一种基于改进的双向双边测距的定位系统技术方案

本实用新型专利技术提供了一种基于改进的双向双边测距的定位系统。该定位系统包括待定位标签、若干基站、交换机和PC机；若干基站中存在一个主基站，其余均为从基站。待定位标签用于连续发射两次对时信号给基站；基站接收待定位标签发送的信号，并计算信号传播时延。主基站发送一次对时响应信号，完成待定位标签到主、从基站的距离差测量，同时待定位标签发送的第二次对时信号和主基站发送的对时响应信号作为双向双边测距中的前两帧信号。本实用新型专利技术具有双向双边测距定位精度高的优点；同时，待定位标签只需发射两次对时信号即可测得多个距离差，进而可一次性测量得到待定位标签到各个基站的距离，功耗相对较低，解决了多次双向双边测距耗时长的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于改进的双向双边测距的定位系统
本技术涉及超宽带无线定位
，具体地说是一种基于改进的双向双边测距的定位系统。
技术介绍
目前高精度实时定位系统多采用信号飞行时间测量方法实现定位，通过测量信号飞行时间确定待定位标签到固定基站距离或者是待定位标签到两个固定基站距离差实现定位。基于信号飞行时间测量的定位方法主要有无需时间同步的TOF(TimeOfFlight，TOF)定位方法，需要时间同步的TDOA(TimeDifferenceofArrival，TDOA)定位方法。TOF定位就是测量出三个(或多个)基站与待定位标签之间的信号传播时间，从而得到待定位标签到三个(或多个)基站距离的测量值，测距通常采用双向双边测距。双向双边测距(TwoWayRanging，TWR)是待定位标签(例如佩戴在人体可随人们移动的电子标签)发送信号并记录发送时间，基站(是固定不动的)记录接收信号时间，处理完毕后延时并返回响应，待定位标签接收到响应信号后记录接收时间并延时一段时间后再次发送信号给基站，基站再次接收信号并记录接收时间。最后根据电磁波速度与信号传播时间的乘积，可测得待定位标签到基站的距离。双向双边测距可以通过差分运算滤除时钟偏差及漂移对测量精度的影响，无需高精度晶振即可保证测距精度。当有多个基站时，为了测量待定位标签到各个基站之间的距离，待定位标签需要依次同每个基站完成双向双边测距，一次TOF二维定位至少需要三次双向双边测距，导致TOF定位占用信道时间长。
技术实现思路
本技术的目的就是提供一种基于改进的双向双边测距的定位系统，该定位系统可解决现有技术中多次双向双边测距导致信道占用时间长、耗时长的问题。本技术的目的是这样实现的：一种基于改进的双向双边测距的定位系统，包括待定位标签、若干基站、交换机和PC机；所述若干基站中存在一个主基站，其余均为从基站；所述待定位标签用于连续发射两次信号给所有基站，待定位标签所连续发射的两次信号分别为第一信号和第二信号；所述主基站在接收到第二信号后延时一段时间发射第三信号给所有从基站，同时将第三信号发送给待定位标签；所述待定位标签在接收到第三信号后延时一段时间发射第四信号给主基站，所述待定位标签在发射第四信号时连同其所发送第二信号的时间以及接收第三信号的时间均发送至主基站，由主基站计算待定位标签与主基站的距离；各基站通过所述交换机将各自所知悉的相应信号的发送时间、接收时间发送至PC机，同时主基站还将其与待定位标签的距离也发送至PC机，由PC机通过数据处理得到待定位标签的坐标。所述待定位标签中包含有DW1000射频芯片和MSP430单片机。各基站中均包含有DW1000射频芯片和ARM单片机。所述基站的数量为四个；其中，主基站的坐标为(x1，y1)，其他三个从基站的坐标分别为(x2，y2)、(x3，y3)和(x4，y4)；所述PC机通过数据处理得到待定位标签的坐标(x，y)，具体是通过如下方程组计算所得：所述PC机根据上述方程组求解最小二乘解得到待定位标签的坐标(x，y)；上述方程组中，d1为主基站到待定位标签的距离；将三个从基站分别命名为第一从基站、第二从基站和第三从基站；d2是第一从基站到待定位标签的距离，d3是第二从基站到待定位标签的距离，d4是第三从基站到待定位标签的距离；d1、d2、d3、d4的具体计算公式如下：其中，上面公式中，τRP′为待定位标签接收到第三信号的时间，τSP′为待定位标签发射第二信号的时间，τSP′4为待定位标签发射第四信号的时间，τRP′4为主基站接收到第四信号的时间，τSA3为主基站发射第三信号的时间，τRA2为主基站接收到第二信号的时间，τRA1为主基站接收到第一信号的时间，τRB1为第一从基站接收到第一信号的时间，τRB2为第一从基站接收到第二信号的时间，τRB3为第一从基站接收到第三信号的时间，τRC1为第二从基站接收到第一信号的时间，τRC2为第二从基站接收到第二信号的时间，τRC3为第二从基站接收到第三信号的时间，τRD1为第三从基站接收到第一信号的时间，τRD2为第三从基站接收到第二信号的时间，τRD3为第三从基站接收到第三信号的时间；C为光速；SAB为主基站与第一从基站之间的距离，SAC为主基站与第二从基站之间的距离，SAD为主基站与第三从基站之间的距离。本技术中的定位系统还包括与所述PC机相接的显示器，通过所述显示器可对所述待定位标签的坐标进行显示。本技术所提供的定位系统包括待定位标签、若干基站、交换机和PC机。待定位标签用于发射两次超宽带对时信号给各个基站，这些基站中，其中一个为主基站，其余的为从基站。基站接收待定位标签发送的超宽带信号，并计算信号传播时延。主基站发送一次对时响应信号，完成待定位标签到主、从基站的距离差测量，同时待定位标签发送的第二次对时信号和主基站发送的对时响应信号作为双向双边测距中的前两帧信号。本技术的优点是待定位标签通过给各个基站发送两次对时信号，主基站发送一次对时响应信号，PC机可据此实现多个距离差的测量。待定位标签第二帧对时信号和主基站对时响应信号被用到了双向双边测距中，主基站可通过双向双边测距实现待定位标签与主基站的距离测量，PC机根据测量的待定位标签到主基站的距离与待定位标签到从基站的距离之差，即可一次性测量得到待定位标签到各个基站的距离，进而可求得待定位标签的坐标。本技术中的定位系统，具有双向双边测距定位精度高的优点。在本技术中，PC机根据待定位标签所发射的两次对时信号和主基站发射的对时响应信号可测得多个距离差，进而可一次性测量得到待定位标签到各个基站的距离，功耗相对较低。而且与双向双边测距系统相比，本定位系统中待定位标签只多发了一个信号，就能实现待定位标签与主、从基站的距离差测量，再结合双向双边测距原理，即可通过一次双向双边测距测得待定位标签到多个基站的距离，解决了多次双向双边测距耗时长的问题。本技术中，PC机根据待定位标签到主基站的距离、待定位标签到主从基站的距离差即可计算出待定位标签到从基站的距离，这样的计算过程可实现误差补偿，当待定位标签与主基站之间被遮挡时，不影响待定位标签到从基站间距离的计算结果。同时，本技术中的定位系统在运算时间上也是比较快的。附图说明图1是本技术中定位系统的结构示意图。图2是本技术中待定位标签与各基站之间的信号传输过程示意图。具体实施方式图1所示，本技术所提供的基于改进的双向双边测距的定位系统包括待定位标签Tag、四个基站、交换机和PC机。一个定位系统一般由三个以上的基站组成，本实施例中以四个基站为例进行说明。四个基站分别为主基站A、从基站B、从基站C和从基站D，四个基站分布在确定的区域内，四个基站的坐标是已知的，在基站所覆盖的范围内待定位标签Tag可发射超宽带信号，四个基站均可接收到待定位标签Tag所发送的超宽带信号。四个基站通过交换机与PC机之间以以太网的形式进行数据传输。信号的发送过程具体是：待定位标签Tag发射两次超宽带对时信号给四个基站，主基站A在接收到第二次对时信号后延时一段时间发送一次对时响应信号给各从基站以及待定位标签Tag，待定位标签Tag在接收到主基站A所发送的对时响应信号后延时一段时间本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于改进的双向双边测距的定位系统，其特征是，包括待定位标签、若干基站、交换机、PC机以及与PC机相接的显示器；所述若干基站中存在一个主基站，其余均为从基站；所述待定位标签中包含有DW1000射频芯片和MSP430单片机；各基站中均包含有DW1000射频芯片和ARM单片机；所述待定位标签用于连续发射两次对时信号给所有基站，所述主基站用于发送一次对时响应信号，完成待定位标签到主从基站的距离差测量；同时待定位标签发送的第二次对时信号和主基站发送的对时响应信号作为双向双边测距中的前两帧信号，以完成待定位标签与主基站间的距离测量；各基站通过交换机与PC机之间以以太网的形式进行数据传输，PC机根据待定位标签到主基站的距离、待定位标签到主从基站的距离差即可计算出待定位标签到从基站的距离，进而可求得待定位标签的坐标；所述显示器用于对待定位标签的坐标进行显示。

【技术特征摘要】
1.一种基于改进的双向双边测距的定位系统，其特征是，包括待定位标签、若干基站、交换机、PC机以及与PC机相接的显示器；所述若干基站中存在一个主基站，其余均为从基站；所述待定位标签中包含有DW1000射频芯片和MSP430单片机；各基站中均包含有DW1000射频芯片和ARM单片机；所述待定位标签用于连续发射两次对时信号给所有基站，所述主基站用于发送一次对时响应信号，完成待定位标签...

【专利技术属性】
技术研发人员：韦子辉，方立德，陈雪，
申请(专利权)人：河北大学，
类型：新型
国别省市：河北,13