[发明专利]一种基于TDOA和ToF混合的定位方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及无线实时定位技术领域，具体涉及一种利用TDOA和TOF方式实现二维或三维的精确定位的技术。

背景技术

实时定位系统，也是就是RTLS(Real Time Location Systems)，RTLS是一种基于信号的无线电定位手段，可以采用主动式，或者被动感应式。RTLS可以让实时了解被定位的财产、人员、车辆或其它定位物体的确切位置。

基于TDOA的RTLS：

目前基于无线的TDOA的方式，有两个关键的技术，一个基站间的时间同步，第二是标签发送报文，基站根据收到报文的时间，来计算到达时间差，然后采用双曲线算法，来实现二维、三维的定位，定位的精度比较高，最高可以厘米级别。

到达时间差TDOA根据未知标签节点发送的无线信号到达不同定位基站的时间差，根据无线信号的传播速度可以计算出未知标签节点与各个定位基站之间的距离差，这个距离差符合双曲线方程的条件，未知标签节点就在这双曲线的一个分支上。若有三个或三个以上的定位基站，就可以通过求解多条双曲线的交点求出未知节点的位置。TDOA测量法利用多个定位节点来确定未知节点的位置，故不需要向TOA那样严格的时间同步，但是仍需要定位节点有精确的时间同步。定位原理如图1所示。

基于ToF(Time of Flight)机制的RTLS

ToF是指电磁波在空中传播的时间，通过测量两个点之间电磁波的传播时间，再乘以光速，转换为两个设备之间的距离。

在基于ToF机制，标签需要和每个基站进行测距。然后通过标签和基站的距离，确定出标签的位置。

存在的问题：

在TDOA系统中，采用双曲线算法，有非常大的局限性，是采用该算法无法解决的问题。主要是被定位的设备在基站的范围之外的时候，其精度快速下降，这种精度的快速下降，不是在于TDOA的数据偏差，而是在于算法的本身。比如，在用三个基站做定位的时候，三个基站位置呈等边三角形布放，当定位标签在基站的三角形内的时候，其定位精度可以达到30厘米。当定位标签位于定位基站之外的时候，其定位精度到1米，距离越大，精度偏差也越大，甚至可以达到数米。参考图2。

在图2中，三个基站，A基站1A、B基站1B、C基站1C组成的三角形的范围内，通过双曲线算法，能得到较好的精度，但三角形之外的标签，B标签2B及C标签2C的精度无法达到。距离三角形的范围越远，其精度越差。

从双曲线的形状特性上看，靠焦点附近的点，其曲率变化大，离焦点远的点，曲率变化越小，其越接近直线，如图3所示：

当在曲率越大的地方，系统测量误差对双曲线交点误差影响不是那么敏感，而对直线的线斜率影响较大两直线交点位置误差就会交大，所以在离双曲线焦点越远的地方相交，其误差就会越大。

相对于TDOA而言，另外一种就是ToF的方式，采用ToF的方式，可以解决标签在基站外的精度问题，但每个标签需要和所有的基站进行ToF测距的工作。这样带来的问题是：

1、功耗增加，标签工作时间长，功耗增加，最简单的系统，至少有3个基站，每增加一个基站，标签就要增加一次测距的时间，导致功耗增加；

2、系统的容量问题，按在1秒钟的时间，若每个标签和所有基站测距，系统容量降低，必须采用时分或频分的方式，才能有效提升系统的容量，但这样又增加了系统的复杂度。

发明内容

本发明提供了一种基于TDOA的改进方法，通过这种改进，可以实现在基站组成的三角形内和三角形外同样的精度，本发明综合了TDOA和ToF的两种模式。具体技术方案如下：

一种基于TDOA和ToF混合的定位方法，包括：

步骤一：服务器选取主基站和从基站并完成基站间时间同步；

步骤二：标签广播TDOA报文，通过其到达各基站之间的时间差计算标签与各基站之间的距离差；

步骤三：标签通过向特定基站发送ToF报文计算其与该基站之间的距离；

步骤四：通过步骤二和步骤三的结果计算标签与所有基站之间的距离；

步骤五：通过标签与各基站之间的距离计算标签的位置。

优选的，所述步骤一基站至少为3个，由服务器选择其中一个基站为主基站，其他为从基站，由主基站定期发送时间同步报文，从基站收到主基站的定位报文后，由服务器收集主基站发送时间同步报文的时间戳以及从基站收到时间同步报文的时间戳，通过各时间戳以及各从基站与主基站之间的空间距离建立和主基站的时间对应关系。