基于帧往返和到达时间测距技术的高精度室内定位方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于帧往返和到达时间测距技术的高精度室内定位方法，通过采用TOA差分测量方法，提供了一种满足移动终端设备室内高精度定位要求的系统方案，基于帧往返的测量信息，通过嵌入帧传输的时间信息，对时间信息采用差分测量方法来减少帧处理时延误差，由于采用了基于帧往返和到达时间测距技术的高精度室内定位方法，除了达到传统室内定位的功能外，帧往返和到达时间测距技术有效解决了时间同步问题，而测距运用差分测量方法，消除了节点时钟与标准时钟的相位误差和频率误差。
【专利说明】基于帧往返和到达时间测距技术的高精度室内定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种室内定位领域，尤其是一种高精度的室内定位方法。
【背景技术】
[0002] 随着信息技术的突飞猛进，人们对于获取信息的需求层出不穷，尤其对空间位 置信息的感知需求日益增加。在户外方面，卫星技术的成熟促使全球定位系统（Global Positioning System,GPS)技术的全面发展。由于GPS具有全天候、高精度、自动测量等特 点，在军事、交通、测绘及人们日常生活等各方面均得到广泛应用。GPS技术应用的首要条件 即对空通视条件良好，对于室内定位导航就显得鞭长莫及。于是针对室内这个特殊环境必 须寻求其他技术途径。
[0003] 目前，超声波技术、射频识别技术、红外线技术、超宽带技术、蓝牙技术等室内定位 虽然可以达到较高的定位精度，但是需要大量的传感器以及额外的硬件设备支持，实际应 用中具有较大的局限性。随着IEEE802. 11无线技术的成熟，WIFI在世界各地的普及，其 覆盖面越来越广，更是成为智能手机、平板电脑等通讯设备的标配，并且很多区域如企业内 部、机场、学校、仓库、医院等都提供WIFI支持，基于WIFI的室内定位技术应运而生。较之 现行的定位技术，WIFI定位可依赖现有的网络，不需要额外的硬件设备，使用成本低。然而， 由于多径信号和小尺度衰落等干扰因素的存在，往往导致基于室内传输模型的定位精度变 得难以达到要求。
[0004] 传统的室内定位方法中存在的位置特征信息指纹图数据库过于庞大，在线定位 匹配过程中运算复杂度高，实时性差；并且随着室内空间坏境的变化，基于接收信号强度 (RSS)技术的位置特征信息也在不断更改，一定程度上会影响匹配精确度；现有的基于到 达时间（TOA，Time Of Arrival)技术的定位方法无法对时钟晶振误差以及节点上的传输时 延进行较好处理，无法达到满足需求的室内高精度定位。
【发明内容】
[0005] 为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种基于帧往返（RTT，Round Trip Time)和到达时间（T0A，Time Of Arrival)测距技术的高精度室内定位方法，通过采用Τ0Α 差分测量方法，提供了一种满足移动终端设备室内高精度定位要求的系统方案。
[0006] 本案基于帧往返的测量信息，通过嵌入帧传输的时间信息，对时间信息采用差分 测量方法来减少帧处理时延误差。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0007] (l)RTT与Τ0Α方法结合完成巾贞传输过程时间测量
[0008] 由移动终端，即MT(Mobile Terminal)向其无线信号有效范围内的AP(Access Point)发出无线信号，通过802. 11无线协议中的握手机制来选定距离MT最近的至少3个 AP来参与定位，AP选择完成后，MT向各选定AP发送问询帧，选定AP接收到MT的问询帧后， 向MT返回应答帧，得到帧往返传输时间T m，MT与选定AP中任意一个AP的帧传输过程中， MT在h时刻发出问询巾贞，选定AP在t2时刻收到问询巾贞，选定AP在t3时刻发出应答巾贞，MT 在t4时刻收到应答帧，ti是MT发出的帧报文头出现在MT天线端口的时间；t3是选定AP发 出的帧报文头出现在选定AP天线端口的时间；t2是传输帧报文头开始到达选定AP接收天 线端口的时间；t 4是传输帧报文头开始到达MT接收天线端口时间，其中^和t4的记录由 MT时钟来完成，t2和t3的记录由选定AP的时钟来完成；
[0009] 反之，如果由选定AP先发起测量，发送问询帧，整个传输过程MT与选定AP的角色 可以互换；
[0010] (2)采用Τ0Α差分测量方法消除或减小测量误差
[0011] 如步骤（1)所述，往返传输结束后，选定AP把其记录的时间点1:2和t 3传送给MT, 由MT对时间数据进行计算得到帧往返传输时间Tm如下：
[0012] Tett = (t4-t1)-(t3-t2) (1)
[0013] Τκττ为MT与选定AP上的时间差的差值，也就是差分测量，MT与选定AP间的距离 D为传输速度乘以单向传输时间，即巾贞往返传输时间的一半，得到： _4]
【权利要求】
1. 一种基于帧往返和到达时间测距技术的高精度室内定位的方法，其特征在于包括下 述步骤： (1) RTT与TOA方法结合完成帧传输过程时间测量 由移动终端，即MT (Mobile Terminal)向其无线信号有效范围内的AP (Access Point) 发出无线信号，通过802. 11无线协议中的握手机制来选定距离MT最近的至少3个AP来参 与定位，AP选择完成后，MT向各选定AP发送问询巾贞，选定AP接收到MT的问询帧后，向MT 返回应答帧，得到帧往返传输时间Tm，MT与选定AP中任意一个AP的帧传输过程中，MT在 h时刻发出问询帧，选定AP在t2时刻收到问询帧，选定AP在t3时刻发出应答帧，MT在t 4 时刻收到应答帧，h是MT发出的帧报文头出现在MT天线端口的时间；t3是选定AP发出的 帧报文头出现在选定AP天线端口的时间；t 2是传输帧报文头开始到达选定AP接收天线端 口的时间；t4是传输帧报文头开始到达MT接收天线端口时间，其中^和丨*的记录由MT时 钟来完成，t 2和t3的记录由选定AP的时钟来完成； 反之，如果由选定AP先发起测量，发送问询帧，整个传输过程MT与选定AP的角色可以 互换； (2) 采用T0A差分测量方法消除或减小测量误差 如步骤（1)所述，往返传输结束后，选定AP把其记录的时间点丨2和丨3传送给MT，由MT 对时间数据进行计算得到帧往返传输时间Tm如下： Tett = (t4-t1)-(t3-t2) (1) Tm为MT与选定AP上的时间差的差值，也就是差分测量，MT与选定AP间的距离D为 传输速度乘以单向传输时间，即巾贞往返传输时间的一半，得到： D:C-k 2 (2) 其中C表示光速； (3) 重复步骤（1)和（2)所述的方法，即可测量出MT与每个选定AP之间的距离，利用 每个选定AP的坐标与MT间的距离为半径，建立至少3个以选定AP为圆心的圆方程，它们 的公共交点就是MT的坐标，即可求解MT坐标，完成定位； ⑷在步骤⑴中，MT在心=t'汴ε MT时刻发出问询巾贞，选定AP在t2 = t' 2+ ε Ap时 刻收到问询巾贞，接着在t3 = t' 3+ ε Ap'返回应答巾贞，MT在t4 = t' 4+ ε MT'收到应答巾贞，这里 V t2、t3、t4为时间测量值，t' p t' 2、t' 3、t' 4为对应的标准时间，ε ΜΤ、ε Αρ、ε Αρ'、ε MT' 为每个对应的测量值与标准时间之间的误差，误差又分为节点MT和AP的时钟与标准时钟 的相位误差和频率误差，其中相位误差为节点MT和AP的时钟根据时间同步信号校准时间 的时延，频率误差为两次时间同步之间节点时钟晶振频率漂移产生的累积误差，在步骤（1) 的过程中，节点MT和AP完成时间同步的标准时间是t Q，设是从tQ到测量时刻的时间间 隔，经过时间凡后节点MT和AP的标准时间为t% =、+1\，（i = 1，2···4)，得到= tc+Ti 为标准时钟所记时刻，节点MT所记时刻为： = t' !+U+ n (ti-U-tg) (3) 其中u为ΜΤ时钟与标准时钟的相位误差，II为时钟自身晶振频率漂移系数，则 Iiaru-to)为节点从自己的测量时间（t0+u)时亥函h时亥猶晶振频率漂移的累计误差， 化简后得： t!: ^-?!二挑-? ^-?-^m-二g: ' 册 i (4) 1-η 1-η 1-η 则ΜΤ时钟收到应答帧t4时刻可表达为： / ^ ? t-0 κ -·- (5) / 一 ?] 公式（5)减去公式⑷可得到： H -L = ^^- - (^-^)(/+^) - + ⑥ 其中 t，4_t，1 = td+I^-Ud+TD = ?^-?^ ; 据此，公式（6)中t4-ti为测量时间的时间差，t'4-t'i为标准时间的时间差， η α'4-〇为误差，误差等于标准时间的时间差乘以时钟自身晶振频率漂移系数η，η为 10_5数量级，n (t'4-t'i)作为误差部分，可以忽略不计，得到同一时钟的测量时间的时间差 t4-ti等于其对应的标准时间的时间差t'4-t\，使得公式（1)中的帧往返时间!',^可以用标 准时间的时间差计算得到，从而消除了误差，测量结果的精度提高，从而使得定位精度得到 提1?。
【文档编号】H04W4/04GK104301868SQ201410530753
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月10日 优先权日:2014年10月10日
【发明者】贺宏锟, 王皓, 李康祥, 时雅兵, 张阳 申请人:西北工业大学