基於幀往返和到達時間測距技術的高精度室內定位方法

2023-07-20 02:52:41

基於幀往返和到達時間測距技術的高精度室內定位方法
【專利摘要】本發明提供了一種基於幀往返和到達時間測距技術的高精度室內定位方法，通過採用TOA差分測量方法，提供了一種滿足移動終端設備室內高精度定位要求的系統方案，基於幀往返的測量信息，通過嵌入幀傳輸的時間信息，對時間信息採用差分測量方法來減少幀處理時延誤差，由於採用了基於幀往返和到達時間測距技術的高精度室內定位方法，除了達到傳統室內定位的功能外，幀往返和到達時間測距技術有效解決了時間同步問題，而測距運用差分測量方法，消除了節點時鐘與標準時鐘的相位誤差和頻率誤差。
【專利說明】基於幀往返和到達時間測距技術的高精度室內定位方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種室內定位領域，尤其是一種高精度的室內定位方法。

【背景技術】
[0002] 隨著信息技術的突飛猛進，人們對於獲取信息的需求層出不窮，尤其對空間位 置信息的感知需求日益增加。在戶外方面，衛星技術的成熟促使全球定位系統（Global Positioning System,GPS)技術的全面發展。由於GPS具有全天候、高精度、自動測量等特 點，在軍事、交通、測繪及人們日常生活等各方面均得到廣泛應用。GPS技術應用的首要條件 即對空通視條件良好，對於室內定位導航就顯得鞭長莫及。於是針對室內這個特殊環境必 須尋求其他技術途徑。
[0003] 目前，超聲波技術、射頻識別技術、紅外線技術、超寬帶技術、藍牙技術等室內定位 雖然可以達到較高的定位精度，但是需要大量的傳感器以及額外的硬體設備支持，實際應 用中具有較大的局限性。隨著IEEE802. 11無線技術的成熟，WIFI在世界各地的普及，其 覆蓋面越來越廣，更是成為智慧型手機、平板電腦等通訊設備的標配，並且很多區域如企業內 部、機場、學校、倉庫、醫院等都提供WIFI支持，基於WIFI的室內定位技術應運而生。較之 現行的定位技術，WIFI定位可依賴現有的網絡，不需要額外的硬體設備，使用成本低。然而， 由於多徑信號和小尺度衰落等幹擾因素的存在，往往導致基於室內傳輸模型的定位精度變 得難以達到要求。
[0004] 傳統的室內定位方法中存在的位置特徵信息指紋圖資料庫過於龐大，在線定位 匹配過程中運算複雜度高，實時性差；並且隨著室內空間壞境的變化，基於接收信號強度 (RSS)技術的位置特徵信息也在不斷更改，一定程度上會影響匹配精確度；現有的基於到 達時間（TOA，Time Of Arrival)技術的定位方法無法對時鐘晶振誤差以及節點上的傳輸時 延進行較好處理，無法達到滿足需求的室內高精度定位。


【發明內容】

[0005] 為了克服現有技術的不足，本發明提出了一種基於幀往返（RTT，Round Trip Time)和到達時間（T0A，Time Of Arrival)測距技術的高精度室內定位方法，通過採用Τ0Α 差分測量方法，提供了一種滿足移動終端設備室內高精度定位要求的系統方案。
[0006] 本案基於幀往返的測量信息，通過嵌入幀傳輸的時間信息，對時間信息採用差分 測量方法來減少幀處理時延誤差。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：
[0007] (l)RTT與Τ0Α方法結合完成巾貞傳輸過程時間測量
[0008] 由移動終端，即MT(Mobile Terminal)向其無線信號有效範圍內的AP(Access Point)發出無線信號，通過802. 11無線協議中的握手機制來選定距離MT最近的至少3個 AP來參與定位，AP選擇完成後，MT向各選定AP發送問詢幀，選定AP接收到MT的問詢幀後， 向MT返回應答幀，得到幀往返傳輸時間T m，MT與選定AP中任意一個AP的幀傳輸過程中， MT在h時刻發出問詢巾貞，選定AP在t2時刻收到問詢巾貞，選定AP在t3時刻發出應答巾貞，MT 在t4時刻收到應答幀，ti是MT發出的幀報文頭出現在MT天線埠的時間；t3是選定AP發 出的幀報文頭出現在選定AP天線埠的時間；t2是傳輸幀報文頭開始到達選定AP接收天 線埠的時間；t 4是傳輸幀報文頭開始到達MT接收天線埠時間，其中^和t4的記錄由 MT時鐘來完成，t2和t3的記錄由選定AP的時鐘來完成；
[0009] 反之，如果由選定AP先發起測量，發送問詢幀，整個傳輸過程MT與選定AP的角色 可以互換；
[0010] (2)採用Τ0Α差分測量方法消除或減小測量誤差
[0011] 如步驟（1)所述，往返傳輸結束後，選定AP把其記錄的時間點1:2和t 3傳送給MT, 由MT對時間數據進行計算得到幀往返傳輸時間Tm如下：
[0012] Tett = (t4-t1)-(t3-t2) (1)
[0013] Τκττ為MT與選定AP上的時間差的差值，也就是差分測量，MT與選定AP間的距離 D為傳輸速度乘以單向傳輸時間，即巾貞往返傳輸時間的一半，得到： _4]

【權利要求】
1. 一種基於幀往返和到達時間測距技術的高精度室內定位的方法，其特徵在於包括下 述步驟： (1) RTT與TOA方法結合完成幀傳輸過程時間測量 由移動終端，即MT (Mobile Terminal)向其無線信號有效範圍內的AP (Access Point) 發出無線信號，通過802. 11無線協議中的握手機制來選定距離MT最近的至少3個AP來參 與定位，AP選擇完成後，MT向各選定AP發送問詢巾貞，選定AP接收到MT的問詢幀後，向MT 返回應答幀，得到幀往返傳輸時間Tm，MT與選定AP中任意一個AP的幀傳輸過程中，MT在 h時刻發出問詢幀，選定AP在t2時刻收到問詢幀，選定AP在t3時刻發出應答幀，MT在t 4 時刻收到應答幀，h是MT發出的幀報文頭出現在MT天線埠的時間；t3是選定AP發出的 幀報文頭出現在選定AP天線埠的時間；t 2是傳輸幀報文頭開始到達選定AP接收天線端 口的時間；t4是傳輸幀報文頭開始到達MT接收天線埠時間，其中^和丨*的記錄由MT時 鍾來完成，t 2和t3的記錄由選定AP的時鐘來完成； 反之，如果由選定AP先發起測量，發送問詢幀，整個傳輸過程MT與選定AP的角色可以 互換； (2) 採用T0A差分測量方法消除或減小測量誤差 如步驟（1)所述，往返傳輸結束後，選定AP把其記錄的時間點丨2和丨3傳送給MT，由MT 對時間數據進行計算得到幀往返傳輸時間Tm如下： Tett = (t4-t1)-(t3-t2) (1) Tm為MT與選定AP上的時間差的差值，也就是差分測量，MT與選定AP間的距離D為 傳輸速度乘以單向傳輸時間，即巾貞往返傳輸時間的一半，得到： D:C-k 2 (2) 其中C表示光速； (3) 重複步驟（1)和（2)所述的方法，即可測量出MT與每個選定AP之間的距離，利用 每個選定AP的坐標與MT間的距離為半徑，建立至少3個以選定AP為圓心的圓方程，它們 的公共交點就是MT的坐標，即可求解MT坐標，完成定位； ⑷在步驟⑴中，MT在心=t'汴ε MT時刻發出問詢巾貞，選定AP在t2 = t' 2+ ε Ap時 刻收到問詢巾貞，接著在t3 = t' 3+ ε Ap'返回應答巾貞，MT在t4 = t' 4+ ε MT'收到應答巾貞，這裡 V t2、t3、t4為時間測量值，t' p t' 2、t' 3、t' 4為對應的標準時間，ε ΜΤ、ε Αρ、ε Αρ'、ε MT' 為每個對應的測量值與標準時間之間的誤差，誤差又分為節點MT和AP的時鐘與標準時鐘 的相位誤差和頻率誤差，其中相位誤差為節點MT和AP的時鐘根據時間同步信號校準時間 的時延，頻率誤差為兩次時間同步之間節點時鐘晶振頻率漂移產生的累積誤差，在步驟（1) 的過程中，節點MT和AP完成時間同步的標準時間是t Q，設是從tQ到測量時刻的時間間 隔，經過時間凡後節點MT和AP的標準時間為t% =、+1\，（i = 1，2···4)，得到= tc+Ti 為標準時鐘所記時刻，節點MT所記時刻為： = t' !+U+ n (ti-U-tg) (3) 其中u為ΜΤ時鐘與標準時鐘的相位誤差，II為時鐘自身晶振頻率漂移係數，則 Iiaru-to)為節點從自己的測量時間（t0+u)時亥函h時亥猶晶振頻率漂移的累計誤差， 化簡後得： t!: ^-?!二挑-? ^-?-^m-二g: ' 冊 i (4) 1-η 1-η 1-η 則ΜΤ時鐘收到應答幀t4時刻可表達為： / ^ ? t-0 κ -·- (5) / 一 ?] 公式（5)減去公式⑷可得到： H -L = ^^- - (^-^)(/+^) - + ⑥ 其中 t，4_t，1 = td+I^-Ud+TD = ?^-?^ ; 據此，公式（6)中t4-ti為測量時間的時間差，t'4-t'i為標準時間的時間差， η α'4-〇為誤差，誤差等於標準時間的時間差乘以時鐘自身晶振頻率漂移係數η，η為 10_5數量級，n (t'4-t'i)作為誤差部分，可以忽略不計，得到同一時鐘的測量時間的時間差 t4-ti等於其對應的標準時間的時間差t'4-t\，使得公式（1)中的幀往返時間!',^可以用標 準時間的時間差計算得到，從而消除了誤差，測量結果的精度提高，從而使得定位精度得到 提1?。
【文檔編號】H04W4/04GK104301868SQ201410530753
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月10日 優先權日:2014年10月10日
【發明者】賀宏錕, 王皓, 李康祥, 時雅兵, 張陽 申請人:西北工業大學