CN104159291A

CN104159291A - 一种被动式tdoa定位方法

Info

Publication number: CN104159291A
Application number: CN201310178604.0A
Authority: CN
Inventors: 史艳超; 于增强; 朱海军; 董刚
Original assignee: CLOUDMESH TECHNOLOGIES Co Ltd
Current assignee: CLOUDMESH TECHNOLOGIES Co Ltd
Priority date: 2013-05-15
Filing date: 2013-05-15
Publication date: 2014-11-19

Abstract

本发明是一种被动式TDOA定位方法，包括以下步骤：A、安装定位锚节点，同一定位区域至少有2-4个锚节点；B、上述锚节点按照规则编号；C、在一个定位周期中，每个锚节点按照顺序发送定位信号；D、标签节点根据接收到的多个锚节点顺序发送的定位信号计算出自己和某两个锚节点之间的信号到达时间差；E、标签节点根据上述到达时间差计算出坐标位置或发送上述数据至锚节点。本方法在定位过程中，标签节点只接收定位信号，不需发送定位信号即可完成定位过程，无论同一区域有多少个标签，定位过程都能够一次完成，大大地提高了系统容量及可靠性。通过锚节点多次发送定位信号，还能得到多次定位结果，从而显著提高定位精度。

Description

一种被动式TDOA定位方法

技术领域

本发明涉及一种被动式TDOA定位方法。

背景技术

室内无线定位系统是指在室内或无法接收GPS信号的环境下，能够对人员、移动生产设备、重要资产等对象进行实时定位、实时监测、实时控制的系统。

现有的室内无线定位系统一般分为基于场强(RSSI)的定位系统，以及基于时间(测距)的无线定位系统。基于场强(RSSI)的技术主要采用RFID电子标签(包括有源及无源类型)、ZigBee、WiFi、蓝牙等技术手段，基于时间(测距)的无线定位系统有CSS(线性调频)、UWB(超宽带无线电)等技术手段。

本发明主要讨论基于时间(测距)的无线定位系统。它一般由需要定位的标签节点及固定的锚节点组成。由于无线电波在空气中的传播速度是相对固定的，测量出标签节点和锚节点之间无线电波的传播时间，就可以计算出二者之间的距离，利用多个锚节点就可以计算出标签的二维及三维坐标。

上述基于时间(测距)的无线定位系统一般采用TOA(到达时间)或TDOA(到达时间差)等方法来定位。

TOA(到达时间)定位方法通过测量标签与多个锚节点的距离来计算标签坐标。要得到一个标签的平面坐标，至少需要3个锚节点的距离值，三维坐标至少需要4个锚节点的距离值。由于标签需要与多个锚节点之间逐个测距，而且每次测距都要发送多个定位信号(数据包)，因此每次定位耗费的时间较多，在节点密集的应用场合，还要很好地解决多个标签之间防碰撞的问题。因此采用TOA(到达时间)的定位方法在节点密集的定位系统中，要想增加系统容量，只能增加刷新的时间间隔，使得系统实时性变差。总之这种方法存在系统容量小、可靠性差的缺点。

TDOA(到达时间差)定位方法通过测量标签发送的无线电信号到达多个锚节点的时间差来计算标签坐标。同样地，要得到一个标签的平面坐标，至少需要3个锚节点的时间差，三维坐标至少需要4个锚节点的时间差。

一般的TDOA定位系统都是主动式TDOA的工作方式，其工作过程如下：

A.某一标签发送定位信号。

B.多个锚节点记录定位信号到达的时间。

C.同步节点收到标签的定位信号后，发送同步信号。

D.多个锚节点记录同步信号到达的时间。

E.多个锚节点计算出自己的信号到达时间差。

F.根据多个到达时间差来计算标签的坐标。

由于标签只需要发送一次定位信号，然后同步节点再发送一次同步信号就可以产生多个到达时间差，因此定位所花费的时间大大缩短。但是在节点密集的应用场合，标签之间存在信号碰撞的问题，为解决这一问题，必须引入复杂的网络协议来协调多个标签的工作，同时相邻区域的标签及锚节点也存在互相干扰的问题。因此采用主动式TDOA的定位方法在节点密集的定位系统中，虽然相比TOA方法有所改进，同样存在系统容量偏小、可靠性差的缺点。

于节点密集，锚节点数目较多的应用场合，例如监狱、煤矿、学校、博物馆、展览馆等实际应用场合，如何提高系统容量、定位精度及可靠性，是亟待解决的问题。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种系统容量大、可靠性高、定位精度高的被动式TDOA定位方法。

为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：

一种被动式TDOA定位方法，包括以下步骤：

A、安装定位锚节点，同一定位区域至少有2-4个锚节点；

B、上述锚节点按照规则编号；

C、在一个定位周期中，每个锚节点按照顺序发送定位信号；

D、标签节点根据接收到的多个锚节点顺序发送的定位信号计算出自己和某两个锚节点之间的信号到达时间差；

E、标签节点根据上述到达时间差计算出坐标位置或发送上述数据至锚节点。

优选的，步骤B中采用区域号加顺序号的编号方式。

优选的，步骤C中多个锚节点在每个定位周期中顺序发送一次或数次定位信号。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本方法在定位过程中，标签节点只接收定位信号，不需发送定位信号即可完成定位过程，无论同一区域有多少个标签，定位过程都能够一次完成，大大地提高了系统容量及可靠性。通过锚节点多次发送定位信号，还能得到多次定位结果，从而显著提高定位精度。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

附图说明

图1是本发明以两个锚节点和一个标签节点时执行被动式TDOA定位方法的信号流程图。

具体实施方式

本发明是一种被动式TDOA定位方法，可以实现在定位过程中，标签节点只接收定位信号，不需发送定位信号即可完成定位过程，无论同一区域有多少个标签，定位过程都能够一次完成，大大地提高了系统容量及可靠性。通过锚节点多次发送定位信号，还能得到多次定位结果，从而显著提高定位精度。

本发明方法包括：

A、安装定位锚节点，同一定位区域至少有2个锚节点(一维定位)或3个锚节点(二维定位)或4个锚节点(三维定位)；

B、上述锚节点按照规则编号(锚节点ID号)；

C、在一个定位周期中，每个锚节点按照顺序发送定位信号；

步骤A中的锚节点数目根据定位维度要求而定。在满足最小数量的前提下，增加锚节点数量可以提高定位精度及定位可靠性。

优选的，步骤B中采用区域号加顺序号的编号方式。

优选的，步骤C中多个锚节点在每个定位周期中顺序发送一次或数次定位信号。可以利用多次定位结果来提高定位精度。

为描述本发明，以两个锚节点和一个标签节点为例，参见图1所示。

图中ANC1为1号锚节点，ANC2为2号锚节点，ANC3为3号锚节点，ANC4为4号锚节点，TAG为标签节点。根据以下步骤工作：

a.首先ANC1发送定位信号。

b.TAG节点及ANC2、ANC3收到定位信号，各自记录下来信号到达的时间点T1TAG、T1ANC2、T1ANC3。

c.ANC2转发ANC1的定位信号。

d.TAG节点及ANC1、ANC3收到ANC2转发的定位信号，各自记录下来信号到达的时间点T2TAG、T2ANC1、T2ANC3。

e.根据以上时间信号，计算出到达时间差。

T2TAG-T1TAG＝(L12-a)/C+(T2ANC3-T1ANC3-(L13-L12)/C+L23/C)+b/C即T2TAG-T1TAG＝T2ANC3-T1ANC3-(L13-L12+(L12-a)+L23+b)/C则有b-a＝((T2ANC3-T1ANC3)-(T2TAG-T1TAG))*C-(L12+L23)b-a即为TAG节点距ANC1及ANC2的距离差。式中C为空气中的光速。

f.以ANC2、ANC3及ANC4为开始，重复上面的步骤，即可得出TAG节点距ANC2及ANC3的距离差，TAG节点距ANC3及ANC4的距离差，以及TAG节点距ANC4及ANC1的距离差。

根据上述方法，在得出TAG节点距离4个锚节点的距离差后，可以利用双曲线方程计算出TAG节点的坐标。

在此只讨论由M个锚节点对TAG节点进行二维定位计算的问题。设M个锚节点布设在二维平面上，(x，y)为TAG节点的位置，(X_i，Y_i)为第i个锚节点的已知位置。TAG和第i个锚节点之间的距离为：

R_{i} = \sqrt{{(X_{i} - x)}^{2} + {(Y_{i} - y)}^{2}}

R_{i}^{2} = {(X_{i} - x)}^{2} + {(Y_{i} - y)}^{2} = K_{i} - {2 X}_{i} x - {2 Y}_{i} y + x^{2} + y^{2}

其中，

K_{i} = X_{i}^{2} + Y_{i}^{2}

令R_i，1表示TAG与锚节点i(i≠1)和锚节点1的实际距离差，则

R_{i, 1} = {cd}_{i, 1} = R_{i} - R_{1} = \sqrt{{(X_{i} - x)}^{2} + {(Y_{i} - y)}^{2}} - \sqrt{{(X_{1} - x)}^{2} + {(Y_{1} - y)}^{2}}

其中，c为空气中电波传播速度，d_i，1为TDOA测量值。为求解该非线性方程组可以先进行线性化处理。因为

则

R_{i, 1}^{2} + {2 R}_{i, 1} R_{1} + R_{i}^{2} = K_{i} - {2 X}_{i} x - {2 Y}_{i} y + x^{2} + y^{2}

可得：

R_{i, 1}^{2} + {2 R}_{i, 1} R_{1} = K_{i} - {2 X}_{i, 1} x - {2 Y}_{i, 1} y - K_{1}

其中，X_i，1＝X_i-X₁；Y_i，1＝Y_i-Y₁

将x，y，R₁视为未知数，求解该方程组便可以得到TAG的坐标位置。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种被动式TDOA定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、安装定位锚节点，同一定位区域至少有2-4个锚节点；

B、上述锚节点按照规则编号；

C、在一个定位周期中，每个锚节点按照顺序发送定位信号；

2.根据权利要求1所述的被动式TDOA定位方法，其特征在于：步骤B中采用区域号加顺序号的编号方式。

3.根据权利要求1所述的被动式TDOA定位方法，其特征在于：步骤C中多个锚节点在每个定位周期中顺序发送一次或数次定位信号。