodes is calculated by the known propagation speed of the radio signal.
  • the disadvantage of this method is that the accuracy of the measurements is reduced due to the inability to compensate for the difference in the speed of the clock (clock drift) in the mentioned radio nodes (see the above article by A. Gogolev).
  • This method is called the symmetric two-sided two-stage distance measurement (SDS-TWR from the English. ((Symmetric Double Sided Two Way Ranging)), for more details, see the above article by A. Gogolev et al.).
  • SDS-TWR symmetric two-sided two-stage distance measurement
  • the disadvantage of this method preventing the achievement of the following
  • the technical result consists in the fact that for the location of a mobile radio node, it is necessary to measure the distance to at least three RZIM, for which at least three measurement sessions are required.
  • TDOA Time Difference of Arriva
  • TDOA TDOA Positioning under Suboptimal Conditions. 2007
  • the disadvantage of TDOA is the non-linearity of the system of equations used to determine the location (see Ju-Yong Do et al. Robustness of TO A and TDOA Positioning under Suboptimal Conditions. 2007), and the strong dependence of the performance and reliability of the method on the number of mobile nodes, conditions receiving a radio signal and its reflections.
  • the claimed group of inventions solves the problem of saving radio air in systems for determining the location of a mobile radio node by measuring the delay between direct and response radio signals (RTT method). This allows you to free the radio channel for the transmission of useful information.
  • the technical result consists in increasing the accuracy of measurements, and in that the determination of the distance between the radio nodes does not require solving systems of non-linear equations, which simplifies the design of computing devices, in particular, microcontrollers, algorithms for determining
  • the accuracy of the proposed method can be improved by accumulating samples during the measurement periods (the most reliable is the smallest of the samples corresponding to the radio signal that has undergone the least number of reflections).
  • the radio nodes can carry out the proposed method alternately with small intervals, which makes it possible to level the effect of the difference in the speed of the clock.
  • the problem is solved due to the fact that in the method for determining the distance between the radio node (P2) and two other radio nodes (PI, RP), the propagation time of the radio signal between which (P4) is known or can be calculated from known data, a direct radio signal (PR ), through ⁇ 2 and ⁇ receive a PR, through ⁇ 2 after receiving a PR transmit a response radio signal (RR), through ⁇ 1 and ⁇ receive a RR, while by P2 determine the delay (P2) between the reception of the PR and the transmission of the PR, by P1 determine the delay (W) between the transmission of the PR and the reception of the PR, by the RP determine the delay (PP) between the reception of the PR and the PR, and then, taking into account P2, determine the delay (P5 ) the propagation of PR and / or PR between P1 and P2, and taking into account P5, P2, PZ and P4, the delay (P6) of the spread of PR between P2 and PZ is determined, and the distance between P1 and P2 and between P2
  • P2 and RE are interconnected and with computing means in a single information network through a wired data channel.
  • the intervals for example, between receiving the PR and transmitting the PR
  • the delay samples determined in this way can be transmitted via communication channels and processed outside the radio node.
  • the method after receiving the OR, the method is repeated with the only difference that the corresponding functions are performed by REs instead of P2, and vice versa, and the calculated distances between P1 and P2 and between P2 and RE are averaged with corresponding distances obtained at the previous iteration of the method.
  • P4 is determined by the delay between the direct and response radio signals (RTT method) or the symmetric two-sided two-stage distance measurement method (SDS-TWR).
  • the value of P5 is refined by the method of symmetric two-sided two-stage distance measurement.
  • P2 is determined prior to initiating the exchange of direct and response radio signals.
  • the distance between P2 and the radio node (P4) is additionally measured, while the propagation time of the radio signal between P4 and P1 is known or can be calculated from known data.
  • the implementation of the above method is repeated with the replacement of one of P1 or P3 by another other radio node P4, the propagation time of the radio signal between which and one of them is known or can be calculated from known data.
  • the delay handler is arranged in one integrated circuit.
  • the delay processor is based on at least one universal processor, an ASIC processor, a DSP processor, a programmable logic integrated circuit (FPGA) and / or electronic analog computing device.
  • said data channel is a wired data channel.
  • said data channel is a wireless data channel.
  • amplifiers or based on a hardware-software complex, for example, a general-purpose computer equipped with software that provides data processing.
  • the claimed group of inventions can be used to measure distances and determine the location (both in real time and from reconstructed data) of mobile radio nodes relative to other radio nodes.
  • 1 is a timing chart illustrating the principle of distance measurement using RTT.
  • 2 is a timing chart illustrating distance measurement by the SDS-TWR method.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating TDOA positioning. 4 is a timing chart illustrating a distance measurement of the inventive method.
  • 5 is a diagram illustrating the possibility of using existing equipment for measuring distances using the SDS-TWR method.
  • P1 transmits a direct radio signal (PR, or “DATA1” in FIG. 4) at a not yet known time moment TO (according to RP hours), and P2 with a delay for processing time (P2) at time T2 (according to RP hours) transmits a response radio signal (OR, “ASK1” in FIG. 4), while the RE receives a PR with a delay of P4 (period T1-T0 in FIG.
  • P1 receives the radio signal OP and determines there is a delay P1 between the transmission of the PR and the reception of the PR (Totvet1 in FIG. 4), and the RE receives the PR and determines the delay of the PP (period TK-T1 in FIG. 4) between the reception of the radio signals PR and the PR.
  • the distance R12 between the first and second switchgears, taking into account the propagation speed of the radio signal c, is found by the formula:
  • the distance between P2 and PZ can be determined by the formula:
  • a radio signal from P1 to RE which can be calculated from a known distance R13 from P1 to RE and a known propagation speed of the radio signal;
  • PZ + P4 (corresponds to the period T3-T0 in figure 4) - the period between the transmission of PR with P1 and the reception of OR in RP;
  • P2 + P5 (corresponds to the period T2-T0 in figure 4) - the period between the transmission of PR with P1 and the transmission of OP with P2;
  • the RTT method determines immediately two distances between P2 and two other radio nodes (P1 and RE), the propagation time of the radio signal between which can be calculated on the basis of the available data. That is, as in the TDOA method in the method according to the invention
  • the inventive method was tested using nanoLOC transceivers (manufactured by Nanotron Technologies GmbH) designed to measure distances using the SDS-TWR method.
  • the procedure for measuring the distance between P2 and RE was modified due to the fact that nanoLOC RE transceivers can detect the moment of receiving the PR ("DATA1" in Fig. 5), but since the notch of the moment of receiving the PR ("ASK1" in fig. 5) it is technically impossible, instead, the moment of reception of the RE of the second direct radio signal (PR2, “DATA2” in FIG. 5), which P2 transmits P1 in the measurement cycle by the SDS-TWR method, was detected.
  • nanoLOC transceivers is tied to the beginning of long periods (time slots), which are set by a low-frequency generator (see Fig. 5, where the moments of a possible start of signal transmission are marked on the axes with bold serifs).
  • time instants T0-T5 are assigned to the RP clock and mean the following:
  • T2 is the moment of transmission of the OP signal from P2;
  • T4 the moment of transmission from P2 of the signal PR2
  • T5 the moment of reception of the signal PR2
  • TZ-T2 the propagation time of the radio signal between P2 and RE;
  • the RZ records the time between the reception of one of the signals of the RTT cycle from one of P1 or P2 and the reception of another signal from the other of them.
  • R23 [(T5 - p T time . SLO ta - T1 + R13 / C) - (T 0T veta1 + T 0 processing 1) / 2] s, where:
  • Time-slot - a previously known time-slot duration
  • n of the time slot can either be measured by radio node 2, or calculated by radio node 3 if the time slot multiplied by the propagation speed of the radio wave exceeds the length limit for this type of distance measurement by the radio method.
  • the general scheme of the method reduces to detecting at the RE the moment of receiving the PR (i.e., the first radio signal in the RTT measurement cycle) and recording the moment of receiving any radio signal from P2 (either before the distance measurement cycle or after) at provided that the speed of the clock P2 and RE are little different.
  • non-distances can be measured with an accuracy of about 0.3 meters.
  • This level of accuracy can be achieved using correlometers that are triggered when the first n bits of the frame are received and defining the boundaries of the bits.
  • the signal delay in adjacent RTT cycles is not more than 10 ms, an accuracy of 0.3 m is ensured with a clock out of sync of not more than 1 ns.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

Настоящая группа изобретений относится к беспроводной радиосвязи, а точнее, к устройствам и к способам для определения местоположения (локации) радиоузла. Предложен способ определения расстояния между радиоузлом (Р2) и двумя другими радиоузлами (Р1, РЗ), время распространения радиосигнала между которыми (П4) известно или может быть вычислено по известным данным, в котором посредством Р1 передают прямой радиосигнал (ПР), посредством Р2 и РЗ принимают ПР, посредством Р2 после приема ПР передают ответный радиосигнал (ОР), посредством Р1 и РЗ принимают ОР, при этом посредством Р2 определяют задержку (П2) между приемом ПР и передачей ОР, посредством Р1 определяют задержку (Ш) между передачей ПР и приемом ОР, посредством РЗ определяют задержку (ПЗ) между приемом ПР и ОР, после чего с учетом П2 определяют задержку (П5) распространения ПР и/или ОР между Р1 и Р2, а с учетом П5, П2, ПЗ и П4 определяют задержку (П6) распространения ОР между Р2 и РЗ и вычисляют расстояние между Р1 и Р2 и между Р2 и РЗ, соответственно. Технический результат - повышение точности измерений, упрощение вычислений.

Description

СПОСОБ ЛОКАЦИИ РАДИОУЗЛА И СРЕДСТВА ЛОКАЦИИ РАДИОУЗЛА
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящая группа изобретений относится к беспроводной радиосвязи и, а точнее, к устройствам и к способам для определения местоположения (локации) радиоузла относительно других радиоузлов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны спутниковые системы глобальной навигации (GNSS), например, GPS и ГЛОНАСС. Принцип расчета локации основан на измерении задержки
распространения короткого радиоимпульса от посылки его радиоузлу с заранее известным местоположением (РЗИМ), до приёма его радиоузлом. Зная время распространения радиосигнала (далее - «TOF», от англ. «Time of Flight» [время полета]), можно рассчитать расстояние между ними. Для определения трехмерного положения мобильного объекта требуется 4 РЗИМ. Недостаток спутниковых систем глобальной навигации состоит в том, что радиосигналы спутников настолько слабы, что невозможно точное определения координат в помещениях, следовательно, такие системы нельзя использовать для стороннего контроля перемещений радиоузла.
Известны способы навигации, в которых для увеличения точности систем глобальной спутниковой навигации используют дополнительные наземные РЗИМ (Assisted GPS (A-GPS), см. Goran М. et al. Geolocation and Assisted GPS, Computer, 2001 , 2: 123-5). Это позволяет частично устранить проблему локации радиоузлов,
расположенных внутри помещений.
Общий недостаток всех систем глобального позиционирования состоит в высокой стоимости оборудования, обеспечивающего точную синхронизацию всех РЗИМ по времени. Известны способы локации радиоузлов посредством наземных РЗИМ, не требующие точной синхронизации РЗИМ по времени. В частности, большой
популярностью в настоящее время пользуются способы, основанные на измерении мощности входного радиосигнала (сокращенно - «RSSI», от англ. «Received Signal Strength Indication)), см., например, статью Zhang Jianwu, Zhang Lu, Research on distance measurement based on RSSI of ZigBee. Computing, Communication, Control, and
Management, 2009, 3(8-9):210-2). Недостатки способов, основанных на измерении RSSI, связаны с тем, что на измеренную мощность входного радиосигнала сильно влияют условия распространения и способ детектирования радиоволн, в частности анизотропия антенн по направлению радиосигнала, наличие и характер радиопомех (не обязательно в том же частотном диапазоне), особенности рельефа местности, изменение взаимного расположения объектов в зоне локации в процессе измерений (особенно внутри помещений), колебания напряжения питания, изменение атмосферных условий в процессе измерений, покачивания антенн и т.д. (см статью Elnahrawy Е., Xiaoyan Li, Martin R.P., The Limits of Localization Using Signal Strength: A Comparative Study. IEEE SECON, October 2004). Действие этих факторов выражается в непредсказуемых флуктуациях мощности радиосигнала (см. там же).
Известны способы локации радиоузла посредством наземных РЗИМ, не требующие их точной синхронизации по времени, основанные на точном измерении времени-распространения радиосигнала между, по меньшей мере, тремя наземными РЗИМ и радиоузлом (методы, основанные на измерении TOF).
В частности, широко известен способ измерения расстояний методом RTT (от англ. «Roundtrip Time»), в котором измеряют время (в том числе TOF) распространения радиосигнала от одного радиоузла к другому и в обратном направлении (см. статью Гоголев А., Екимов Д., Екимов К., Мощевикин А., Федоров А., Цыкунов И. «Точность определения расстояний с помощью технологии nanoLoc» Беспроводные технологии, 2008, 2:48-51). Для этого, как показано на фиг.1 , радиоузел 1 передает радиоузлу 2 первый радиосигнал, содержащий запрос на измерение (пакет «DATA»), и фиксирует время передачи; после приема первого радиосигнала радиоузел 2 немедленно передает радиоузлу 1 второй радиосигнал (пакет «АСК») и, наконец, радиоузел 1 фиксирует время приема второго радиосигнала. Считая время обработки радиосигналов обоими радиоузлами одинаковым, время распространения радиосигнала tp обычно вычисляют по формуле:
Figure imgf000005_0001
где:
Т0Твета1 - время, измеренное радиоузлом 1 , с момента передачи первого радиосигнала до момента приема второго радиосигнала,
Тобработки 1 - время, измеренное радиоузлом 2 с момента приема первого радиосигнала до момента передачи второго радиосигнала. Расстояние между радиоузлами вычисляют по известной скорости распространения радиосигнала.
Недостаток этого способа состоит в том, что точность измерений снижается в связи с невозможностью компенсации разности скорости хода часов (clock drift) в упомянутых радиоузлах (см. вышеупомянутую статью Гоголев А.).
Для устранения этого недостатка в опубликованной заявке на патент США N° 2009/00253439 вышеупомянутый сеанс определения RTT проводят дважды, вначале, как показано на фиг.2, сеанс измерения инициирует радиоузел 1 , а затем - радиоузел 2, после чего рассчитывают усредненное значение времени распространения
радиосигнала. Такой способ получил название симметричного двухстороннего двухступенчатого измерения расстояний (SDS-TWR от англ. ((Symmetric Double Sided Two Way Ranging)), более подробно, см. вышеупомянутую статью Гоголев А. и др.). Недостаток этого способа, препятствующий достижению нижеупомянутого
технического результата, состоит в том, что для локации мобильного радиоузла необходимо измерить расстояние, по меньшей мере, до трех РЗИМ, для чего требуется произвести, по меньшей мере, три сеанса измерений.
Известны способы локации мобильного радиоузла, не требующие проведения многочисленных сеансов измерений, в которых локацию мобильного радиоузла определяют посредством измерения малой разницы во времени получения одного радиосигнала разными РЗИМ (TDOA, от англ. «Time Difference of Arriva ; см. статью Gustafsson F. and Gunnarsson F., Positioning Using Time-Difference of Arrival
Measurements, Department of Electrical Engineering, Linkoping University, SE-581 83 Linkoping, Sweden). Зная время передачи радиосигнала радиоузлом и время его
(сигнала) приема РЗИМ, и считая скорость хода часов РЗИМ одинаковой, можно измерить точную разность между задержками получения радиосигнала разными РЗИМ. В двумерном случае локации мобильного радиоузла методом РЗИМ определенному значению разности во времени получения радиосигнала двумя РЗИМ с известным местоположением соответствует нахождение мобильного объекта в одной из точек гиперболы. Местоположение радиоузла может быть установлено (см. там же) путем решения систем нелинейных гиперболических уравнений как показано на фиг.З.
Теоретически для определения местоположения радиоузла требуется меньше радиосигналов, чем в случае RTT.
Недостаток TDOA состоит в нелинейности системы уравнений используемых для определения местоположения (см. статью Ju-Yong Do et al. Robustness of TO A and TDOA Positioning under Suboptimal Conditions. 2007), и в сильной зависимости производительности и надежности метода от количества мобильных узлов, условий приёма радиосигнала и его переотражений. РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В заявленной группе изобретений решается задача сбережения радиоэфира в системах для определения местоположения мобильного радиоузла по измерению задержки между прямым и ответным радиосигналами (методом RTT). Это позволяет освободить радиоканал для передачи полезной информации.
Технический результат состоит в повышении точности измерений, и в том, что для определения расстояния между радиоузлами не требуется решение систем нелинейных уравнений, что позволяет упростить конструкцию вычислительных устройств, в частности, микроконтроллеров, алгоритмы для определения
местоположения мобильного радиоузла и за меньшее количество тактов (т.е. быстрее) вычислять местоположение мобильного объекта на цифровой аппаратной базе общего назначения.
В отличие от метода TDOA, точность предлагаемого способа может быть повышена за счет накопления отсчетов в течение периодов измерения (наиболее достоверным считается наименьший из отсчетов, соответствующий радиосигналу, претерпевшему наименьшее количество переотражений).
Кроме того, в отличие от метода TDOA, радиоузлы могут осуществлять предлагаемый способ попеременно с небольшими интервалами, что позволяет нивелировать эффект разности в скорости хода часов.
Поставленная задача решена благодаря тому, что в способе определения расстояния между радиоузлом (Р2) и двумя другими радиоузлами (PI , РЗ), время распространения радиосигнала между которыми (П4) известно или может быть вычислено по известным данным, посредством Р1 передают прямой радиосигнал (ПР), посредством Р2 и РЗ принимают ПР, посредством Р2 после приема ПР передают ответный радиосигнал (ОР), посредством Р1 и РЗ принимают ОР, при этом посредством P2 определяют задержку (П2) между приемом ПР и передачей ОР, посредством Р1 определяют задержку (Ш) между передачей ПР и приемом ОР, посредством РЗ определяют задержку (ПЗ) между приемом ПР и ОР, после чего с учетом П2 определяют задержку (П5) распространения ПР и/или ОР между Р1 и Р2, а с учетом П5, П2, ПЗ и П4 определяют задержку (П6) распространения ОР между Р2 и РЗ, и вычисляют расстояние между Р1 и Р2 и между Р2 и РЗ, соответственно.
Следует понимать, что указания «прямой», «ответный», «Ш », «П2», «ПЗ», «П4», «П5», «П6», «Р1 », «Р2», «РЗ», «ОР», «ПР» являются лишь условными
обозначениями и/или сокращениями для соответствующих технических признаков, и применяются лишь для краткости изложения и/или для индивидуализации разных, но одинаково называемых элементов.
В одной из частных форм осуществления способа Р2 и РЗ связаны между собой и с вычислительными средствами в единую информационную сеть посредством проводного канала передачи данных.
Как будет очевидно специалисту, точное измерение малых временных
интервалов, например, между приемом ПР и передачей ОР может быть обеспечено при размещении средств измерения (часов) в том радиоузле (в данном случае, в Р2), который осуществляет засечку моментов, временная задержка между которыми измеряется, при этом, предпочтительно, чтобы интервалы между событиями
отсчитывались посредством одного и того же генератора частоты. Отсчеты задержек, определенные таким образом могут быть переданы по каналам связи и обработаны за пределами радиоузла.
В еще одной частной форме осуществления после приема ОР способ повторяют с той лишь разницей, что соответствующие функции вместо Р2 выполняет РЗ, и наоборот, причем вычисленные расстояния между Р 1 и Р2 и между Р2 и РЗ усредняют с соответствующими расстояниями, полученными на предшествующей итерации способа.
В другой частной форме осуществления П4 определяют по задержке между прямым и ответным радиосигналами (методом RTT) или методом симметричного двухстороннего двухступенчатого измерения расстояний (SDS-TWR).
В одной частной форме осуществления значение П5 уточняют по методу симметричного двухстороннего двухступенчатого измерения расстояний.
В еще одной частной форме осуществления П2 определяют до инициирования обмена прямыми и ответными радиосигналами.
В другой частной форме осуществления дополнительно измеряют расстояние между Р2 и радиоузлом (Р4), при этом время распространения радиосигнала между Р4 и Р1 известно или может быть вычислено по известным данным.
Вышеуказанная задача также решена благодаря тому, что для определения местоположения радиоузла (Р2), после осуществления любого из вариантов
осуществления вышеописанного способа, его (способ) повторяют с заменой одного из Р1 или РЗ еще одним другим радиоузлом Р4, время распространения радиосигнала между которым и одним из оных известно или может быть вычислено по известным данным.
Вышеуказанная задача решена благодаря тому, что система для определения расстояния между радиоузлом с неизвестным местоположением Р2 и, по меньшей мере, двумя радиоузлами (Р1 , РЗ), время распространения радиосигнала между которыми (П4) известно или может быть вычислено по известным данным, в котором PI , Р2 и РЗ выполнены с возможностью точного измерения промежутков времени между приемом и/или передачей радиосигналов, в которой Р1 выполнен с возможностью определения задержки (Ш) между передачей прямого радиосигнала (ПР) и приемом ответного радиосигнала (OP), РЗ выполнен с возможностью определения задержки (ПЗ) между приемом ПР и OP, Р2 выполнен с возможностью определения задержки (П2) между приемом ПР и передачей ОР, либо с возможностью поддержания предварительно заданного значения П2, в которой Р1 и РЗ объединены между собой посредством канала передачи данных в единое информационное пространство с обработчиком задержек, выполненным с возможностью вычисления задержки (П5) распространения ПР и/или ОР между Р1 и Р2, и (с возможностью) вычисления задержки (П6)
распространения ОР между Р2 и РЗ с учетом П5, П2, ПЗ и П4.
В частной форме выполнения системы обработчик задержек скомпонован в одной интегральной схеме.
В одной частной форме выполнения системы обработчик задержек выполнен на основе, по меньшей мере, одного универсального процессора, ASIC-процессора, DSP- процессора, программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) и/или электронного аналогового вычислительного устройства.
В еще одной частной форме выполнения системы упомянутый канал передачи данных представляет собой проводной канал передачи данных.
В другой частной форме выполнения системы упомянутый канал передачи данных представляет собой беспроводной канал передачи данных.
Следует понимать, что объектам вышеописанной группы изобретений могут быть присущи все или только некоторые из признаков вышеупомянутых частных вариантов осуществления или выполнения, при условии, что они не исключают друг друга, и при том такие комбинации признаков также включены в настоящее раскрытие.
Среднему специалисту из описания аналогов и из уровня техники должны быть понятны функции и допустимые варианты выполнения, соединения и расположения вышеупомянутых функциональных элементов, например, должно быть понятно, что вычислительные средства могут быть реализованы на основе операционных
усилителей, либо на основе программно-аппаратного комплекса, например, ЭВМ общего назначения, снабженной программными средствами, обеспечивающими обработку данных.
Если какие-то конструктивные элементы и другие признаки, которые, как известно среднему специалисту, необходимы для реализации назначения заявленных изобретений, но специально не упомянуты в формуле изобретения и не раскрыты в описании, то они являются имманентно присущими, а их конкретные варианты выполнения хорошо известны из аналогов и из уровня техники.
Заявленная группа изобретений может быть использована для измерения расстояний и определения местоположения (как в реальном времени, так и по восстанавливаемым данным) мобильных радиоузлов относительно других радиоузлов.
Для лучшего понимания идей изобретения ниже приводятся иллюстрирующие чертежи, показывающие некоторые частные варианты выполнения элементов изобретений или осуществления способа. Однако, несмотря на то, что в настоящем документе изобретение описывают со ссылкой на позиции элементов, показанных на чертежах, не следует приписывать их особенности соответствующим элементам, на которые ссылаются в тексте.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 показана временная диаграмма, иллюстрирующая принцип измерения расстояния методом RTT.
На фиг.2 показана временная диаграмма, иллюстрирующая измерение расстояний методом SDS-TWR.
На фиг.З показана схема, иллюстрирующая определение местоположения методом TDOA. На фиг.4 показана временная диаграмма, иллюстрирующая измерение расстояний изобретенным способом.
На фиг.5 показана диаграмма, иллюстрирующая возможность использования существующей аппаратуры для измерения расстояний методом SDS-TWR в
изобретенном способе.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Нижеследующее описание частных вариантов воплощения даются только для наглядной иллюстрации изобретательской идеи. Ничто в настоящем разделе описания не должно быть истолковано как ограничение объема притязаний. Должно быть понятно, что средний специалист, знакомый с идеями настоящего изобретения, может использовать его главные отличительные особенности и внести эквивалентные замены с достижением поставленной задачи и без отклонения от духа и области настоящего изобретения.
Как показано на фиг.4, в соответствии с предлагаемым способом, желая определить расстояние от Р2 до Р1 и РЗ (т.е. R12 и R23) при заранее известном расстоянии R13 между Р1 и РЗ (оно может быть измерено методом RTT или любым другим методом) Р1 передает прямой радиосигнал (ПР, или «DATA1 » на фиг.4) в пока не известный момент времени ТО (по часам РЗ), а Р2 с задержкой на время обработки (П2) в момент времени Т2 (по часам РЗ) передает ответный радиосигнал (ОР, «АСК1 » на фиг.4), при этом РЗ получает ПР с задержкой П4 (период Т1-Т0 на фиг.4), Р1 принимает радиосигнал ОР и определяет задержку П1 между передачей ПР и приемом ОР (Тответа1 на фиг.4), а РЗ принимает ОР и определяет задержку ПЗ (период ТЗ-Т1 на фиг.4) между приемом радиосигналов ПР и ОР.
Зная Ш (Тответа1) и П2 (Тобработки1 , которое Р2 сообщает Р1), время П5 распространения радиосигнала между Р1 и Р2 определяют по формуле: Π5 = (Π1 - Π2)/2
Расстояние R12 между первым и вторым РУ с учетом скорости распространения радиосигнала с находят по формуле:
R12 = n5-c,
Зная ПЗ и R13, расстояние между Р2 и РЗ можно определить по формуле:
R23 = [(ПЗ + П4) - (П2 + П5)] с
где:
П4 (соответствует периоду Т1-Т0 на фиг.4) - время распространения
радиосигнала от Р1 к РЗ, которое может быть вычислено по известному расстоянию R13 от Р1 до РЗ и известной скорости распространения радиосигнала;
ПЗ + П4 (соответствует периоду T3-T0 на фиг.4) - период между передачей ПР с Р1 и приемом ОР на РЗ;
П2 + П5 (соответствует периоду Т2-Т0 на фиг.4) - период между передачей ПР с Р1 и передачей ОР с Р2;
(ПЗ + П4) - (П2 + П5) (соответствует периоду ТЗ-Т2 на фиг.4) - период между передачей ОР с Р2 и его приемом на РЗ;
Таким образом, согласно способу по изобретению за один акт обмена
радиосигналами ПР и ОР, т.е. в одном цикле измерения по методу RTT определяют сразу два расстояния между Р2 и двумя другими радиоузлами (Р1 и РЗ), время распространения радиосигнала между которыми может быть вычислено на основе имеющихся данных. То есть, как и в методе TDOA в способе по изобретению
используют информацию о времени распространении радиосигнала от Р2 до Р1 и РЗ, но расстояние между узлами вычисляют непосредственно, без решения систем
нелинейных уравнений, только за счет использования информации о П2, П4 и П5. Как будет понятно специалисту в данной области техники РЗ должен быть включен в режиме прослушивания среды передачи (promiscuous mode), чтобы регистрировать радиосигналы ПР и ОР, предназначенных не для него. При этом чем меньше промежуток времени между ПР и ОР, тем меньше влияние неточности хода часов РЗ и погрешность измерений.
ПРИМЕР
Изобретенный способ апробировали с использованием трансиверов nanoLOC (производитель Nanotron Technologies GmbH), предназначенных для измерения расстояний методом SDS-TWR. Для этого процедуру измерения расстояния между Р2 и РЗ модифицировали, в связи с тем, что трансиверы nanoLOC РЗ могут засечь момент приема ПР («DATA1 » на фиг.5), но, так как засечка момента приема ОР («АСК1 » на фиг.5) технически невозможна, вместо этого засекали момент приема РЗ второго прямого радиосигнала (ПР2, «DATA2» на фиг.5), который Р2 передает Р1 в цикле измерения по методу SDS-TWR. Это возможно благодаря тому, что момент начала передачи сигналов в трансиверах nanoLOC привязан к началу длительных периодов (тайм-слотов), которые задаются низкочастотным генератором (см. фиг.5, где моменты возможного начала передачи сигнала отмечены на осях жирными засечками).
Благодаря стабильности генераторов радиоузлов 2 и 3 смещение моментов регистрации сигналов ОР и ПР2 (т.е. «АСК1 » и «DATA2» на фиг.5) на РЗ одинаковое, т.е. Dtl=Dt2.
На фиг.5 моменты времени Т0-Т5 отнесены к часам РЗ и означают следующее:
ТО - момент передачи ПР радиоузлом 2;
Т1 - момент приема ПР;
Т2 - момент передачи с Р2 сигнала ОР;
ТЗ - момент приема сигнала ОР;
Т4 - момент передачи с Р2 сигнала ПР2; T5 - момент приема сигнала ПР2;
Т1-Т0 - время распространения радиосигнала между Р1 и РЗ;
ТЗ-Т2 - время распространения радиосигнала между Р2 и РЗ;
Т5-Т4 - время распространения радиосигнала между Р2 и РЗ (Т5-Т4 = ТЗ-Т2);
Dtl и Dt2 - времена с начала очередного тайм-слота до момента приема ОР и ПР2 соответственно (Dtl=Dt2);
Как показано на фиг.5 РЗ засекает время между приемом одного из сигналов цикла RTT, от одного из Р1 или Р2 и приемом еще одного сигнала от другого из них.
Расстояние между Р2 и РЗ рассчитывают по формуле:
R23 = [(Т5 - п Ттайм.СЛОта - Т1 + R13/C) - (Т0Твета1 + Т0бработки 1)/2] с, где:
Ттайм-слота - заранее известная длительность тайм-слота;
п - число тайм-слотов, прошедшее с момента передачи ОР до момента передачи ПР2. Значение п Ттайм-слота может быть либо измерено радиоузлом 2, либо рассчитано радиоузлом 3 в случае, если длительность тайм-слота, умноженная на скорость распространения радиоволны, превышает ограничение по длине для данного вида измерения расстояний радио методом.
Таким образом, для трансиверов nanoLOC общая схема метода сводится к засечке на РЗ момента приема ПР (т.е. первого радиосигнала в цикле измерений по методу RTT) и регистрации момента приема любого радиосигнала от Р2 (либо до цикла измерения расстояний, либо после) при условии, что скорость хода часов Р2 и РЗ мало отличаются.
При точности измерения периодов времени порядка 1 не расстояния могут быть измерены с точностью примерно 0,3 метра. Такого уровня точности можно добиться с помощью коррелометров, срабатывающих в момент принятия первых п битов кадра и определяющих границы битов. При задержке сигналов в соседних циклах RTT не более 10 мс точность на уровне 0,3 м обеспечивается при рассинхронизации хода часов не более 1 не.
Изменения и модификации описанной группы изобретений, а также
дополнительные применения принципов изобретения, очевидные для специалистов в данной области техники, также входят в объем изобретения.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ определения расстояния между радиоузлом (Р2) и двумя другими радиоузлами (Р1 , РЗ), время распространения радиосигнала между которыми (П4) известно или может быть вычислено по известным данным, в котором посредством Р1 передают прямой радиосигнал (ПР), посредством Р2 и РЗ принимают ПР, посредством Р2 после приема ПР передают ответный радиосигнал (ОР), посредством Р1 и РЗ принимают ОР, при этом посредством Р2 определяют задержку (П2) между приемом ПР и передачей ОР, посредством Р1 определяют задержку (Ш) между передачей ПР и приемом ОР, посредством РЗ определяют задержку (ПЗ) между приемом ПР и ОР, после чего с учетом П2 определяют задержку (П5) распространения ПР и/или ОР между Р1 и Р2, а с учетом П5, П2, ПЗ и П4 определяют задержку (П6) распространения ОР между Р2 и РЗ и вычисляют расстояние между Р1 и Р2 и между Р2 и РЗ,
соответственно.
2. Способ по п.1 , в котором Р2 и РЗ связаны между собой и с
вычислительными средствами в единую информационную сеть посредством
проводного канала передачи данных.
3. Способ по п.1, в котором после приема ОР способ повторяют с той лишь разницей, что соответствующие функции вместо Р2 выполняет РЗ, и наоборот, причем вычисленные расстояния между Р1 и Р2 и между Р2 и РЗ усредняют с
соответствующими расстояниями, полученными на предшествующей итерации способа.
4. Способ по п.1 , в котором П4 определяют по задержке между прямым и ответным радиосигналами (методом RTT) или методом симметричного двухстороннего двухступенчатого измерения расстояний (SDS-TWR).
5. Способ по п.1 , в котором значение П5 уточняют по методу симметричного двухстороннего двухступенчатого измерения расстояний.
6. Способ по п.1 , в котором П2 определяют до инициирования обмена прямыми и ответными радиосигналами.
7. Способ по п.1 , в котором дополнительно измеряют расстояние между Р2 и радиоузлом (Р4), при этом время распространения радиосигнала между Р4 и Р1 известно или может быть вычислено по известным данным.
8. Применение способа по любому из п. п.1 -7 для определения
местоположения радиоузла (Р2), в котором после осуществления способа, его повторяют с заменой одного из Р1 или РЗ еще одним другим радиоузлом Р4, время распространения радиосигнала между которым и одним из оных известно или может быть вычислено по известным данным.
9. Система для определения расстояния между радиоузлом с неизвестным местоположением Р2 и двумя радиоузлами (Р1, РЗ), время распространения
радиосигнала между которыми (П4) известно или может быть вычислено по известным данным, в котором PI , Р2 и РЗ выполнены с возможностью точного измерения промежутков времени между приемом и/или передачей радиосигналов, в которой Р1 выполнен с возможностью определения задержки (Ш) между передачей прямого радиосигнала (ПР) и приемом ответного радиосигнала (ОР), РЗ выполнен с
возможностью определения задержки (ПЗ) между приемом ПР и OP, Р2 выполнен с возможностью определения задержки (П2) между приемом ПР и передачей ОР, либо с возможностью поддержания предварительно заданного значения П2, в которой Р1 и РЗ объединены между собой посредством канала передачи данных в единое
информационное пространство с обработчиком задержек, выполненным с
возможностью вычисления задержки (П5) распространения ПР и/или ОР между Р1 и P2, и (с возможностью) вычисления задержки (П6) распространения ОР между Р2 и РЗ с учетом П5, П2, ПЗ и П4.
10. Система по п.9, в которой, обработчик задержек скомпонован в одной интегральной схеме.
1 1. Система по п.9, в которой обработчик задержек выполнен на основе, по меньшей мере, одного универсального процессора, ASIC-процессора, DSP-процессора, программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) и/или электронного аналогового вычислительного устройства.
12. Система по п.9, в которой упомянутый канал передачи данных
представляет собой проводной канал передачи данных.
13. Система по п.9, в которой упомянутый канал передачи данных
представляет собой беспроводной канал передачи данных.
PCT/RU2012/000404 2011-05-24 2012-05-21 Способ локации радиоузла и средства локации радиоузла WO2012166015A2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EA201300327A EA024885B1 (ru) 2011-05-24 2012-05-21 Способ локации радиоузла и средства локации радиоузла

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011120814/07A RU2011120814A (ru) 2011-05-24 2011-05-24 Способ локации радиоузла и средства локации радиоузла
RU2011120814 2011-05-24

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2012166015A2 true WO2012166015A2 (ru) 2012-12-06
WO2012166015A3 WO2012166015A3 (ru) 2013-03-28

Family

ID=47260143

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2012/000404 WO2012166015A2 (ru) 2011-05-24 2012-05-21 Способ локации радиоузла и средства локации радиоузла

Country Status (3)

Country Link
EA (1) EA024885B1 (ru)
RU (1) RU2011120814A (ru)
WO (1) WO2012166015A2 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103344955A (zh) * 2013-06-13 2013-10-09 常州大学 一种无线测距节点及无线测距方法

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11102746B2 (en) 2014-03-03 2021-08-24 Rosemount Inc. Positioning system
US10942250B2 (en) 2014-03-03 2021-03-09 Rosemount Inc. Positioning system
AU2017262491B2 (en) * 2016-05-12 2020-05-14 Rosemount Inc. Positioning system
CA3112570A1 (en) 2018-09-17 2020-03-26 Rosemount Inc. Location awareness system

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2216102C2 (ru) * 1997-09-23 2003-11-10 Телефонактиеболагет Лм Эрикссон (Пабл) Способ и система для определения местоположения сотового подвижного терминала
US7382804B2 (en) * 2004-08-05 2008-06-03 Meshnetworks, Inc. Bandwidth efficient system and method for ranging nodes in a wireless communication network
US20100008270A1 (en) * 2008-07-11 2010-01-14 Gwangju Institute Of Science And Technology Method and System for Localization Using One-Way Ranging Technique
US20100046388A1 (en) * 2008-08-19 2010-02-25 Gwangju Institute Of Science And Technology Method and system for estimating distance between nodes in wireless sensor networks

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2216102C2 (ru) * 1997-09-23 2003-11-10 Телефонактиеболагет Лм Эрикссон (Пабл) Способ и система для определения местоположения сотового подвижного терминала
US7382804B2 (en) * 2004-08-05 2008-06-03 Meshnetworks, Inc. Bandwidth efficient system and method for ranging nodes in a wireless communication network
US20100008270A1 (en) * 2008-07-11 2010-01-14 Gwangju Institute Of Science And Technology Method and System for Localization Using One-Way Ranging Technique
US20100046388A1 (en) * 2008-08-19 2010-02-25 Gwangju Institute Of Science And Technology Method and system for estimating distance between nodes in wireless sensor networks

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103344955A (zh) * 2013-06-13 2013-10-09 常州大学 一种无线测距节点及无线测距方法

Also Published As

Publication number Publication date
EA201300327A1 (ru) 2014-01-30
EA024885B1 (ru) 2016-10-31
RU2011120814A (ru) 2012-11-27
WO2012166015A3 (ru) 2013-03-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20240069147A1 (en) Method and system for multipath reduction for wireless synchronization and/or locating
Kwak et al. A new double two-way ranging algorithm for ranging system
US7558583B2 (en) System and methods of radio interference based localization in sensor networks
Abba et al. A Review of Localization Techniques in Wireless Sensor Networks
US8199047B2 (en) High-precision radio frequency ranging system
Fischer et al. Bluetooth indoor localization system
RU2432581C1 (ru) Способ локации радиоузла, система локации радиоузла и узел обработки данных
US10499363B1 (en) Methods and apparatus for improved accuracy and positioning estimates
US10067219B2 (en) Synchronization in software-defined radio systems
WO2012166015A2 (ru) Способ локации радиоузла и средства локации радиоузла
JP2006349515A (ja) 変位計測システム及び変位計測方法
WO2012120335A1 (en) Calculating a location
Pelka et al. S-TDoA—Sequential time difference of arrival—A scalable and synchronization free approach forl positioning
KR20140126790A (ko) 무선 센서 네트워크 기반의 위치 추정방법
Nguyen et al. High-accuracy positioning system based on ToA for industrial wireless LAN
JP2012083136A (ja) バイアス誤差推定装置、バイアス誤差推定方法及び位置推定装置
Dong et al. A TOF and Kalman filtering joint algorithm for IEEE802. 15.4 a UWB Locating
Baba et al. Burst mode symmetric double sided two way ranging
KR101304849B1 (ko) 클럭 오프셋 보정을 이용하는 무선 측위 서버 및 이를 이용한 무선 측위 방법
RU2444748C2 (ru) Способ определения дальности до излучающей обзорной радиолокационной станции
Adler et al. Measuring the distance between wireless sensor nodes with standard hardware
Diao et al. An overview of range detection techniques for wireless sensor networks
Gaffney Considerations and challenges in real time locating systems design
Cipov et al. Cooperative trilateration-based positioning algorithm for wlan nodes using round trip time estimation
US11555932B2 (en) Round trip phase extended range

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12793616

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 201300327

Country of ref document: EA

NENP Non-entry into the national phase in:

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 12793616

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2