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 signalstrength,简称RSS)、信号到达时间方法(time of arrival,简称TOA)、信号到达时间差方法(time difference of arrival,简称TDOA)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。TOA和TDOA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。TOA方案通常需要锚节点与标签间的时间同步，TDOA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，建设与维护成本升尚O
【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简单高效地实现标签被动定位的方法。
[0004]假设，区域内有N个锚节点，以Α(1)，”.Α(Ν)来代表，每个锚节点具备固定坐标值。每个锚节点具备唯一的标识。区域内有一个固定位置标签和多个移动标签。使用MO代表固定位置标签，使用Ml代表移动标签。固定位置标签具备固定坐标值。以下所称“设备”表示销节点或标签。
[0005]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3个特征:1)可以被一定范围内的标签所接收；2)包含自身标识；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。
[0006]使用TmOai表示MO接收到A(i)所发出的定位请求广播包的相对于MO本地时钟的准确到达时间，使用Tmlai表示Ml接收到A(i)所发出的定位请求广播包的相对于Ml本地时钟的准确到达时间，并以此类推。使用Xai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FmOai表示A(i)所发出的信号到达MO所需要的时间，对于无线载波通信设备来说，该值表示无线信号从A(i)天线相位中心到达MO天线相位中心所需要的时间。FmOai该值可以认为是A(i)与MO之间距离除以信号传播速度。使用Fmlai表示A(i)所发出的信号到达Ml所需要的时间，并以此类推。使用RmO表示MO接收器件延迟，对于无线载波通信设备来说，该值表示无线信号从MO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。使用Rml表示Ml接收器件延迟，并以此类推。
[0007]TmOa1- TmOaj表示A(i)和A(j)所发出定位广播包到达MO的时间差，该时间差基于MO的时钟计算。与此类似，Tmla1- Tmlaj表示A(i)和A(j)所发出定位广播包到达Ml的时间差，该时间差基于Ml的时钟计算。
[0008]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。
[0009]本发明的技术方案具体是这样实现的，包括如下步骤:
步骤1:
区域内部署多个固定坐标的锚节点和一个固定坐标的固定位置标签。
[0010]步骤2:
锚节点发出定位广播包。
[0011]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)，各个锚节点按照一定顺序或随机顺序发出定位广播包。
[0012]步骤3:
固定位置标签和移动标签接收到各个锚节点所发出的定位广播包，得到发送锚节点标识，计算出该定位广播包相对于本地时钟的准确到达时间。
[0013]步骤4:
固定位置标签将经过步骤3所得到的发送锚节点标识和该锚节点所发出定位广播包相对于固定位置标签本地时钟的准确到达时间，发送给各个移动标签。
[0014]根据具体应用情况，固定位置标签可以累计一段时间，接收并计算出多个锚节点所发出定位广播包的准确到达时间后，将上述多个锚节点标识和所对应的定位广播包准确到达时间发送给各个移动标签，也可以每接收到一个锚节点所发出定位广播包后，将该锚节点标识和所发出定位广播包准确到达时间发送给各个移动标签。
[0015]步骤5:
各个移动标签接收到固定位置标签经过步骤4所发出的信息后，结合本移动标签经过步骤3所得到的锚节点标识和该锚节点所发送定位广播包相对于本移动标签的准确到达时间，生成以移动标签坐标值为变量的方程组，并进一步计算出移动标签的坐标值。
[0016]以固定位置标签MO，移动标签Ml和两个锚节点A (i)，A (j)为例，有如下等式: TmOa1- TmOaj = Xai + FmOai + RmO - Xaj - FmOaj - RmO，等式 I ;
Tmla1- Tmlaj = Xai + Fmlai + Rml - Xaj - Fmlaj - Rml，等式 2 ；
式中，TmOai表示固定位置标签MO接收到锚节点A (i)所发出定位广播包相对于MO本地时钟的准确到达时间，TmOaj表示MO接收到A(j)所发出定位广播包相对于MO本地时钟的准确到达时间。Tmlai表示移动标签Ml接收到A(i)所发出定位广播包相对于Ml本地时钟的准确到达时间，Tmlaj表示Ml接收到A(j)所发出定位广播包相对于Ml本地时钟的准确到达时间。Xai表示A(i)发出定位广播包的绝对时间，Xaj表示A(j)发出定位广播包的绝对时间。FmOai表示A(i)所发出信号到达MO所需要的时间，对于无线载波通信设备来说，该值表示无线信号从A(i)天线相位中心到达MO天线相位中心所需要的时间。FmOai该值可以认为是A(i)与MO之间距离除以信号传播速度。FmOaj表示A(j)所发出信号到达MO所需要的时间，Fmlai表示A(i)所发出信号到达Ml所需要的时间，Fmlaj表示A(j)所发出信号到达Ml所需要的时间。RmO表示MO接收器件延迟，对于无线载波通信设备来说，该值表示无线信号从MO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。Rml表示Ml接收器件延迟。TmOa1- TmOaj表示A (i)和A (j)所发出定位广播包到达MO的时间差，该时间差基于MO的时钟计算。与此类似，Tmla1- Tmlaj表示A⑴和A(j)所发出定位广播包到达Ml的时间差，该时间差基于Ml的时钟计算。注意到，等式I和等式2中，RmO和Rml分别被抵消掉。
[0017]由等式1-等式2，可得:
(TmOa1- TmOaj) - (Tmla1- Tmlaj) = (FmOa1- FmOaj) - (Fmla1- Fmlaj)，等式3 ;
等式3整理后得到:
Fmla1- Fmlaj = (FmOa1- FmOaj) - (TmOa1- TmOaj) + (Tmla1- Tmlaj)，等式4 ；
其中FmOa1- FmOaj表示A(i)与A(j)所发出信号到达MO的时间差，由于A(i)，A(j)，M0具备固定坐标，故可以分别计算出A(i)与A(j)到达MO的距离，并进而计算出距离差，将该距离差除以信号传播速度即可以计算出FmOa1- FmOaj。
[0018]等式4左侧是两个锚节点所发出信号到达移动标签的时间差，是以移动标签坐标值为变量的函数，右侧是已知值和实测值。
[0019]同理可以求出，区域内任意两个锚节点所发出信号到达移动标签的时间差。
[0020]假设区域内有N个锚节点，对于每个移动标签有N*(N_l)/2个上述形式的方程。可以精简为，以其中一个锚节点为参照锚节点，计算其余N-1个锚节点所发出信号到达移动标签的时间与参照锚节点所发出信号到达移动标签的时间差，生成N-1个以移动标签坐标值为变量的方程，组成方程组。求解方程组，即可计算出移动标签的坐标值。
[0021]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。
【具体实施方式】
[0022]本发明所述的方法的核心思想是按照
【发明内容】
中所述5个步骤，生成以移动标签坐标值为变量的方程组，并进一步求出移动标签的坐标。
[0023]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。
[0024]步骤1:
区域内部署多个固定坐标的锚节点和一个固定坐标的固定位置标签。其实现方式为公知的方法，在此不再说明。
[0025]步骤2:
锚节点发出定位广播包。
[0026]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)锚节点按照一定顺序或随机顺序发出定位广播包；
锚节点所发出的定位广播包，可以采用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，f0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O ; 各个锚节点可以采用CSMA/CD (载波侦听多路访问/碰撞检测)方式，共享无线信道。
[0027]步骤3:
固定位置标签和移动标签接收到各个锚节点所发出的定位广播包，得到发送锚节点标识，计算出该定位广播包相对于本地时钟的准确到达时间。
[0028]固定位置标签和移动标签可以借鉴LFMCW (线性调频连续波)雷达技术，计算出所接收到的