CN102082998A - 一种支持tdoa、toa和rssi三种模式的实时定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种支持TDOA、TOA和RSSI三种模式的实时定位方法，该方法包括如下步骤：(1)提供采用微波频段的定位标签和定位接入点；(2)通过实时定位嵌入式软件与信号处理算法实现目标的实时定位跟踪；(3)完成虚拟门禁、线性、平面定位算法和定位仿真软件。本发明为了满足物流过程中复杂的定位需求，实现支持TOA、TDOA和RSSI三种主要定位模式的实时定位方法，具有低功耗、适用门禁、线及平面定位应用的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种实时定位方法，特别是涉及一种支持TDOA、TOA和RSSI三种模式的实时定位方法。
背景技术
实时定位系统(Real Time Locat ion System，RTLS)是指通过软件和无线通信技术，在一个指定的空间(办公楼、场地、城区)内，实时地对目标进行定位和跟踪的系统。随着科技迅速发展，定位服务越来越受到人们的重视，如全球定位系统(GPS)和基于区域查询的主动式RFID等技术，均已广泛地应用于许多领域。但由于存在着技术缺陷，这些已有的技术还无法适用于很多需要精确定位的场合，始于70年代末的GPS系统由于需要接收卫星信号，难以应用到工厂、仓库、楼房等室内场所，另外由于实现精确定位的成本原因，GPS系统也一直未能规模化地应用到港口码头、仓储物流等领域。为了弥补这些缺陷，2000年后在美国诞生了基于粗略区域查询的主动式RFID技术，虽然在成本上具备相当大的优势，但由于其定位精度不高，大大限制了其应用范围。
在主动式RFID技术基础上，主动式实时定位系统成为发展的主方向。实时定位系统的定位算法主要包括TOA(Time of Arrival)：到达时间定位技术；TDOA(Time Difference of Arrival)：到达时间差定位技术；RSSI(ReceivedSignal Strength Indicator)：接收信号场强定位技术。从多样复杂的定位需求入手，融合多种定位技术的实时定位系统，将为我国巨大的实时定位系统市场带来新的机遇。
发明内容
针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种支持TDOA、TOA和RSSI三种模式的实时定位方法，与普通的实时定位方法相比，本发明为了满足物流过程中复杂的定位需求，实现支持TOA、TDOA和RSSI三种主要定位模式的实时定位方法，具有低功耗、适用门禁、线及平面定位应用的优点。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种支持TDOA、TOA和RSSI三种模式的实时定位方法，包括以下步骤：提供采用微波频段的定位标签和定位接入点，通过实时定位嵌入式软件与信号处理算法实现目标的实时定位跟踪，可同时支持TDOA、TOA和RSSI三种模式，并完成虚拟门禁、线性、平面定位算法和定位仿真软件。
本发明解决进一步技术问题的方案是：低功耗实时定位电子标签在设计上采用一个嵌入式低功耗微控制配合两套无线收发系统组成，支持包括三种定位模式：TDOA、TOA以及RSSI。其中TDOA模式采用固定间隔时间定时发射；TOA模式采用应答模式，根据应答信号返回时间实现TOA时间计算。
本发明解决进一步技术问题的方案是：实时定位电子标签，避免采用专门的芯片，硬件实现上可以采用具有广泛选择余地的2.4G收发基带芯片，同时由于TOA/TDOA方式，都采用硬件方式直接进行实现，可直接采用较低端的低功耗微控制器，降低嵌入式软件开发难度，同时可以保证较好的低功耗。
本发明解决进一步技术问题的方案是：定位接入点采用两个射频通信通道，一个负责标签信号的接收，一个完成信号发射，同时支持TOA和TDOA两种模式。系统采用FPGA/DSP为核心进行硬件设计，提供一个灵活的软件无线电平台，可动态配置不同信号处理算法以适应不同的应用模式。
本发明解决进一步技术问题的方案是：针对门禁实时定位系统应用场景，为了实现自动无人干预的精确进出统计，利用简单RSSI定位模式和具有左右定向的天线实现了虚拟门禁定位接入点。
本发明解决进一步技术问题的方案是：RSSI值采用CC2520可以直接通过访问芯片内部寄存器得到，实现实时定位无线信号的处理。
本发明解决进一步技术问题的方案是：在TOA/TDOA实时定位无线信号的处理中，实现TOA/TDOA信号空中接口设计，PN码片长度1024，测距信号包含两组重复的PN码，码片速率4M，接入点接收到两个中频为6M、16M的两个带宽为8M的信号，采样速率为65.0000MHz(误差为5PPM)，避免和4M的码片速率存在倍数关系。信号空中数据为连续的两个PN序列，总共2048个Code Chip，速率为4M，空中持续时间为0.5ms。即需要在接入点上实现两个同样码片但是不同载波频率的信号达到时间计算。
本发明解决进一步技术问题的方案是：TOA/TDOA信号测算算法设计，第一步信号是否到达判断，第二步寻找码片(CODE)相位，第三步寻找Chip内相位。仅根据采样频率(65M)，只能得到uS级别的测量精度，再将采样率做1/100区分时，测量精度可以达到6.5G直接采样的效果，测量误差为3个ns，即可以达到1米的距离误差。
本发明解决进一步技术问题的方案是：在Cyclone III FPGA上硬件实现测距信号分析算法。
本发明解决进一步技术问题的方案是：融合经典的解决TDOA/TOA定位问题的算法实现，为了使用于大规模的定位接入点连接和同时支持大量的定位标签位置计算，设计逐步精度逼近的TOA/TDOA算法并仿真。
本发明解决进一步技术问题的方案是：定位算法包括三种工作模式，TOA工作模式，即点名测距模式，TDOA工作模式和RSSI工作模式。
本发明解决进一步技术问题的方案是：TOA工作模式，由于标签采用发射测距信号的工作方法，因此必须采用所谓“点名”定位模式，即由各个定位接入点分别按照权限测量标签距离，根据距离，计算最终的标签位置，适用于不太运动的电子标签。
本发明解决进一步技术问题的方案是：TDOA工作模式，标签主动发射信号，但是读头之间根据场景配置需要发射同步信号，标签信号到达时间测量则统一以同步信号为准。
本发明解决进一步技术问题的方案是：RSSI工作模式，标签主动发射信号，读头之间无需同步，只要直接测量RSSI并且转换为距离即可。
本发明的积极进步效果在于：本发明提供的一种支持TDOA、TOA和RSSI三种模式的实时定位方法具有以下优点：本发明为了满足物流过程中复杂的定位需求，实现支持TOA、TDOA和RSSI三种主要定位模式的实时定位方法，具有低功耗、适用门禁、线及平面定位应用的优点。
附图说明
图1本发明的支持多模式的实时定位系统组成图；
图2本发明的支持多模式的实时定位电子标签硬件设计框图；
图3本发明的定位接入点硬件设计框图；
图4本发明的虚拟门禁定位接入点天线方向图；
图5本发明的定位计算工作模式示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
本发明的基于24730协议的具备TOA、TDOA和RSSI三种定位模式的实时定位利用先进的电子通信技术、计算机及网络技术，为现代物流提供了目标定位跟踪的系统解决方案。本发明基于ISO24730协议标准，在设计中TOA、TDOA和RSSI三种定位模式，以适应复杂现代物流过程中的定位需求。
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下通过具体实施实例并参见附图，对本发明进行详细说明。
图1是本发明的支持多模式的实时定位系统组成图，实时定位系统核心软件、硬件系统以及射频信号处理、定位算法，实时定位系统误差模型分析实现计算机辅助生成实时定位系统部署方案，实时定位仿真软件。
图2是本发明的支持多模式的实时定位电子标签硬件设计框图，实时定位电子标签设计上采用一个嵌入式低功耗微控制配合两套无线收发系统组成。RSSI实时定位实现上采用左边第一套无线收发系统，采用符合IEEE 802.15.4规范的TI公司的CC2520集成无线收发器设计。该套收发装置主要完成射频信号的RSSI数据采集以及RFID数据传输以及节点组网功能。
TOA采用右边第二套无线收发系统实现，采用两个Maxim公司的MAX28312.4G射频收发前端，利用两个系统的基带模拟信号的收发交叉，并且通过为控制给两个收发芯片配置不同的工作频率，实现了信号“异频转发反射”，在定位接入点实现异频转发反射信号的到达时间与主信号到达时间差，实现了信号传输信号的时间测算。
TDOA工作模式，电子主动发射(不同与TOA模式下的反射工作方式)，携带PN码的DSSS(直序列扩频)信号，利用同步信号与标签信号的时差，实现到达时间差计算。
图3本发明的定位接入点硬件设计框图，定位接入点同样采用两个射频通信通道，一个负责标签信号的接收，一个完成信号发射，同时支持TOA和TDOA两种模式。采用FPGA/DSP为核心进行硬件设计，提供一个灵活的软件无线电平台，可动态配置不同信号处理算法以适应不同的应用模式。
采用Cyclone3 FPGA作为核心信号实现平台，射频前端为MAXI2701接收芯片，配合65M的ADI公司的AD9214作为AD前端，直接连接到FPGA芯片当中。同样采用MAX2830芯片作为射频信号发射前端。
图4本发明的虚拟门禁定位接入点天线方向图，在实时定位系统的许多应用场景中，门禁进出统计是许多人员定位系统必备要求，也是资产管理保护的必备要求。为了实现自动无人干预的精确进出统计，本课题利用简单RSSI定位模式，利用简单的具有左右定向的天线实现了虚拟门禁定位接入点，实现较高的性价比。
图5本发明的定位计算工作模式示意图。
TOA工作模式，即点名测距模式，由于标签采用发射测距信号的工作方法，因此必须采用所谓“点名”定位模式，即由各个定位接入点分别按照权限测量标签距离，根据距离，计算最终的标签位置，适用于不太运动的电子标签。
TDOA工作模式，标签主动发射信号，但是读头之间根据场景配置需要发射同步信号，标签信号到达时间测量则统一以同步信号为准。
RSSI工作模式，标签主动发射信号，读头之间无需同步，只要直接测量RSSI并且转换为距离即可。
本发明的基于ISO24730协议标准，在设计中TOA、TDOA和RSSI三种定位模式，以适应复杂现代物流过程中的门禁、线性及平面定位需求。本发明的实时定位硬件、软件构成了一个完整物流领域实时定位解决方案，其定位算法可适应室内外各种场合，且定位精度符合应用要求，定位范围300左右，精度在1米左右，门禁判断正确率大于百分之九十九。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (11)
1.一种支持TDOA、TOA和RSSI三种模式的实时定位方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
(1).提供定位标签和定位接入点；
(2).通过实时定位嵌入式软件与信号处理算法实现目标的实时定位跟踪；
(3).完成虚拟门禁、线性、平面定位算法和定位仿真软件。
2.根据权利要求1所述支持TDOA、TOA和RSSI三种模式的实时定位方法，其特征在于：所述定位标签和定位接入点采用微波频段。
3.根据权利要求1所述支持TDOA、TOA和RSSI三种模式的实时定位方法，其特征在于：所述TOA工作模式，由于标签采用发射测距信号的工作方法，因此必须采用所谓“点名”定位模式，即由各个定位接入点分别按照权限测量标签距离，根据距离，计算最终的标签位置；TDOA工作模式，标签主动发射信号，但是读头之间根据场景配置需要发射同步信号，标签信号到达时间测量则统一以同步信号为准；RSSI工作模式，标签主动发射信号，读头之间无需同步，只要直接测量RSSI并且转换为距离即可。
4.根据权利要求1所述支持TDOA、TOA和RSSI三种模式的实时定位方法，其特征在于：所述定位标签在设计上采用一个嵌入式低功耗微控制配合两套无线收发系统组成，所述定位标签支持三种定位模式：TDOA模式、TOA模式以及RSSI模式。
5.根据权利要求3所述支持TDOA、TOA和RSSI三种模式的实时定位方法，其特征在于：所述TDOA模式采用固定间隔时间定时发射；TOA模式采用应答模式，根据应答信号返回时间实现TOA时间计算。
6.根据权利要求1所述支持TDOA、TOA和RSSI三种模式的实时定位方法，其特征在于：所述定位标签硬件实现上采用具有广泛选择余地的2.4G收发基带芯片。
7.根据权利要求1所述支持TDOA、TOA和RSSI三种模式的实时定位方法，其特征在于：所述定位接入点采用两个射频通信通道，一个负责标签信号的接收，一个完成信号发射，同时支持TOA和TDOA两种模式，系统采用FPGA/DSP为核心进行硬件设计，提供一个灵活的软件无线电平台，通过动态配置不同信号处理算法来适应不同的应用模式。
8.根据权利要求1所述支持TDOA、TOA和RSSI三种模式的实时定位方法，其特征在于：针对门禁实时定位系统应用场景，为了实现自动无人干预的精确进出统计，利用简单RSSI定位模式和具有左右定向的天线实现了虚拟门禁定位接入点。
9.根据权利要求1所述支持TDOA、TOA和RSSI三种模式的实时定位方法，其特征在于：RSSI定位模式采用CC2520直接通过访问芯片内部寄存器得到，实现实时定位无线信号的处理。
10.根据权利要求1所述支持TDOA、TOA和RSSI三种模式的实时定位方法，其特征在于：在TOA/TDOA实时定位无线信号的处理中，实现TOA/TDOA信号空中接口设计，PN码片长度1024，测距信号包含两组重复的PN码，码片速率4M，接入点接收到两个中频为6M、16M的两个带宽为8M的信号，采样速率为65.0000MHz，避免和4M的码片速率存在倍数关系，信号空中数据为连续的两个PN序列，总共2048个Code Chip，速率为4M，空中持续时间为0.5ms。
11.根据权利要求1所述支持TDOA、TOA和RSSI三种模式的实时定位方法，其特征在于：定位算法包括三种工作模式，TOA工作模式，即点名测距模式，TDOA工作模式和RSSI工作模式。
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