基于异步到达时间差的双曲线定位方法
【专利摘要】本案涉及一种基于异步到达时间差的双曲线定位方法，包括：设置至少一个具备接收和识别信号的基站；设置至少两个具备接收、发送和识别信号的参考节点；且基站、任意一个参考节点和待定位的目标节点三者不共线；目标节点广播信号；基站和参考节点接收目标节点发出的信号；参考节点在接收到目标节点发出的信号后，向基站发送信号；利用两种信号到达基站的时间差，来计算出目标节点的位置。本案提出的位置测算模型，作为一种室内定位方法，适用于区域内携带目标节点的人/物需要受控制台调配监控的场合；本方法成本低功耗小，系统易搭建、组网，避免了不同基站与参考节点间时间同步的问题，使定位系统更加简单、易扩展，具有很高的能效性。
【专利说明】
基于异步到达时间差的双曲线定位方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种室内定位方法，特别涉及一种适用于室内的基于异步到达时间差 的双曲线定位方法。
【背景技术】
[0002] 常见的室内定位方法有信号强度法（R S SI)，到达时间法（T 0 A)，到达时间差法 (TD0A)和到达角度法(A0A)。
[0003] RSSI(Received Signal Strength Indicator):已知基站发射功率，在目标节点 测量接收功率，计算传播损耗，使用位置指纹法或传播模型法将传播损耗转化为距离。位置 指纹法是指预先建立指纹数据库，根据测量的信号值与指纹数据库中的信号强度值比对， 最接近的信号值对应的位置就是估计位置。传播模型法是根据信号的衰减与距离的关系建 立数学模型将信号强度转换成传播距离，根据已知信号源位置和定位算法求解目标位置。 该方法受非视距等环境影响较大，抗干扰能力差，精度较低。
[0004] A0A(Angle of Arrival):根据基站的天线阵列接收的目标信号的方位角，通过正 切函数方程，计算出目标与基站的相对角度，沿相对角度从基站确定方位线，计算方位线交 点即可得到目标节点位置参数。在实际中常用天线矩阵作为基站的接收端，安装成本很高。
[0005] T0A(Time of Arrival):测量信号在基站和目标节点之间的传播时间，进而计算 得两者之间的直线距离，则目标节点位于以基站为圆心、两者直线距离为半径的圆上。多个 圆的交点即目标节点的位置。该方法要求所有基站和节点间时间同步，实际应用中很难实 现。
[0006] TD0A(Time Difference On Arrival)：一种方式是基站同时发出两种传播速度相 差很大的信号，如射频信号和超声波信号，由目标节点标记接收到两种信号的时间差，将时 间差转化为距离差求解其位置。该方式所用超声波信号在非视距环境下衰减很快，稳定性 较差。另一种1D0A的实现方式是两个基站同时发出信号，目标节点标记接收到两路信号的 时间差，将其转化为距离差求解位置信息。这种方式要求不同基站时间同步，增加了系统复 杂度且不便于系统扩展。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术存在的不足，本案提供了一种基于异步到达时间差的双曲线定位方 法。
[0008] 为实现上述目的，本案通过以下技术方案实现：
[0009] -种基于异步到达时间差的双曲线定位方法，其包括：
[0010]设置至少一个具备接收和识别信号的基站；
[0011] 设置至少两个具备接收、发送和识别信号的参考节点;且基站、任意一个参考节点 和待定位的目标节点三者不共线；
[0012] 目标节点广播带有自身身份特征的信号；
[0013] 基站和参考节点接收目标节点发出的信号;参考节点在接收到目标节点发出的信 号后，向基站发送带有自身身份特征的信号；
[0014] 利用两种信号到达基站的时间差，来计算出目标节点的位置。
[0015]优选的是，所述的基于异步到达时间差的双曲线定位方法，其中，计算目标节点位 置的方法如下：
[0016] 设目标节点的信号到达基站的时间为t1;目标节点的信号到达参考节点，参考节 点的信号到达基站的总时间为t 2;目标节点距离基站的长度为U，距离参考节点的长度为 L2;基站与参考节点的距尚为Lo;
[0017] 设参考节点从接收到目标节点发出的信号到参考节点向基站发送信号的时间差 为S;信号的传播速度为v;
[0018] 贝||:[2+10-11=(七2-1：1-5)\￥;
[0019] 设 A t = t2-ti，则:Li_L2 = L〇-( A t_5) Xv;
[0020] 设基站坐标为(X1，yi)，参考节点坐标为(X2，y2)，目标节点坐标为( X，y)，K = LQ-( A t_S)Xv，则有方程：
[0022]每个参考节点对应有一个方程，结合所有方程计算出最优解，即为目标节点的坐 标位置。
[0023]优选的是，所述的基于异步到达时间差的双曲线定位方法，其中，所述参考节点中 设有用于测量S的计时模块。
[0024] 优选的是，所述的基于异步到达时间差的双曲线定位方法，其中，还包括对得到的 目标节点的位置进行修正;修正方法包括：
[0025] 设所述计时模块测得的S的误差率为0 ;
[0026] 建立一个修正系数：（1-02)/( 1+02)
[0027] 则代入方程得
[0028] 对方程求解，得到目标节点的坐标位置。
[0029] 本发明的有益效果是：本案提出一种基于异步到达时间差的双曲线位置测算模 型，作为一种室内定位方法，适用于区域内携带目标节点的人/物需要受控制台调配监控的 场合，如医院内分配医护人员、监狱内监控犯人、工厂内调配运输机器人等，或者其他严格 限制来访者活动区域的场所/保密单位;本方法成本低功耗小，系统易搭建、组网，避免了不 同基站与参考节点间时间同步的问题，使定位系统更加简单、易扩展，具有很高的能效性。
【附图说明】
[0030] 图1为区域内各节点分布示意图。
[0031 ]图2为本案所述的定位方法的示意图。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文 字能够据以实施。
[0033] 如图1所示，本案列出一实施例的基于异步到达时间差的双曲线定位方法，其包 括：
[0034] 设置至少一个具备接收和识别信号的基站；
[0035] 设置至少两个具备接收、发送和识别信号的参考节点;且基站、任意一个参考节点 和待定位的目标节点三者不共线;这样可以进行二维定位，要需三维定位，则至少需要3个 参考节点，且这3个参考节点与基站、目标节点不共面；
[0036] 目标节点广播带有自身身份特征的信号；
[0037] 基站和参考节点接收目标节点发出的信号;参考节点在接收到目标节点发出的信 号后，又向基站发送带有自身身份特征的信号；
[0038] 利用两种信号到达基站的时间差，来计算出目标节点的位置。
[0039] 其中，具体计算目标节点位置的方法如下：
[0040] 设目标节点的信号到达基站的时间为t1;目标节点的信号到达参考节点，参考节 点的信号到达基站的总时间为t 2;目标节点距离基站的长度为U，距离参考节点的长度为 L2;基站与参考节点的距尚为Lo;
[0041] 设参考节点从接收到目标节点发出的信号到参考节点向基站发送信号的时间差 为5;信号的传播速度为v(在空气中传播一般默认为光速）；
[0042] 贝||:[2+10-11 =(七2-1：1-5)\￥;
[0043] 设A t = t2_ti，则:Li-L2 = Lq-( A t_5) Xv;Lo是定值，v和5也是定值，A t在这里作 了近似处理，即在极短的时间内，认为目标节点的位置是不变的，因此tdPti都是定值，A t 值不变，由此得出，L〇-( A t_S)Xv是定值；即目标节点到基站和参考节点的距离之差是一 定值，目标节点位于以基站和参考节点为焦点的双曲线上，目标节点瞬时位置符合双曲线 模型。
[0044] 设基站坐标为(X1，yi)，参考节点坐标为(X2，y2)，目标节点坐标为(x，y)，$K = L0-(At_S)Xv，则有方程：
[0046]每个参考节点对应有一个上述这样的方程，结合所有方程计算出最优解，即为目 标节点的坐标位置。当需要进行二维定位时，只需2个这样的方程即可定位，即当两条曲线 之间有交点时，最优解就是交点坐标；当曲线之间没有交点时，可以锁定一个范围，这个范 围内的点接近这两个方程的解，就把最接近的点作为最优解，此时，最优解不一定是唯一 的。
[0047] 作为本案另一实施例，其中，参考节点中还设有用于测量S的计时模块。定位方法 中还可优选包括对得到的目标节点的位置进行修正;修正方法包括：
[0048] 假设计时模块测得的S的误差率为0 ;
[0049]建立一个修正系数：（1_02)/( 1+02);该修正系数实际上是将本方法中所有的对误 差的修正都集中到S的误差率0上，即便是由对At作近似处理而产生的误差也可转移到通 过设计出的修正系数上来进行修正，修正系数可以在一定程度上对整个方程结果进行综合 修正。这样可以简化整个修正方式，无需将每个环节的误差率都引入修正公式进行修正。
[0050]将上述修正系数代入方程得，
[0051 ]同上，对方程求解，得到目标节点的坐标位置。
[0052] 采用定点验证法，将目标节点固定在已知坐标上进行验证，发现：
[0053] 采用超宽带(UWB)信号结合公式， ,
- _ 计算 测得在10 x 10m范围内定位精度为23cm，而由公式
计算获得的定位精度为20cm。
[0054] 采用ZigBee信号结合公式-讦+ (心-r)2 =以十算测 得在10 X 10m范围内定位精度为35cm，而由公式
计算获得的定位精度为31cm。
[0055] 此外，本案方法(不含修正系数)获得的定位精度相较于常规到达时间差方法提升 了20%以上，而经修正系数校正误差后获得的定位精度相较于校正误差前的精度又提升了 10%以上。
[0056] 尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列 运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地 实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限 于特定的细节和这里示出与描述的图例。
【主权项】
1. 一种基于异步到达时间差的双曲线定位方法，其特征在于，包括： 设置至少一个具备接收和识别信号的基站； 设置至少两个具备接收、发送和识别信号的参考节点;且基站、任意一个参考节点和待 定位的目标节点三者不共线； 目标节点广播带有自身身份特征的信号； 基站和参考节点接收目标节点发出的信号；参考节点在接收到目标节点发出的信号 后，向基站发送带有自身身份特征的信号； 利用两种信号到达基站的时间差，来计算出目标节点的位置。2. 如权利要求1所述的基于异步到达时间差的双曲线定位方法，其特征在于，计算目标 节点位置的方法如下： 设目标节点的信号到达基站的时间为t1;目标节点的信号到达参考节点，参考节点的信 号到达基站的总时间为t2;目标节点距离基站的长度为U，距离参考节点的长度为L2;基站 与参考节点的距离为Lo; 设参考节点从接收到目标节点发出的信号到参考节点向基站发送信号的时间差为S; 信号的传播速度为V; 贝lj: L2+L0-L1 = (?2_?ι_δ) X v; 设 A t = t2_ti，则:Li_L2 = L〇-( Δ t-δ) X ν; 设基站坐标为(xi，yi)，参考节点坐标为(X2，y2)，目标节点坐标为(x，y)，K=L〇-( △ t-δ) Xv，则有方程：每个参考节点对应有一个方程，结合所有方程计算出最优解，即为目标节点的坐标位 置。3. 如权利要求1所述的基于异步到达时间差的双曲线定位方法，其特征在于，所述参考 节点中设有用于测量S的计时模块。4. 如权利要求3所述的基于异步到达时间差的双曲线定位方法，其特征在于，还包括对 得到的目标节点的位置进行修正;修正方法包括： 设所述计时模块测得的S的误差率为Θ; 建立一个修正系数：（1-Θ2)/(1+Θ2) 则代入方程赛对方程求解，得到目标节点的坐标位置。
【文档编号】H04W64/00GK105960018SQ201610497916
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月29日
【发明人】陈晓禾, 苟建松, 郭宇, 韦阳, 郭健
【申请人】陈晓禾