基于移动节点接收信号时间间隔差的定位方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明实施例基于移动节点接收信号时间间隔差的定位方法及装置，其中，定位方法通过移动节点发射一次或者两次广播信号，对应的，至少一个参考节点发射两次或者一次广播信号，以使其他参考节点测量接收至少三个广播信号的接收信号时间；再根据各参考节点测量的接收信号时间的间隔差，计算移动节点到两个参考节点之间的距离差；最后根据至少一个距离差和对应的参考节点的位置坐标，确定移动节点的位置坐标。本发明技术方案无需参考节点间的精准的时钟同步，且仅需移动节点发送一次或者两次广播信号就能够完成移动节点的定位，因此其定位成本低、定位速率快。
【专利说明】基于移动节点接收信号时间间隔差的定位方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及移动通信【技术领域】，特别是涉及一种基于移动节点接收信号时间间隔差的定位方法及装置。
【背景技术】
[0002]随着通信技术的发展，人们对定位技术的关注度越来越高，目前常采用的定位技术有基于到达时间定位法和基于到达时间差定位法。
[0003]基于到达时间(Timeof Advent,TOA)定位法的基本原理是:先
测量至少三个参考节点与移动节点之间的信号传播时间；再分别计算移动节点与参考节点之间的距离；最后，根据各参考节点的位置以及计算得到的距离，确定该移动节点的位置。基于T O A方法的缺点是:移动节点需要测量与至少三个参考节点之间的距离，故需要多次发送与接收信号。因此，一次定位所需的时间较长。
[0004]基于到达时间差(TimeDifference of Arrival, T
D 0 A )定位法的基本原理是:移动节点发射信号，至少三个参考节点根据信号到达的时间差以及信号的传播速度，计算移动节点与参考节点之间的距离差。根据双曲线数学原理，发射节点必然位于以两个参考节点位置为焦点的双曲线上，为了确定该发射节点的位置需要建立至少两个双曲线方程，该双曲线的交点即为移动节点的位置坐标。基于T D O A定位法的缺点是:参考节点之间必须精确时间同步，精确度要达到皮秒数量级，而这种高精度时间同步实现较为困难。如:通过有线方式实现时钟同步，需要设计同步信号发生装置和传输设备，需要布缆，成本高昂。通过无线方式实现时钟同步，由于需要消除时钟飘移的影响，因此，需要不断校准参考节点时钟，各参考节点时钟必须采用高精度晶振，同时还需要有一个参考节点固定时间间隔发射时钟同步信号，这样导致时钟同步信号与移动节点发射信号冲突，导致移动节点容量减少。
[0005]由此可见:现有技术中T O A定位法其定位时间较长，无法满足快速定位的实际需求；T D O A定位法对同步时钟要求较高，应用成本高昂，且影响移动节点容量。这两种定位法均无法满足对定位技术的低成本、快速定位的需求。
【发明内容】
[0006]为了解决上述技术问题，本发明提供了基于移动节点接收信号时间间隔差的定位方法及装置。通过移动节点发射一次或者两次广播信号，相应的再通过一个参考节点发射两次或者一次广播信号，就能够测量出定位所需要的一个距离差，最后根据距离差和参考节点位置坐标确定移动节点位置坐标。该技术方案无需参考节点间精准的时钟同步，也无需移动节点多次发送和接收信号，因此，该技术方案能够满足低成本、高速率的定位要求。
[0007]本发明公开了如下技术方案:
[0008]第一方面，本发明提供了一种基于移动节点接收信号时间间隔差的定位方法，所述方法包括:[0009]移动节点间隔第一预设时间连续发射两次广播信号，以使至少两个参考节点接收所述广播信号，并分别测量接收信号时间；
[0010]至少一个参考节点在接收移动节点发射的两次广播信号之后，延迟预设时间发射广播信号，以使其他参考节点接收所述广播信号，并分别测量接收信号时间；其中，不同参考节点延迟的预设时间不相同；
[0011]分别根据各参考节点测量的三个接收信号时间以及各参考节点的位置坐标，计算所述移动节点到任意两个参考节点的距离差；所述三个接收信号时间包括:测量的所述移动节点发射的两个广播信号的两个接收信号时间和测量的任意一个参考节点发射的广播信号的接收信号时间；
[0012]利用至少一个距离差和对应的参考节点位置坐标，确定所述移动节点的位置坐标。
[0013]优选的，所述至少一个参考节点在接收两次广播信号之后，延迟预设时间发射广播信号，以使其他参考节点接收所述广播信号，并分别测量接收信号时间，包括:
[0014]第一参考节点在接收两次广播信号之后，延迟第二预设时间发射广播信号，以使其他参考节点接收所述广播信号，并分别测量接收信号时间；所述第一参考节点是所述至少两个参考节点中的任意一个参考节点；
[0015]则所述分别根据各参考节点测量的三个接收信号时间以及各参考节点的位置坐标，计算所述移动节点到任意两个参考节点的距离差，包括:
[0016]分别根据各参考节点测量的三个接收信号时间以及各参考节点的位置坐标，分别计算所述移动节点到各参考节点和第一参考节点的距离差。
[0017]优选的，所述至少一个参考节点在接收两次广播信号之后，延迟预设时间发射广播信号，以使其他参考节点接收所述广播信号，并分别测量接收信号时间，包括:
[0018]第一参考节点和第二参考节点在接收两次广播信号之后，分别延迟不同的预设时间发射广播信号，以使其他参考节点接收所述广播信号，并分别测量接收信号时间；所述第一参考节点和第二参考节点分别是所述至少两个参考节点中的任意两个参考节点；
[0019]则所述分别根据各参考节点测量的三个接收信号时间以及各参考节点的位置坐标，计算所述移动节点到任意两个参考节点的距离差，包括:
[0020]分别根据各参考节点测量的接收所述移动节点和所述第一参考节点共发射的三个广播信号的三个接收信号时间以及各参考节点的位置坐标，计算所述移动节点到各参考节点和第一参考节点的第一距离差；
[0021]分别根据各参考节点测量的接收所述移动节点和所述第二参考节点共发射的三个广播信号的三个接收信号时间以及各参考节点的位置坐标，计算所述移动节点到各参考节点和第一参考节点的第二距离差；
[0022]计算移动节点到任意两个参考节点的第一距离差和第二距离差的平均值，将该平均值作为所述移动节点到任意两个参考节点的距离差。
[0023]优选的，所述分别根据各参考节点测量的三个接收信号时间以及各参考节点的位置坐标，计算所述移动节点到任意两个参考节点的距离差，包括:
[0024]根据参考节点的延迟时间和参考节点接收所述移动节点发射的两次广播信号的接收信号时间差，计算参考节点的延迟发送比例因子；[0025]按照公式(τ 3- τ 2)-( τ 2- τ I) XK = S/C+D/C，分别计算所述移动节点到两个参考节点的距离差；其中，τ 1、τ 2和τ 3依次是参考节点测量的所述移动节点发射的两个广播信号的两个接收信号时间和测量的一个参考节点发射的广播信号的接收信号时间；KS延迟发送比例因子；3为两个参考节点之间的距离；C为光速；D为所述移动节点到两个参考节点的距离差。
[0026]优选的，所述利用至少一个距离差和对应的参考节点位置坐标，确定所述移动节点的位置坐标，包括:
[0027]当所述移动节点的位置坐标为二维坐标时，从所计算的距离差中选择三个距离差，根据移动节点和两个参考节点的距离差数学公式建立方程组；
[0028]利用非线性最小二乘法求解所述方程组得到所述移动节点的位置坐标。
[0029]第二方面，本发明提供了另一种基于移动节点接收信号时间间隔差的定位方法，所述方法包括:
[0030]移动节点发射一次广播信号，以使至少两个参考节点分别接收所述广播信号，并分别测量接收信号时间；
[0031]至少一个参考节点在接收到移动节点发射的所述广播信号之后，延迟间隔预设时间连续发射两次广播信号，以使其他参考节点分别接收所述广播信号，并测量接收信号时间；不同参考节点延迟的预设时间不相同；
[0032]分别根据各参考节点测量的三个接收信号时间以及各参考节点的位置坐标，计算所述移动节点到任意两个参考节点的距离差；所述三个接收信号时间包括:测量的所述移动节点发射的一个广播信号的接收信号时间和测量的任意一个参考节点发射的两个广播信号的两个接收信号时间；
[0033]利用至少一个距离差和对应的参考节点位置坐标，确定所述移动节点的位置坐标。
[0034]优选的，所述至少一个参考节点在接收到移动节点发射的所述广播信号之后，延迟间隔预设时间连续发射两次广播信号，以使其他参考节点分别接收所述广播信号，并测量接收信号时间，包括:
[0035]第一参考节点在接收移动节点发射的广播信号之后，分别延迟第一预设时间和第二预设时间发射两次广播信号，以使其他参考节点接收所述广播信号，并分别测量接收信号时间；所述第一参考节点是所述至少一个参考节点中的任意一个参考节点；
[0036]则所述分别根据各参考节点测量的三个接收信号时间以及各参考节点的位置坐标，计算所述移动节点到任意两个参考节点的距离差，包括:
[0037]分别根据各参考节点测量的三个接收信号时间以及各参考节点的位置坐标，分别计算所述移动节点到各参考节点和第一参考节点的距离差。
[0038]优选的，所述至少一个参考节点在接收到移动节点发射的所述广播信号之后，延迟间隔预设时间连续发射两次广播信号，以使其他参考节点分别接收所述广播信号，并测量接收信号时间，包括:
[0039]第一参考节点和第二参考节点在接收所述移动节点发射的广播信号之后，分别延迟间隔不同的预设时间发射广播信号，以使其他参考节点接收所述广播信号，并分别测量接收信号时间；所述第一参考节点和第二参考节点分别是所述至少两个参考节点中的任意两个参考节点；第一参考节点和第二参考节点两次延迟的预设时间均不相同；
[0040]则所述分别根据各参考节点测量的三个接收信号时间以及各参考节点的位置坐标，计算所述移动节点到任意两个参考节点的距离差，包括:
[0041]分别根据各参考节点测量的接收所述移动节点和所述第一参考节点共发射的三个广播信号的三个接收信号时间以及各参考节点的位置坐标，计算所述移动节点到各参考节点和第一参考节点的第一距离差；
[0042]分别根据各参考节点测量的接收所述移动节点和所述第二参考节点共发射的三个广播信号的三个接收信号时间以及各参考节点的位置坐标，计算所述移动节点到各参考节点和第一参考节点的第二距离差；
[0043]计算移动节点到任意两个参考节点的第一距离差和第二距离差的平均值，将该平均值作为所述移动节点到任意两个参考节点的距离差。
[0044]优选的，所述分别根据各参考节点测量的三个接收信号时间以及各参考节点的位置坐标，计算所述移动节点到任意两个参考节点的距离差，包括:
[0045]计算参考节点发射广播信号的第二次延迟时间与第一次延迟时间的比值，作为发送延迟比例因子K；
[0046]按照公式(τ 2- τ 1)-( τ 3_ τ 2)/K = S/C+D/C，分别计算所述移动节点到两个参考节点的距离差；其中，τ 1、τ 2和τ 3依次是参考节点测量的所述移动节点发射的一个广播信号的一个接收信号时间和测量的一个参考节点发射的两个广播信号的两个接收信号时间；K为延迟发送比例因子；3为两个参考节点之间的距离；C为光速；D为所述移动节点到两个参考节点的距离差。
[0047]优选的，所述利用至少一个距离差和对应的参考节点位置坐标，确定所述移动节点的位置坐标，包括:
[0048]当所述移动节点的位置坐标为二维坐标时，从所计算的距离差中选择三个距离差，根据移动节点和两个参考节点的距离差数学公式建立方程组；
[0049]利用非线性最小二乘法求解所述方程组得到所述移动节点的位置坐标。
[0050]第三方面，本发明提供了一种基于移动节点接收信号时间间隔差的定位装置，所述装置包括:
[0051]接收单元，用于接收至少两个参考节点各自测量的三个接收信号时间，所述三个接收信号时间包括:参考节点测量的移动节点发射的两个广播信号的两个接收信号时间和测量的任意一个参考节点在接收到所述移动节点发射的广播信号之后，延迟预设时间发射的广播信号的接收信号时间；
[0052]计算单元，用于分别根据各参考节点测量的三个接收信号时间以及各参考节点的位置坐标，计算所述移动节点到任意两个参考节点的距离差；所述三个接收信号时间包括:测量的所述移动节点发射的两个广播信号的两个接收信号时间和测量的任意一个参考节点发射的广播信号的接收信号时间；
[0053]确定单元，用于利用至少一个距离差和对应的参考节点位置坐标，确定所述移动节点的位置坐标。
[0054]优选的,所述计算单元包括:
[0055]第一计算子单元，用于根据参考节点的延迟时间和参考节点接收所述移动节点发射的两次广播信号的接收信号时间差，计算参考节点的延迟发送比例因子；
[0056]第二计算子单元，用于按照公式(τ 3- τ 2)-( τ 2_ τ I) XK = S/C+D/C，分别计算所述移动节点到两个参考节点的距离差；其中，τ 1、τ 2和τ 3依次是参考节点测量的所述移动节点发射的两个广播信号的两个接收信号时间和测量的一个参考节点发射的广播信号的接收信号时间；K为延迟发送比例因子；3为两个参考节点之间的距离；C为光速；D为所述移动节点到两个参考节点的距离差。
[0057]优选的，所述确定单元，包括:
[0058]建立子单元，用于当所述移动节点的位置坐标为二维坐标时，从所计算的距离差中选择三个距离差，根据移动节点和两个参考节点的距离差数学公式建立方程组；
[0059]解析子单元，用于利用非线性最小二乘法求解所述方程组得到所述移动节点的位置坐标。
[0060]第四方面，本发明提供了另一种基于移动节点接收信号时间间隔差的定位装置，所述装置包括:
[0061]接收单元，用于接收至少两个参考节点各自测量的三个接收信号时间，所述三个接收信号时间包括:参考节点测量的移动节点发射的一个广播信号的接收信号时间和参考节点测量的任意一个参考节点在接收到所述移动节点发射的广播信号之后，间隔延迟预设时间发射的两个广播信号的两个接收信号时间；
[0062]计算单元，用于分别根据各参考节点测量的三个接收信号时间以及各参考节点的位置坐标，计算所述移动节点到任意两个参考节点的距离差；所述三个接收信号时间包括:测量的所述移动节点发射的一个广播信号的接收信号时间和测量的任意一个参考节点发射的两个广播信号的两个接收信号时间；
[0063]确定单元，用于利用至少一个距离差和对应的参考节点位置坐标，确定所述移动节点的位置坐标。
[0064]优选的，所述计算单元，包括:
[0065]第一计算子单元，用于计算参考节点发射广播信号的第二次延迟时间与第一次延迟时间的比值，作为发送延迟比例因子K ；
[0066]第二计算子单元，用于按照公式(τ 2- τ 1)-( τ 3- τ 2)/K = S/C+D/C，分别计算所述移动节点到两个参考节点的距离差；其中，τ 1、τ 2和τ 3依次是参考节点测量的所述移动节点发射的一个广播信号的一个接收信号时间和测量的一个参考节点发射的两个广播信号的两个接收信号时间；K为延迟发送比例因子；3为两个参考节点之间的距离；C为光速；D为所述移动节点到两个参考节点的距离差。
[0067]优选的，所述确定单元，包括:
[0068]建立子单元，用于当所述移动节点的位置坐标为二维坐标时，从所计算的距离差中选择三个距离差，根据移动节点和两个参考节点的距离差数学公式建立方程组；
[0069]解析子单元，用于利用非线性最小二乘法求解所述方程组得到所述移动节点的位置坐标。
[0070]本发明实施例基于移动节点接收信号时间间隔差的定位方法及装置，一种技术方案先通过移动节点连续发射两次广播信号，再通过至少一个参考节点延迟预设时间发射一次广播信号，其他参考节点测量这些广播信号的接收信号时间，利用这些接收信号时间的计算移动节点到两个参考节点之间的距离差，最后利用至少一个距离差计算出移动节点的位置坐标。另外一个技术方案先通过移动节点发送一次广播信号，再通过一个参考节点延迟预设时间发射两次广播信号，其他参考节点测量这些广播信号的接收信号时间，利用这些接收信号时间计算移动节点到两个参考节点之间的距离差，最后利用至少一个距离差计算出移动节点的位置坐标。
[0071]通过上述分析可以看出:上述两个技术方案的本质是一样的，均利用移动节点和参考节点发射广播信号，利用其他参考节点接收信号时间的时间间隔差，测量移动节点到两个参考节点的距离差，根据距离差和参考节点的位置坐标就能够确定出移动节点的位置坐标。可见本发明的方案无需移动节点多次发送广播信号，就能够实现对该移动节点的定位，而计算用到的仅是接收信号时间间隔差，因此，对参考节点时钟同步没有严格的精度要求。因此，本发明的技术方案能够满足快速率、低成本的定位要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0072]为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0073]图1为本发明实施例基于移动节点接收信号时间间隔差的定位方法实施例1的流程图；
[0074]图2为图1所示的定位方法的原理示意图；
[0075]图3为本发明实施例基于移动节点接收信号时间间隔差的定位方法实施例2的流程图；
[0076]图4为图3所示的定位方法的原理示意图；
[0077]图5为本发明实施例基于移动节点接收信号时间间隔差的定位装置实施例1的结构图；
[0078]图6为本发明实施例基于移动节点接收信号时间间隔差的定位装置实施例2的结构图。
【具体实施方式】
[0079]为了使本【技术领域】的人员更好地理解本发明实施例的方案，下面结合附图和实施方式对本发明实施例作进一步描述的详细描述。
[0080]为了更清楚地描述本发明实施例，首先对本发明技术方案的应用场景进行简单介绍。
[0081]在现有的有线网络或者无线网络中，将可移动的设备、装置(比如:手机、传感器、移动台等)等称之为移动节点，将不移动的设备、装置(比如:基站)称之为参考节点(也称为固定参考节点)；移动节点无法独自完成定位，一般需要通过定位装置来对确定其具体的位置坐标；而参考节点自身具备全球定位系统(Global Position Sy s t em,GP S )或者其他定位装置，可以独自完成自身定位。且移动节点处于移动状态其位置常发生变化，因此，常需要借助外界的定位装置来对其进行定位。本发明技术方案可以应用于多种不同的网络，实现对移动节点的定位。比如:在蜂窝网络中利用本发明技术方案对移动台进行定位；在无线传感网络中利用本发明技术方案对传感设备进行定位等
坐寸O
[0082]参阅图1，示出的基于移动节点接收信号时间间隔差的定位方法实施例1的流程图，该方法可包括:
[0083]步骤101，移动节点间隔第一预设时间连续发射两次广播信号，以使至少两个参考节点接收所述广播信号，并分别测量接收信号时间。
[0084]参阅图2,示出的针对图1所示的定位方法的原理示意图，为了便于解释，图2中仅以三个参考节点A、B和C为例来体现该定位方法的工作原理。
[0085]以图2为例，对上述步骤101进行解释说明，移动节点间隔T I连续发送两个广播信号P O I I I和P O I I 2。即，移动节点在发送广播信号P O I I I之后，延迟T I再发送广播信号P ο I I 2;然后，参考节点A、B、C分别接收这两个广播信号，且分别测量接收这两个广播信号的接收信号时间依次为第一接收信号时间和第二接收信号时间。
[0086]参考节点A测量广播信号P O I I I的第一接收信号时间τΜ1 ;并测量广播信号Poll 2的第二接收信号时间Tea2;同样的，参考节点B测量广播信号P ο I I I的第一接收信号时间TebI,并测量广播信号P O I I 2的第二接收信号时间Tffl2;参考节点C测量广播信号P O I I I的第一接收信号时间τκ1，并测量广播信号P O I I 2的第二接收信号时间τ,# ;当然，在实际应用中，可能会存在多个参考节点，其工作过程如参考节点B、C，同样测量接收广播信号P O I I I和P O I I 2的接收信号时间。
[0087]步骤102，至少一个参考节点在接收移动节点发射的两次广播信号之后，延迟预设时间发射广播信号，以使其他参考节点接收所述广播信号，并分别测量接收信号时间；其中，不同参考节点延迟的预设时间不相同。
[0088]本步骤包括多种不同的实现方式，下面分别对这几种实现方式进行解释说明。
[0089]第一种实现方式包括:第一参考节点在接收两次广播信号之后，延迟第二预设时间发射广播信号，以使其他参考节点接收所述广播信号，并分别测量接收信号时间；所述第一参考节点是所述至少两个参考节点中的任意一个参考节点。
[0090]以具体场景为例对第一种实现方式作进一步解释说明。
[0091]例如:参考节点A接收到广播信号P O I I I和Po I I 2之后，以接收到P OI I 2接收信号时间τΜ2为起点，延迟预设时间发射广播信号P O I I 3，则参考节点B接收广播信号P O I I 3，测量接收信号时间Tffl3;参考节点C接收广播信号P ο I I 3，测量接收信号时间τκ3;同样的，其他参考节点也接收广播信号P ο I I 3，测量接收信号时间。为了保证定位的精确度，需要保证参考节点发射广播信号延迟的预设时间尽可能的趋近于移动节点发射广播信号延迟的第一预设时间，由于移动节点和参考节点硬件工作性能，导致这两个预设时间无法做到严格相等，因此，需要尽可能地让这两个值近似。一般的移动节点设备可以将第一预设时间设置成3 m s，若移动节点工作性能较高，可以尽量地将第一预设时间设置的小点。
[0092]第二种实现方式包括:第一参考节点和第二参考节点在接收两次广播信号之后，分别延迟不同的预设时间发射广播信号，以使其他参考节点接收所述广播信号，并分别测量接收信号时间；所述第一参考节点和第二参考节点分别是所述至少两个参考节点中的任意两个参考节点。
[0093]以具体场景为例对第二种实现方式作进一步解释说明。
[0094]例如:参考节点A接收到广播信号P O I I I和P O I I 2之后，以接收到P O II 2接收信号时间τ μ2为起点，延迟预设时间发射广播信号P O I I 3，则参考节点B、C等其他参考节点均接收该广播信号，并测量接收信号时间。于此同时，参考节点B接收到广播信号P O I I I和P O I I 2之后，以接收到P O I I 2接收信号时间为起点，延迟预设时间发射一个广播信号，则参考节点A、C等其他参考节点均接收该广播信号，并测量接收信号时间。需要说明的是，参考节点A和参考节点B延迟的预设时间不相同。
[0095]第三种实现方式就是有至少三个参考节点在接收到移动节点发射的广播信号之后，延迟不同的预设时间分别发射广播信号，其他参考节点就能接收到该广播信号，测量接收信号时间。需要说明的是，每个参考节点延迟的预设时间均不相同，具体实现过程可参照第二种实现方式，在此不再赘述。
[0096]步骤103，分别根据各参考节点测量的三个接收信号时间以及各参考节点的位置坐标，计算所述移动节点到任意两个参考节点的距离差；所述三个接收信号时间包括:测量的所述移动节点发射的两个广播信号的两个接收信号时间和测量的任意一个参考节点发射的广播信号的接收信号时间。
[0097]由于步骤102有多种实现方式，与其相对应的，本步骤也有多种实现方式，下面分别针对步骤102的实现方式，对本步骤作进一步地解释说明。
[0098]当步骤102采用上述第一种实现方式，即，只有一个参考节点发射广播信号的情况。本步骤103具体为:分别根据各参考节点测量的三个接收信号时间以及各参考节点的位置坐标，分别计算所述移动节点到各参考节点和第一参考节点的距离差。
[0099]例如:参考节点B测量到三个接收信号时间，根据这三个接收信号时间和参考节点B和参考节点A的位置坐标，计算出移动节点到参考节点A、B的距离差。参考节点C测量到三个接收信号时间，根据这三个接收信号时间和参考节点C和参考节点A的位置坐标，计算出移动节点到参考节点A、C的距离差。类似的，其他参考节点N，只要能够接收到三个接收信号时间，则就能够计算出移动节点到参考节点A、N的距离差。
[0100]当步骤102采用第二种实现方式，即，有两个参考信号分别发射广播信号时，则本步骤103包括:
[0101]分别根据各参考节点测量的接收所述移动节点和所述第一参考节点共发射的三个广播信号的三个接收信号时间以及各参考节点的位置坐标，计算所述移动节点到各参考节点和第一参考节点的第一距离差；
[0102]分别根据各参考节点测量的接收所述移动节点和所述第二参考节点共发射的三个广播信号的三个接收信号时间以及各参考节点的位置坐标，计算所述移动节点到各参考节点和第一参考节点的第二距离差；
[0103]计算移动节点到任意两个参考节点的第一距离差和第二距离差的平均值，将该平均值作为所述移动节点到任意两个参考节点的距离差。
[0104]例如:将参考节点A作为第一参考节点，将参考节点B作为第二参考节点，则参考节点A测量的三个接收信号时间，包括:参考节点A测量的移动节点发射的两个广播信号的两个接收信号时间，参考节点A测量的参考节点B发射的一个广播信号的一个接收信号时间。参考节点B测量的三个接收信号时间，包括:参考节点B测量的移动节点发射的两个广播信号的两个接收信号时间，参考节点B测量的参考节点A发射的一个广播信号的一个接收信号时间。而参考节点C能够测量到四个接收信号时间，包括:参考节点C测量的移动节点发射的两个广播信号的两个接收信号时间，参考节点C测量的参考节点A发射的一个广播信号的一个接收信号时间，参考节点C测量的参考节点B发射的一个广播信号的一个接收信号时间。
[0105]因此，针对参考节点B接收到的三个接收信号时间，可以计算出移动节点到参考节点A、B的第一距离差；针对参考节点C测量到的与参考节点A和移动节点相关的三个接收信号时间，可以计算出移动节点到参考节点A、C的作为第一距离差；
[0106]针对参考节点A接收到的三个接收信号时间，可以计算出移动节点到参考节点A、B的第二距离差；针对参考节点C测量到的与参考节点B和移动节点相关的三个接收信号时间，可以计算出移动节点到参考节点B、C的第二距离差；
[0107]对上述移动节点到参考节点A、B的第一距离差和移动节点到参考节点A、B的第二距离差A、B作均值处理，将平均值作为移动节点到参考节点A、B的距离差；
[0108]根据移动节点到参考节点A、B的第一距离差和移动节点到参考节点A、C的作为第一距离差，计算出移动节点到参考节点B、C的第一距离差；则对上述移动节点到参考节点B、C的第一距离差和移动节点到参考节点B、C的第二距离差B、C作均值处理，将平均值作为移动节点到参考节点B、C的距离差；
[0109]同样的，根据移动节点到参考节点A、B的第二距离差和移动节点到参考节点B、C的距离差，计算出移动节点到参考节点A、C的第二距离差；则对上述移动节点到参考节点A、C的第一距离差和移动节点到参考节点A、C的第二距离差作均值处理，将平均值作为移动节点到参考节点A、C的距离差。
[0110]当存在至少三个参考节点参与发射广播信号时，则具体处理过程类似于上述两个参考节点参与过程，则除了计算第一距离差、第二距离差，还需要计算第三距离差、第四距离差等，有N个参考节点参与发射广播信号，则需要计算到第N距离差，然后，针对移动节点到两个参考节点的第I至N距离差作均值处理，将平均值作为移动节点到这两个参考节点的距离差。具体实现过程参照上述过程，在此不再赘述。
[0111]另外，本步骤103还可以通过以下具体的计算公式来实现，具体包括:
[0112]根据参考节点的延迟时间和参考节点接收所述移动节点发射的两次广播信号的接收信号时间差，计算参考节点的延迟发送比例因子；
[0113]按照公式(τ 3- τ 2)_( τ 2- τ I) XK = S/C+D/C，分别计算所述移动节点到两个参考节点的距离差；其中，τ 1、τ 2和τ 3依次是参考节点测量的所述移动节点发射的两个广播信号的两个接收信号时间和测量的一个参考节点发射的广播信号的接收信号时间；KS延迟发送比例因子；3为两个参考节点之间的距离；C为光速；D为所述移动节点到两个参考节点的距离差。
[0114]在实际应用中，除了上述计算发送延迟比例因子的方式之外，发射广播信号的参考节点可以将其采用的延迟发送比例因子直接上报给定位装置，则定位装置可直接利用该延迟发送比例因子完成距离差的计算。
[0115]需要说明的是，本步骤103可以是由各参考节点独立完成计算，也可以是由各参考节点将自身测量的接收信号时间或者对应的接收信号时间间隔差上报给定位装置，由定位装置来完成计算。
[0116]如果是由各参考节点独自完成计算，则参与移动节点定位的参考节点在发射的广播信号中携带延迟发送比例因子K，以使其他参考节点完成距离差计算。当然，也可以在广播信号中携带计算延迟发送比例因子K所需的参数，以使得其他参考节点根据这些参数计算出K，再完成距离差的计算。
[0117]如果是由定位装置来完成计算，则参与移动节点定位的参考节点可以独自将延迟发送比例因子K，或者将计算K所需的参数上报给该定位装置，或者，也可以通过携带在广播信号中，由其他参考节点在上报自身测量的接收信号时间时一起发送给定位装置。
[0118]另外，参与移动节点定位的各参考节点还需要将各自的位置坐标上报给定位装置，以使定位装置计算出定位所需的距离差；或者定位装置也可以通过其他方式获取到参与移动节点定位的各参考节点的位置坐标。
[0119]上述给出的公式中提及到延迟发送比例因子是考虑到移动节点的发射广播信号的间隔时间和参考节点发射广播信号延迟的时间不可能完全相等，会引起测量误差，因此，需要计算出该延迟发送比例因子，将其影响考虑到计算过程中。如果说，移动节点设备和参考节点设备完全能够做 到延迟时间一致，则不用计算该延迟发送比例因子，也可以将其看作I。
[0120]下面以参考节点B为例，对计算移动节点到参考节点A、B的距离差的计算过程以及所基于的物理理论依据进行解释说明。本实施例中所有的计算距离差的操作均可参照以下示例。
[0121]如图2所示，参考节点A测量接收P O I I I和Po I I 2的接收信号时间分别为第一接收信号时间τΜ1和第二接收信号时间Tea2;参考节点B测量接收P O I I UP
0I I 2和P O I I 3的接收信号时间依次为第一接收信号时间τΚΒ1、第二接收信号时间τ册2、第三接收信号时间τΕΒ3。
[0122]根据广播信号空间传输原理可知:参考节点A和参考节点B接收广播信号P O I
12的接收信号时间之间存在时间差D / C和信号飞行时间SAB/C的延迟；D = (Sat-Sbt)表示移动节点到参考节点A和B的距离差；SAT、Sbt分别表示移动节点到参考节点A、B的距离；SAB表示参考节点A到参考节点B的距离；C表示光速。
[0123]由于移动节点到参考节点A、B的距离不相等，因此，参考节点A、B接收P O IIUPoll 2的时间是不同的。由于移动节点连续发射广播信号P ο I I UP ο I I 2的时间间隔为第一预设时间，由于第一预设时间非常小，参考节点A、B接收这两个信号飞行路径偏差很小，其影响可忽略不计。因此，参考节点A、B接收这两个广播信号的接收信号时间间隔在物理上是一致的。在实际应用中，还需要考虑参考节点A、B时钟偏差对接收信号时间差的影响，则参考节点A、B的接收信号时间间隔差之间关系如公式I所示:
[0124]( τ ^2- τ RB1) = ( τ ΕΑ2~ τ RA1) + Δ I(式 I)
[0125]根据信号空间传输物理原理，可知参考节点B接收到P ο I I 3和Po I I 2的接收信号时间的时间间隔差(τ εβ3- τ吧2)如公式2所示:
[0126]( τ 册3_ τ EB2) = T1+SAB/C+ (Sat-Sbt) /C(式 2)
[0127]其中，T I为第二预设时间，其表示参考节点A在发射广播信号之前的延迟时间，Tl = (τ W-TeaI) XK;其中，K为延迟发送比例因子，在实际应用中，为了保证定位精准度，需要让移动节点和参考节点A的间隔时间保持一致，因此，将K取值尽可能接近I。BP,T I要尽可能的接近(τκΑ2-τΕΑ1);在计算过程中，根据Tl = (Tr^-TraI) X K计算得到K值；K值还可以根据定位装置预先设定，该K值的取值需要考虑实际硬件承载能力，处理器处理能力。
[0128]再者，考虑参考节点A和B时钟偏差的影响，参考节点B接收P O I I 3和P OI I 2的接收信号时间的时间间隔差(τ εβ3- τ吧2)如公式3所示:
[0129]( τ 册3_ τ EB2) = T1+SAB/C+ (Sat-Sbt) /C+Δ 2 (式 3)
[0130]在上述(式3)中，字符Λ 2表示参考节点Α、B时钟偏差引起的测量偏差，则结合(式I)和(式3)，得到以下公式:
[0131]( τ ,,3- τ RB2) - ( τ ΕΒ2- τ RB1) X S = SabZC+ (Sat-Sbt) /C+ Δ 2- Δ I X K (式 4)
[0132]由于，K取值为尽可能的接近1，(Sat-Sbt)/C，SAB/C远远小于(τ Μ2-τ KA1)，则Δ2 ^ Λ 1XS。
[0133]则可以得出距离差与接收信号时间的时间间隔差之间的关系式，如式5所示:
[0134]( τ 册3- τ RB2) - ( τ ΕΒ2- τ RB1) XK = SabA+ (Sat-Sbt) /C (式 5)
[0135]上述公式5中，τ ml、τ τ kb3均是参考节点B在接收广播信号P0IllP0
II 2和P O I I 3时测量的接收信号时间；Sab可根据参考节点A和B的位置坐标计算得到；将这些参数代入(式5)则可计算出(Sat-Sbt)，即移动节点到参考节点A，B的距离差。
[0136]同样的，利用参考节点C测量的第一接收信号时间、第二接收信号时间、第三接收信号时间以及参考节点A、C的距离SAC，按照公式5能够计算出(Sat-Sct)，即移动节点到参考节点A, C的距离差。
[0137]同样的，利用其他参考节点测量的第一接收信号时间、第二接收信号时间和第三接收信号时间以及其他参考节点与参考节点A的距离，按照公式5均能够计算出移动节点到参考节点A和其他参考节点的距离差。
[0138]上述分析可知上述距离差的计算方式能够有效滤除参考节点间固有时钟偏差的影响，无需时间同步完成就可完成距离差测量，整个定位过程约10 m s。
[0139]步骤104，利用至少一个距离差和对应的参考节点位置坐标，确定所述移动节点的位置坐标。
[0140]在实际应用中，不同的应用场景下，移动节点的位置坐标维度不同，比如:移动节点的位置定位可以是一维定位、二维定位或者三维定位等不同的定位方式。
[0141]如果只需要对移动节点进行一维定位，则只需要一个距离差和对应的两个参考节点的位置坐标，就能够确定出该移动节点的位置坐标。
[0142]如果只需要对移动节点进行二维定位，则至少需要两个距离差和对应的参考节点的位置坐标，才能够确定出该移动节点的位置坐标。
[0143]如果需要对移动节点进行三维定位，则至少需要三个距离差和对应的参考节点的位置坐标，才能够确定出该移动节点的位置坐标。
[0144]优选的，本步骤可通过以下方式实现，具体包括:
[0145]当所述移动节点的位置坐标为二维坐标时，从所计算的距离差中选择三个距离差，根据移动节点和两个参考节点的距离差数学公式建立方程组；[0146]利用非线性最小二乘法求解所述方程组得到所述移动节点的位置坐标。
[0147]当然，在实际应用中根据计算精度需求，可以采用不同个数的距离差来计算移动节点的位置坐标；因此本发明并不局限于上述一种方式。另外，需要说明的是，该步骤可有定位装置来实现，定位装置具有接收信号的能力，且该定位装置具有计算处理能力。
[0148]下面从具体计算公式的角度对上述实现方式作进一步解释说明。
[0149]利用步骤101~103能够得到多个距离差，从中任意选择出三个距离差，比如选择(Sat-Sbt)、(Sat-Sct)以及(Sat-Sdt)，则根据参考节点A、B、C、D的位置坐标建立方程组，具体如下:
[0150]比如:参考节点A的位置坐标为(X I, y I),参考节点B的位置坐标为(x 2, y2),参考节点C的位置坐标为(X 3, y 3),参考节点D的位置坐标为(x 4, y 4),需要解析的移动节点的位置坐标为(X，y )，则根据移动节点到各节点之间的距离差，可以建立以下方程组:
【权利要求】
1.基于移动节点接收信号时间间隔差的定位方法，其特征在于，所述方法包括: 移动节点间隔第一预设时间连续发射两次广播信号，以使至少两个参考节点接收所述广播信号，并分别测量接收信号时间； 至少一个参考节点在接收移动节点发射的两次广播信号之后，延迟预设时间发射广播信号，以使其他参考节点接收所述广播信号，并分别测量接收信号时间；其中，不同参考节点延迟的预设时间不相同； 分别根据各参考节点测量的三个接收信号时间以及各参考节点的位置坐标，计算所述移动节点到任意两个参考节点的距离差；所述三个接收信号时间包括:测量的所述移动节点发射的两个广播信号的两个接收信号时间和测量的任意一个参考节点发射的广播信号的接收信号时间； 利用至少一个距离差和对应的参考节点位置坐标，确定所述移动节点的位置坐标。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个参考节点在接收两次广播信号之后，延迟预设时间发射广播信号，以使其他参考节点接收所述广播信号，并分别测量接收信号时间，包括: 第一参考节点在接收两次广播信号之后，延迟第二预设时间发射广播信号，以使其他参考节点接收所述广播信号，并分别测量接收信号时间；所述第一参考节点是所述至少两个参考节点中的任意一个参考节点； 则所述分别根据各参考 节点测量的三个接收信号时间以及各参考节点的位置坐标，计算所述移动节点到任意两个参考节点的距离差，包括: 分别根据各参考节点测量的三个接收信号时间以及各参考节点的位置坐标，分别计算所述移动节点到各参考节点和第一参考节点的距离差。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个参考节点在接收两次广播信号之后，延迟预设时间发射广播信号，以使其他参考节点接收所述广播信号，并分别测量接收信号时间，包括: 第一参考节点和第二参考节点在接收两次广播信号之后，分别延迟不同的预设时间发射广播信号，以使其他参考节点接收所述广播信号，并分别测量接收信号时间；所述第一参考节点和第二参考节点分别是所述至少两个参考节点中的任意两个参考节点； 则所述分别根据各参考节点测量的三个接收信号时间以及各参考节点的位置坐标，计算所述移动节点到任意两个参考节点的距离差，包括: 分别根据各参考节点测量的接收所述移动节点和所述第一参考节点共发射的三个广播信号的三个接收信号时间以及各参考节点的位置坐标，计算所述移动节点到各参考节点和第一参考节点的第一距离差； 分别根据各参考节点测量的接收所述移动节点和所述第二参考节点共发射的三个广播信号的三个接收信号时间以及各参考节点的位置坐标，计算所述移动节点到各参考节点和第一参考节点的第二距离差； 计算移动节点到任意两个参考节点的第一距离差和第二距离差的平均值，将该平均值作为所述移动节点到任意两个参考节点的距离差。
4.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述分别根据各参考节点测量的三个接收信号时间以及各参考节点的位置坐标，计算所述移动节点到任意两个参考节点的距离差，包括: 根据参考节点的延迟时间和参考节点接收所述移动节点发射的两次广播信号的接收信号时间差，计算参考节点的延迟发送比例因子； 按照公式(τ 3- τ 2)-( τ 2- τ I) XK = S/C+D/C，分别计算所述移动节点到两个参考节点的距离差；其中，τ 1、τ 2和τ 3依次是参考节点测量的所述移动节点发射的两个广播信号的两个接收信号时间和测量的一个参考节点发射的广播信号的接收信号时间为延迟发送比例因子；3为两个参考节点之间的距离；C为光速；D为所述移动节点到两个参考节点的距离差。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用至少一个距离差和对应的参考节点位置坐标，确定所述移动节点的位置坐标，包括: 当所述移动节点的位置坐标为二维坐标时，从所计算的距离差中选择三个距离差，根据移动节点和两个参考节点的距离差数学公式建立方程组； 利用非线性最小二乘法求解所述方程组得到所述移动节点的位置坐标。
6.基于移动节点接收信号时间间隔差的定位方法，其特征在于，所述方法包括: 移动节点发射一次广播信号，以使至少两个参考节点分别接收所述广播信号，并分别测量接收信号时间； 至少一个参考节点在接收到移动节点发射的所述广播信号之后，延迟间隔预设时间连续发射两次广播信号 ，以使其他参考节点分别接收所述广播信号，并测量接收信号时间；不同参考节点延迟的预设时间不相同； 分别根据各参考节点测量的三个接收信号时间以及各参考节点的位置坐标，计算所述移动节点到任意两个参考节点的距离差；所述三个接收信号时间包括:测量的所述移动节点发射的一个广播信号的接收信号时间和测量的任意一个参考节点发射的两个广播信号的两个接收信号时间； 利用至少一个距离差和对应的参考节点位置坐标，确定所述移动节点的位置坐标。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述至少一个参考节点在接收到移动节点发射的所述广播信号之后，延迟间隔预设时间连续发射两次广播信号，以使其他参考节点分别接收所述广播信号，并测量接收信号时间，包括: 第一参考节点在接收移动节点发射的广播信号之后，分别延迟第一预设时间和第二预设时间发射两次广播信号，以使其他参考节点接收所述广播信号，并分别测量接收信号时间；所述第一参考节点是所述至少一个参考节点中的任意一个参考节点； 贝U所述分别根据各参考节点测量的三个接收信号时间以及各参考节点的位置坐标，计算所述移动节点到任意两个参考节点的距离差，包括: 分别根据各参考节点测量的三个接收信号时间以及各参考节点的位置坐标，分别计算所述移动节点到各参考节点和第一参考节点的距离差。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述至少一个参考节点在接收到移动节点发射的所述广播信号之后，延迟间隔预设时间连续发射两次广播信号，以使其他参考节点分别接收所述广播信号，并测量接收信号时间，包括: 第一参考节点和第二参考节点在接收所述移动节点发射的广播信号之后，分别延迟间隔不同的预设时间发射广播信号，以使其他参考节点接收所述广播信号，并分别测量接收信号时间；所述第一参考节点和第二参考节点分别是所述至少两个参考节点中的任意两个参考节点；第一参考节点和第二参考节点两次延迟的预设时间均不相同； 则所述分别根据各参考节点测量的三个接收信号时间以及各参考节点的位置坐标，计算所述移动节点到任意两个参考节点的距离差，包括: 分别根据各参考节点测量的接收所述移动节点和所述第一参考节点共发射的三个广播信号的三个接收信号时间以及各参考节点的位置坐标，计算所述移动节点到各参考节点和第一参考节点的第一距离差； 分别根据各参考节点测量的接收所述移动节点和所述第二参考节点共发射的三个广播信号的三个接收信号时间以及各参考节点的位置坐标，计算所述移动节点到各参考节点和第一参考节点的第二距离差； 计算移动节点到任意两个参考节点的第一距离差和第二距离差的平均值，将该平均值作为所述移动节点到任意两个参考节点的距离差。
9.根据权利 要求6所述的方法，其特征在于，所述分别根据各参考节点测量的三个接收信号时间以及各参考节点的位置坐标，计算所述移动节点到任意两个参考节点的距离差，包括: 计算参考节点发射广播信号的第二次延迟时间与第一次延迟时间的比值，作为发送延迟比例因子K； 按照公式(τ 2- τ 1)-( τ 3_ τ 2)/K = S/C+D/C，分别计算所述移动节点到两个参考节点的距离差；其中，τ 1、τ 2和τ 3依次是参考节点测量的所述移动节点发射的一个广播信号的一个接收信号时间和测量的一个参考节点发射的两个广播信号的两个接收信号时间；K为延迟发送比例因子；S为两个参考节点之间的距离；C为光速；D为所述移动节点到两个参考节点的距离差。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于， 所述利用至少一个距离差和对应的参考节点位置坐标，确定所述移动节点的位置坐标，包括: 当所述移动节点的位置坐标为二维坐标时，从所计算的距离差中选择三个距离差，根据移动节点和两个参考节点的距离差数学公式建立方程组； 利用非线性最小二乘法求解所述方程组得到所述移动节点的位置坐标。
11.基于移动节点接收信号时间间隔差的定位装置，其特征在于，所述装置包括: 接收单元，用于接收至少两个参考节点各自测量的三个接收信号时间，所述三个接收信号时间包括:参考节点测量的移动节点发射的两个广播信号的两个接收信号时间和测量的任意一个参考节点在接收到所述移动节点发射的广播信号之后，延迟预设时间发射的广播信号的接收信号时间； 计算单元，用于分别根据各参考节点测量的三个接收信号时间以及各参考节点的位置坐标，计算所述移动节点到任意两个参考节点的距离差；所述三个接收信号时间包括:测量的所述移动节点发射的两个广播信号的两个接收信号时间和测量的任意一个参考节点发射的广播信号的接收信号时间； 确定单元，用于利用至少一个距离差和对应的参考节点位置坐标，确定所述移动节点的位置坐标。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述计算单元包括: 第一计算子单元，用于根据参考节点的延迟时间和参考节点接收所述移动节点发射的两次广播信号的接收信号时间差，计算参考节点的延迟发送比例因子； 第二计算子单元，用于按照公式(τ3-τ2)-(τ2_τ 1)ΧΚ = S/C+D/C，分别计算所述移动节点到两个参考节点的距离差；其中，τ 1、τ 2和τ 3依次是参考节点测量的所述移动节点发射的两个广播信号的两个接收信号时间和测量的一个参考节点发射的广播信号的接收信号时间；KS延迟发送比例因子；S为两个参考节点之间的距离；C为光速；D为所述移动节点到两个参考节点的距离差。
13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述确定单元，包括: 建立子单元，用于当所述移动节点的位置坐标为二维坐标时，从所计算的距离差中选择三个距离差，根据移动节点和两个参考节点的距离差数学公式建立方程组； 解析子单元，用于利用非线性最小二乘法求解所述方程组得到所述移动节点的位置坐标。
14.基于移动节点接收信号时间间隔差的定位装置，其特征在于，所述装置包括: 接收单元，用于接收至少两个参考节点各自测量的三个接收信号时间，所述三个接收信号时间包括:参考节点测量的移动节点发射的一个广播信号的接收信号时间和参考节点测量的任意一个参考节点在接收到所述移动节点发射的广播信号之后，间隔延迟预设时间发射的两个广播信号的两 个接收信号时间； 计算单元，用于分别根据各参考节点测量的三个接收信号时间以及各参考节点的位置坐标，计算所述移动节点到任意两个参考节点的距离差；所述三个接收信号时间包括:测量的所述移动节点发射的一个广播信号的接收信号时间和测量的任意一个参考节点发射的两个广播信号的两个接收信号时间； 确定单元，用于利用至少一个距离差和对应的参考节点位置坐标，确定所述移动节点的位置坐标。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述计算单元，包括: 第一计算子单元，用于计算参考节点发射广播信号的第二次延迟时间与第一次延迟时间的比值，作为发送延迟比例因子K ； 第二计算子单元，用于按照公式(τ 2- τ 1)-( τ 3- τ 2)/K = S/C+D/C，分别计算所述移动节点到两个参考节点的距离差；其中，τ 1、τ 2和τ 3依次是参考节点测量的所述移动节点发射的一个广播信号的一个接收信号时间和测量的一个参考节点发射的两个广播信号的两个接收信号时间；K为延迟发送比例因子；3为两个参考节点之间的距离；C为光速；D为所述移动节点到两个参考节点的距离差。
16.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述确定单元，包括: 建立子单元，用于当所述移动节点的位置坐标为二维坐标时，从所计算的距离差中选择三个距离差，根据移动节点和两个参考节点的距离差数学公式建立方程组； 解析子单元，用于利用非线性最小二乘法求解所述方程组得到所述移动节点的位置坐标。
【文档编号】H04W4/06GK103974200SQ201410213959
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月20日 优先权日:2014年5月20日
【发明者】韦子辉, 王志峰, 冯正和 申请人:保定市天河电子技术有限公司