一种结合TDOA与TOF的超宽带通信二维定位方法技术

本发明专利技术公开了一种结合TDOA与TOF的超宽带通信二维定位方法，属于移动无线通信及位置的服务技术领域，包括确定三个基站的位置坐标以及主基站分别到所述第一从基站和第二从基站的距离；标签依次广播Poll请求帧、接收主基站发送的Response回复帧以及广播Final终止帧，获取标签从广播Poll请求帧至Final终止帧发送完成过程中的时间戳信息；根据时间戳信息，计算主基站到标签的距离dMA,T；利用时间戳信息、dMA,T、三个基站的位置坐标以及主基站分别到所述第一从基站和第二从基站的距离，计算标签的坐标。本发明专利技术克服传统方法在时间不对称的情况下的测距误差，有效地提升TDOA定位方法的精确性。

A Two-Dimensional Location Method for UWB Communication Based on TDOA and TOF

【技术实现步骤摘要】
一种结合TDOA与TOF的超宽带通信二维定位方法
本专利技术涉及移动无线通信及位置的服务
，特别涉及一种结合TDOA与TOF的超宽带通信二维定位方法及系统。
技术介绍
近年来，位置服务的相关技术和产业正从室外向室内发展，催生出一系列的无线定位技术RFID、WIFI、ZigBee、蓝牙、超声波、红外线等。但是这些定位技术普遍存在定位精度不高，易受环境影响，适用场景单一等问题，无法满足当今高精度定位的需求。但是UWB(UltraWideband,超宽带)技术具有时间分辨率高，穿透力强，抗多径衰弱能力和抗干扰能力强的特点，能有效提升定位服务的性能。由于UWB技术的高时间分辨率的特性，业内一般采用TOA(TimeofArrival，到达时刻)或TDOA(TimeDifferenceofArrivalm，到达时间差)的方案来完成定位。为了避免标签与基站之间高难度的时钟同步，一般采用ADS-TWR(AsymmetricDoubleSidedTwo-WayRanging，内三角形质心算法)的方法来测量移动标签到每一个基站的距离，再通过TOA方法完成定位。这种方法精度很高，但是一次定位所需的定位帧数过多(是多次测距过程的累加)，导致这种方法扩展性能很差；而且ADS-TWR定位方法要求较严格的对称时间，非对称时间将带来较大误差，进一步限制了TOA系统的扩展。另外，TDOA方案需要基站之间严格的时钟同步，通过计算标签信号达到各个基站之间的时间差来完成位置的解算，其优点在于定位速度快，但是TDOA方法的误差受基站时钟同步精度、基站位置摆放、标签位置等的影响，导致定位误差较大。而且时钟同步的要求使得TDOA方案的扩展性仍然较差，不能够大规模铺设。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述
技术介绍
存在的缺陷，以提高二维定位精度。为实现以上目的，采用一种结合TDOA与TOF的超宽带通信二维定位方法，用于对定位区域内的UWB移动标签的进行定位，定位区域为不共线布置的三个基站的通信范围的交集，该三个基站分别为主基站、第一从基站和第二从基站，包括：根据所述三个基站的布置位置，确定所述三个基站的位置坐标以及所述主基站分别到所述第一从基站和第二从基站的距离；利用所述UWB移动标签依次广播Poll请求帧、接收所述主基站发送的Response回复帧以及广播Final终止帧，获取所述UWB移动标签从广播Poll请求帧至Final终止帧发送完成过程中的时间戳信息；根据所述时间戳信息，计算所述主基站到所述UWB移动标签的距离dMA,T；利用所述时间戳信息、所述dMA,T、所述三个基站的位置坐标以及所述主基站分别到所述第一从基站和第二从基站的距离，计算所述UWB移动标签的坐标，并发送至所述三个基站处。进一步地，所述利用所述UWB移动标签依次广播Poll请求帧、接收所述主基站发送的Response回复帧以及广播Final终止帧，获取所述UWB移动标签从广播Poll请求帧至Final终止帧发送完成过程中的时间戳信息，包括：所述UWB移动标签在所述定位区域内广播Poll请求帧以供所述三个基站接收，且所述UWB移动标签记录发送Poll请求帧的时间戳t1，所述主基站、所述第一从基站和所述第二从基站接收所述Poll请求帧后，分别记录下接收的时间戳a1、b1和c1；所述UWB移动标签、所述第一从基站和所述第二从基站分别接收所述主基站在时间戳a2时刻广播的所述Response回复帧，并分别记录下接收所述Response回复帧的时间戳t2、b2和c2；所述UWB移动标签确定发送时间戳t3，并将troundT和treplyT值写入到所述Final终止帧发送缓冲中，其中，troundT＝t2-t1，treplyT＝t3-t2；所述UWB移动标签在时间戳t3时广播所述Final终止帧，以供所述三个基站接收，所述主基站、所述第一从基站和所述第二从基站接收所述Final终止帧后，分别记录下接收的时间戳a3、b3和c3。进一步地，所述根据所述时间戳信息，计算所述主基站到所述UWB移动标签的距离dMA,T，包括：通过以下公式计算出所述主基站到所述UWB移动标签的距离：其中，tsynMA＝a3-a1，为所述主基站从接收所述Poll请求帧到接收所述Final终止帧的时间间隔；treplyMA＝a2-a1，为所述主基站从接收所述Poll请求帧到发送所述Response回复帧的时间间隔；tMA,T为所述UWB移动标签与所述主基站之间的UWB信号单向传播的时间，dMA,T为所述主基站到所述UWB移动标签的距离值，c为电磁波传播速度值。进一步地，所述利用所述时间戳信息、所述dMA,T、所述三个基站的位置坐标以及所述主基站分别到所述第一从基站和第二从基站的距离，计算所述UWB移动标签的坐标，并发送至所述三个基站处，包括：计算所述UWB移动标签从所述第一从基站的距离与所述UWB移动标签到所述主基站的距离之间的差值ΔdA1,MA：ΔdA1,MA＝c×tdoaA1,MA，其中，tdoaA1,MA＝treplyMA-treplyA1kMA,A1+dMA,A1/c，treplyA1＝b2-b1，表示第一从基站从接收所述Poll请求帧到接收所述Response回复帧的时间间隔信息；tsynA1＝b3-b1，表示第一从基站从接收所述Poll请求帧到接收所述Final终止帧的时间间隔信息，dMA,A1表示所述主基站到第一从基站的距离；计算所述UWB移动标签从所述第二从基站的距离与所述UWB移动标签到所述主基站的距离之间的差值ΔdA2,MA：ΔdA2,MA＝c×tdoaA2,MA，其中，tdoaA2,MA＝treplyMA-treplyA2kMA,A2+dMA,A2/c，treplyA2＝c2-c1，表示第二从基站接收所述Poll请求帧到接收所述Response回复帧的时间间隔信息；tsynA2＝c3-c1，表示所述第二从基站从接收所述Poll请求帧到接收所述Final终止帧的时间间隔信息，dMA,A2表示所述主基站到第二从基站的距离；对差值ΔdA1,MA和差值ΔdA2,MA进行处理，解算出所述UWB移动标签的二维坐标。进一步地，所述对差值ΔdA1,MA和差值ΔdA2,MA进行处理，解算出所述UWB移动标签的二维坐标，包括：根据XT＝A-1BdMA,T+A-1C，求解所述UWB移动标签的二维坐标(x,y)，其中，r2,1＝ΔdA1,MA，r3,1＝ΔdA2,MA，K1＝x12+y12，K2＝x22+y22，K3＝x32+y32，所述主基站坐标值(x1，y1)，所述第一从基站坐标值(x2，y2)，第二从基站坐标值(x3，y3)。进一步地，所述第一从基站和第二从基站安装在所述主基站的可通信区域内。另一方面，采用一种结合TDOA与TOF的超宽带通信二维定位系统，包括主基站、第一从基站、第二从基站、UWB移动标签、交换机以及上位机，主基站、第一从基站和第二从基站不共线布置，且三个基站的通信范围的交集作为定位区域，UWB移动标签布置在定位区域内，三个基站和UWB移动标签经交换机与上位机连接，所述上位机包括第一获取模块、第二获取模块、计算模块和解算模块；第一获取模块用于获取所述三个基站的位置坐标以及所述主基站分别到本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种结合TDOA与TOF的超宽带通信二维定位方法，其特征在于，用于对定位区域内的UWB移动标签的进行定位，定位区域为不共线布置的三个基站的通信范围的交集，该三个基站分别为主基站、第一从基站和第二从基站，包括：根据所述三个基站的布置位置，确定所述三个基站的位置坐标以及所述主基站分别到所述第一从基站和第二从基站的距离；利用所述UWB移动标签依次广播Poll请求帧、接收所述主基站发送的Response回复帧以及广播Final终止帧，获取所述UWB移动标签从广播Poll请求帧至Final终止帧发送完成过程中的时间戳信息；根据所述时间戳信息，计算所述主基站到所述UWB移动标签的距离dMA,T；利用所述时间戳信息、所述dMA,T、所述三个基站的位置坐标以及所述主基站分别到所述第一从基站和第二从基站的距离，计算所述UWB移动标签的坐标，并发送至所述三个基站处。

【技术特征摘要】
1.一种结合TDOA与TOF的超宽带通信二维定位方法，其特征在于，用于对定位区域内的UWB移动标签的进行定位，定位区域为不共线布置的三个基站的通信范围的交集，该三个基站分别为主基站、第一从基站和第二从基站，包括：根据所述三个基站的布置位置，确定所述三个基站的位置坐标以及所述主基站分别到所述第一从基站和第二从基站的距离；利用所述UWB移动标签依次广播Poll请求帧、接收所述主基站发送的Response回复帧以及广播Final终止帧，获取所述UWB移动标签从广播Poll请求帧至Final终止帧发送完成过程中的时间戳信息；根据所述时间戳信息，计算所述主基站到所述UWB移动标签的距离dMA,T；利用所述时间戳信息、所述dMA,T、所述三个基站的位置坐标以及所述主基站分别到所述第一从基站和第二从基站的距离，计算所述UWB移动标签的坐标，并发送至所述三个基站处。2.如权利要求1所述的一种结合TDOA与TOF的超宽带通信二维定位方法，其特征在于，所述利用所述UWB移动标签依次广播Poll请求帧、接收所述主基站发送的Response回复帧以及广播Final终止帧，获取所述UWB移动标签从广播Poll请求帧至Final终止帧发送完成过程中的时间戳信息，包括：所述UWB移动标签在所述定位区域内广播Poll请求帧以供所述三个基站接收，且所述UWB移动标签记录发送Poll请求帧的时间戳t1，所述主基站、所述第一从基站和所述第二从基站接收所述Poll请求帧后，分别记录下接收的时间戳a1、b1和c1；所述UWB移动标签、所述第一从基站和所述第二从基站分别接收所述主基站在时间戳a2时刻广播的所述Response回复帧，并分别记录下接收所述Response回复帧的时间戳t2、b2和c2；所述UWB移动标签确定发送时间戳t3，并将troundT和treplyT值写入到所述Final终止帧发送缓冲中，其中，troundT＝t2-t1，treplyT＝t3-t2；所述UWB移动标签在时间戳t3时广播所述Final终止帧，以供所述三个基站接收，所述主基站、所述第一从基站和所述第二从基站接收所述Final终止帧后，分别记录下接收的时间戳a3、b3和c3。3.如权利要求2所述的一种结合TDOA与TOF的超宽带通信二维定位方法，其特征在于，所述根据所述时间戳信息，计算所述主基站到所述UWB移动标签的距离dMA,T，包括：通过以下公式计算出所述主基站到所述UWB移动标签的距离：其中，tsynMA＝a3-a1，为所述主基站从接收所述Poll请求帧到接收所述Final终止帧的时间间隔；treplyMA＝a2-a1，为所述主基站从接收所述Poll请求帧到发送所述Response回复帧的时间间隔；tMA,T为所述UWB移动标签与所述主基站之间的UWB信号单向传播的时间，dMA,T为所述主基站到所述UWB移动标签的距离值，c为电磁波传播速度值。4.如权利要求3所述的一种结合TDOA与TOF的超宽带通信二维定位方法，其特征在于，所述利用所述时间戳信息、所述dMA,T、所述三个基站的位置坐标以及所述主基站分别到所述第一从基站和第二从基站的距离，计算所述UWB移动标签的坐标，并发送至所述三个基站处，包括：计算所述UWB移动标签从所述第一从基站的距离与所述UWB移动标签到所述主基站的距离之间的差值△dA1,MA：ΔdA1,MA＝c×tdoaA1,MA，其中，tdoaA1,MA＝treplyMA-treplyA1kMA,A1+dMA,A1/c，treplyA1＝b2-b1，表示第一从基站从接收所述Poll请求帧到接收所述Response回复帧的时间间隔信息；tsynA1＝b3-b1，表示第一从基站从接收所述Poll请求帧到接收所述Final终止帧的时间间隔信息，dMA,A1表示所述主基站到第一从基站的距离；计算所述UWB移动标签从所述第二从基站的距离与所述UWB移动标签到所述主基站的距离之间的差值△dA2,MA：ΔdA2,MA＝c×tdoaA2,MA，其中，tdoaA2,MA＝treplyMA-treplyA2kMA,A2+dMA,A2/c，treplyA2＝c2-c1，表示第二从基站接收所述Poll请求帧到接收所述Response回复帧的时间间隔信息；tsynA2＝c3-c1，表示所述第二从基站从接收所述Poll请求帧到接收所述Final终止帧的时间间隔信息，dMA,A2表示所述主基站到第二从基站的距离；对差值△dA1,MA和差值△dA2,MA进行处理，解算出所述UWB移动标签的二维坐标。5.如权利要求4所述的一种结合TDOA与TOF的超宽带通信二维定位方法，其特征在于，所述对差值△dA1,MA和差值△dA2,MA进行处理，解算出所述UWB移动标签的二维坐标，包括：根据XT＝A-1BdMA,T+A-1C，求解所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆阳，高健，魏臻，卫星，魏振春，石雷，张本宏，李庆巧，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34