一种标签被动定位方法
【专利摘要】本发明公开一种标签被动定位方法，涉及电子信息【技术领域】，解决了现有标签被动定位方法通常需要在锚节点之间或锚节点与标签之间实现时间同步，从而导致系统复杂，建设与维护成本升高的问题。该方法如下：在区域内部署多个锚节点，各锚节点按照特定顺序发出含有特定内容的定位广播包；标签接受锚节点所发出的定位广播包，提取该广播包内容，计算该广播包相对于本地时钟的准确到达时间，并上传到解算单元；解算单元处理后，生成以标签坐标值为变量的方程组，求解该方程组，获得标签坐标值。本发明所述方法用于实现标签被动定位时，不需要在锚节点之间或锚节点与标签之间实现时间同步，从而降低了系统复杂度并降低了系统建设与维护成本。
【专利说明】一种标签被动定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电子信息【技术领域】，尤其涉及利用通信技术与信息技术实现一种标签 被动定位方法。
【背景技术】
[0002] 现有的标签被动定位方法，通常包括接收信号强度方法（received signal strength,简称RSS)、信号到达时间方法（time of arrival,简称Τ0Α)、信号到达时间差方 法（time difference of arrival,简称TD0A)等。其中，RSS方法受到信号反射、散射、 绕射等多径衰减与遮挡影响非常严重，实际上存在较大误差。Τ0Α和TD0A方法具有较高的 定位精度。这两种方案用于实现标签被动定位时，需要测量各个锚节点所发出信号到达标 签的绝对时间或时间差，以计算出标签的坐标。Τ0Α方案通常需要锚节点与标签间的时间 同步，TD0A方案通常需要各个锚节点间的时间同步，从而导致系统复杂，建设与维护成本升 商。
【发明内容】
[0003] 基于现有标签被动定位方法通常需要在锚节点之间或锚节点与标签之间实现时 间同步，从而导致系统复杂，建设与维护成本升高。本发明的目的是提供一种利用通信技术 与信息技术实现标签被动定位的方法。
[0004] 假设，区域内有N个锚节点，以A(l)，…A(N)来代表。每个锚节点具备绝对或相 对坐标。每个锚节点具备唯一的标识。区域内有多个标签，使用M0代表。以下所称"设备" 表示锚节点或标签。锚节点会发出与定位相关的特定数据包，称为定位广播包。该定位广 播包有如下4个特征：1)可以被一定范围内的锚节点和标签所接收；2)包含发送设备的标 识；3)采用接收设备易于计算到达时间的信号调制方式如CSS (线性调频扩频)调制或者采 用UWB (超宽带）信号4)有数据负载。
[0005] 使用Ta⑴a(j)表示A(i)接收到A(j)所发出的定位广播包的相对于A(i)本地 时钟的准确到达时间，并以此类推。使用TmOa(i)表示M0接收到A(i)所发出的定位请求 广播包的相对于M0本地时钟的准确到达时间，并以此类推。使用X(i)表示A(i)发出定位 请求广播包的绝对时间，并以此类推。使用Fa(i)a(j)表示A(j)所发出的定位广播包数 据包到达A(i)所需要的时间，对于无线载波通信设备来说，该值表示定位广播包的无线信 号从A(j)天线相位中心到达A(i)天线相位中心所需要的时间。Fa(i)a(j)该值可以认为 是A(j)与A(i)之间距离除以信号传播速度，Fa⑴a(j) =Fa(j)a(i)，以下不再区分，并以 此类推。同样，使用FmOa(i)表示A(i)所发出的定位广播包数据包到达M0所需要的时间。 使用R(i)表示A(i)接收器件延迟，对于无线载波通信设备来说，该值表示定位请求广播包 无线信号从A(i)天线相位中心经过射频接收电路与模数转换器件，转换为数字信号的延 迟。在本方案所涉及到的时间范围内，可以认为A(i)所接收到的每个定位广播包，该值均 一致。而不同的设备，该值会有不同。使用D(i)表示A(i)接收到A(i-l)定位广播包后， 再次发出定位广播的延迟，该延迟包括逻辑处理延迟加上发送器件延迟。对于无线载波通 信设备来说，上述发送器件延迟表示定位请求广播包无线信号从逻辑处理单元，经过数模 转换器件与射频发射电路，到达A(i)天线相位中心的延迟。Ta(i)a(j) - Ta(i)a(m)表示 A (j)和A (m)所发出定位广播包到达A (i)的时间差，该时间差基于A (i)的时钟计算。考虑 到当前硬件技术水准，在本技术方案所涉及到的时间范围内，设备时钟的频差与抖动可以 归于噪声范畴而不影响数据分析。与此类似，Ta(i)mO - Ta(i)a(j)表示M0和A(j)所发 出定位广播包到达A(i)的时间差。
[0006] 本发明的技术方案具体是这样实现的，包括如下步骤。
[0007] l.A(l)发出定位广播包，数据负载是0。
[0008] 根据具体应用需求，可以由时间触发(如每隔一定时间间隔）或事件触发(如通过 某种方式检测到有标签进入区域）A(l)发出定位广播包。
[0009] 2.A(2)，A(3)和M0接收到A(l)所发出的定位广播包，得到发送锚节点标识，计算 该定位广播包相对于本地时钟的准确到达时间。A(2)接收到来自A(l)的定位广播包后，经 过一段时间延迟(包括逻辑处理与器件延迟等)，发出定位广播包，数据负载是〇。
[0010] 3.A(3)，A(4)和M0接收到A(2)发出的定位广播包，得到发送锚节点标识，计算该 定位广播包相对于本地时钟的准确到达时间。A(3)接收到上述A(2)定位广播包后，计算 Ta(3)a(2) - Ta(3)a(l)值，经过一段时间延迟(包括逻辑处理与器件延迟等)，发出定位 广播包，并将Ta(3) a(2) - Ta(3) a(1)值作为定位广播包数据负载。
[0011] 4.A(4)，A(5)和M0接收到A(3)所发出的定位广播包，得到发送锚节点标识，计算 该定位广播包相对于本地时钟的准确到达时间。M0读出定位广播包的数据负载，即Ta(3) a(2) - Ta(3)a(l)，记为 G(2)。
[0012] 5.重复上述步骤，第i个锚节点所发出的定位广播包被第i+1个锚节，第i+2个点 和标签所接收，第i+Ι个锚节，第i+2个点和标签得到发送锚节点标识，计算该定位广播包 相对于本地时钟的准确到达时间；标签读出定位广播包的数据负载，记为G(i-l);第i+Ι个 锚节点接收到来自该定位广播包后，计算该定位广播包到达时间与来自第i-Ι个锚节点的 定位广播包的到达时间之差，经过一段时间延迟(包括逻辑处理与器件延迟等）后，发出定 位广播包，并将上述时间差作为定位广播包数据负载。
[0013] 直到所有锚节点都依次发出定位广播包后，上述发送操作停止。
[0014] 6.标签接收到所有锚节点依次发出的定位广播包后，将所记录的各锚节点定位广 播包到达时间和各个定位广播包的数据负载上传到解算单元。
[0015] 该解算单元可以是独立的服务器，也可以集成在某个锚节点中或集成在标签中。 每个标签上传到服务器的数据包括：Tm0a(l)，···JmOaW)共N个值和G(2)，…G(N-l)共 N-2个值。
[0016] 7.解算单元处理所接收到的数据。
[0017] 假设解算单元已经获得了 A(l)，…A(N)个锚节点的坐标值(可以是相对坐标，也 可以是绝对坐标)，每个锚节点的坐标值既可以包含在锚节点所发出的定位广播包内，也可 以从后台服务器获得。
[0018] 以解算单元所接收到的TmOa(i-l), TmOa(i)和G(i)，2=〈 i <=n-l为例，分析如 下： 根据 G(i)定义有，G(i) =Ta(i+l)a(i) - Ta(i+l)a(i-l)，等式 1， 等式1右侧表示，A(i+1)接收到来自A(i)和A(i-l)的两个定位广播包时间差。该 时间差可以表不为：Ta(i+l)a(i) _ Ta(i+l)a(i-l) = X(i-l) + Fa(i-l)a(i) + R(i) + D(i) +Fa(i)a(i+1)+R(i+1)_ (X(i-l) +Fa(i-l)a(i+l) +R(i+1))，等式 2。
[0019] 即上述Ta(i+l)a(i) - Ta(i+l)a(i_l)时间差等于A(i-l)发出定位广播包的绝 对时间+该定位广播包到达A(i)所需要的时间+ A(i)接收器件延迟+ A(i)逻辑处理与 发送器件延迟+ A (i)发出的定位广播包到达A(i+1)所需要的时间+ A(i+1)的接收器 件延迟-(A(i-l)发出定位广播包的绝对时间+该定位广播包到达A(i+1)所需要的时 间+A(i+1)接收器件延迟）。
[0020] 将等式1与等式2结合后，整理得到： G(i) = Fa(i_l)a(i) + Fa(i)a(i+1) - Fa(i_l)a(i+1) + R(i) + D(i)，等式 3。
[0021] 同时有，TmOa(i) - TmOa(i-l) = X(i-l) + Fa(i-l)a(i) + R(i) + D(i) + Fa(i) mO+RmO - ( X(i~l) + Fa(i-l)m + RmO) = Fa(i-l)a(i) + Fa(i)mO - Fa(i-l)mO + R(i) + D (i)，等式 4。
[0022] 即上述TmOa(i) - TmOa(i-l)时间差等于A(i-l)发出定位广播包的绝对时间+ 该定位广播包到达A(i)所需要的时间+ A(i)接收器件延迟+ A(i)逻辑处理与发送器件 延迟+ A(i)发出的定位广播包到达M0所需要的时间+ M0接收器件延迟-(A(i-l)发 出定位广播包的绝对时间+该定位广播包到达M0所需要的时间+M0接收器件延迟）。
[0023] 结合等式3与等式4,消去R(i) + D(i)，得到： Fa(i)mO - Fa(i_l)mO = TmOai - TmOa(i-l) - G(i) + Fa(i)a(i+1) - Fa(i_l) a(i+l)，等式 5。
[0024] 上述等式左侧为来分别自A (i)与A (i-1)两个定位广播包信号到达MO的时间差， 等式右侧为测得值和已知值。
[0025] 假设区域内有N个锚节点，可以获得N-2个上述形式的方程，组成方程组；解算单 元求解上述方程组，计算出标签的坐标值。
[0026] 本发明所述方法用于实现标签被动定位时，不需要在锚节点之间或锚节点与标签 之间实现时间同步，从而降低了系统复杂度并降低了系统建设与维护成本。在智慧城市与 物联网快速发展背景下，具备广阔的应用前景。
[0027]
【具体实施方式】 本发明所述的方法的核心思想是按照
【发明内容】
中所述7个步骤，在解算单元生成以标 签坐标值为变量的方程组，并进一步求出标签的相对坐标。
[0028] 在下面的说明中，公知的方法将不再详细说明，以避免与本方法的内容存在不必 要的混淆。
[0029] 步骤1至步骤5 : 锚节点所发出的定位广播包，采用2. 4G ISM公用频段无线信号CSS (线性调频扩 频）调制方式。定位广播包中码元的基带信号解析式归一化后为：s(t) = exp(j*2*pi* (f0*t+u*t*t/2)。0=〈t〈=T。其中，T为每个码元的时间宽度，u为调频斜率，fO为起始频 率，pi代表圆周率，t表示离散的基带发送采样时刻，第一个采样时刻记为0。
[0030] 步骤 1 : 第1个锚节点根据标签对定位的实时性要求，可以每隔1秒钟发出定位广播包。
[0031] 各个锚节点采用CSMA/⑶（载波侦听多路访问/碰撞检测）方式，共享无线信道。
[0032] 步骤2至步骤6 : 接收设备可以借鉴LFMCW (线性调频连续波）雷达技术，计算出所接收到的定位广播包 中第一个码元相对于本地时钟的准确到达时间。
[0033] 具体计算方法如下： 1)生成本地码元基带参考信号：r(t) =exp(j*2*pi* (f0*t+u*t*t/2), 0=〈t〈=T。其 中，T为每个码元的时间宽度，u为调频斜率，fO为起始频率，pi代表圆周率，t表示离散的 基带接收采样时刻，第一个采样时刻记为〇。
[0034] 2)将所生成的本地码元基带参考信号与所接收到的第一个码元基带信号混频。 不考虑接发送设备与接收设备存在相对运动的情况或者发送设备与接设备时钟频率不一 致的情况，接收设备所接收到的定位广播包中第一个码元基带信号可以表示为：s(t) =a* exp(j*2*pi* (f0*(t+dt)+u*(t+dt)*(t+dt)/2), 0=〈t〈=T。其中，a 为接收信号幅值，T 为 每个码元的时间宽度，u为调频斜率，fO为起始频率，pi代表圆周率，t表示离散的基带接 收采样时刻，第一个采样时刻记为0。dt表示接收设备所接收到的第一个码元基带信号相 对于接收设备起始采样时刻的时间偏移。混频信号的低频成分df近似等于u*dt。
[0035] 3)先对混频信号做FFT (快速傅里叶)运算。考虑到信号多径问题，即定位广播包 信号会沿多条路径到达，从而在混频信号低频成分中形成多个谱峰，其中频率值最大的谱 峰代表了最先到达信号与本地码元基带参考信号的频差。找出上述峰值点K后，还需要计 算K-1和K+1两点处的频率值。在这两个频率值区间对上述混频信号做CZT变换（Chirp-z 变换)，就可以计算出最先到达信号与本地码元基带参考信号的频差精确值df。根据公式 dt = df/u，计算出dt，即接收到的第一个码元基带信号相对于接收设备起始采样时刻的时 间偏移。
[0036] 4)接收设备采样时刻以本地时钟作为参考，假设所接收到的信号起始采样时刻为 接收设备启动后的第P个时钟周期，可以计算出定位广播包中第一个码元基带信号相对于 接收设备本地时钟的准确到达时间=P/接收设备时钟频率-dt，以此作为定位广播包相 对于接收设备本地时钟的准确到达时间。
[0037] 在发送与接收设备存在相对运动的情况，或者发送设备与接设备时钟频率不一致 的情况下，依然可以采用上述方法得到定位广播包中第一个码元基带信号相对于接收设备 本地时钟的准确到达时间，这样计算出的到达时间与真实值存在偏差，考虑到现有时钟精 确度及大多数定位应用场景下，该偏差可以视作噪声干扰，可以在后续的处理过程中采用 抗噪声方法计算标签相对坐标。
[0038] 步骤 7 : 解算单兀生成Fa(i)m0 - Fa(i_l)m0 = TmOai - TmOa(i-l) - G(i) + Fa(i)a(i+1) -Fa(i_l)a(i+1)(各变量含义已在
【发明内容】
中详述）形式的方程组后，可以采用经典的 TD0A算法，该方法具备一定的抗噪声能力，以计算出标签的坐标值。
[0039] 当然，本发明不局限于上述【具体实施方式】，实施本发明时，步骤1至步骤5可采用 其他信号来传播定位广播包，如声波，超声波或超宽带无线信号等；步骤2至步骤6可以采 用其他方法的求解信号准确到达时间，如超分辨率算法等，步骤7可以采取不同的方法，来 求解所获得的方程组。但只要其采用
【发明内容】
中所述7个步骤，在解算单元生成以标签坐 标值为变量的方程组，并进一步求出标签的相对坐标，则均落入本发明保护范围。
【权利要求】
1. 一种标签被动定位方法，该方法通过在区域内部署多个已知坐标的锚节点，标签被 动接受锚节点所发出的定位广播包，来计算标签的坐标，其特征是包括如下步骤： 1) 区域内第1个锚节点发出定位广播包； 2) 第2个锚节点，第3个锚节点和标签接收到第1个锚节点所发出的定位广播包，得到 发送锚节点标识，计算该定位广播包相对于本地时钟的准确到达时间；第2个锚节点接收 到上述定位广播包后，经过一段时间延迟(包括逻辑处理与器件延迟等)，发出定位广播包； 3) 第3个锚节点，第4个锚节点和标签接收到第2个锚节点所发出的定位广播包，得到 发送锚节点标识，计算该定位广播包相对于本地时钟的准确到达时间；第3个锚节点接收 到上述定位广播包后，计算该定位广播包到达时间与来自第1个锚节点的定位广播包的到 达时间之差，经过一段时间延迟(包括逻辑处理与器件延迟等）后，发出定位广播包，并将上 述时间差作为定位广播包数据负载； 4) 第4个锚节点，第5个锚节点和标签接收到第3个锚节点所发出的定位广播包，得到 发送锚节点标识，计算该定位广播包相对于本地时钟的准确到达时间；标签读出定位广播 包的数据负载； 5) 第4个锚节点接收到上述定位广播包后，计算该定位广播包到达时间与来自第2 个锚节点的定位广播包的到达时间之差，经过一段时间延迟(包括逻辑处理与器件延迟等） 后，发出定位广播包，并将上述时间差作为定位广播包数据负载； 重复上述步骤，第i个锚节点所发出的定位广播包被第i+Ι个锚节，第i+2个锚节点和 标签所接收，第i+Ι个锚节，第i+2个锚节点和标签得到发送锚节点标识，计算该定位广播 包相对于本地时钟的准确到达时间；标签读出定位广播包的数据负载；第i+Ι个锚节点接 收到上述来自第i个锚节点所发出的定位广播包后，计算该定位广播包到达时间与来自第 i-Ι个锚节点的定位广播包的到达时间之差，经过一段时间延迟(包括逻辑处理与器件延迟 等）后，发出定位广播包，并将上述时间差作为定位广播包数据负载； 直到所有锚节点都依次发出定位广播包后，上述发送操作停止； 6) 标签接收到所有锚节点依次发出的定位广播包后，将标签所记录的各锚节点定位广 播包到达时间和各个定位广播包的数据负载上传到解算单元； 7) 解算单元对于接收到的上述数据进行处理，获得以标签坐标为变量的方程组，求解 上述方程组，得到标签的坐标。
2. 根据权利要求1所述的一种标签被动定位方法，其特征在于，各个锚节点之间以及 锚节点与标签之间不需要时钟同步。
3. 根据权利要求1所述的一种标签被动定位方法，其特征在于，步骤1)步骤2)步骤 3)步骤4)步骤5)所述的定位广播包具备如下4个特征：1)可以被一定范围内的锚节点和 标签所接收；2)包含发送设备(包括锚节点与标签）的标识；3)采用接收设备(包括锚节点 与标签）易于计算到达时间的信号调制方式如CSS (线性调频扩频）调制或者采用UWB (超 宽带）信号4)有数据负载。
4. 根据权利要求1所述的一种标签被动定位方法，其特征在于，步骤7)所述解算单元 对于接收到的数据进行处理，获得以各标签坐标为变量的方程组，该方程组中的各个方程 形式如下： FmOa(i) - FmOa(i-l) = TmOa(i) - TmOa(i-l) - G(i) + Fa(i)a(i+1) - Fa(i-l) a(i+l), 其中，FmOa(i)表示第i个锚节点所发出的定位广播包到达标签所需要的时间， FmOa(i-l)表示第i-Ι个锚节点所发出的定位广播包到达标签所需要的时间，TmOa(i) 表示第i个锚节点所发出的定位广播包到达标签的相对于标签本地时钟的相对时间， TmOa(i-l)表示第i-Ι个锚节点所发出的定位广播包到达标签的相对于标签本地时钟的 相对时间，G(i)表示第i+Ι个锚节点所发出的定位广播包的数据负载，Fa(i)a(i+1)表示 第i+Ι个锚节点所发出的定位广播包到达第i个锚节点所需要的时间，Fa(i_l)a(i+1)表 示第i+Ι个锚节点所发出的定位广播包到达第i-Ι个锚节点所需要的时间； 上述等式左侧是不同锚节点所发出的定位广播包到达标签的时间差，右侧是实测值和 已知值；假设区域内有N个锚节点，对于每个标签有N-2个上述形式的方程，组成方程组。
【文档编号】G01S5/10GK104142489SQ201410278128
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年6月20日 优先权日:2014年6月20日
【发明者】林伟 申请人:林伟