超宽带室内定位方法与系统技术方案

本发明专利技术提供一种超宽带室内定位方法与系统，确定目标节点固定于待定位目标，至少三个锚节点不共线固定于室内任意位置，分别记录目标节点发送信号至锚节点的目标节点本地时间和锚节点反馈至目标节点的目标节点本地时间，并且在至少两次信号发送过程采用间隔相同预设时间方式，巧妙的避开传统距离计算过程中锚节点与目标节点间需要时间同步的问题，实现对信号传播时间的异步测量，提高锚节点与目标节点之间距离计算的精度，进而实现对目标节点(待定位目标)的准确定位。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及超宽带与定位
，特别是涉及超宽带室内定位方法与系统。
技术介绍
随着信息技术的发展，基于位置的服务正在生活变得越来越重要。室外有车辆、船舶和建筑物等的定位需求，室内也有各种机器人、仪器设备和仓储货物等的定位需求，这些都极大的促进了定位技术的发展。定位技术分为室外定位技术和室内定位技术。室外定位技术中应用最广泛的是GPS，定位精度达到5-20m，但卫星信号不能穿透水泥墙壁，导致GPS在室内定位中的精度很差，因此必须开发新的技术来用于室内定位。常用的室内定位技术有WIFI技术、ZigBee技术、RFID(RadioFrequencyIDentification，射频识别)技术以及超宽带技术等。其中，WIFI技术和ZigBee技术的定位精度较低，一般为3-20m，对于室内定位而言，这样的精度太低，不实用。另外，WIFI定位还很容易受到环境中其他WIFI信号的干扰，进一步影响精度。RFID技术的定位精度可以达到1-2m，但是要求标签的密度必须足够大，铺设系统和管理都很麻烦，而且成本高。而超宽带技术的定位精度可以达到厘米级，定位精度高，抗干扰能力强，并且不需布设大量节点，从而成为室内定位的热门技术。已有的超宽带室内定位系统一般采用估计信号到达时间的方式来完成测距，进一步计算出目标的坐标。因此，二维的平面定位系统至少需要三个固定锚节点才能完成定位，三维的空间定位系统至少需要四个固定锚节点才能实现，这样，从二维定位到三维定位需要增加一个节点，这增加了系统的成本的复杂度。另外，由于各个节点间是独立的，因此在时间上是不同步的，即异步的，这给估计信号到达时间带来了麻烦，若采用数据线将各锚节点连接起来实现同步，则会增加系统的复杂度和成本。并且，不同的节点，晶振的频率也有偏差，这也会降低估计信号到达时间的准确度，从而降低定位精度。
技术实现思路
基于此，有必要针对一般宽带室内定位方法复杂且精度低的问题，提供一种简单且定位精度高的超宽带室内定位方法与系统。一种超宽带室内定位方法，包括步骤：确定目标节点和至少三个锚节点，其中，目标节点固定于待定位目标，至少三个锚节点不共线固定于室内任意位置；控制目标节点与每个锚节点至少进行两次回程通信，并当目标节点和锚节点收到信号时等待预设时间再发出信号，分别记录目标节点发出信号和接收到信号的目标节点本地时间以及每个锚节点发出信号和接收到信号的锚节点本地时间；根据目标节点发出信号和接收到信号的目标节点本地时间以及每个锚节点发出信号和接收到信号的锚节点本地时间，分别计算至少三个锚节点与目标节点之间的距离，获得距离计算结果；根据距离计算结果，确定目标节点位置。一种超宽带室内定位系统，包括：确定模块，用于确定目标节点和至少三个锚节点，其中，目标节点固定于待定位目标，至少三个锚节点不共线固定于室内任意位置；时间记录模块，用于控制目标节点与每个锚节点至少进行两次回程通信，并当目标节点和锚节点收到信号时等待预设时间再发出信号，分别记录目标节点发出信号和接收到信号的目标节点本地时间以及每个锚节点发出信号和接收到信号的锚节点本地时间；距离计算模块，用于根据目标节点发出信号和接收到信号的目标节点本地时间以及每个锚节点发出信号和接收到信号的锚节点本地时间，分别计算至少三个锚节点与目标节点之间的距离，获得距离计算结果；位置确定模块，用于根据距离计算结果，确定目标节点位置。本专利技术超宽带室内定位方法与系统，确定目标节点固定于待定位目标，至少三个锚节点不共线固定于室内任意位置，分别记录目标节点发送信号至锚节点的目标节点本地时间和锚节点反馈至目标节点的目标节点本地时间，并且在至少两次信号发送过程采用间隔相同预设时间方式，巧妙的避开传统距离计算过程中锚节点与目标节点间需要时间同步的问题，实现对信号传播时间的异步测量，提高锚节点与目标节点之间距离计算的精度，进而实现对目标节点(待定位目标)的准确定位。附图说明图1为本专利技术超宽带室内定位方法第一个实施例的流程示意图；图2为本专利技术超宽带室内定位方法其中一个应用实例中目标节点和至少三个锚节点位置示意图；图3为本专利技术超宽带室内定位方法第二个实施例的流程示意图；图4为本专利技术超宽带室内定位系统第一个实施例的结构示意图；图5为本专利技术超宽带室内定位系统第二个实施例的结构示意图；图6为改进型TOA三边定位法计算原理空间几何示意图；图7为回程测距方法的原理示意图。具体实施方式如图1所示，本专利技术超宽带室内定位方法包括步骤：S200：确定目标节点和至少三个锚节点，其中，目标节点固定于待定位目标，至少三个锚节点不共线固定于室内任意位置。如图2所示，目标节点固定于待定位目标，至少三个锚节点(图2中仅绘制出三个锚节点)不共线固定于室内任意位置(图2中三个锚节点分别固定于室内三个墙角)。S400：控制目标节点与每个锚节点至少进行两次回程通信，并当目标节点和锚节点收到信号时等待预设时间再发出信号，分别记录目标节点发出信号和接收到信号的目标节点本地时间以及每个锚节点发出信号和接收到信号的锚节点本地时间。信号发出并收到反馈信号记为一次回程通信，目标节点与锚节点之间进行至少两次回程通信是指目标节点向锚节点发送至少两次信号，并且目标节点接收到发出信号次数等同次数的单个锚节点发出的反馈信号。需要指出的是，每次回程通信过程中目标节点发出的信号可以不相同。控制目标节点与每个锚节点至少进行两次回程通信，并在进行回程通信过程中，无论是目标节点还是锚节点在接收到信号后需等待预设时间后再发出信号，记录整个回程通信过程中，目标节点发出信号和接收到信号的目标节点本地时间、锚节点发出信号和接收到信号的锚节点本地时间，由于目标节点的时间记录是基于目标节点本地时间而锚节点的时间记录是基于锚节点本地时间，基于不同的时间记录，在距离计算过程中锚节点与目标节点间无需时间同步即可实现高精度定位。在步骤S400中，针对每个锚节点与目标节点之间进行回程通信过程中的时间分别记录，以便在后续过程中，单独计算每个锚节点与目标节点之间距离。一般来说，预设时间的目的是留出足够的时间给锚节点来处理接收的测试信息帧和准备好回复信息帧，预设时间并没有绝对的值，要视节点超宽带收发机的处理速度，只要时间足够给锚节点来处理就可以。下面以目标节点与1号锚节点之间进行两次回程通信为例详细解释步骤S40本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超宽带室内定位方法，其特征在于，包括步骤：确定目标节点和至少三个锚节点，其中，所述目标节点固定于待定位目标，所述至少三个锚节点不共线固定于室内任意位置；控制所述目标节点与每个所述锚节点至少进行两次回程通信，并当所述目标节点和所述锚节点收到信号时等待预设时间再发出信号，分别记录所述目标节点发出信号和接收到信号的目标节点本地时间以及每个所述锚节点发出信号和接收到信号的锚节点本地时间；根据所述目标节点发出信号和接收到信号的目标节点本地时间以及每个所述锚节点发出信号和接收到信号的锚节点本地时间，分别计算所述至少三个锚节点与所述目标节点之间的距离，获得距离计算结果；根据所述距离计算结果，确定所述目标节点位置。

【技术特征摘要】
1.一种超宽带室内定位方法，其特征在于，包括步骤：
确定目标节点和至少三个锚节点，其中，所述目标节点固定于待定位目标，
所述至少三个锚节点不共线固定于室内任意位置；
控制所述目标节点与每个所述锚节点至少进行两次回程通信，并当所述目
标节点和所述锚节点收到信号时等待预设时间再发出信号，分别记录所述目标
节点发出信号和接收到信号的目标节点本地时间以及每个所述锚节点发出信号
和接收到信号的锚节点本地时间；
根据所述目标节点发出信号和接收到信号的目标节点本地时间以及每个所
述锚节点发出信号和接收到信号的锚节点本地时间，分别计算所述至少三个锚
节点与所述目标节点之间的距离，获得距离计算结果；
根据所述距离计算结果，确定所述目标节点位置。
2.根据权利要求1所述的超宽带室内定位方法，其特征在于，所述控制所
述目标节点与每个所述锚节点至少进行两次回程通信，并当所述目标节点和所
述锚节点收到信号时等待预设时间再发出信号，分别记录所述目标节点发出信
号和接收到信号的目标节点本地时间以及每个所述锚节点发出信号和接收到信
号的锚节点本地时间的步骤包括：
控制所述目标节点发送第一信号至所述锚节点，并记录所述目标节点发送
所述第一信号的目标节点本地时间为第一时间t1；
记录所述锚节点接收到所述第一信号的锚节点本地时间为第二时间t2，控制
所述锚节点等待预设时间T后发送第一反馈信号至所述目标节点，并记录所述锚
节点发送所述第一反馈信号的锚节点本地时间为第三时间t3；
记录所述目标节点接收到所述第一反馈信号的目标节点本地时间为第四时
间t4，等待所述预设时间T后，控制所述目标节点发送第二信号至所述锚节点，
并记录所述目标节点发送所述第二信号的目标节点本地时间为第五时间t5；
记录所述锚节点接收到所述第二信号的锚节点本地时间的为第六时间t6；
重复上述步骤，分别记录每个所述锚节点发出信号和接收到信号的锚节点
本地时间。
3.根据权利要求2所述的超宽带室内定位方法，其特征在于，所述根据所

\t述目标节点和所述锚节点发送信号和接收到信号的时间以及所述预设时间，分
别计算所述至少三个锚节点与所述目标节点的距离，获得距离计算结果的步骤
包括：
根据所述目标节点与每个所述锚节点对应的所述第一时间t1、所述第二时间
t2、所述第三时间t3、所述第四时间t4、所述第五时间t5以及所述第六时间t6，计
算信号在所述目标节点与单个所述锚节点之间单次传输所需的传输时间TOF；
将所述传输时间TOF乘以光速，获得每个所述锚节点与所述目标节点的距离；
其中，所述传输时间TOF的计算公式为：
TOF＝((t4-t1)-(t3-t2)+(t6-t3)-(t5-t4))/4。
4.根据权利要求1或2所述的超宽带室内定位方法，其特征在于，所述控
制所述目标节点与所述锚节点至少进行两次回程通信，当所述目标节点和所述
锚节点收到信号后等待预设时间再发出信号，记录所述目标节点和所述锚节点
发送信号和接收到信号的时间的步骤之前还包括：
调整所述目标节点位置，以使所述目标节点固定于所述待定位目标的顶部。
5.根据权利要求1或2所述的超宽带室内定位方法，其特征在于，所述锚
节点数量为三个，所述根据所述距离计算结果，确定所述目标节点位置的步骤
包括：
测量所述目标节点与所述室内顶部的距离为h；
根据所述距离计算结果，获取所述三个锚节点与所述目标节点的距离分别
为d1、d2以及d3；
建立空间坐标系，获取所述三个锚节点的位置，根据改进的TOA三边定位
公式，确定所述目标节点位置；
所述改进的TOA三边定位公式为：
(x-x1)2+(y-y1)2=d12-h2(x-x2)2+(y-y2)2=d22-h2(x-x3)2+(y-y3)2=d32-h2z=h]]>其中，(x1，y1，z1)、(x2...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭洪舟，叶威，李宇，陈荣军，
申请(专利权)人：广东顺德中山大学卡内基梅隆大学国际联合研究院，中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44