一种基于TDOA和ToF混合的定位方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种TDOA和ToF混合的定位方法，其特征在于，包括：步骤一：服务器选取主基站和从基站并完成基站间时间同步；步骤二：标签广播TDOA报文，通过其到达各基站之间的时间差计算标签与各基站之间的距离差；步骤三：标签通过向特定基站发送ToF报文计算其与该基站之间的距离；步骤四：通过步骤二和步骤三的结果计算标签与所有基站之间的距离；步骤五：通过标签与各基站之间的距离计算标签的位置。通过本发明的改进方法，可以实现在基站组成的三角形内和三角形外同样的精度。
【专利说明】—种基于TDOA和ToF混合的定位方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及无线实时定位【技术领域】，具体涉及一种利用TDOA和TOF方式实现二维或三维的精确定位的技术。
【背景技术】
[0002]实时定位系统，也是就是RTLS (Real Time Locat1n Systems), RTLS是一种基于信号的无线电定位手段，可以采用主动式，或者被动感应式。RTLS可以让实时了解被定位的财产、人员、车辆或其它定位物体的确切位置。
[0003]基于TDOA 的 RTLS:
[0004]目前基于无线的TDOA的方式，有两个关键的技术，一个基站间的时间同步，第二是标签发送报文，基站根据收到报文的时间，来计算到达时间差，然后采用双曲线算法，来实现二维、三维的定位，定位的精度比较高，最高可以厘米级别。
[0005]到达时间差TDOA根据未知标签节点发送的无线信号到达不同定位基站的时间差，根据无线信号的传播速度可以计算出未知标签节点与各个定位基站之间的距离差，这个距离差符合双曲线方程的条件，未知标签节点就在这双曲线的一个分支上。若有三个或三个以上的定位基站，就可以通过求解多条双曲线的交点求出未知节点的位置。TDOA测量法利用多个定位节点来确定未知节点的位置，故不需要向TOA那样严格的时间同步，但是仍需要定位节点有精确的时间同步。定位原理如图1所示。
[0006]基于ToF(Time of Flight)机制的 RTLS
[0007]ToF是指电磁波在空中传播的时间，通过测量两个点之间电磁波的传播时间，再乘以光速，转换为两个设备之间的距离。
[0008]在基于ToF机制，标签需要和每个基站进行测距。然后通过标签和基站的距离，确定出标签的位置。
[0009]存在的问题:
[0010]在TDOA系统中，采用双曲线算法，有非常大的局限性，是采用该算法无法解决的问题。主要是被定位的设备在基站的范围之外的时候，其精度快速下降，这种精度的快速下降，不是在于TDOA的数据偏差，而是在于算法的本身。比如，在用三个基站做定位的时候，三个基站位置呈等边三角形布放，当定位标签在基站的三角形内的时候，其定位精度可以达到30厘米。当定位标签位于定位基站之外的时候，其定位精度到I米，距离越大，精度偏差也越大，甚至可以达到数米。参考图2。
[0011]在图2中，三个基站，A基站1A、B基站1B、C基站IC组成的三角形的范围内，通过双曲线算法，能得到较好的精度，但三角形之外的标签，B标签2B及C标签2C的精度无法达到。距离三角形的范围越远，其精度越差。
[0012]从双曲线的形状特性上看，靠焦点附近的点，其曲率变化大，离焦点远的点，曲率变化越小，其越接近直线，如图3所示:
[0013]当在曲率越大的地方，系统测量误差对双曲线交点误差影响不是那么敏感，而对直线的线斜率影响较大两直线交点位置误差就会交大，所以在离双曲线焦点越远的地方相交，其误差就会越大。
[0014]相对于TDOA而言，另外一种就是ToF的方式，采用ToF的方式，可以解决标签在基站外的精度问题，但每个标签需要和所有的基站进行ToF测距的工作。这样带来的问题是:
[0015]1、功耗增加，标签工作时间长，功耗增加，最简单的系统，至少有3个基站，每增加一个基站，标签就要增加一次测距的时间，导致功耗增加；
[0016]2、系统的容量问题，按在I秒钟的时间，若每个标签和所有基站测距，系统容量降低，必须采用时分或频分的方式，才能有效提升系统的容量，但这样又增加了系统的复杂度。
【发明内容】
[0017]本发明提供了一种基于TDOA的改进方法，通过这种改进，可以实现在基站组成的三角形内和三角形外同样的精度，本发明综合了 TDOA和ToF的两种模式。具体技术方案如下:
[0018]—种基于TDOA和ToF混合的定位方法,包括:
[0019]步骤一:服务器选取主基站和从基站并完成基站间时间同步；
[0020]步骤二:标签广播TDOA报文，通过其到达各基站之间的时间差计算标签与各基站之间的距离差；
[0021]步骤三:标签通过向特定基站发送ToF报文计算其与该基站之间的距离；
[0022]步骤四:通过步骤二和步骤三的结果计算标签与所有基站之间的距离；
[0023]步骤五:通过标签与各基站之间的距离计算标签的位置。
[0024]优选的，所述步骤一基站至少为3个，由服务器选择其中一个基站为主基站，其他为从基站，由主基站定期发送时间同步报文，从基站收到主基站的定位报文后，由服务器收集主基站发送时间同步报文的时间戳以及从基站收到时间同步报文的时间戳，通过各时间戮以及各从基站与主基站之间的空间距尚建立和主基站的时间对应关系。
[0025]所述步骤二中标签广播TDOA报文，基站收到后将各自的时间戳发送给服务器，由服务器通过步骤一中主基站与从基站之间的时间对应关系计算出标签广播的TDOA报文到达各基站的时间差，并通过时间差计算标签与各基站之间的距离差。
[0026]所述步骤三中由服务器选择的特定基站实时接受处理标签的ToF测距报文并将结果发送给服务器，由服务器计算标签与所选特定基站之间的距离。
[0027]所述ToF测距采用双向测距。
[0028]所述步骤五由服务器计算标签的位置的方法为，分别以各基站为圆心，基站与标签之间的距离为半径，根据圆的方程，求圆的交点，各圆共同的交点所在位置就是标签所在位置。
[0029]本发明还涉及一种基于TDOA和TOF混合的定位系统，系统的组成如图4所示，包括服务器、标签、三个以上的基站，所述服务器用于根据各个基站收到的数据，进行数据运算，得出每个标签位置，并在地图中实时呈现出来，以及对所有基站进行管理，位置设定、位置校准、软件升级，对标签进行人或物的一对一绑定；所述基站除操作系统之外，还包括RF模块，所述RF模块主要实现三个功能，第一个是时间同步，实现基站间时间同步，第二个是实时接收来标签的TDOA报文，第三个是实时接受处理标签的测距报文；所述基站还包括数据回传模块，用于将接收到的所有数据和同步信号传回到服务器上；所述标签用于绑定在每个需要定位的人或物上，并在系统中进行有效关联，所述标签还设有无线模块，用于向基站发送TDOA报文及TOF报文。
[0030]在这个系统中，实现步骤主要分为下面几个:
[0031 ] 步骤一:系统建设
[0032]系统建设，主要是设备的安装和配置等工作，分为下面三个阶段。
[0033]阶段一:设备安装，主要是服务器软件安装和配置，在服务器软件和无线基站2安装成功之后，需要配置每个基站2在实际场景中的具体位置，并设置每个基站2的IP参数，确保每个基站2的数据能正确传输到服务器I上，所有基站2的心跳报文正常；
[0034]阶段二:基站2自验证阶段，根据基站2安装的位置，基站2间实现自验证，这个阶段要确认两个问题，一个是基站2间射频信号可见，若射频信号不可见，则需要调整安装位置；另外一个是验证基站2的位置和实际安装的位置是正确的。
[0035]阶段三:配置所有标签3，将所有标签3和要定位的人或物一一对应。
[0036]步骤二:时间同步
[0037]是指系统在安装完成以后，开始正常工作，基站2间自动时间同步，在这个系统中，所有基站2都需要自动实现相邻基站2同步，请参看图5。以三个基站2为例，服务器I选择其中的基站2A为王基站，由基站2A发起对基站2B、基站2C的时间同步；
[0038]步骤三:选定测距基站
[0039]根据标签3所处的位置，系统动态选定测距基站，由服务器进行决策，参考图6。在图6中，假设C基站2C被选中为测距基站，在收到标签3发出的TDOA报文之后，C基站2C应该回送ToF的报文，完成测距流程。
[0040]步骤四:位置计算
[0041]标签3在工作的每个周期内，
[0042]步骤一:首先发送一个TDOA的报文，基站2A、2B、2C都可以收到此报文。服务器I可以得到所有基站2收到标签3发出报文的到达时间(Tm)，从而得到达到的时间差。标签3所发送的TDOA报文，是基于广播的方式，在系统建设中，要确保标签3在任何一个位置发送的报文，至少有三个基站2能收到其位置广播报文；
[0043]步骤二:C基站2C与标签3 (具体选用哪个基站，由服务器I决策，必须确保C基站2C也是收到了标签3发出的TDOA报文，否则无法计算)发起测距，测距完成后，可以得到C基站2C和标签3的时间距离。
[0044]本发明的有益效果如下:
[0045]保留了 TDOA和TOF的优点，同时又解决了这两种方法的不足。主要有下面的几个优点:
[0046]1、改善了基于TDOA系统的缺陷
[0047]解决了 TODA系统中，当标签3位于基站之外的的情况下的系统定位精度问题。确保了无论标签3是在基站范围之内还是在范围之外，都可以取得相同的定位精度。最典型的应用是在基站布置在一个定位系统的非常小的范围之外，而标签却分布在一个非常宽的范围的定位问题。参考图7，基站布置在一个2米X2米的车顶上，人员位置在20米之外，若采用TDOA方式，其位置计算可能是差数米。
[0048]2、增加系统容量
[0049]相对于ToF的方式，有效地提升了系统的容量，在实际系统做，完成一次测距需要TCt()f，3个基站依次测距至少需要3XTCttjf,。从系统可靠性考虑，需要4个基站，则需要4 X TCtof。
[0050]而在本发明中，无论多少个基站，只需要一次ToF报文，在本发明中，将TDoA广播报文融合入ToF的第一个报文中，则一个定位周期只需要一个TCtof，其系统容量至少是ToF容量的4倍。
[0051]3、降低了功耗
[0052]相对于ToF系统，由于其工作时间短，更多的时间处于休眠模式，从而延长了系统的工作时间。若工作时间功耗是休眠的100倍，ToF系统一个定位周期工作时间为4 X TCtof,本发明的工作时间是1.5毫秒，则ToF系统的功耗是本发明功耗的2.8倍。
[0053]4、可靠性提升
[0054]在采用ToF的系统中，在一个周期之内，需要和4个基站2进行ToF测距，而在本发明中，只需要一轮ToF测距，在ToF的4个测距周期之内，必须要保证到在3个测距周期之内不能受到干扰，否则将无法完成定位的运算。时间越长，受到干扰的机会越大。
[0055]5、优化了非视距模式下性能
[0056]在非视距模式下，若其中一个基站2和标签3为非视距，其TDOA位置的计算结果有较大的偏差，其精度可能会偏差一倍甚至更高，但通过ToF测距模式做二次纠偏，可以有效改善其定位精度。
[0057]6、三个基站实现三维定位
[0058]在TDOA模式下，至少需要4个基站2才能完三维定位，在本发明中，只需要3个基站2即可完成三维定位。
【专利附图】
【附图说明】
[0059]图1为基于TDOA的RTLS所用双曲线算法示意图；
[0060]图2-3为基于TDOA的RTLS所用双曲线算法偏差示意图；
[0061]图4为本发明系统组成示意图；
[0062]图5-6为本发明系统时间同步示意图；
[0063]图7为本发明的一个典型应用示意图，即基站布置在一个定位系统的非常小的范围之外，而标签却分布在一个非常宽的范围；
[0064]图8为本发明中ToF双向测距示意图；
[0065]图9为本发明测距方法示意图；
[0066]图10为本发明计算标签位置的方法示意图；
[0067]其中1-服务器；2-基站；3-标签；1A~A基站；1B-B基站；1C-C基站；3A-A标签；3A-A标签；3B-B标签；3C-C标签。
【具体实施方式】
[0068]下面，结合附图和实施例对本发明作进一步说明:
[0069]实施例一
[0070]就系统的具体实施，主要分为下面的四个步骤时间同步、获取时间差、获取距离和定位计算。
[0071]1、时间同步
[0072]时间同步，主要是基站2要完成的功能，在这个系统中，由服务器I选择一个基站2作为主基站，由其定期发送时间同步报文，其他定位基站2收到主定位基站2的报文之后，建立和王基站的时间对应关系。如图6所不:
[0073]A基站2A为主基站，B基站2B、C基站2C为从基站。由A基站2A发送时间同步报文；
[0074]TXts:A基站2A发送时间同步报文的时间戮；
[0075]RXts2e:B基站2B收到A基站2A的时间同步报文的时间戳；
[0076]d2A2B:A基站2A和B基站2B的空间距尚；
[0077]RXts2c:B基站2B收到A基站2A的时间同步报文的时间戳；
[0078]d2A2C:A基站2A和C基站2C的空间距尚；
[0079]由此，可以完成基站2A和基站2B、基站2C的时间同步。
[0080]2、获取时间差
[0081]ToF测距，在本发明中，采用双向测距，以确保测距精度，如图8所示，可以得到标签3和基站的距尚为:
[0082]D = ((T32-T31 - (T22-T21)) + (T23-T22- (T33-T32))) /4 X c
[0083]为了缩短系统完成一轮定位数据收集的时间，第一个InitPakcet采用广播的方式，所有基站2都可以收到该报文。并记录接收的时间戳，用于TDOA计算，如图9所示。
[0084]在标签3发送出InitPacket之后，三个基站2会收到，并有各自的时间戳，由此，通过时间同步的转换，可以计算出报文的达到时间差，进一步算出距离差，Λ d2C_2A，Λ d2C_2B。
[0085]3、获取距离
[0086]如图9所示，通过后续的ToF报文，可以计算出标签3和C基站2C之间的距离d2c_3。
[0087]4、定位计算
[0088]根据第二、三两步，可以得到标签3和三个基站2的距离，分别为d2A_3，d2B_3，d2C_3,则可以计算出标签3的具体位置。计算方法如图10所示，分别以定位节点为圆心，rl、r2、r3为半径的圆，rl、r2、r3的长度分别为d2A_3, d2B_3, d2C_3,根据圆的方程，求园的交点，交点所在位置就是标签所在位置。
[0089]本发明还涉及一种基于TDOA和TOF混合的定位系统，主要有三个部分。
[0090]计算及呈现服务器1:
[0091]它根据各个基站收到的数据，进行数据运算，得出每个被定位物体的位置，并在地图中实时呈现出来，该服务器可以对所有基站进行管理，位置设定、位置校准、软件升级，对标签进行人或物的一对一绑定。
[0092]定位基站2:
[0093]定位基站，除操作系统之外，主要有两个部分，一个是RF部分，RF主要实现三个功倉泛，
[0094]1、一个是时间同步，实现基站间时间同步，
[0095]2、实时接收来标签的TDOA报文
[0096]3、实时接受处理标签的测距报文
[0097]另外一个是数据回传功能，能将接收到的所有数据和同步信号传回到服务器上。让服务器3进行运算。
[0098]定位标签3:
[0099]定位标签3，是绑定每个需要被定位的人或物上，并在系统中进行有效关联，系统实时定位标签3所在的位置，以确定所被定位的人的位置。
[0100]定位标签3的无线，主要用于发送TDOA定位报文，并且完成测距的功能。
【权利要求】
1.一种基于TDOA和ToF混合的定位方法，其特征在于，包括: 步骤一:服务器选取主基站和从基站并完成基站间时间同步； 步骤二:标签广播TDOA报文，通过其到达各基站之间的时间差计算标签与各基站之间的距离差； 步骤三:标签通过向特定基站发送ToF报文计算其与该基站之间的距离； 步骤四:通过步骤二和步骤三的结果计算标签与所有基站之间的距离； 步骤五:通过标签与各基站之间的距离计算标签的位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于TDOA和ToF混合的定位方法，其特征在于，所述步骤一基站至少为3个，由服务器选择其中一个基站为主基站，其他为从基站，由主基站定期发送时间同步报文,从基站收到主基站的定位报文后，由服务器收集主基站发送时间同步报文的时间戳以及从基站收到时间同步报文的时间戳，通过各时间戳以及各从基站与主基站之间的空间距尚建立和王基站的时间对应关系。
3.根据权利要求1所述的一种基于TDOA和ToF混合的定位方法，其特征在于，所述步骤二中标签广播TDOA报文，基站收到后将各自的时间戳发送给服务器，由服务器通过步骤一中王基站与从基站之间的时间对应关系计算出标签广播的TDOA报文到达各基站的时间差，并通过时间差计算标签与各基站之间的距离差。
4.根据权利要求1所述的一种基于TDOA和ToF混合的定位方法，其特征在于，所述步骤三中由服务器选择的特定基站实时接受处理标签的ToF测距报文并将结果发送给服务器，由服务器计算标签与所选特定基站之间的距离。
5.根据权利要求4所述的一种基于TDOA和ToF混合的定位方法，其特征在于，所述ToF测距采用双向测距。
6.根据权利要求1所述的一种基于TDOA和ToF混合的定位方法，其特征在于，所述步骤五由服务器计算标签的位置的方法为，分别以各基站为圆心，基站与标签之间的距离为半径，根据圆的方程，求圆的交点，各圆共同的交点所在位置就是标签所在位置。
7.一种基于TDOA和TOF混合的定位系统，其特征在于，包括服务器、标签、三个以上的基站，所述服务器用于根据各个基站收到的数据，进行数据运算，得出每个标签位置，并在地图中实时呈现出来，以及对所有基站进行管理，位置设定、位置校准、软件升级，对标签进行人或物的一对一绑定；所述基站除操作系统之外，还包括RF模块，所述RF模块主要实现三个功能，第一个是时间同步，实现基站间时间同步，第二个是实时接收来自标签的TDOA报文，第三个是实时接受处理标签的测距报文；所述基站还包括数据回传模块，用于将接收到的所有数据和同步信号传回到服务器上；所述标签用于绑定在每个需要定位的人或物上，并在系统中进行有效关联，所述标签还设有无线模块，用于向基站发送TDOA报文及TOF报文。
【文档编号】H04W4/02GK104270814SQ201410523394
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月30日 优先权日:2014年9月30日
【发明者】房宏, 肖成海 申请人:南京沃旭通讯科技有限公司