基于幀往返和到達時間測距技術(shù)的高精度室內(nèi)定位方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于幀往返和到達時間測距技術(shù)的高精度室內(nèi)定位方法，通過采用TOA差分測量方法，提供了一種滿足移動終端設(shè)備室內(nèi)高精度定位要求的系統(tǒng)方案，基于幀往返的測量信息，通過嵌入幀傳輸?shù)臅r間信息，對時間信息采用差分測量方法來減少幀處理時延誤差，由于采用了基于幀往返和到達時間測距技術(shù)的高精度室內(nèi)定位方法，除了達到傳統(tǒng)室內(nèi)定位的功能外，幀往返和到達時間測距技術(shù)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(jié)點時鐘與標準時鐘的相位誤差和頻率誤差。
【專利說明】基于幀往返和到達時間測距技術(shù)的高精度室內(nèi)定位方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種室內(nèi)定位領(lǐng)域，尤其是一種高精度的室內(nèi)定位方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著信息技術(shù)的突飛猛進，人們對于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(wèi)星技術(shù)的成熟促使全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System,GPS)技術(shù)的全面發(fā)展。由于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?nèi)粘Ｉ畹雀鞣矫婢玫綇V泛應(yīng)用。GPS技術(shù)應(yīng)用的首要條件 即對空通視條件良好，對于室內(nèi)定位導(dǎo)航就顯得鞭長莫及。于是針對室內(nèi)這個特殊環(huán)境必 須尋求其他技術(shù)途徑。
[0003] 目前，超聲波技術(shù)、射頻識別技術(shù)、紅外線技術(shù)、超寬帶技術(shù)、藍牙技術(shù)等室內(nèi)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件設(shè)備支持，實際應(yīng) 用中具有較大的局限性。隨著IEEE802. 11無線技術(shù)的成熟，WIFI在世界各地的普及，其 覆蓋面越來越廣，更是成為智能手機、平板電腦等通訊設(shè)備的標配，并且很多區(qū)域如企業(yè)內(nèi) 部、機場、學(xué)校、倉庫、醫(yī)院等都提供WIFI支持，基于WIFI的室內(nèi)定位技術(shù)應(yīng)運而生。較之 現(xiàn)行的定位技術(shù)，WIFI定位可依賴現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)，不需要額外的硬件設(shè)備，使用成本低。然而， 由于多徑信號和小尺度衰落等干擾因素的存在，往往導(dǎo)致基于室內(nèi)傳輸模型的定位精度變 得難以達到要求。
[0004] 傳統(tǒng)的室內(nèi)定位方法中存在的位置特征信息指紋圖數(shù)據(jù)庫過于龐大，在線定位 匹配過程中運算復(fù)雜度高，實時性差；并且隨著室內(nèi)空間壞境的變化，基于接收信號強度 (RSS)技術(shù)的位置特征信息也在不斷更改，一定程度上會影響匹配精確度；現(xiàn)有的基于到 達時間（TOA，Time Of Arrival)技術(shù)的定位方法無法對時鐘晶振誤差以及節(jié)點上的傳輸時 延進行較好處理，無法達到滿足需求的室內(nèi)高精度定位。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種基于幀往返（RTT，Round Trip Time)和到達時間（T0A，Time Of Arrival)測距技術(shù)的高精度室內(nèi)定位方法，通過采用Τ0Α 差分測量方法，提供了一種滿足移動終端設(shè)備室內(nèi)高精度定位要求的系統(tǒng)方案。
[0006] 本案基于幀往返的測量信息，通過嵌入幀傳輸?shù)臅r間信息，對時間信息采用差分 測量方法來減少幀處理時延誤差。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0007] (l)RTT與Τ0Α方法結(jié)合完成巾貞傳輸過程時間測量
[0008] 由移動終端，即MT(Mobile Terminal)向其無線信號有效范圍內(nèi)的AP(Access Point)發(fā)出無線信號，通過802. 11無線協(xié)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選擇完成后，MT向各選定AP發(fā)送問詢幀，選定AP接收到MT的問詢幀后， 向MT返回應(yīng)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(fā)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(fā)出應(yīng)答巾貞，MT 在t4時刻收到應(yīng)答幀，ti是MT發(fā)出的幀報文頭出現(xiàn)在MT天線端口的時間；t3是選定AP發(fā) 出的幀報文頭出現(xiàn)在選定AP天線端口的時間；t2是傳輸幀報文頭開始到達選定AP接收天 線端口的時間；t 4是傳輸幀報文頭開始到達MT接收天線端口時間，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(fā)起測量，發(fā)送問詢幀，整個傳輸過程MT與選定AP的角色 可以互換；
[0010] (2)采用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(jié)束后，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(shù)據(jù)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(quán)利要求】
1. 一種基于幀往返和到達時間測距技術(shù)的高精度室內(nèi)定位的方法，其特征在于包括下 述步驟： (1) RTT與TOA方法結(jié)合完成幀傳輸過程時間測量 由移動終端，即MT (Mobile Terminal)向其無線信號有效范圍內(nèi)的AP (Access Point) 發(fā)出無線信號，通過802. 11無線協(xié)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選擇完成后，MT向各選定AP發(fā)送問詢巾貞，選定AP接收到MT的問詢幀后，向MT 返回應(yīng)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(fā)出問詢幀，選定AP在t2時刻收到問詢幀，選定AP在t3時刻發(fā)出應(yīng)答幀，MT在t 4 時刻收到應(yīng)答幀，h是MT發(fā)出的幀報文頭出現(xiàn)在MT天線端口的時間；t3是選定AP發(fā)出的 幀報文頭出現(xiàn)在選定AP天線端口的時間；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接收天線端口時間，其中^和丨*的記錄由MT時 鐘來完成，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(fā)起測量，發(fā)送問詢幀，整個傳輸過程MT與選定AP的角色可以 互換； (2) 采用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(jié)束后，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(shù)據(jù)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) 重復(fù)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(fā)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(yīng)答巾貞，MT在t4 = t' 4+ ε MT'收到應(yīng)答巾貞，這里 V t2、t3、t4為時間測量值，t' p t' 2、t' 3、t' 4為對應(yīng)的標準時間，ε ΜΤ、ε Αρ、ε Αρ'、ε MT' 為每個對應(yīng)的測量值與標準時間之間的誤差，誤差又分為節(jié)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(jié)點MT和AP的時鐘根據(jù)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(jié)點時鐘晶振頻率漂移產(chǎn)生的累積誤差，在步驟（1) 的過程中，節(jié)點MT和AP完成時間同步的標準時間是t Q，設(shè)是從tQ到測量時刻的時間間 隔，經(jīng)過時間凡后節(jié)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(jié)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系數(shù)，則 Iiaru-to)為節(jié)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， 化簡后得： t!: ^-?!二挑-? ^-?-^m-二g: ' 冊 i (4) 1-η 1-η 1-η 則ΜΤ時鐘收到應(yīng)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(jù)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，誤差等于標準時間的時間差乘以時鐘自身晶振頻率漂移系數(shù)η，η為 10_5數(shù)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等于其對應(yīng)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(jié)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(yōu)先權(quán)日:2014年10月10日
【發(fā)明者】賀宏錕, 王皓, 李康祥, 時雅兵, 張陽 申請人:西北工業(yè)大學(xué)