一种标签主动向锚节点发出信号实现定位的方法
【专利摘要】本发明公开一种标签主动向锚节点发出信号实现定位的方法，涉及电子信息【技术领域】，解决了现有标签主动向锚节点发出信号实现定位方法中，通常需要锚节点之间或标签与锚节点之间的时间同步，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：区域内部署多个已知坐标的锚节点和一个已知坐标的固定位置标签；固定位置标签周期性发出定位广播包；移动标签需要定位时发出定位广播包；各锚节点接收上述定位广播包，计算出相对于本地时钟的准确到达时间，上传到集中解算单元进行处理，求解后得到标签坐标。本发明所述方法，不需要在锚节点之间或标签与锚节点之间实现时间同步，从而降低了系统复杂度及建设与维护成本。
【专利说明】一种标签主动向锚节点发出信号实现定位的方法
【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主动向锚节点发出信号实现定位的方法。
【背景技术】
[0002]现有的标签主动向锚节点发出信号实现定位方法，通常包括接收信号强度方法(1-0061^6(1 81^1181简称 033)、信号到达时间方法 “11116 0？简称!'0八〉、信号到达时间差方法“丨邮(11^^61-61106 0？ 511~1~1妨1，简称11)0八)等。其中，033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。10八和100八方法具有较高的定位精度。这两种方案用于标签主动向锚节点发出信号实现定位时，需要测量标签所发出的信号到达各个锚节点的绝对时间或时间差，以计算出标签的坐标。丁0八方案通常需要锚节点与标签间的时间同步，100八方案通常需要锚节点之间的时间同步，从而导致系统复杂，建设与维护成本升高。
【发明内容】
[0003]基于现有标签主动向锚节点发出信号实现定位方法中，通常需要锚节点之间或标签与锚节点之间的时间同步，从而导致系统复杂成本过高的问题，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主动向锚节点发出信号实现定位的方法。
[0004]假设区域内有~个锚节点，以八1，…如来代表。每个锚节点具备绝对或相对坐标。区域内有一个固定位置标签和多个移动标签。固定位置标签具备绝对或相对坐标，使用10代表。移动标签使用11代表。每个锚节点和标签具备唯一的标识。标签可以发出与定位相关的数据包，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锚节点所接收包含标签标识；3?采用锚节点易于计算信号到达时间的信号调制方式如(:33 (线性调频扩频)调制或者采用118 (超宽带)信号。
[0005]使用1^11110表示八1接收到10所发出的定位请求广播包的相对于八1本地时钟的准确到达时间，使用1311111表示八1接收到11所发出的定位请求广播包的相对于八1本地时钟的准确到达时间，并以此类推。使用乂1110表示10发出定位广播包的绝对时间，使用父1111表示11发出定位广播包的绝对时间。使用1^11110表示10所发出的定位广播包数据包到达八1所需要的时间，使用化11111表示11所发出的定位广播包数据包到达八1所需要的时间。对于无线通信设备来说，表示定位广播包的无线信号从10天线相位中心到达八1天线相位中心所需要的时间，该值可以认为是10与八1之间的距离除以信号传播速度。使用
表示八1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八1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，可以认为八1所接收到的每个定位请求广播包，该值均一致。而不同的锚节点，该值会有不同。1400 - 141111表示10和11所发出定位广播包到达八1的时间差，该时间差基于八1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，锚节点时钟的频差与抖动可以归于噪声范畴而不影响数据分析。
[0006]以下所称“集中解算单元”表示具备运算能力，运行定位算法的计算设备，它可以是独立的服务器，也可以是集成在锚节点或标签中的运算模块。
[0007]本发明的技术方案具体是这样实现的，包括如下步骤。
[0008]1.区域内部署多个已知坐标的锚节点和一个已知坐标的固定位置标签。
[0009]2.固定位置标签由时间或事件触发，发出定位广播包；各个锚节点接收该标签所发出的定位广播包，得到发送标签标识，计算该定位广播包相对于本地时钟的准确到达时间，上传到指定的集中解算单元。
[0010]根据不同应用需求，可以由时间或事件触发固定位置标签发出定位广播包。例如，固定位置标签可以每隔一定时间间隔，发出定位广播包。也可以通过管理服务器，通知固定位置标签发出定位广播包。时间间隔根据应用需求可以从数秒到数十秒，一般说来，过大的时间间隔，会导致锚节点时钟频差及抖动累计，从而影响定位精确度。
[0011]3.各个移动标签要求定位时，发出定位广播包。锚节点接收移动标签所发出的定位请求广播包，得到发送标签标识，计算该定位广播包相对于本地时钟的准确到达时间，上传到指定的集中解算单元。在多个移动标签共享通信信道情况下，应该采取信道共享机制，以保障每个标签都得到发送机会。
[0012]4.集中解算单元对于接收到的数据，按照如下方式处理:
以八1，幻两个锚节点和勵，II两个标签为例，有如下等式:
1&11110 ~ 1811111 =父1110 + ^811110 + 尺已1 — XIII1 — ？811111 —尺&1，等式 1。即八1 接收到固定位置标签10发出数据包相对时间和八1接收到移动标签11发出数据包相对时间之差=10在乂1110时刻发出的数据包到达八1的绝对时间-11在乂1111时刻发出的数据包到达八1的绝对时间。注意到，八1的接收器件延迟此丨被相互抵消掉。
[0013]同理有:?加0 - 了8加1 =父1110 + 1?加0 +尺已』-- ？8加1 -尺8』，等式2。
[0014]由等式1 -等式2，可得:
(1^11110 ~ 1811111) —— 丁= (^811110 —,
等式3。
[0015]等式3整理后得到:
？811111 —卩8」1111 = (^811110 —— (1^11110 — 1^11111) + (11110 — 丁已」!!^),等式4。其中？41110 - 1?加0表示固定位置标签勵所发出的定位广播包数据包到达八1与幻的时间差，由于勵及八1，幻具备坐标，故可以计算出勵到达八1与幻的距离，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化丨响-1?加0。等式4左侧是移动标签所发出的定位广播包到达两个锚节点的时间差，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。
[0016]同理可以求出，移动标签所发出的定位广播包到达区域内任意两个锚节点的时间差。假设区域内有~个锚节点，对于每个移动标签有淋⑶-1) /2个上述形式的方程，组成方程组；集中解算单元求解上述方程组，计算出移动标签的坐标值。
[0017]本发明所述方法用于实现标签主动向锚节点发出信号实现定位时，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】
[0018]本发明所述的方法的核心思想是按照
【发明内容】
中所述4个步骤，在集中解算单元生成以标签坐标值为变量的方程组，并进一步求解出标签的坐标。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。
[0019]步骤1:
区域内部署多个已知坐标的锚节点和一个已知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。
[0020]步骤2和步骤3:
标签所发出的定位广播包，采用2.% 131公用频段无线信号(:33 (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:8(1:) =(^0^+11^^/2)0 0二“〈可。其中，I为每个码元的时间宽度，11为调频斜率，？0为起始频率，代表圆周率，〖表示离散的基带发送采样时刻，第一个采样时刻记为0。各个标签可以采用(:3嫩/⑶(载波侦听多路访问丨碰撞检测)方式，共享无线信道。锚节点可以借鉴(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。
[0021]具体计算方法如下:
1)生成本地码元基带参考信号(^0^1:+11^1:^1:/2), 0=01^ 其中，I为每个码元的时间宽度，11为调频斜率，为起始频率，代表圆周率，1:表示离散的基带接收采样时刻，第一个采样时刻记为0。
[0022]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。不考虑接标签与锚节点存在相对运动的情况或者标签与锚节点时钟频率不一致的情况，锚节点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:8(1:)
(辦“+也)+11^ “+也)氺“+也)/2)，0=01。其中，3为接收信号幅值，X为每个码元的时间宽度，11为调频斜率，为起始频率，1)1代表圆周率，1:表示离散的基带接收采样时刻，第一个采样时刻记为0。^表示接锚节点所接收到的第一个码元基带信号相对于锚节点起始采样时刻的时间偏移。混频信号的低频成分壯近似等于研也。
[0023]3)先对混频信号做叩I (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X后，还需要计算1(-1和1(+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变换变换),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壯。根据公式(11: = 计算出(11:,即接收到的第一个码元基带信号相对于锚节点起始采样时刻的时间偏移。
[0024]4)锚节点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锚节点启动后的第？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锚节点本地时钟的准确到达时间=9/锚节点时钟频率-也，以此作为定位广播包相对于锚节点本地时钟的准确到达时间。
[0025]在标签与锚节点存在相对运动的情况，或者标签与锚节点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锚节点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。
[0026]步骤4:
集中解算单兀生成形如:？已11111 - ？8加1 = (^811110 - ^&加。)-(1^11110 - 1^11111)+-的方程组后，可以采用如采用经典的100八算法，该算法具备一定的抗噪声能力，计算出移动标签的坐标值。
[0027]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2和步骤3中，标签可以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和步骤3中，锚节点可以采用其他方法求解信号准确到达时间，如超分辨率算法等；步骤4中，集中解算单元可以采取不同的方法，如数值计算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4个步骤，在集中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坐标，则均落入本发明保护范围。
【权利要求】
1.一种标签主动向锚节点发出信号实现定位的方法，其特征是包括如下步骤: 1)区域内部署多个已知坐标的锚节点和一个已知坐标的固定位置标签； 2)固定位置标签由时间或事件触发，发出定位广播包；各个锚节点接收该标签所发出的定位广播包，得到发送标签标识，计算该定位广播包相对于本地时钟的准确到达时间，上传到指定的集中解算单元； 3)各个移动标签要求定位时，发出定位广播包；各个锚节点接收标签所发出的定位请求广播包，得到发送标签标识，计算该定位广播包相对于本地时钟的准确到达时间，上传到指定的集中解算单元； 4)集中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所述的一种标签主动向锚节点发出信号实现定位的方法，其特征在于，各个锚节点之间以及各个锚节点与标签之间不需要时钟同步。
3.根据权利要求1所述的一种标签主动向锚节点发出信号实现定位的方法，其特征在于，步骤2)步骤3)所述定位广播包具备如下三个特征:1)可以被一定区域内的锚节点所接收；2)包含发送标签标识；3)采用锚节点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.根据权利要求1所述的一种标签主动向锚节点发出信号实现定位的方法，其特征在于，步骤4)所述的集中解算单元对于接收到的来自各个锚节点的数据进行处理，获得以移动标签坐标为变量的方程组，组成方程组的各方程形式如下: Faiml - Fajml = (FaimO - FajmO) - (TaimO - Taiml) + (TajmO - Tajml), 其中，Faiml表示移动标签Ml所发出的定位广播包到达第i个锚节点所需要的时间，Fajml表示移动标签Ml所发出的定位广播包到达第j个锚节点所需要的时间，FaimO表示固定位置标签MO所发出的定位广播包到达第i个锚节点所需要的时间，FajmO表示固定位置标签MO所发出的定位广播包到达第j个锚节点所需要的时间，TaimO表示第i个锚节点接收到固定位置标签MO所发出的定位广播包的相对第i个锚节点时钟的准确到达时间，Taiml表示第i个锚节点接收到移动标签Ml所发出的定位广播包的相对第i个锚节点时钟的准确到达时间，TajmO表示第j个锚节点接收到固定位置标签MO所发出的定位广播包的相对第j个锚节点时钟的准确到达时间，Tajml表示第j个锚节点接收到移动标签Ml所发出的定位广播包的相对第j个锚节点时钟的准确到达时间，上述方程左侧是移动标签坐标的函数，右侧是实测值和已知值；区域内有N个锚节点的情况下，对于每个标签有N* (N-1) /2个上述形式的方程，组成方程组。
【文档编号】G01S5/06GK104345296SQ201410548068
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年10月16日 优先权日:2014年10月16日
【发明者】不公告发明人 申请人:林伟