CN106405496A - 一种基于tdoa的室内定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信导航领域，涉及一种基于TDOA的室内定位方法。所述方法包括：接收端接收4个基站发送的通信导航数据，以所述4个基站中的任意一个基站为参考基站，根据TDOA算法求其它三个基站与参考基站到接收端的时延差，并将所述时延差乘以光速得到距离差，根据解析几何中的距离公式得到以接收端的位置坐标和基站与接收端的距离为未知量的方程组，直接求解该方程组得到接收端的位置坐标。本发明没有采用传统的迭代法求解接收端的位置坐标，而是采用直接求解方程组的方法实现接收端的位置坐标解算，在保证定位精确的前提下减小了运算量，提高了导航定位的实时性。

Description

一种基于TDOA的室内定位方法

技术领域

本发明属于通信导航领域，特别涉及一种基于TDOA的室内定位方法。

背景技术

以北斗/GPS为主的卫星定位***因技术设备复杂目前主要应用于室外导航定位，无法全面覆盖室内定位领域。随着网络信息、传感器技术的飞速智能化发展，低成本、低功耗、多功能的无线传感器网络已广泛应用于定位跟踪领域，尤其是室内定位、矿井作业、军事目标跟踪、公路隧道定位等。

基于无线传感器网络的定位技术可以分为基于测距和非测距的定位技术。TDOA算法是基于测距定位技术的一种主要算法，具有定位精度高、速度较快、对时间同步机制要求低、抗干扰能力较强等优点，因不需要通过相位计算方位角，从根本上解决了信号耦合问题。目前TDOA技术中的位置计算普遍采用基于迭代原理的算法，例如牛顿法、最速下降法、共轭梯度法等。利用迭代算法解决问题，需要确定迭代变量、建立迭代关系式、对迭代过程进行控制，由此可见此类算法应用条件受到很大限制，对于初始值与步长需要精确设计，对每次迭代前一阶段的数值要求较高，给***设计增加了难度，成本升高，实时性较差。

申请号为201210229997.9的中国发明专利，公开了一种基于迭代的最小二乘定位方法，该方法首先对蜂窝基站数据进行分组，再利用球面相交(SSI)技术分别进行单次SSI-LS估计，得到中间估计值，然后计算残差，得到相应的权值，并归一化加权，得到移动站的位置初始估计值，代入残差Taylor法，通过迭代得到最终位置估计值。该发明方法经残差Taylor法的迭代求解，能提升抗NLOS能力；能够实现在蜂窝通信***中可靠的移动站定位功能以及较强的抗NLOS能力。其存在问题是，由于采用迭代法进行定位解算，运算数据量大，数据处理速度慢，实时性较差。

发明内容

为了提高导航定位的实时性，本发明提出一种基于TDOA的室内定位方法，接收端接收基站的导航数据，根据TDOA算法计算两个基站与接收端的时延差以及距离差，根据解析几何知识直接解算接收端的位置坐标，在保证定位精确的前提下减小了运算量，提高了导航定位的实时性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于TDOA的室内定位方法，包括以下步骤：

接收端接收4个基站发送的通信导航数据。以所述4个基站中的任意一个基站为参考基站，根据TDOA算法求其它三个基站中的第i个基站与参考基站到接收端的时延差，并将所述时延差乘以光速得到距离差R_i，0，i＝1，2，3。解下面的方程组得到接收端的位置坐标(x，y，z)：

其中，(x₀，y₀，z₀)为参考基站的位置坐标，(x_i，y_i，z_i)为第i个基站的位置坐标。

进一步地，求解所述方程组的方法如下：

S1.计算：

S2.计算：

b＝2m_x(n_x-x₀)+2m_y(n_y-y₀)+2m_z(n_z-z₀)

c＝(n_x-x₀)²+(n_y-y₀)²+(n_z-z₀)²

S3.计算：

S4.计算：

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过在接收端接收4个基站发送的通信导航数据，以所述4个基站中的任意一个基站为参考基站，根据TDOA算法求其它三个基站与参考基站到接收端的时延差，并将所述时延差乘以光速得到距离差，根据解析几何中的距离公式得到以接收端的位置坐标和基站与接收端的距离为未知量的方程组，直接求解该方程组得到接收端的位置坐标。本发明没有采用传统的迭代法求解接收端的位置坐标，而是采用直接求解方程组的方法实现接收端的的定位，在保证定位精度的前提下减小了运算量，提高了导航定位的实时性。

附图说明

图1为基于TDOA的室内定位方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

一种基于TDOA的室内定位方法，包括以下步骤：

接收端接收4个基站发送的通信导航数据。4个基站分布示意图如图1所示。以所述4个基站中的任意一个基站为参考基站，根据TDOA算法求其它三个基站中的第i个基站与参考基站到接收端的时延差，并将所述时延差乘以光速得到距离差R_i，0，i＝1，2，3。解下面的方程组得到接收端的位置坐标(x，y，z)：

其中，(x₀，y₀，z₀)为参考基站的位置坐标，(x_i，y_i，z_i)为第i个基站的位置坐标。

作为一种实施方式，求解所述方程组的方法如下：

S1.计算：

在式(1)～(4)中，除x、y、z和R₀外，其它量均为已知量或经简单的运算求得，将各已知量代入上式即可。

S2.计算：

b＝2m_x(n_x-x₀)+2m_y(n_y-y₀)+2m_z(n_z-z₀)

c＝(n_x-x₀)²+(n_y-y₀)²+(n_z-z₀)²

S3.计算：

S4.计算：

下面给出式(1)～(5)组成的方程组的推导过程。

以R_i和R₀分别表示接收端到第i个基站和参考基站的距离，则R_i，0＝R_i-R₀，所以：

R_i ²＝(R_i,0+R₀)²＝R_i,0 ²+2R_i,0R₀+R₀ ² (6)

根据解析几何中的距离公式得：

令K_i＝x_i ²+y_i ²+z_i ²，式(7)变为：

由式(7)和(8)得：

将代入式(9)得：

令K₀＝x₀ ²+y₀ ²+z₀ ²得：

令x_i,0＝x_i-x₀，y_i,0＝y_i-y₀，z_i,0＝z_i-z₀得：

将i＝1，2，3分别代入上式即可得到式(1)～(3)，联立及各中间变量得到式(1)～(5)组成的方程组。

下面给出上述实施方式求解所述方程组的原理：

解式(1)、(2)、(3)组成的关于x、y、z的方程组，得到用矩阵表示的包含R₀的x、y、z的表达式：

令：

则式(10)变为：

将式(11)代入式(4)得到一个关于R₀的一元二次方程：

aR₀ ²+bR₀+c＝0

其中，

b＝2m_x(n_x-x₀)+2m_y(n_y-y₀)+2m_z(n_z-z₀)

c＝(n_x-x₀)²+(n_y-y₀)²+(n_z-z₀)²

将a、b、c的值代入一元二次方程的求根公式得到所述一元二次方程的两个根：

经大量的计算机仿真表明，当上式的“±”取“-”时，R₀的值要么为负，要么为一数值非常大的正数，明显超出测量范围，因此，取：

将R₀代入式(11)得到接收端的位置坐标(x，y，z)。

本发明不限于上述实施方式，本领域技术人员所做出的对上述实施方式任何显而易见的改进或变更，都不会超出本发明的构思和所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于TDOA的室内定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

接收端接收4个基站发送的通信导航数据；以所述4个基站中的任意一个基站为参考基站，根据TDOA算法求其它三个基站中的第i个基站与参考基站到接收端的时延差，并将所述时延差乘以光速得到距离差R_i，0，i＝1，2，3；解下面的方程组得到接收端的位置坐标(x，y，z)：

$\left\{\begin{array}{c}-2x_{1,0}x-2y_{1,0}y-2z_{1,0}z=R_{1,0}^2+2R_{1,0}{R}_0-K_1+K_0\\ -2x_{2,0}x-2y_{2,0}y-2z_{2,0}z=R_{2,0}^2+2R_{2,0}{R}_0-K_2+K_0\\ -2x_{3,0}x-2y_{3,0}y-2z_{3,0}z=R_{3,0}^2+2R_{3,0}{R}_0-K_3+K_0\\ R_0^2={(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2+{(z-z_0)}^2\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{i,0}=x_i-x_0\\ y_{i,0}=y_i-y_0\\ z_{i,0}=z_i-z_0\\ K_i={x_i}^2+{y_i}^2+{z_i}^2\\ K_0={x_0}^2+{y_0}^2+{z_0}^2\\ i=1,2,3\end{array}\right.$

其中，(x₀，y₀，z₀)为参考基站的位置坐标，(x_i，y_i，z_i)为第i个基站的位置坐标。

2.根据权利要求1所述的基于TDOA的室内定位方法，其特征在于，求解所述方程组的方法如下：

S1.计算：

$\left[\begin{array}{c}{m}_x\\ m_y\\ m_z\end{array}\right]=-{\left[\begin{array}{ccc}{x}_{1,0}& y_{1,0}& z_{1,0}\\ x_{2,0}& y_{2,0}& z_{2,0}\\ x_{3,0}& y_{3,0}& z_{3,0}\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{R}_{1,0}\\ R_{2,0}\\ R_{3,0}\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{n}_x\\ n_y\\ n_z\end{array}\right]=-\frac{1}{2}{\left[\begin{array}{ccc}{x}_{1,0}& y_{1,0}& z_{1,0}\\ x_{2,0}& y_{2,0}& z_{2,0}\\ x_{3,0}& y_{3,0}& z_{3,0}\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{R}_{1,0}^2-K_1+K_0\\ R_{2,0}^2-K_2+K_0\\ R_{3,0}^2-K_3+K_0\end{array}\right]$

S2.计算：

$a=m_x^2+m_y^2+m_z^2-1$

b＝2m_x(n_x-x₀)+2m_y(n_y-y₀)+2m_z(n_z-z₀)

c＝(n_x-x₀)²+(n_y-y₀)²+(n_z-z₀)²

S3.计算：

$R_0=\frac{-b+\sqrt{b^2-4ac}}{2a}$

S4.计算：

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{m}_x\\ m_y\\ m_z\end{array}\right]R_0+\left[\begin{array}{c}{n}_x\\ n_y\\ n_z\end{array}\right].$