一种消除时钟频差的高效被动式时分TDOA定位方法与流程

本发明属于无线定位领域，特别涉及一种tdoa定位技术。

背景技术

无线定位系统是指利用无线电波直线恒速传播特性通过测量固定或运动的物体的位置以进行定位的技术。无线电定位有雷达、无线电测向、无线电导航系统和全球定位系统等。无线定位技术可分为广域网定位技术和无线局域网定位技术，其中，广域网定位分为卫星定位和基站蜂窝移动定位；无线局域网定位主要包括wi-fi定位、zigbee定位、uwb定位、css定位技术等。

在目前的被动式tdoa定位方法中，锚节点工作方式大致分为三种：频分技术、码分技术(如gps定位)以及时分技术。其中频分或码分方式较为直接，标签节点可同时接收多个锚节点信号，在保证锚节点时间同步的前提下，可直接对比获取tdoa信息。但对于某些通信协议(uwb，css等)，不具备足够的频分或码分能力，只能采用时分方式。而时分方式中，各锚节点不能同时发射对应信号，只能按顺序发射对应信号，标签节点接收到信号后还需利用各锚点发射对应信号时间计算tdoa信息，因此所有锚节点和标签节点时钟均需同步。若采用额外的无线或有线同步网络，会极大增加系统成本，非常不利于在成本敏感的局域网定位系统中实施。所以，在此类tdoa定位场景中，如何能够在不使用额外同步网络的前提下，仍能达到足够的定位精度及可靠性，是亟待解决的问题。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提出一种消除时钟频率差的高效被动式时分tdoa定位方法，标签节点只接收定位信号，不需要发送定位信号给锚节点即可完成定位。

本发明的技术方案为：一种消除时钟频率差的高效被动式时分tdoa定位方法，在空间布置n个锚节点，标签节点根据接收到的某两个锚节点发送的定位信号计算出自己和相应两个锚节点之间的信号到达时间差；根据得到的若干组到达时间差计算标签节点的坐标。

进一步地，当一维定位时，则n至少为大于或等于2；

当为二维定位时，则n至少为大于或等于3；

当为三维定位时，则n至少为大于或等于4。

更进一步地，最多得到c2n组到达时间差。

进一步地，每个时间片中有两个锚节点进行通信。

更进一步地，计算到达时间差的这两个锚节点为某个时间片中的两个锚节点。

进一步地，所述到达时间差计算过程为：

a1、对锚节点进行编号，且各锚节点编号唯一；

a2、在一个定位周期内，按照确定的通信顺序，除起始点外，剩下的每个锚节点在收到上一个锚节点的定位信号后，按相应时间间隔发送两次定位信号；起始锚节点发送一次定位信号；

a3、标签节点根据接收到的某两个锚节点发送的共三次定位信号，计算该标签节点和这两个锚节点之间的信号到达时间差；

a4、根据步骤a3得到的若干组组到达时间差。

更进一步地，步骤a2还包括：若当前锚节点的上一个锚节点不是起始锚节点，则该锚节点在收到上一个锚节点发送的第二次定位信号后，按相应时间间隔发送两次定位信号。

更进一步地，步骤a3中所述的三次定位信号包括：该两个锚节点中通信顺序在前的锚节点的最后一次发送的定位信号与通信顺序在后的锚节点发送的两次定位信号。

更进一步地，步骤a3具体过程为：

a31、标签节点按照自身时钟记录收到的来自锚节点的定位信号到达的时间点；

a32、选择任意两个锚节点，得到这两个锚节点在标签节点处所记录的定位信号到达时间点；

a33、根据通信顺序在前的锚节点第二次发送的定位信号到达标签节点的时间点、通信顺序在后的锚节点发送两次定位信号到达标签节点的两个时间点；计算标签节点与这两个锚节点之间的信号到达时间差。

本发明的有益效果：本发明的一种消除时钟频率的高校被动式时分tdoa定位方法，在定位过程中，锚节点通信应用时分技术，同一时间段只有两个锚节点进行通信，抗干扰性高，标签节点只接收定位信号，不需要发送定位信号给锚节点即可完成定位，在这种定位方式下，无论定位区域内标签节点有多少个，都可以完成每个标签节点的定位，极大提高了系统容量及可靠性；同时本发明通过在一个区域内布置n(n>1)个锚节点，从排列组合的角度来说，一个定位周期内可以得到c2n(n>1)个不同的距离差值，标签节点得到的与不同锚节点之间距离差值越多，几何精度因子(gdop)越低，定位精度越高；并且，本发明中锚节点时钟同步不需要额外的同步网络，直接整合在定位过程中，极大提高系统效率，降低成本。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一维定位时两个锚节点一个标签节点布置的示意图；

图2为本发明实施例提供的以为定位时两个锚节点一个标签节点的定位流程图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

本发明的技术方案为：一种消除时钟频率差的高效被动式时分tdoa定位方法，在定位过程中，锚节点时钟同步不需要额外的同步网络，极大提高系统效率，降低成本。标签节点只接收定位信号，不需要发送定位信号给锚节点即可完成定位，在这种定位方式下，无论定位区域内标签节点有多少个，都可以完成每个标签节点的定位，极大提高了系统容量及可靠性。与此同时，本发明可以显著提高定位精度。假设一个区域内布置n(n>1)个锚节点，从排列组合的角度来说，一个定位周期内可以得到最多个不同的距离差值，n越大，标签节点得到的距离差值越多，定位精度越高。

如图1所示，以两个锚节点和一个标签节点的布置为例来对本发明的内容进行阐述：

图1中anchor1为1号锚节点，anchor2为2号锚节点，tag为标签节点。

假设以频率fstandard为标称频率，设备anchor1、anchor2及tag的时钟频率分别为fanchor1、fanchor2、ftag，与标称频率之间的频率比分别为kanchor1、kanchor2、ktag，其中kanchor1＝fstandard/fanchor1、kanchor2＝fstandard/fanchor2、ktag＝fstandard/ftag，如图2所示为具体的定位流程(以下描述中，所有时间点均为对应下标设备时钟计时)；具体步骤如下：

i.假设在某一时刻，anchor1开始发送定位信号，此时anchor1、anchor2、tag的对应各自时钟的时间点分别为tanc1、tanc2、ttag；

ii.anchor2和tag节点收到anchor1的定位信号，各自按自身时钟记录下来信号到达的时间点t'anc2、t'tag。其中t'anc2＝tanc2+kanchor2*la1a2/c,t'tag＝ttag+ktag*la1tag/c。式中c为空气中的光速；

iii.anchor2在时间点t'anc2，延时delaytime和2*delaytime，即anchor2在t'anc2+delaytime和t'anc2+2*delaytime时间点，分别发送一次定位信号。其中delaytime是相对于fanchor2而言的；一般在数百微秒到数十毫米之间选择。

iv.tag节点分别接收两次anchor2的定位信号，分别记录两次信号到达的时间点t”tag和t″′tag。

其中，t”tag＝ttag+ktag*(la1a2/c+la2tag/c)+(ktag/kanchor2)*delaytime，t″′tag＝ttag+ktag*(la1a2/c+la2tag/c)+(ktag/kanchor2)*2*delaytime；c为空气中的光速。

v.tag节点根据以上时间信号，计算出到达时间差。

δt＝2*t”tag-t'tag-t”'tag＝2*[ttag+ktag*(la1a2/c+la2tag/c)+(ktag/kanchor2)*delaytime]-[ttag+ktag*la1tag/c]-[ttag+ktag*(la1a2/c+la2tag/c)+(ktag/kanchor2)*2*delaytime]＝ktag*(la2tag/c-la1tag/c+la1a2/c),

由于锚点之间距离la1a2已知，得出tag节点与anchor1,anchor2节点的距离差la2tag-la1tag＝(δt/ktag-la1a2/c)*c。

从公式la2tag-la1tag＝(δt/ktag-la1a2/c)*c可以看出，计算的距离差只与tag点的时钟频率有关，与锚节点的时钟频率无关，并且，1-ktag是处于ppm(百万分之一)量级，在tdoa定位上造成的距离误差可以不计。

在大于2个锚节点的情况下，锚节点的布置基本要求为：以各锚节点为顶点连线得到的多边形的范围应大于或等于定位区域；锚节点之间的通信顺序可以采用单链和循环链的方式。假设有分别编号为1、2、3、4、5的锚节点。单链方式下，锚节点中设置好一个头锚节点和尾锚节点，其他锚节点可以任意顺序两两组合，任一锚节点在链中可重复出现，这里假设头锚节点为1号锚节点，尾锚节点为5号锚节点，工作顺序可以为1->2->3->4->5，也可以为1->3->4->2->3->5等。循环链方式下，工作顺序可以为1->2->3->4->5->1，也可以为1->3->2->5->3->4->1等。多个锚节点在每个定位周期中依据规划好的次序顺序以及本发明的定位流程发送定位信号。

在大于2个锚节点情况下，若当前锚节点的上一个锚节点不是起始锚节点，则当前锚节点发送两次定位信号是在收到上一个锚节点的第二次发送的定位信号后，分别延时delaytime和2*delaytime后各发送一次定位信号。

根据上述方法，布置n个锚节点的情况下，从排列组合的角度来说，标签节点一个定位周期内可以得到个不同的距离差值，可以利用一般的tdoa定位算法，比如求解双曲线方程组、kalman滤波等，计算出tag节点的坐标。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。