基于超宽带的分布式异步定位系统及方法与流程

本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种基于超宽带的分布式异步定位技术。

背景技术：

早在15世纪，人类开始探索海洋的时候，定位技术也随之催生。当时主要的定位方法是运用当时的航海图和星象图，确定自己的位置。随着社会和科技的不断发展，对定位的需求已不仅仅局限于传统的航海、航空、航天和测绘领域。定位的方法经历了多年的发展，从前期的少数几种精度差、设备较庞大的系统，演变到现在多种定位手段共存，在技术手段、定位精度、可用性方面均取得质的飞越。

脉冲无线电超宽带(Impulse Radio Ultra Wide Band)，简称“超宽带”(UWB)技术，是一种短距离通信技术，具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、系统复杂度低、抗干扰、抗多径、强穿透、定位精度高等优点，尤其适用于室内等密集多径场所的位置服务和高速无线接入应用。

一种比较常见的UWB三维定位系统是同步实时定位系统，通常采用TDOA(Time Difference Of Arrival，到达时间差)定位技术。TDOA方法利用信号接收时间差进行定位，通过比较同一个标签信号到达各个锚节点(Anchor)的时间差，就能作出以锚节点为焦点、距离差为长轴的双曲线，多条双曲线的交点就是标签的位置。

具体的同步实时定位系统如图1所示，其中的锚节点统一称为基站。定位服务器101通过路由器102与各基站103至106进行通信连接，其中，主基站103是整个系统的时钟源，并与其它基站存在直接或者间接的UWB无线通信连接。标签107发送信号，位于标签107周围的基站103至106对标签107发送的信号进行监听，并记录标签107信号到达本基站的时间点，基站103至106将此时间点通过路由器102上报给定位服务器101。定位服务器101汇集各基站103至106发送的时间点信息，利用TDOA定位算法，计算出标签107的位置，并提供给后端的应用服务器，用于位置展示。由于该系统为同步实时定位系统，因此，系统会维持一个系统时钟，由主基站103提供。另外，主基站103与其它基站存在直接或者间接的UWB无线通信连接，以便其它基站接收主基站103时钟，进而调节本地时钟至与系统时钟同步，并长期维持。

在实现本发明过程中，发明人发现现有UWB同步实时定位系统实现中，为保证系统内所有基站之间的同步，从基站在布设中必须保证与主基站之间存在直接或者间接的通信连接。这对从基站的布设位置及整个同步系统的拓扑结构形成了明显制约。

技术实现要素：

本发明实施方式的目的在于提供一种基于超宽带的分布式异步定位系统及方法，使得各设备之间不需要协调，完全独立、且布设无限制，系统结构灵活。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种基于超宽带的分布式异步定位系统，包括至少一个信标(Anchor)和至少一个标签(Tag)；

各信标之间相互独立，信标布设位置固定，且其位置坐标对于所有标签已知；

在需要获取自身的位置时，标签发送测距请求，在获得其信号覆盖范围内的信标响应后，采取三向测距算法，获取标签与各个信标之间的距离；

当标签获得与至少一个信标之间的距离之后，标签计算得到自身的位置。

本发明的实施方式还提供了一种基于超宽带的分布式异步定位方法，包含：

在需要获取自身的位置时，标签发送测距请求；

在标签获得其信号覆盖范围内的信标响应后，标签采用三向测距算法，获取标签与各个信标之间的距离；

当标签获得与至少一个信标之间的距离之后，标签计算得到自身的位置；

其中，基于超宽带的分布式异步定位方法应用于包括至少一个信标和至少一个标签的系统，各信标之间相互独立，并且每一个信标的布设位置固定。

本发明实施方式相对于现有技术而言，各信标之间相互独立，彼此间不需要任何的通信连接，不用实现同步机制，没有地理位置或者空间的限制。标签在需要获取自身的位置时，与周围的信标进行通信应答，采用三向测距算法获得与信标间的距离，并采用特定的定位算法实现自身定位，这也称为用户侧定位。整个异步定位系统结构灵活，几乎不受任何拓扑结构限制，布设、维护简单。

另外，基于超宽带的分布式异步定位系统还包括定位服务器和路由器；定位服务器与每一个信标通过路由器建立通信连接；每一个信标将自身与标签之间的距离上报到定位服务器；定位服务器筛选出满足第一条件的标签，计算得到标签的位置；其中，第一条件为至少一个信标上报了与标签之间的距离。通过定位服务器进行定位的模式，称为网络侧定位，使得对于系统内所有标签的统一监管和跟踪成为可能。

另外，基于超宽带的分布式异步定位系统还包括可选的观测点；观测点本身不参与标签和信标之间的通信应答，只用于监听标签和信标之间的通信数据，通过分析这些通信数据来获得标签的位置。通过观测点进行定位的模式，称为第三方定位。第三方定位机制使一定区域内标签位置的监管和跟踪方式更加灵活。

另外，基于超宽带的分布式异步定位系统还包括可选的云端连接；云端可以有线或者无线的方式与观测点或定位服务器建立通信连接，从观测点或定位服务器获取标签的位置数据，并分享给与云端相连接的其它各类设备和终端，使得标签位置信息的远程访问成为可能。

另外，异步定位过程中，标签发送测距请求前需进行防碰撞检测。在标签的信号覆盖范围内不存在碰撞时，标签发送测距请求。防碰撞检测，可以有效地避免标签信号之间的冲突，提高测距成功率，节约无线信道资源，从而增加系统容量。

另外，在信标反馈响应之前，还包括：信标进行信号侦听，并进行接收窗口调整；在检测到来自标签的测距请求之后，信标锁定与标签的通信，并反馈响应；在测距周期完成之后，信标解除与标签的通信锁定。标签锁定，“锁定”的含义是指针对性的仅对某一个标签进行通信交互，而忽略同一时段内其它标签的所有信号，防止信号的冲突。在捕获标签信号后进行接收窗口调整，以达到最佳接收效果。

另外，在每次反馈响应的同时，信标均进行钟差补偿。钟差补偿，将本地时钟尽量同步到标签时钟即时频率上，以保证测距精度。

附图说明

图1是根据本发明背景技术中同步实时定位系统的示意图；

图2是根据本发明第一实施方式的一种基于超宽带的分布式异步定位系统的用户侧定位示意图；

图3是根据本发明第二实施方式的一种基于超宽带的分布式异步定位系统的网络侧和用户侧定位示意图；

图4是根据本发明第三实施方式的一种基于超宽带的分布式异步定位系统的第三方定位示意图；

图5是根据本发明第四实施方式的一种基于超宽带的分布式异步定位系统的带有云端的网络侧和用户侧定位示意图；

图6是根据本发明第四实施方式的一种基于超宽带的分布式异步定位系统的带有云端的第三方定位示意图；

图7是根据本发明第五实施方式的一种基于超宽带的分布式异步定位方法的标签执行流程图；

图8是根据本发明第五实施方式的一种基于超宽带的分布式异步定位方法的信标执行流程图；

图9是根据本发明第六实施方式的一种基于超宽带的分布式异步定位方法的观测点执行流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种基于超宽带的分布式异步定位系统。具体示意图如图2所示，包括：至少一个信标201和至少一个标签205。

具体地说，各信标201至204之间相互独立，并且每一个信标的布设位置固定；在需要获取自身的位置时，标签205发送定位请求，在获得其信号覆盖范围内的信标响应后，采用三向测距算法，获取标签205与各个信标201至204之间的距离，当标签205获得与至少一个信标之间的距离之后，标签205计算得到自身的位置，即用户侧定位。

本实施例中的标签可以是移动终端电子设备，例如，手机、智能平板、智能手表等，并且，脉冲无线电超宽带(Impulse Radio-Ultra Wideband，简称“IR-UWB”)是一种无载波通信技术，有抗干扰性强等优点。

在本实施方式中，各信标201至204布设位置固定，彼此之间无需通信，因此拓扑布局不受地理位置和空间因素的限制。标签在需要获取自身位置时，才发送定位请求，可以节省功耗。

值得一提的是，当标签205获得与至少一个信标201之间的距离之后，标签205计算自身位置时，可以根据具体情况采用以下四种定位算法之一：

(1)若标签仅仅获得与一个信标之间的距离，则计算自身位置时，采用原点小区(Cell of Origin，简称“COO”)定位方法。COO定位是一种单点定位，即根据标签与一个信标(例如201)间的距离，以及信标的位置来确定标签自身的位置。标签205的可能位置在以信标201为球心、标签205与信标201之间的距离为半径的球面上。

(2)若标签获得与两个信标(例如201、204)之间的距离，计算自身位置时，根据球面相交原理，标签205可能位置处于以信标201为球心、以标签205与信标201之间的距离为半径的第一球面和以信标204为球心、以标签205与信标204之间的距离为半径的第二球面的相交曲线上。

(3)若标签可获得与三个信标(例如201、203、204)之间的距离，则计算自身位置时，可先将各信标投影到标签所在水平面上。之后，通过标签205与各信标投影之间的距离关系，构建联立的二元方程组并采用最小二乘法对标签当前位置进行最优估计，得到标签205在所在水平面上的二维坐标值。

(4)若标签可获得与四个或四个以上信标(例如201、202、203、204等)之间的距离，则计算自身位置时，通过标签205与各信标之间的距离关系，构建联立的三元方程组并采用最小二乘法对标签当前位置进行最优估计，从而得到标签205的三维坐标值。

本实施方式中，标签通过三向测距算法获得与一个或多个信标之间的距离，根据所获得信标距离的个数，选取上述四种算法中对应的算法进行计算，获取自身的位置信息。不同的定位算法所获得的最终定位精度存在差别。

本实施方式相对于现有技术而言，主要区别及效果在于：各信标之间相互独立，彼此之间不需要任何的通信或同步机制，且没有地理位置的限制；各信标布设位置固定，系统工作期间不可移动，且信标位置对于系统内所有设备均为已知；标签需要自身定位时，通过三向测距算法取得与周围信标间的距离，并采用相应的定位算法计算得到自身的位置，实现用户侧定位。本实施方式下的整个定位系统结构灵活，易于拓展，布设、维护简单。

本发明的第二实施方式涉及一种基于超宽带的分布式异步定位系统。第二实施方式在第一实施方式基础上作了进一步改进，主要改进之处在于：在本发明第二实施方式中，基于超宽带的分布式异步定位系统还包括定位服务器和路由器。定位服务器经路由器与信标相连接，它通过获取区域内所有信标上报的测距信息，实现了对于区域内标签的实时网络侧定位。

具体地说，如图3所示，定位服务器101通过路由器102与区域内信标302至305建立通信连接，路由器与信标之间的通信连接可为有线或者无线；每一个信标将自身获得的标签测距信息上报到定位服务器101。以标签306为例，若定位服务器101从信标处获得的有关标签306的距离信息满足第一条件，即可计算得到标签306的位置。其中，第一条件为至少一个信标(比如302至305中的至少一个)上报了与标签306之间的距离。定位服务器只要获取到至少一个信标上报的其与标签306之间的距离，就可以通过本发明第一实施方式中的定位算法，计算出标签306的位置，即网络侧定位。

本实施方式相对于现有技术而言，主要区别及效果在于：目前绝大多数的定位系统只能支持单一的网络侧或者用户侧定位模式，而本实施方式可以在不增加额外通信网络的情况下同时支持网络侧和用户侧双向实时定位，精简了定位系统的整体结构设计，有效降低了系统成本。

本发明的第三实施方式涉及一种基于超宽带的分布式异步定位系统。第三实施方式在第一实施方式基础上作了进一步改进，主要改进之处在于：在本发明第三实施方式中，本实施方式的系统还包括观测点设备。观测点可获取其周围标签的即时位置，实现第三方定位，丰富了系统定位模式，方便了区域监控等实际应用需求。

具体的说，如图4所示，本实施方式的基于超宽带的分布式异步定位系统还包括观测点401；观测点401监听标签(比如305、306)和信标(比如302、303、304)之间的通信数据，并利用这些数据计算出标签与相应信标之间的即时距离，从而采用相应的定位算法计算得到标签的当前位置，即第三方定位。

本实施方式相对于现有技术而言，主要区别及效果在于：观测点属于系统可选项，本身并不参与标签和信标之间的测距请求与应答流程，存在与否对系统其它设备没有任何影响。引入观测点设备后实现的第三方定位，丰富了系统定位模式，方便了区域监控等实际应用需求。

本发明的第四实施方式涉及一种基于超宽带的分布式异步定位系统。第四实施方式是第二、三实施方式的进一步改进，主要改进之处在于：在本发明第四实施方式中，基于超宽带的分布式异步定位系统还包括云端，如图5、图6所示，分别对应实施方式二和三中图3、图4基础上的进一步改进。

具体地说，云端与观测点或定位服务器建立通信连接，从观测点或定位服务器获取标签的位置。本实例中的云端，是采用应用程序虚拟化技术的软件平台，通过远程调用或任何与云端建立连接的设备都可以通过某种方式从云端获得定位数据。

图5中，云端502与定位服务器101建立连接，从定位服务器101获取标签507、508的位置，并且，在定位服务器101获取标签507、508的定位信息同时，标签507、508也可以自主计算获取自身的定位信息。图6中，云端502与观测点401建立连接，从观测点401获取标签606、607的位置。

本实施方式相对于现有技术而言，主要区别及效果在于：实现多种设备从云端获取标签定位数据，定位信息通过网络(局域网、互联网或物联网等)传播，使远程访问成为可能，获取和分享方式更加灵活多样。

本发明第五实施方式涉及一种基于超宽带的分布式异步定位方法，该方法应用于包括至少一个信标和至少一个标签的系统，各信标之间相互独立，并且每一个信标的布设位置固定。其中，标签执行的具体流程如图7所示，包含：

步骤701：防碰撞检测。

具体地说，一个区域内，可能有多个标签，在本标签发送请求之前，要先检查通信信道中是否有信号正在传输。如果有，说明该区域范围内的某个其它标签正在进行测距交互，此时本标签选择避让，即等待一段时长后再次进行防碰撞检测。直到未发现碰撞时，进入步骤702中，继续执行下一步操作。其中，避让等待的时长长短可以作为参数设置。

步骤702：发送测距请求。

具体地说，标签要测量与附近信标的精确距离，首先需要建立与信标的通信连接。当标签通过防碰撞检测后，即，当标签检测不到周围正在通信的其它同类信号时，随即广播自己的测距请求，以便周围的信标侦测。

步骤703：判断是否获得信标响应。

具体地说，如果标签获得其信号覆盖范围内的信标响应，则进入步骤704中，否则，继续执行本步骤。

步骤704：测距交互。

具体的说，在标签获得信标响应后，根据特定的三向测距算法，标签和对应信标测算出彼此之间的精确距离。此距离值由标签和信标各自计算得出。当周围有多个信标回复标签时，标签按照一定的顺序与这些信标一一完成三向测距操作。

步骤705：判断标签是否获得与至少一个信标之间距离。

具体地说，如果标签获得与至少一个信标之间的距离，就进入步骤706中，否则，进入步骤704中，重新进行距离的获取操作。

步骤706：计算标签位置。

具体地说，当标签获得与至少一个信标之间的距离之后，标签计算得到自身的位置，其中，标签可以根据实施方式一中的定位算法，进行标签位置的计算，从而得到自身的定位信息。

需要说明的是，在步骤701、703、705中，均设有超时退出机制，也就是说，在大于预设时长内，标签一直未能获得执行下一步骤的条件时，则标签放弃本次定位操作，释放信道资源。

在定位过程中，信标侧也会执行相应的操作步骤，具体流程如图8所示，其包括：

步骤801：信号侦测。

具体地说，在未与任何标签进行测距应答交互时，信标保持对信道上有效信号的持续侦测。标签的有效信号以数据包的形式出现，如果信标侦测到有效信号，则进入下一步骤。

步骤802：接收窗口调整。

具体地说，信标根据一定的接收窗口调整算法，对自身接收窗口的时间位置进行持续微调，确保信标能够成功获取完整的标签数据包，达到最佳双向通信效果。

步骤803：判断标签请求内容是否为测距请求。

具体地说，信标获取完整的标签数据包后，解析其中的内容，判断是否为标签的测距请求。如果是标签测距请求，则执行步骤804；否则返回步骤801，继续侦测标签信号。

步骤804：钟差补偿。

具体地说，信标根据一定的钟差检测和补偿算法，调整本地时钟以适应标签时钟的频率变化。有效的钟差检测和补偿算法，是信标和标签之间测距精度的可靠保证。

步骤805：测距交互。

具体地说，在检测到来自标签的测距请求，并进行钟差补偿之后，信标根据一定的三向测距算法与标签进行测距交互，完成彼此之间的距离测算。

步骤806：测距完成。

具体地说，与标签之间的三向测距结束后，信标随即完成对于所得距离值的后处理，并返回至步骤801信号侦测状态。

需要说明的是，标签执行流程图中的步骤704和信标执行流程图中的步骤805共同组成了本系统中所设计的三向测距算法，通过此三向测距算法，标签和信标可以分别自主计算出彼此之间的精确距离。

本实施方式相对于现有技术而言，主要区别及效果在于：各信标之间相互独立，彼此间不需要任何的通信连接，不用实现同步机制，没有地理位置或者空间的限制。标签在需要获取自身的位置时，与周围的信标进行通信应答，采用三向测距算法获得与信标间的距离，并采用特定的定位算法实现自身定位，即用户侧定位。与此同时，测距交互过程中信标计算得到的与不同标签之间的距离信息，也可汇总到后端定位服务器，直接用于网络侧定位。整个异步定位系统结构灵活，几乎不受任何拓扑结构限制，布设、维护简单。

不难发现，本实施方式为与第一实施方式和第二实施方式相对应的方法实施例，本实施方式可与第一实施方式和第二实施方式互相配合实施。第一实施方式和第二实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式和第二实施方式中。

本发明第六实施方式涉及一种基于超宽带的分布式异步定位方法，第六实施方式在第五实施方式基础上作了进一步改进，主要改进之处在于，在本第六实施方式中，添加了观测点获取标签定位信息，其中，观测点执行流程如图9所示，包含：

步骤901：信号侦测。

具体地说，观测点对信道上有效信号持续侦测。有效信号包括标签和信标所发的数据包。如果观测点侦测到有效信号，则进入下一步骤。

步骤902：接收窗口调整。

具体地说，观测点根据一定的接收窗口调整算法，对自身接收窗口的时间位置进行持续微调，确保信标能够成功获取完整的标签或者信标数据包，以达到最佳的信号接收效果。

步骤903：判断信号内容是否为测距请求或测距交互。

具体地说，观测点截获完整的数据包后，解析其中的内容是否为标签的测距请求或者标签与信标之间的数据交互。如果是，则执行步骤904；否则返回步骤901，继续侦测有效信号。

步骤904：测距交互期间持续监听。

具体地说，在观测点侦测到测距请求或测距交互之后，持续监听标签与信标之间的测距交互信息，并根据特定的三向测距算法，对测距交互信息进行分析，提取出关键数据，用于计算标签与相应信标之间的距离。

步骤905：计算标签位置。

具体地说，当观测点获得标签与至少一个信标之间的距离之后，观测点可以根据已知的信标坐标，采用实施方式一中的定位算法，计算得到标签的位置。

步骤906：定位完成。

具体地说，观测点完成对标签定位过程的持续监听，并通过分析测距交互信息完成标签位置计算后，将返回至步骤901信号侦测状态。

此外，需要说明的是，在观测点的整个运行过程中，观测点本身不会发送任何信号，只是保持持续监听，因此对于除观测点之外的系统设备运行没有任何干扰或影响。

本实施方式相对于现有技术而言，主要区别及效果在于：观测点属于系统可选项，本身并不参与基站和信标之间的测距请求与应答流程，存在与否对系统其它设备没有任何影响。引入观测点设备后实现的第三方定位，丰富了系统定位模式，方便了区域监控等实际应用需求。

由于第三实施方式与本实施方式相互对应，因此本实施方式可与第三实施方式互相配合实施。第三实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，在第三实施方式中所能达到的技术效果在本实施方式中也同样可以实现，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第三实施方式中。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。