基于超宽带信号的多节点异步到达时间差定位方法及系统

技术领域

本发明涉及一种锚节点信号到达时间差定位方法及系统，尤其涉及一种基 于超宽带信号的多节点异步到达时间差定位方法及系统。

背景技术

现有的基于超宽带信号的多节点到达时间差定位方法需要锚节点之间精 确同步，存在的问题是：

(1)锚节点之间通过连接导线进行同步，这样会增加系统的成本，而且 影响系统的灵活性。

(2)在无线的情况下，很难做到锚节点之间的精确同步，两个锚节点之 间1ns的同步误差就会导致30cm的测距误差，从而导致很大的定位误差，这 在小范围(比如100m²)定位中是不可接受的。

(3)即使在定位开始的时候锚节点之间达到了精确同步，由于节点内晶 振频率的不同，随着时间的推移，锚节点之间会重新不同步。此时就需要再进 行一次同步，重复的同步过程会导致网络能耗的增加，影响网络的寿命，这在 能量受限的小范围网络中(比如WPAN，无线个域网)同样是不可接受的。

发明内容

本发明解决的技术问题是：构建一种基于超宽带信号的多节点异步到达时 间差定位方法及系统，克服现有技术锚节点之间不能精确同步和网络能耗大的

技术问题。

本发明的技术方案是：构建一种基于超宽带信号的多节点异步到达时间差 定位方法，包括至少四个位置已知的且时钟不同步的锚节点AN(Anchor Node， 锚节点，简称“AN”)，多个待测目标节点TN(Target Node，目标节点，简称 “TN”)，所述多节点异步到达时间差定位方法包括如下步骤：

启动定位：选定任一个锚节点AN，由锚节点AN向整个网络其它节点广播 其自身的位置；

获取到达时间：其它锚节点AN收到所述选定锚节点AN的信号后立刻广播 其各自的位置，待测目标节点TN收到各个锚节点AN的信号后分别记录其信号 到达该待测目标节点TN的时间；

计算待测目标节点的位置：根据其它各个锚节点AN的信号到达该待测目 标节点TN的时间与选定的锚节点AN的信号到达该待测目标节点TN时间的差， 得出该待测目标节点的位置。

本发明的进一步技术方案是：在计算待测目标节点的位置步骤中，包括得 出信号从选定锚节点AN经过其它锚节点AN到达待测目标节点TN经过的距离。

本发明的进一步技术方案是：在计算待测目标节点的位置步骤中，包括得 出信号直接从选定锚节点AN到达待测目标节点TN的距离。

本发明的进一步技术方案是：在计算待测目标节点的位置步骤中，获取其 它锚节点AN到选定锚节点AN的距离。

本发明的进一步技术方案是：在计算待测目标节点的位置步骤中，包括将 各个锚节点AN的信号到达该待测目标节点TN的时间与选定的锚节点AN的信 号到达该待测目标节点TN时间的差转换为距离差。

本发明的技术方案是：构建一种基于超宽带信号的多节点异步到达时间差 定位系统，包括至少四个位置已知的且时钟不同步的锚节点AN，多个待测目标 节点TN，所述锚节点AN包括发射信号的发射单元及接收信号的接收单元，所 述待测目标节点包括接收信号的接收单元及进行计算处理的处理器单元，所述 接收单元包括获取锚节点信号到达时间的时间获取模块，所述处理器单元包括 计算待测目标节点位置的计算模块，所述锚节点AN的发射单元向整个网络其 它节点广播其自身的位置；所述到达时间获取模块获取锚节点AN的信号到达 该待测目标节点TN的时间；所述计算模块根据其它各个锚节点AN到达该待测 目标节点TN的时间与选定的锚节点AN到达该待测目标节点TN时间的差，得 出该待测目标节点的位置。

本发明的技术效果是：构建一种基于超宽带信号的多节点异步到达时间差 定位方法及系统，包括至少四个位置已知的且时钟不同步的锚节点AN，多个待 测目标节点TN，所述多节点异步到达时间差定位方法包括如下步骤：选定任一 个锚节点AN，由锚节点AN向整个网络其它节点广播其自身的位置；其它锚节 点AN收到所述选定锚节点AN的信号后广播其各自的位置，待测目标节点TN 收到锚节点AN的信号后分别记录其信号到达该待测目标节点TN的时间；根据 其它各个锚节点AN到达该待测目标节点TN的时间与选定的锚节点AN到达该 待测目标节点TN时间的差，得出该待测目标节点的位置。本发明涉及一种基 于超宽带信号的多节点异步到达时间差定位方法及系统，克服现有到达时间差 方法中锚节点同步的问题，使定位系统更加简单，而且由于没有同步过程，节 约了能量，具有很高的能效性。

附图说明

图1为本发明已知锚节点和待测目标节点分布示意图。

图2为本发明已知锚节点和待测目标节点定位示意图。

图3为本发明已知锚节点和待测目标节点确定待测目标节点位置示意图。

图4为本发明定位流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明技术方案进一步说明。

如图1、图2、图3、图4所示，本发明的具体实施方式是：构建一种基于 超宽带信号的多节点异步到达时间差定位方法，包括至少四个位置已知的且时 钟不同步的锚节点AN，多个待测目标节点TN，由于待测目标节点TN的数目是 没有限制的，而且待测目标节点TN之间相互独立，可以同时完成定位。不失 一般性，为了简单起见，考虑二维平面的情况，对一个目标进行定位，定位示 意图如图2所示。

所述多节点异步到达时间差定位方法包括如下步骤：

步骤100：启动定位，即：选定任一个锚节点AN₁，由锚节点AN₁向整个网 络其它节点广播其自身的位置。具体实施例中，在布置网络的时候选定一个1 号锚节点AN₁，由AN₁向整个网络广播自己的位置来启动定位。

步骤200：获取到达时间，即：其它锚节点AN_i(i＝2，3，……，M)收到所述选 定锚节点AN₁的信号后广播其各自的位置，待测目标节点TN收到锚节点AN的 信号后分别记录其信号到达该待测目标节点TN的时间。具体实施过程如下： 当其它锚节点AN_i(i＝2，3，……，M)收到选定锚节点AN₁的信号后，立即广播各自 的位置；同时当待测目标节点TN收到选定锚节点AN₁的信号后记录此信号的到 达时间t₁，待测目标节点TN记录其它锚节点AN_i(i＝2，3，……，M)信号的到达时 间t_i。

步骤300：计算待测目标节点的位置，即：根据其它各个锚节点AN到达该 待测目标节点TN的时间与选定的锚节点AN₁到达该待测目标节点TN时间的差， 得出该待测目标节点的位置。

如图3所示，具体实施过程如下：根据其它各个锚节点AN的信号到达该 待测目标节点TN的时间与选定的锚节点AN₁的信号到达该待测目标节点TN时 间，将不同信号的到达时间转化为到达时间差，即将其它各个锚节点AN的信 号到达该待测目标节点TN的时间与选定的锚节点AN₁的信号到达该待测目标 节点TN时间的差，并结合已知锚节点的位置来计算自己的位置。其中到达时间 差是这样得到的：如式1，利用t_i减去t₁，从而得到M-1个到达时间差的值。

假设锚节点AN_i的位置向量用p＝[X_i y_i]^T表示，待测目标节点TN的位置用 p＝[x y]^T表示，d_i1表示AN_i(i＝2，3，……，M)与AN₁之间的距离，这是一个常量。 r_i1表示信号从选定锚节点AN₁通过AN_i(i＝2，3，……，M)到达待测目标节点TN经 过的距离与信号直接从选定锚节点AN₁到达待测目标节点TN经过的距离之差。 c代表光速。这样，计算待测目标节点TN的位置就相当于是解一组双曲线的 方程：

$\left(\begin{array}{c}c(t_2-t_1)=d_{21}+\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2}-\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}\\ c(t_3-t_1)=d_{31}+\sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2}-\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}\\ \mathrm{KK}\\ c(t_M-t_1)=d_{M1}+\sqrt{{(x-x_M)}^2+{(y-y_M)}^2}-\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}\end{array}\right)---\left(1\right)$

把时间差转化为距离差并且重新整理(1)得到：

$\left(\begin{array}{c}{r}_{21}-d_{21}=\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2}-\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}\\ r_{31}-d_{31}=\sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2}-\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}\\ \mathrm{KK}\\ r_{M1}-d_{M1}=\sqrt{{(x-x_M)}^2+{(y-y_M)}^2}-\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}\end{array}\right)---\left(2\right)$ 解(2)就可以得到TN位置的数值解。

二维平面上，三组双曲线的交点就可以确定TN的位置。如图3所示，双 曲线的焦点分别是(AN1，AN2)，(AN1，AN3)，(AN1，AN4)。

本发明的具体实施方式是：构建一种基于超宽带信号的多节点异步到达时 间差定位系统，包括至少四个位置已知的且时钟不同步的锚节点AN，多个待测 目标节点TN，所述锚节点AN包括发射信号的发射单元及接收信号的接收单元， 所述待测目标节点包括接收信号的接收单元及进行计算处理的处理器单元，所 述接收单元包括获取锚节点信号到达时间的时间获取模块，所述处理器单元包 括计算待测目标节点的位置的计算模块，所述锚节点AN的发射单元向整个网 络其它节点广播其自身的位置；所述到达时间获取模块获取锚节点AN的信号 到达该待测目标节点TN的时间；所述计算模块根据其它各个锚节点AN到达该 待测目标节点TN的时间与选定的锚节点AN到达该待测目标节点TN时间的差， 得出该待测目标节点的位置。

具体实施过程如下：在布置网络的时候选定一个1号锚节点AN₁，由锚节 点AN₁的发射单元向整个网络广播自己的位置来启动定位。

本发明的进一步技术方案是：所述计算模块还包括获取从选定锚节点AN₁经过其它锚节点AN到达待测目标节点TN经过距离的第一距离获取模块。当其 它锚节点AN_i(i＝2，3，……，M)的接收单元收到选定锚节点AN₁的信号后，立即广 播各自的位置；接收单元包括获取锚节点到达时间的到达时间获取模块，同时 当待测目标节点TN的接收单元收到选定锚节点AN₁的信号后，到达时间获取模 块记录此信号的到达时间t₁，待测目标节点TN的到达时间获取模块记录其它 锚节点AN_i(i＝2，3，……，M)信号的到达时间t_i。待测目标节点TN处理器单元的 计算模块根据其它各个锚节点AN的信号到达该待测目标节点TN的时间与选定 的锚节点AN₁的信号到达该待测目标节点TN时间的差，得出该待测目标节点的 位置。

具体计算过程如下：根据其它各个锚节点AN的信号到达该待测目标节点 TN的时间与选定的锚节点AN₁的信号到达该待测目标节点TN的时间，将不同 信号的到达时间转化为到达时间差，即将其它各个锚节点AN的信号到达该待 测目标节点TN的时间与选定的锚节点AN₁的信号到达该待测目标节点TN时间 的差，并结合已知锚节点的位置来计算自己的位置。其中到达时间差是这样得 到的：如式1，利用t_i减去t₁，从而得到M-1个到达时间差值。

假设锚节点AN_i的位置向量用p＝[x_i y_i]^T表示，待测目标节点TN的位置用 p＝[x y]^T表示，d_i1表示AN_i(i＝2，3，……，M)与AN₁之间的距离，这是一个常量。 r_i1表示信号从选定锚节点AN₁通过AN_i(i＝2，3，……，M)到达待测目标节点TN经 过的距离与信号直接从选定锚节点AN₁到达待测目标节点TN经过的距离之差。 c代表光速。这样，计算待测目标节点TN的位置就相当于是解一组双曲线的 方程：

$\left(\begin{array}{c}c(t_2-t_1)=d_{21}+\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2}-\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}\\ c(t_3-t_1)=d_{31}+\sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2}-\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}\\ \mathrm{KK}\\ c(t_M-t_1)=d_{M1}+\sqrt{{(x-x_M)}^2+{(y-y_M)}^2}-\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}\end{array}\right)---\left(1\right)$

把时间差转化为距离差并且重新整理(1)得到：

$\left(\begin{array}{c}{r}_{21}-d_{21}=\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2}-\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}\\ r_{31}-d_{31}=\sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2}-\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}\\ \mathrm{KK}\\ r_{M1}-d_{M1}=\sqrt{{(x-x_M)}^2+{(y-y_M)}^2}-\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}\end{array}\right)---\left(2\right)$

解(2)就可以得到TN位置的数值解。

二维平面上，三组双曲线的交点就可以确定TN的位置。如图3所示，双 曲线的焦点分别是(AN1，AN2)，(AN1，AN3)，(AN1，AN4)。

本发明的技术效果是：构建一种基于超宽带信号的多节点异步到达时间差 定位方法及系统，包括至少四个位置已知的且时钟不同步的锚节点AN，多个待 测目标节点TN，所述多节点异步到达时间差定位方法包括如下步骤：选定任一 个锚节点AN，由锚节点AN向整个网络其它节点广播其自身的位置；其它锚节 点AN收到所述选定锚节点AN的信号后广播其各自的位置，待测目标节点TN 收到锚节点AN的信号后分别记录其信号到达该待测目标节点TN的时间；根据 其它各个锚节点AN到达该待测目标节点TN的时间与选定的锚节点AN到达该 待测目标节点TN时间的差，得出该待测目标节点的位置。本发明涉及一种基 于超宽带信号的多节点异步到达时间差定位方法及系统，克服现有到达时间差 方法中锚节点同步的问题，使定位系统更加简单，而且由于没有同步过程，节 约了能量，具有很高的能效性。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认 定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换， 都应当视为属于本发明的保护范围。