一种时钟定位方法、装置、存储介质及通信系统与流程
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种时钟定位方法、装置、存储介质及通信系统，尤其涉及一种uwb定位tdoa算法无线时钟同步定位时钟偏差分析及其偏差消除的实现算法、装置、存储介质及通信系统。
背景技术：
根据dw1000(兼容ieee802.15.4-2011协议的超宽带无线收发芯片)的本身特点和工作方式特性，uwb(ultrawideband，是一种无载通信技术，利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传编数据)定位可以分为twr(towwayranging，双方式法)轮询测距定位和tdoa(timedifferenceofarrival，到达时间差)到达基站两两时间差定位，twr轮询的定位原理是信标会主动发送测距请求给基站，使用tof(timeofflight，飞行时差)双边双向3发3收方式和基站进行逐一测距，再使用多边定位算法进行定位解算，tdoa则是与twr不一样的定位方式和定位算法，tdoa的本质不是测距定位，而是通过信标广播发射定位信号，通过计算多个基站接收该信标信号的接收时间戳的时间差值进行定位的，根据时间差等于距离差的关系，即可通过定位算法解算出信标的坐标，tdoa定位方法的信标只周期性广播数据包，基站是一直处于接收模式，而twr定位方法的一次定位需要信标进行1次发送和2次接收的模式切换，基站也需要进行2次接收和1次发送的模式切换，对于每一个定位信标或者定位基站而言，接收时间戳和发送时间戳是相互独立的，它们都使用dw1000内部的一个40位的计数时钟，每计数一次的时间约为15.65ps，当dw1000上电后，这个时钟就开始自动计时，当计数满后自动溢出。
对于dw1000芯片计数时钟而言，由于工艺不能保证100％精度的时钟，实际工艺制造每一颗dw1000芯片的系统计时时钟都会存在不同的时钟偏差(erro)，但这个偏差通常都会小于正负20ppm，若使用tdoa无线时钟定位方式，若不能保证时钟的精度为100％，则会在1s的时间内就可以产生最大10^12ps*20/1000000＝20us的误差，则两两的误差就可能达到最大40us，tdoa方法便无法计算出定位时间差。若在1s前时钟进行了同步，则下一秒的误差就可以达到20us的误差，但uwb信号在空气中传输的时间也不会超过80*10^8ps＝800ns，800ns空气飞行时间就会卷入20us以上的同步时钟的误差，误差20us远远大于800ns，显然不可能进行定位和直接计算出时钟误差的，若通过加大时钟同步信号的频率就可以减小时钟同步时钟的自身误差，若需要将800ns的飞行时间的误差降到10ns及以下，则需要时钟同步信号达到亚us级别的周期才会避免dw1000时钟偏差带来的误差问题，但单片机执行的速度也只有亚ns级别的处理速度，大部分时间都在接收时钟同步信号和数据上传，占用大量的基站接收时间和计算处理时钟同步帧的时间，占用了大量信标的时间资源，显然这是不可接受的，tdoa的实质就是为了增加信标的密度个数，增加定位效率，使基站能够定位到更大量的信标，只有时钟同步信号的更新频率应当小于1hz，也就是周期大于1s/次，才会发挥tdoa定位的优势。
上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
技术实现要素：
本发明的目的在于，针对上述缺陷，提供一种时钟定位方法、装置、存储介质及通信系统，以解决tdoa定位方法中dw1000的本身时钟偏差导致无线时钟同步带来的时钟偏差累积的问题，达到抑制时钟偏差积累的效果。
本发明提供一种时钟定位方法，包括：确定主基站和从基站之间的距离时间差；基于所述距离时间差确定信标定位信号到达从基站的到达时间差；基于所述到达时间差确定定位信标的位置，实现tdoa无线时钟同步定位。
可选地，确定主基站和从基站之间的距离时间差，包括：获取主基站与n个从基站之间的n个直线距离；确定n个直线距离中的最短距离，并确定n个直线距离中除该最短距离之外的n-1个直线距离与该最短距离之间的n-1个距离差；将该n-1个距离差除以光速得到n-1个时间差，并将该n-1个时间差作为主基站和n-1个从基站之间的n-1个距离时间差；或者，获取主基站与n个从基站之间的直线距离；将n个直线距离除以光速，得到主基站发送的无线同步时钟信号到达n个从基站的n个空中飞行时间，并确定n个空中飞行时间中的最小时间；将n-1个空中飞行时间减去该最小时间得到n-1个时间差，并将该n-1个时间差作为主基站和n-1个从基站之间的n-1个距离时间差。
可选地，获取主基站与n个从基站之间的n个直线距离，包括：利用tof测距方式进行twr轮询测距，以对主基站与n个从基站进行同步信号时钟测距；在所述同步信号时钟测距完成的情况下，对主基站与n个从基站之间的n个直线距离进行获取。
可选地，其中，每个直线距离，包括：在测距模式下，进行设定次数以上的同步信号时钟测距获取的对应直线距离的平均值。
可选地，基于所述距离时间差确定信标定位信号到达从基站的到达时间差，包括：在tdoa定位模式下，使定位信标周期性广播信标定位信号、主基站周期性广播时钟同步信号、以及从基站接收所述信标定位信号和所述同步时钟信号；在从基站接收到所述信标定位信号和所述时钟同步信号的情况下，对所述信标定位信号和所述时钟同步信号进行解析，得到所述信标定位信号的信标信号基站接收时间戳和所述时钟同步信号的同步接收时间戳；基于所述距离时间差、所述信标信号基站接收时间戳和所述同步接收时间戳，确定定位周期内所述信标定位信号两两到达时间差。
可选地，基于所述距离时间差、所述信标信号基站接收时间戳和所述同步接收时间戳，确定定位周期内所述信标定位信号两两到达时间差，包括：确定两两同步时钟信号的周期时间差的第一平均误差之差，并确定两两信标定位信标信号的周期时间差的第二平均误差之差；确定定位周期内所述第一平均误差之差和所述第二平均误差之差的两两总误差，并作为所述信标定位信号两两到达从基站的到达时间差。
可选地，其中，确定两两同步时钟信号的周期时间差的第一平均误差之差，包括：确定两两同步时钟信号的周期时间差的平均误差，并将该平均误差减去所述距离时间差，作为第一平均误差之差；和/或，确定两两信标定位信标信号的周期时间差的第二平均误差之差，包括：确定两两信标定位信号在基于所述同步时钟信号的同步时钟后的总误差长度，并将该总误差长度减去所述同步接收时间戳，作为第二平均误差之差；和/或，所述定位信标，包括：uwb定位信标电路；所述主基站，包括：uwb定位主基站电路；所述从基站，包括：uwb定位从基站电路。
可选地，基于所述到达时间差确定定位信标的位置，包括：根据所述时间差，确定所述定位信标与3个以上从基站之间的距离；根据光速与所述定位信标与3个以上从基站之间的距离，确定所述定位信标的坐标，以得到所述定位信标的位置。
与上述方法相匹配，本发明另一方面提供一种时钟定位装置，包括：测距单元，用于确定主基站和从基站之间的距离时间差；处理单元，用于基于所述距离时间差确定信标定位信号到达从基站的到达时间差；解算单元，用于基于所述到达时间差确定定位信标的位置，实现tdoa无线时钟同步定位。
可选地，所述测距单元确定主基站和从基站之间的距离时间差，包括：获取主基站与n个从基站之间的n个直线距离；确定n个直线距离中的最短距离，并确定n个直线距离中除该最短距离之外的n-1个直线距离与该最短距离之间的n-1个距离差；将该n-1个距离差除以光速得到n-1个时间差，并将该n-1个时间差作为主基站和n-1个从基站之间的n-1个距离时间差；或者，获取主基站与n个从基站之间的直线距离；将n个直线距离除以光速，得到主基站发送的无线同步时钟信号到达n个从基站的n个空中飞行时间，并确定n个空中飞行时间中的最小时间；将n-1个空中飞行时间减去该最小时间得到n-1个时间差，并将该n-1个时间差作为主基站和n-1个从基站之间的n-1个距离时间差。
可选地，所述测距单元获取主基站与n个从基站之间的n个直线距离，包括：利用tof测距方式进行twr轮询测距，以对主基站与n个从基站进行同步信号时钟测距；在所述同步信号时钟测距完成的情况下，对主基站与n个从基站之间的n个直线距离进行获取。
可选地，其中，每个直线距离，包括：在测距模式下，进行设定次数以上的同步信号时钟测距获取的对应直线距离的平均值。
可选地，所述处理单元基于所述距离时间差确定信标定位信号到达从基站的到达时间差，包括：在tdoa定位模式下，使定位信标周期性广播信标定位信号、主基站周期性广播时钟同步信号、以及从基站接收所述信标定位信号和所述同步时钟信号；在从基站接收到所述信标定位信号和所述时钟同步信号的情况下，对所述信标定位信号和所述时钟同步信号进行解析，得到所述信标定位信号的信标信号基站接收时间戳和所述时钟同步信号的同步接收时间戳；基于所述距离时间差、所述信标信号基站接收时间戳和所述同步接收时间戳，确定定位周期内所述信标定位信号两两到达时间差。
可选地，所述处理单元基于所述距离时间差、所述信标信号基站接收时间戳和所述同步接收时间戳，确定定位周期内所述信标定位信号两两到达时间差，包括：确定两两同步时钟信号的周期时间差的第一平均误差之差，并确定两两信标定位信标信号的周期时间差的第二平均误差之差；确定定位周期内所述第一平均误差之差和所述第二平均误差之差的两两总误差，并作为所述信标定位信号两两到达从基站的到达时间差。
可选地，其中，所述处理单元确定两两同步时钟信号的周期时间差的第一平均误差之差，包括：确定两两同步时钟信号的周期时间差的平均误差，并将该平均误差减去所述距离时间差，作为第一平均误差之差；和/或，所述处理单元确定两两信标定位信标信号的周期时间差的第二平均误差之差，包括：确定两两信标定位信号在基于所述同步时钟信号的同步时钟后的总误差长度，并将该总误差长度减去所述同步接收时间戳，作为第二平均误差之差；和/或，所述定位信标，包括：uwb定位信标电路；所述主基站，包括：uwb定位主基站电路；所述从基站，包括：uwb定位从基站电路。
可选地，所述解算单元基于所述到达时间差确定定位信标的位置，包括：根据所述时间差，确定所述定位信标与3个以上从基站之间的距离；根据光速与所述定位信标与3个以上从基站之间的距离，确定所述定位信标的坐标，以得到所述定位信标的位置。
与上述装置相匹配，本发明再一方面提供一种通信系统，包括：以上所述的时钟定位装置。
与上述方法相匹配，本发明再一方面提供一种存储介质，包括：所述存储介质中存储有多条指令；所述多条指令，用于由处理器加载并执行以上所述的时钟定位方法。
与上述方法相匹配，本发明再一方面提供一种通信系统，包括：处理器，用于执行多条指令；存储器，用于存储多条指令；其中，所述多条指令，用于由所述存储器存储，并由所述处理器加载并执行以上所述的时钟定位方法。
本发明的方案，通过利用同步时钟的平均误差之差来抑制消除大部分的信标定位时间戳的周期误差的差值，可以解决受多方面因素影响导致的时钟偏差问题，提高时钟精度。
进一步，本发明的方案，通过利用同步时钟的平均误差之差来抑制消除大部分的信标定位时间戳的周期误差的差值，tdoa定位的无线时钟同步技术基站将一直处于接收模式，每次定位uwb信标定位只需发射一次定位信号，非常适合大规模多信标多基站，定位效率高。
进一步，本发明的方案，通过利用同步时钟的平均误差之差来抑制消除大部分的信标定位时间戳的周期误差的差值，一定程度地消除了绝大部分由于工艺时钟偏差问题导致的周期误差累积，减小时钟误差，提升精准性。
进一步，本发明的方案，通过利用同步时钟的平均误差之差来抑制消除大部分的信标定位时间戳的周期误差的差值，在定位期间没有任何的状态切换，完全适合无线时钟同步tdoa算法，算法难度小，且可靠性高。
进一步，本发明的方案，通过利用同步时钟的平均误差之差来抑制消除大部分的信标定位时间戳的周期误差的差值，可以降低uwb信标定位发射的功耗，避免定位信标会来回切换产生的更多额外功耗。
由此，本发明的方案，通过利用同步时钟的平均误差之差来抑制消除大部分的信标定位时间戳的周期误差的差值，解决tdoa定位方法中dw1000的本身时钟偏差导致无线时钟同步带来的时钟偏差累积的问题，从而，克服现有技术中时钟偏差积累大、定位精度低和可靠性差的缺陷，实现时钟偏差积累小、定位精度高和可靠性好的有益效果。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的时钟定位方法的一实施例的流程示意图；
图2为本发明的方法中基于距离差确定距离时间差的一实施例的流程示意图；
图3为本发明的方法中基于时间差确定距离时间差的一实施例的流程示意图；
图4为本发明的方法中获取主基站与n个从基站之间的n个直线距离的一实施例的流程示意图；
图5为本发明的方法中基于所述距离时间差确定信标定位信号到达从基站的到达时间差的一实施例的流程示意图；
图6为本发明的方法中确定定位周期内所述信标定位信号两两到达时间差的一实施例的流程示意图；
图7为本发明的方法中基于所述到达时间差确定定位信标的位置的一实施例的流程示意图；
图8为本发明的时钟定位装置的一实施例的结构示意图；
图9为本发明的时钟定位装置的一实施例的无线时钟同步测距模型结构示意图；
图10为本发明的时钟定位装置的一实施例的无线时钟同步时间模型结构示意图；
图11为本发明的时钟定位装置的一实施例的tdoa基站定位模型结构示意图；
图12为本发明的时钟定位装置的一实施例的tdoa基站定位模型分析结构示意图；
图13为本发明的时钟定位装置的一实施例的基站定位时间模型分析流程示意图；
图14为本发明的时钟定位装置的一实施例的定位误差分析与误差消除流程示意图；
图15为本发明的时钟定位装置的一实施例的uwb定位信标电路组成结构示意图；
图16为本发明的时钟定位装置的一实施例的uwb定位从基站电路组成结构示意图；
图17为本发明的时钟定位装置的一实施例的uwb定位主基站电路组成结构示意图。
结合附图，本发明实施例中附图标记如下：
102-测距单元；104-处理单元；106-解算单元。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明的实施例，提供了一种时钟定位方法，如图1所示本发明的方法的一实施例的流程示意图。该时钟定位方法可以包括：步骤s110至步骤s130。
在步骤s110处，测距步骤：在测距模式下，确定主基站和从基站之间的距离时间差。例如：确定时钟同步信号的空中飞行时间差值，即确定主基站发送的时钟同步信号到每个从基站的空中飞行时间差值。
例如：通过测量主基站到从基站之间的每个距离，通过与其中一个距离的求差就可以计算得到无线同步信号的偏移量。
可选地，确定主基站和从基站之间的距离时间差，可以包括以下任一确定过程。
第一种确定过程：基于距离差确定距离时间差的过程。
下面结合图2所示本发明的方法中基于距离差确定距离时间差的一实施例流程示意图，进一步说明步骤s110中基于距离差确定距离时间差的具体过程，可以包括：步骤s210至步骤s230。
步骤s210，获取主基站与n个从基站之间的n个直线距离，n为自然数。
例如：如图9所示，可以表示同步时钟的测距模型，由于每个从基站与主基站的距离不一，因此需要进行测距计算距离差值。
步骤s220，确定n个直线距离中的最短距离，并确定n个直线距离中除该最短距离之外的n-1个直线距离与该最短距离之间的n-1个距离差。
步骤s230，将该n-1个距离差除以光速得到n-1个时间差，并将该n-1个时间差作为主基站和n-1个从基站之间的n-1个距离时间差。
第二种确定过程：基于时间差确定距离时间差的过程。
下面结合图3所示本发明的方法中基于时间差确定距离时间差的一实施例流程示意图，进一步说明步骤s110中基于时间差确定距离时间差的具体过程，可以包括：步骤s310至步骤s330。
步骤s310，获取主基站与n个从基站之间的直线距离，n为自然数。
步骤s320，将n个直线距离除以光速，得到主基站发送的无线同步时钟信号到达n个从基站的n个空中飞行时间，并确定n个空中飞行时间中的最小时间。
步骤s330，将n-1个空中飞行时间减去该最小时间得到n-1个时间差，并将该n-1个时间差作为主基站和n-1个从基站之间的n-1个距离时间差。
由此，通过主基站与从基站之间的距离差、时间差等多种方式确定主基站与从基站之间的距离时间差，使得对主基站与从基站之间的距离时间差的确定方式灵活便捷，且确定结果精准而可靠。
更可选地，可以结合图4所示本发明的方法中获取主基站与n个从基站之间的n个直线距离的一实施例流程示意图，进一步说明步骤s210和步骤s310中获取主基站与n个从基站之间的n个直线距离的具体过程，可以包括：步骤s410和步骤s420。
步骤s410，利用tof测距方式进行twr轮询测距，以对主基站与n个从基站进行同步信号时钟测距。
步骤s420，在所述同步信号时钟测距完成的情况下，对主基站与n个从基站之间的n个直线距离进行获取。
由此，通过利用轮询测距的方式进行同步信号时钟测距，得到主基站与n各从基站之间的直线距离，使得对主基站与从基站之间的直线距离的获取简便且精准。
其中，每个直线距离，可以包括：在测距模式下，进行设定次数以上的同步信号时钟测距获取的对应直线距离的平均值。
例如：每个直线距离，可以包括：使主从基站在测距模式下，进行设定次数以上的同步信号时钟测距获取的对应直线距离的平均值。其中，在设定次数以上的同步信号时钟测距后，主从基站退出测距模式并进入tdoa定位模式。
例如：进入测距模式后，可以测出主基站到每个从基站的距离分别是{l1,l2,l3…ln}，ln表示主基站和n个从基站的直线距离，除以光速c得到无线同步时钟信号在空气中飞行时间为{t1,t2,t3…tn}，通过排序算法得到其中的最小时间tmin，也是主基站发送同步信号后从基站第一个时间接收到该信号的空中飞行时间，将空中飞行时间减去最小的时间得到n-1个时间差{tderr1,tderr2,tderr3…tderrn-1}＝{t1-tmin,t2-tmin,t3-tmin…tn-1-tmin},tderrn就是时钟同步信号的空中飞行时间差值，在计算时钟同步信号时需要加上该差值，工程中通过10-20次采样取平均后，主从基站就退出测距模式，测距模式结束将进入tdoa定位模式。
由此，通过在测距模式下进行多次同步时钟信号测距，并取平均值，使得获取的主基站与从基站之间的直线距离更加精准。
在步骤s120处，定位步骤：在定位模式(如tdoa定位模式)下，基于所述距离时间差确定信标定位信号到达从基站的到达时间差。例如：基于所述距离时间差，确定定位信号两两到达定位从基站的到达时间差。
可选地，可以结合图5所示本发明的方法中基于所述距离时间差确定信标定位信号到达从基站的到达时间差的一实施例流程示意图，进一步说明步骤s120中基于所述距离时间差确定信标定位信号到达从基站的到达时间差的具体过程，可以包括：步骤s510至步骤s530。
步骤s510，在tdoa定位模式下，使定位信标周期性广播信标定位信号、主基站周期性广播时钟同步信号、以及从基站接收所述信标定位信号和所述同步时钟信号。例如：如使定位信标、主基站和从基站工作于tdoa定位模式，控制定位信标周期性广播信标定位信号，控制主基站周期性广播时钟同步信号，并控制从基站接收所述信标定位信号和所述同步时钟信号。
例如：通过多个uwb从基站和uwb主基站协助无线时钟同步就可以通过时间差的方式进行tdoa定位中的tdoa方式是信标只广播，定位基站一直处于接收模式，主基站是只广播发射信号，信标无论到任何位置，信标周期性发出信标广播信号。
例如：测距模式结束后将进入tdoa定位模式，定位模式也是uwb主从基站和信标的主要定位工作模式，在该模式下主基站会切换到周期广播模式，从基站会切换到接收模式，接收信标和主基站发来的信号，定位信标将周期广播定位信号，主基站会周期性广播时钟同步信号。
其中，所述定位信标，可以包括：uwb定位信标电路。所述主基站，可以包括：uwb定位主基站电路。所述从基站，可以包括：uwb定位从基站电路。
例如：tdoa的定位基本硬件模型包括了uwb定位信标、uwb定位从基站和uwb定位主基站。其中，uwb定位信标不断地广播信标帧数据包信号，uwb定位主基站的作用主要还是广播无线同步时钟信号，在定位模式下，uwb定位从基站会一直处于接收模式，接收来自uwb定位信标的信号数据(即信标帧数据包信号)和对应的接收时间戳，以及接收来自主基站广播的同步时钟信号(即无线同步时钟信号)和接收时间戳，uwb定位信标和主基站的信号传递都是单向的，各个基站之间的时钟是相互独立的，因此，这种方式就非常适合tdoa算法方式的到达基站时间差方式进行定位。
由此，通过uwb定位电路实现tdoa同步时钟定位，结构简单，且定位精准且可靠。
步骤s520，在从基站接收到所述信标定位信号和所述时钟同步信号的情况下，对所述信标定位信号和所述时钟同步信号进行解析，得到所述信标定位信号的信标接收时间戳(优选为信标信号基站接收时间戳)和所述时钟同步信号的同步接收时间戳。例如：可以是在接收所述信标定位信号和所述同步时钟信号的上升沿瞬间，使从基站获取所述信标定位信号的信标信号基站接收时间戳和所述时钟同步信号的同步接收时间戳。
步骤s530，基于所述距离时间差、所述信标信号基站接收时间戳和所述同步接收时间戳，确定定位周期内所述信标定位信号两两到达时间差。其中，定位周期可以是设定的定位周期。
由此，通过在tdoa定位模式下，基于主基站与从基站之间的距离时间差、从基站接收信标定位信号的信标信号基站接收时间戳、以及从基站接收同步时钟信号的同步接收时间戳，确定定位周期内信标定位信号两两到达时间差，使得对信标定位信号到达时间差的确定方式便捷且可靠、确定结果精准。
更可选地，可以结合图6所示本发明的方法中确定定位周期内所述信标定位信号两两到达时间差的一实施例流程示意图，进一步说明步骤s530中确定定位周期内所述信标定位信号两两到达时间差的具体过程，可以包括：步骤s610和步骤s620。
步骤s610，确定两两同步时钟信号的周期时间差的第一平均误差之差，并确定两两信标定位信标信号的周期时间差的第二平均误差之差。
更进一步可选地，步骤s610中确定两两同步时钟信号的周期时间差的第一平均误差之差，可以包括：确定两两同步时钟信号的周期时间差的平均误差，并将该平均误差减去所述距离时间差，作为第一平均误差之差。
更进一步可选地，步骤s610中确定两两信标定位信标信号的周期时间差的第二平均误差之差，可以包括：确定两两信标定位信号在基于所述同步时钟信号的同步时钟后的总误差长度，并将该总误差长度减去所述同步接收时间戳，作为第二平均误差之差。
由此，通过基于距离时间差确定两两同步时钟信号的平均误差之差，并基于同步时间接收戳确定两两信标定位信号的平均误差之差，可以分别消除同步时钟信号和信标定位信号的时间偏差，有利于减小定位偏差进而提升定位的精准性和可靠性。
步骤s620，确定定位周期内所述第一平均误差之差和所述第二平均误差之差的两两总误差，并作为所述信标定位信号两两到达从基站的到达时间差。
例如：如图12和图13所示，将每个时钟误差考虑进来，作为相互独立的时钟误差看待，然后两两相减后得到不同的时钟偏差之差，通过时间长度推算时钟每计数一次产生的平均微小偏差之差，然后结合信标定位时钟的长度来计算信标定位的总误差，进而大大抑制减少时钟偏差的问题，tdoa定位方式是利用两两时间差来定位的，但是每一个的dw1000时钟误差是未知的，但可以根据同步信号的周期进行计算基站接收时间戳的两两差值，通过计算出一个时钟计数时间内的微小误差，便可推断很多个时钟周期的误差总和，通过计算进而消除误差。
由此，通过分别确定两两同步时钟信号的平均误差之差和两两信标定位信号的平均误差之间，进而根据该两个平均误差之差的总误差确定信标定位信号两两到达从基站的到达时间差，使得对信标定位信号到达时间差的确定更加精准和可靠，且确定方式简便。
在步骤s130处，解算步骤：基于所述到达时间差确定定位信标的位置，实现tdoa无线时钟同步定位。
例如：提供一种uwb定位tdoa算法无线时钟同步定位时钟偏差分析及其偏差消除的实现算法，能够利用同步时钟的平均误差之差来抑制消除大部分的信标定位时间戳的周期误差的差值。其中，使用tdoa定位算法的无线时钟同步的定位效率会很高，tdoa定位的无线时钟同步技术基站将一直处于接收模式，每次定位uwb信标定位只需发射一次定位信号，非常适合大规模多信标多基站，减少了信号拥堵和争峰，增大了信标数量和基站数量的规模和范围。
例如：利用了两两同步时钟信号的周期时间差的平均误差之差来计算推算对应的两两定位信标信号周期内的误差之差，从而一定程度地消除了绝大部分由于工艺时钟偏差问题导致的周期误差累积，得到信标定位信号到达基站的到达时间差。其中，使用两两误差之差的方式去除时钟偏差，没有使用其他额外的硬件辅助工具，误差去除是纯算法的方式实现的，时钟同步是由主基站发射时钟同步信号，定位从基站一直处于接收状态，主基站和定位信标是处于周期广播状态，许多tdoa定位方式都存在状态切换，但该方式的定位期间没有任何的状态切换，完全适合无线时钟同步tdoa算法。
由此，通过基于主基站和从基站之间的距离时间差确定信标定位信号到达从基站的到达时间差，进而基于该到达时间差确定定位信标的位置，实现tdoa无线时钟同步定位，时钟偏差小，定位精准性好。
可选地，可以结合图7所示本发明的方法中基于所述到达时间差确定定位信标的位置的一实施例流程示意图，进一步说明步骤s130中基于所述到达时间差确定定位信标的位置的具体过程，可以包括：步骤s710和步骤s720。
步骤s710，根据所述时间差，确定所述定位信标与3个以上从基站之间的距离。
步骤s720，根据光速与所述定位信标与3个以上从基站之间的距离，确定所述定位信标的坐标，以得到所述定位信标的位置。
例如：tdoa的定位算法是使用信号到达基站的两两时间差定位的，由于时间差与距离差的关系，因此tdoa定位的难度较大，对于二维平面或者三维平面的定位而言，在二维平面上的定位至少需要3个以及3个以上的定位从基站，若需要在三维空间算出信标的高度z，则至少需要4个及其4个以上的定位从基站。
由此，通过基于信标定位信号到达时间差确定定位信标与3个以上从基站之间的距离，进而结合光速确定定位信标的坐标，实现对定位信标的定位，精准且可靠。
经大量的试验验证，采用本实施例的技术方案，通过利用同步时钟的平均误差之差来抑制消除大部分的信标定位时间戳的周期误差的差值，可以解决受多方面因素影响导致的时钟偏差问题，提高时钟精度。
根据本发明的实施例，还提供了对应于时钟定位方法的一种时钟定位装置。参见图8所示本发明的装置的一实施例的结构示意图。该时钟定位装置可以包括：测距单元102、处理单元104和解算单元106。
在一个可选例子中，测距单元102，可以用于执行测距步骤，即：在测距模式下，确定主基站和从基站之间的距离时间差。例如：确定时钟同步信号的空中飞行时间差值，即确定主基站发送的时钟同步信号到每个从基站的空中飞行时间差值。该测距单元102的具体功能及处理参见步骤s110。
例如：通过测量主基站到从基站之间的每个距离，通过与其中一个距离的求差就可以计算得到无线同步信号的偏移量。
可选地，所述测距单元102确定主基站和从基站之间的距离时间差，可以包括以下任一种确定过程。
第一种确定过程：基于距离差确定距离时间差的过程，具体可以如下：
所述测距单元102，具体还可以用于获取主基站与n个从基站之间的n个直线距离，n为自然数。该测距单元102的具体功能及处理还参见步骤s210。
所述测距单元102，具体还可以用于确定n个直线距离中的最短距离，并确定n个直线距离中除该最短距离之外的n-1个直线距离与该最短距离之间的n-1个距离差。该测距单元102的具体功能及处理还参见步骤s220。
所述测距单元102，具体还可以用于将该n-1个距离差除以光速得到n-1个时间差，并将该n-1个时间差作为主基站和n-1个从基站之间的n-1个距离时间差。该测距单元102的具体功能及处理还参见步骤s230。
第二种确定过程：基于时间差确定距离时间差的过程，具体可以如下：
所述测距单元102，具体还可以用于获取主基站与n个从基站之间的直线距离，n为自然数。该测距单元102的具体功能及处理还参见步骤s310。
所述测距单元102，具体还可以用于将n个直线距离除以光速，得到主基站发送的无线同步时钟信号到达n个从基站的n个空中飞行时间，并确定n个空中飞行时间中的最小时间。该测距单元102的具体功能及处理还参见步骤s320。
所述测距单元102，具体还可以用于将n-1个空中飞行时间减去该最小时间得到n-1个时间差，并将该n-1个时间差作为主基站和n-1个从基站之间的n-1个距离时间差。该测距单元102的具体功能及处理还参见步骤s330。
由此，通过主基站与从基站之间的距离差、时间差等多种方式确定主基站与从基站之间的距离时间差，使得对主基站与从基站之间的距离时间差的确定方式灵活便捷，且确定结果精准而可靠。
更可选地，所述测距单元102获取主基站与n个从基站之间的n个直线距离，可以包括：
所述测距单元102，具体还可以用于利用tof测距方式进行twr轮询测距，以对主基站与n个从基站进行同步信号时钟测距。该测距单元102的具体功能及处理还参见步骤s410。
所述测距单元102，具体还可以用于在所述同步信号时钟测距完成的情况下，对主基站与n个从基站之间的n个直线距离进行获取。该测距单元102的具体功能及处理还参见步骤s420。
由此，通过利用轮询测距的方式进行同步信号时钟测距，得到主基站与n各从基站之间的直线距离，使得对主基站与从基站之间的直线距离的获取简便且精准。
其中，每个直线距离，可以包括：在测距模式下，进行设定次数以上的同步信号时钟测距获取的对应直线距离的平均值。
例如：每个直线距离，可以包括：使主从基站在测距模式下，进行设定次数以上的同步信号时钟测距获取的对应直线距离的平均值。其中，在设定次数以上的同步信号时钟测距后，主从基站退出测距模式并进入tdoa定位模式。
例如：进入测距模式后，可以测出主基站到每个从基站的距离分别是{l1,l2,l3…ln}，ln表示主基站和n个从基站的直线距离，除以光速c得到无线同步时钟信号在空气中飞行时间为{t1,t2,t3…tn}，通过排序算法得到其中的最小时间tmin，也是主基站发送同步信号后从基站第一个时间接收到该信号的空中飞行时间，将空中飞行时间减去最小的时间得到n-1个时间差{tderr1,tderr2,tderr3…tderrn-1}＝{t1-tmin,t2-tmin,t3-tmin…tn-1-tmin},tderrn就是时钟同步信号的空中飞行时间差值，在计算时钟同步信号时需要加上该差值，工程中通过10-20次采样取平均后，主从基站就退出测距模式，测距模式结束将进入tdoa定位模式。
由此，通过在测距模式下进行多次同步时钟信号测距，并取平均值，使得获取的主基站与从基站之间的直线距离更加精准。
在一个可选例子中，处理单元104，可以用于执行定位步骤，即：在定位模式(如tdoa定位模式)下，基于所述距离时间差确定信标定位信号到达从基站的到达时间差。该处理单元104的具体功能及处理参见步骤s120。例如：基于所述距离时间差，确定定位信号两两到达定位从基站的到达时间差。
可选地，所述处理单元104基于所述距离时间差确定信标定位信号到达从基站的到达时间差，可以包括：
所述处理单元104，具体还可以用于在tdoa定位模式下，使定位信标周期性广播信标定位信号、主基站周期性广播时钟同步信号、以及从基站接收所述信标定位信号和所述同步时钟信号。例如：如使定位信标、主基站和从基站工作于tdoa定位模式，控制定位信标周期性广播信标定位信号，控制主基站周期性广播时钟同步信号，并控制从基站接收所述信标定位信号和所述同步时钟信号。该处理单元104的具体功能及处理还参见步骤s510。
例如：通过多个uwb从基站和uwb主基站协助无线时钟同步就可以通过时间差的方式进行tdoa定位中的tdoa方式是信标只广播，定位基站一直处于接收模式，主基站是只广播发射信号，信标无论到任何位置，信标周期性发出信标广播信号。
例如：测距模式结束后将进入tdoa定位模式，定位模式也是uwb主从基站和信标的主要定位工作模式，在该模式下主基站会切换到周期广播模式，从基站会切换到接收模式，接收信标和主基站发来的信号，定位信标将周期广播定位信号，主基站会周期性广播时钟同步信号。
其中，所述定位信标，可以包括：uwb定位信标电路。所述主基站，可以包括：uwb定位主基站电路。所述从基站，可以包括：uwb定位从基站电路。
例如：tdoa的定位基本硬件模型包括了uwb定位信标、uwb定位从基站和uwb定位主基站。其中，uwb定位信标不断地广播信标帧数据包信号，uwb定位主基站的作用主要还是广播无线同步时钟信号，在定位模式下，uwb定位从基站会一直处于接收模式，接收来自uwb定位信标的信号数据(即信标帧数据包信号)和对应的接收时间戳，以及接收来自主基站广播的同步时钟信号(即无线同步时钟信号)和接收时间戳，uwb定位信标和主基站的信号传递都是单向的，各个基站之间的时钟是相互独立的，因此，这种方式就非常适合tdoa算法方式的到达基站时间差方式进行定位。
由此，通过uwb定位电路实现tdoa同步时钟定位，结构简单，且定位精准且可靠。
所述处理单元104，具体还可以用于在从基站接收到所述信标定位信号和所述时钟同步信号的情况下，对所述信标定位信号和所述时钟同步信号进行解析，得到所述信标定位信号的信标信号基站接收时间戳和所述时钟同步信号的同步接收时间戳。例如：可以是在接收所述信标定位信号和所述同步时钟信号的上升沿瞬间，使从基站获取所述信标定位信号的信标信号基站接收时间戳和所述时钟同步信号的同步接收时间戳。该处理单元104的具体功能及处理还参见步骤s520。
所述处理单元104，具体还可以用于基于所述距离时间差、所述信标信号基站接收时间戳和所述同步接收时间戳，确定定位周期内所述信标定位信号两两到达时间差。其中，定位周期可以是设定的定位周期。该处理单元104的具体功能及处理还参见步骤s530。
由此，通过在tdoa定位模式下，基于主基站与从基站之间的距离时间差、从基站接收信标定位信号的信标信号基站接收时间戳、以及从基站接收同步时钟信号的同步接收时间戳，确定定位周期内信标定位信号两两到达时间差，使得对信标定位信号到达时间差的确定方式便捷且可靠、确定结果精准。
更可选地，所述处理单元104基于所述距离时间差、所述信标信号基站接收时间戳和所述同步接收时间戳，确定定位周期内所述信标定位信号两两到达时间差，可以包括：
所述处理单元104，具体还可以用于确定两两同步时钟信号的周期时间差的第一平均误差之差，并确定两两信标定位信标信号的周期时间差的第二平均误差之差。该处理单元104的具体功能及处理还参见步骤s610。
更进一步可选地，所述处理单元104确定两两同步时钟信号的周期时间差的第一平均误差之差，可以包括：所述处理单元104，具体还可以用于确定两两同步时钟信号的周期时间差的平均误差，并将该平均误差减去所述距离时间差，作为第一平均误差之差。
更进一步可选地，所述处理单元104确定两两信标定位信标信号的周期时间差的第二平均误差之差，可以包括：所述处理单元104，具体还可以用于确定两两信标定位信号在基于所述同步时钟信号的同步时钟后的总误差长度，并将该总误差长度减去所述同步接收时间戳，作为第二平均误差之差。
由此，通过基于距离时间差确定两两同步时钟信号的平均误差之差，并基于同步时间接收戳确定两两信标定位信号的平均误差之差，可以分别消除同步时钟信号和信标定位信号的时间偏差，有利于减小定位偏差进而提升定位的精准性和可靠性。
所述处理单元104，具体还可以用于确定定位周期内所述第一平均误差之差和所述第二平均误差之差的两两总误差，并作为所述信标定位信号两两到达从基站的到达时间差。该处理单元104的具体功能及处理还参见步骤s620。
例如：如图12和图13所示，将每个时钟误差考虑进来，作为相互独立的时钟误差看待，然后两两相减后得到不同的时钟偏差之差，通过时间长度推算时钟每计数一次产生的平均微小偏差之差，然后结合信标定位时钟的长度来计算信标定位的总误差，进而大大抑制减少时钟偏差的问题，tdoa定位方式是利用两两时间差来定位的，但是每一个的dw1000时钟误差是未知的，但可以根据同步信号的周期进行计算基站接收时间戳的两两差值，通过计算出一个时钟计数时间内的微小误差，便可推断很多个时钟周期的误差总和，通过计算进而消除误差。
由此，通过分别确定两两同步时钟信号的平均误差之差和两两信标定位信号的平均误差之间，进而根据该两个平均误差之差的总误差确定信标定位信号两两到达从基站的到达时间差，使得对信标定位信号到达时间差的确定更加精准和可靠，且确定方式简便。
在一个可选例子中，解算单元106，可以用于执行解算步骤，即：基于所述到达时间差确定定位信标的位置，实现tdoa无线时钟同步定位。该解算单元106的具体功能及处理参见步骤s130。
例如：提供一种uwb定位tdoa算法无线时钟同步定位时钟偏差分析及其偏差消除的实现算法，能够利用同步时钟的平均误差之差来抑制消除大部分的信标定位时间戳的周期误差的差值。其中，使用tdoa定位算法的无线时钟同步的定位效率会很高，tdoa定位的无线时钟同步技术基站将一直处于接收模式，每次定位uwb信标定位只需发射一次定位信号，非常适合大规模多信标多基站，减少了信号拥堵和争峰，增大了信标数量和基站数量的规模和范围。
例如：利用了两两同步时钟信号的周期时间差的平均误差之差来计算推算对应的两两定位信标信号周期内的误差之差，从而一定程度地消除了绝大部分由于工艺时钟偏差问题导致的周期误差累积，得到信标定位信号到达基站的到达时间差。其中，使用两两误差之差的方式去除时钟偏差，没有使用其他额外的硬件辅助工具，误差去除是纯算法的方式实现的，时钟同步是由主基站发射时钟同步信号，定位从基站一直处于接收状态，主基站和定位信标是处于周期广播状态，许多tdoa定位方式都存在状态切换，但该方式的定位期间没有任何的状态切换，完全适合无线时钟同步tdoa算法。
由此，通过基于主基站和从基站之间的距离时间差确定信标定位信号到达从基站的到达时间差，进而基于该到达时间差确定定位信标的位置，实现tdoa无线时钟同步定位，时钟偏差小，定位精准性好。
可选地，所述解算单元106基于所述到达时间差确定定位信标的位置，可以包括：
所述解算单元106，具体还可以用于根据所述时间差，确定所述定位信标与3个以上从基站之间的距离。该解算单元106的具体功能及处理还参见步骤s710。
所述解算单元106，具体还可以用于根据光速与所述定位信标与3个以上从基站之间的距离，确定所述定位信标的坐标，以得到所述定位信标的位置。该解算单元106的具体功能及处理还参见步骤s720。
例如：tdoa的定位算法是使用信号到达基站的两两时间差定位的，由于时间差与距离差的关系，因此tdoa定位的难度较大，对于二维平面或者三维平面的定位而言，在二维平面上的定位至少需要3个以及3个以上的定位从基站，若需要在三维空间算出信标的高度z，则至少需要4个及其4个以上的定位从基站。
由此，通过基于信标定位信号到达时间差确定定位信标与3个以上从基站之间的距离，进而结合光速确定定位信标的坐标，实现对定位信标的定位，精准且可靠。
由于本实施例的装置所实现的处理及功能基本相应于前述图1至图7所示的方法的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。
经大量的试验验证，采用本发明的技术方案，通过利用同步时钟的平均误差之差来抑制消除大部分的信标定位时间戳的周期误差的差值，tdoa定位的无线时钟同步技术基站将一直处于接收模式，每次定位uwb信标定位只需发射一次定位信号，非常适合大规模多信标多基站，定位效率高。
根据本发明的实施例，还提供了对应于时钟定位装置的一种通信系统。该通信系统可以包括：以上所述的时钟定位装置。
在一个可选实施方式中，考虑到由于使用tdoa定位方式的算法难度大，定位的时间是ps(picosecond，皮秒)级别很难处理的时间差，同时dw1000时钟的精度受工艺精度、环境和温湿度的影响很大，需要考虑到多因素的影响，需要找出一种方法解决受多方面因素影响导致的时钟偏差问题的办法。本发明的方案，提供一种uwb定位tdoa算法无线时钟同步定位时钟偏差分析及其偏差消除的实现算法。
例如：考虑到dw1000的系统计数时钟存在工艺精度偏差，可达±20ppm，tdoa定位方式算法会存在该时钟偏差的累积。而本发明提供的方法，能够利用同步时钟的平均误差之差来抑制消除大部分的信标定位时间戳的周期误差的差值。
其中，在本发明的方案中，使用tdoa定位算法的无线时钟同步的定位效率会很高，tdoa定位的无线时钟同步技术基站将一直处于接收模式，每次定位uwb信标定位只需发射一次定位信号，非常适合大规模多信标多基站，减少了信号拥堵和争峰，增大了信标数量和基站数量的规模和范围。
在一个可选例子中，dw1000存在工艺上的时钟偏差(可达±20ppm)，由于tdoa方式会导致该偏差不断的累积，从tdoa时钟同步信号到达一段时间后才会有信标定位信号的到来，这段时间内就会存在时钟偏差的累积，1s便可产生20us的时钟偏差，远远覆盖了信标的定位时间，因此必须要消除该误差。而本发明的方案，利用了两两同步时钟信号的周期时间差的平均误差之差来计算推算对应的两两定位信标信号周期内的误差之差，从而一定程度地消除了绝大部分由于工艺时钟偏差问题导致的周期误差累积，得到信标定位信号到达基站的到达时间差。
其中，本发明的方案，提出了使用两两误差之差的方式去除时钟偏差，没有使用其他额外的硬件辅助工具，误差去除是纯算法的方式实现的，时钟同步是由主基站发射时钟同步信号，定位从基站一直处于接收状态，主基站和定位信标是处于周期广播状态，许多tdoa定位方式都存在状态切换，但该方式的定位期间没有任何的状态切换，完全适合无线时钟同步tdoa算法。
可见，采用本发明的方案，至少可以达到以下有益效果：
(1)通过本方法提出的解决方案能够很大程度上解决工艺时钟偏差产生的误差累积问题，可以很好地消除定位时钟误差，采用1s更新短周期无线同步信号，可以大大降低温湿度变化和环境对dw1000计数时钟的影响，使用数学推断模型将误差结果简单化，提高算法效率。
(2)使用tdoa定位算法的无线时钟同步方式提高了可布置基站和信标的单位个数，提升了定位区域面积和使用规模大小，使用tdoa定位算法提高了软件运算效率和定位解算效率，从而提升了可刷新的速率和定位更新的频率。
(3)uwb定位使用tdoa定位方式可以一定程度降低功耗，采用主基站+从基站的时钟同步方式能很好的实现uwb定位无线时钟同步，使用tdoa定位算法的无线时钟同步将大大地降低uwb信标定位发射的功耗，解决tdoa定位算法的有线时钟有线定位问题和出现的弊端，避免定位信标会来回切换产生的更多额外功耗问题。
在一个可选具体实施方式中，可以参见图9至图17所示的例子，对本发明的方案的具体实现过程进行示例性说明。
基于tdoa定位方法中dw1000的本身时钟偏差导致无线时钟同步带来的时钟偏差累积的问题，本发明的方案可以很好地解决并且抑制时钟误差带来的定位时钟问题，通过数学模型的关系和tdoa硬件本身的运行机制方案来间接性地消除时钟误差，从而可以将tdoa定位算法方式中的时钟的偏差间接地消除到20ps甚至更小；本发明的方案，还是基于使用tdoa定位方式经过实际的测试验证和定位验证，可以很好解决时钟偏差带来的定位和无线时钟同步问题，以实现tdoa无线时钟同步高精度的定位。
tdoa的定位基本硬件模型包括了uwb定位信标、uwb定位从基站和uwb定位主基站。
其中，uwb定位信标不断地广播信标帧数据包信号，uwb定位主基站的作用主要还是广播无线同步时钟信号，在定位模式下，uwb定位从基站会一直处于接收模式，接收来自uwb定位信标的信号数据(即信标帧数据包信号)和对应的接收时间戳，以及接收来自主基站广播的同步时钟信号(即无线同步时钟信号)和接收时间戳，uwb定位信标和主基站的信号传递都是单向的，各个基站之间的时钟是相互独立的，因此，这种方式就非常适合tdoa算法方式的到达基站时间差方式进行定位。
另外一种定位方式是tof轮询测距方式，tof是采用双边双向的测距来定位的，每次定位uwb基站或信标发送和接收的时间戳都是程序实测已知的，但这样的方式定位算法比较简单，也不需要考虑时钟偏差引起的误差累积，因为这是直接计算信标到基站的空中飞行时间得到的距离，在空中飞行时钟的小于800ns，误差是非常小，可以忽略不计，但tdoa方式不同，同步时钟信号后会等待信标信号到来，是相当长的一段时间会累积产生很大的误差，因此需要一种方法去除该误差。
uwb基站(即uwb定位从基站)接收的信号包括不同信标发来的信号和主基站发来的时钟同步信号，定位信标和主基站都是周期性的广播信标信号，为了保证能接收信标的容纳个数和密度，主基站是应大于等于1s广播一次时钟同步信号，若广播周期小于1s，则uwb从基站能同时容纳信标的密度和个数会减少，在时钟同步信号广播的周期时间内，uwb从基站必定会接收到信标至少一次的信号，若信标的广播周期大于1s，则从基站会在2个或者2个以上无线同步时钟周期内才会接收到信标信号和时间戳，tdoa的uwb主基站和uwb从基站部署后的坐标位置都是固定不变的，通过多个uwb从基站和uwb主基站协助无线时钟同步就可以通过时间差的方式进行tdoa定位，则基站和信标的时钟误差就可以很好地抑制，最后通过时间转换关系就可以间接性地消除时钟存在的误差。
uwb主基站的主要作用是进行时钟同步发射参考信号，是解决无线时钟同步问题的方案，uwb主基站发射同步信号能让周围的基站可接收到无线时钟同步信号，主基站不仅仅是一个，准确的说是一个主基站充当5-8个定位从基站的时钟同步器，可40-60米放置一个主基站。
通过多个uwb从基站和uwb主基站协助无线时钟同步就可以通过时间差的方式进行tdoa定位中的tdoa方式是信标只广播，定位基站一直处于接收模式，主基站是只广播发射信号，信标无论到任何位置，信标周期性发出信标广播信号，只要周围的定位从基站能接收到该信号，都会进行下述的具体实施方案；同时，有定位基站的地方都会有主基站的。
在一个可选具体例子中，本发明的方法的工作方式有测距模式和定位模式，测距模式是为了方便测量主从基站的相对位置的距离时间差，在测距模式就不进行信标定位，而定位模式是主工作模式，也就是信标的定位模式，工作流程是先进入主从基站测距模式，之后切换为定位模式，该流程如图14所示，具体流程如下；
(1)首先进入测距模式，测距模式并非主工作模式，而是协助主基站进行无线时钟同步，是为了计算在实际工程中主从基站部署位置不一定在以uwb主基站为圆心的同一半径圆上，若不满足这个条件，从基站接收的时钟同步信号的接收时间戳之间就会存在一个空中飞行时间差值，导致无线时钟同步会存在这个空中飞行差值，无法进行uwb定位，只能通过测量主基站到从基站之间的每个距离，通过与其中一个距离的求差就可以计算得到无线同步信号的偏移量，需要注意的是主从基站的在测距模式过程中是不进行定位或接收信标发来的信号，测距模式将会采用tof方法的twr的3接3收时间轮询测距法，其模型如图9所示，可以表示同步时钟的测距模型，由于每个从基站与主基站的距离不一，因此需要进行测距计算距离差值。
进入测距模式后，可以测出主基站到每个从基站的距离分别是{l1,l2,l3…ln}，ln表示主基站和n个从基站的直线距离，除以光速c得到无线同步时钟信号在空气中飞行时间为{t1,t2,t3…tn}，通过排序算法得到其中的最小时间tmin，也是主基站发送同步信号后从基站第一个时间接收到该信号的空中飞行时间，将空中飞行时间减去最小的时间得到n-1个时间差{tderr1,tderr2,tderr3…tderrn-1}＝{t1-tmin,t2-tmin,t3-tmin…tn-1-tmin},tderrn就是时钟同步信号的空中飞行时间差值，在计算时钟同步信号时需要加上该差值，工程中通过10-20次采样取平均后，主从基站就退出测距模式，测距模式结束将进入tdoa定位模式。
(2)测距模式结束后将进入tdoa定位模式，定位模式也是uwb主从基站和信标的主要定位工作模式，在该模式下主基站会切换到周期广播模式，从基站会切换到接收模式，接收信标和主基站发来的信号，定位信标将周期广播定位信号，主基站会周期性广播时钟同步信号，在接收范围内周围的uwb从基站都会接收到信号，uwb信号传输是单向的，基站不会反馈以及回复时钟同步信号和信标信号，从基站会一直接收来自信标定位信号，接收信号的上升沿瞬间从基站就获取接收时间戳和主基站的同步时钟信号的接收时间戳，从基站的处理器经过确定、校验和格式处理后从基站会将时间戳通过网络通道传输到远程服务器，其具体的误差分析和定位算法解算都是由服务器计算引擎来完成，如图12，可以表示tdoa定位模型，tdoa主要特点通过不同类型的接收时间戳来计算接收时间差的，在上面早已经提到过。
如图12所示，可以表示一个定位周期的信号传输过程和时间模型关系图，可以理解为一个无线时钟同步周期内的一次信标定位，只要在前后两次时钟同步过程中基站接收到任何一信标信号后定位便可生效，但需要满足3个从基站接收到该次的信标信号帧和基站接收的接收时间戳，定位条件成立便进行一次的算法定位，注意的是只有发送第一次时钟同步信号后信标的定位解算才会生效，没有无线时钟同步信号将无法定位。
如图13所示，所有的接收时间戳都是从基站获取自身的dw1000系统时间戳，每个从基站的时钟是相互独立的，uwvb主基站发射无线同步时钟信号后，从基站i接收到同步时钟信号时记录接收时间戳为{ts1,ts2,ts3…tsi}，为满足定位功能，i至少大于等于3，一段时间后可接收到信标信号并记录信标帧的接收时间戳记为{tag1,tag2,tag3…tagi},tagi是从基站i接收到同一个信标发来的相同帧接收时间戳，由于主基站处于周期性广播模式，周期后主基站会继续发射同步时钟信号，假设从基站i接收到下一次主基站发来的接收时间戳分别为{next_ts1,next_ts2,next_ts3…next_tsi}，在步骤(1)中由于uwb主从基站的距离差的因素，因此需要将基站接收时间戳分别减去各个对应时间差值，因此接收信号从基站i接收本次主基站发来的无线同步信号在同一时刻的各自接收时间戳分别是{t1,t2,t3…tn}＝{ts1-tderr1,ts2-tderr2,ts3-tderr3…tsi-tderri}，则下一次从基站接收到无线时钟同步信号的各自接收时间戳分别为
{next_t1,next_t2,next_t3…next_ti}＝{next_ts1-tderr1,next_ts2-tderr2,next_ts3-tderr3…next_tsi-tderri}，若dw1000没有时钟偏差，则可以直接将信标信号基站接收时间戳减去同步信号的时间戳便可得到定位信号达到定位从基站时间差，但由于时钟偏差的存在，这一切将变得不是那么容易，无线时钟在一个同步周期的存在时钟偏差的累积，因此无线时钟同步和信标定位信号之间都需要建立时钟误差模型，其核心思路是将每个从基站的dw1000的时钟偏差看做独立的一次15.65ps内的时钟误差，由于温度对时钟会产生很大影响，但在1s内计数产生的误差是相对不变的，因此，需要周期1s一次进行时钟同步信号更新和时钟误差重新计算，才能抑制温度和工艺导致的时钟偏差带来的定位影响。
在上面提到了dw1000的64ghz系统时钟计时器的计数偏差问题，因此，对于无线时钟同步更新周期是1s，1s内便可以产生40us的时间误差，远远覆盖了空气中飞行的时间，还受温度湿度环境的影响。本发明的方法中的同步时钟更新周期是1s，1s内的环境温湿度的变化非常之小，对时钟的精度影响非常之小，可以忽略不计，思路是将每个时钟误差考虑进来，作为相互独立的时钟误差看待，然后两两相减后得到不同的时钟偏差之差，通过时间长度推算时钟每计数一次产生的平均微小偏差之差，然后结合信标定位时钟的长度来计算信标定位的总误差，进而大大抑制减少时钟偏差的问题，tdoa定位方式是利用两两时间差来定位的，但是每一个的dw1000时钟误差是未知的，但可以根据同步信号的周期进行计算基站接收时间戳的两两差值，通过计算出一个时钟计数时间内的微小误差，便可推断很多个时钟周期的误差总和，通过计算进而消除误差，解决的步骤可以如下：
假设由于工艺误差造成的从基站i的dw1000时钟计数一次(约15.65ps)的时钟误差分别是{sterr1，sterr2，sterr3…sterri}，由于这时间戳是不断地向前计数定时的，因此对于dw1000系统时钟而言，本次基站i接收到的无线同步时钟信号的接收时间戳为tj，则下一次从基站i接收到的同步时钟信号的接收时间戳等于实际接收时间戳值加上总的周期长度时钟误差，即：
next_t2＝t2+ls2+ls2*sterr2
next_t3＝t3+ls3+ls3*sterr3
…
next_ti＝ti+lsi+lsi*sterri
由于tdoa就是利用基站接收的时间差值进行定位计算的，由于误差的原因导致无法定位，为了得到两两误差之差值，将上面的公式两两相减，可得到两两误差，如图10所示，由于实际的主从基站的相对位置的距离是相同的，因此无线同步时钟的时钟在空中的飞行也是相同的，飞行的时钟误差非常微小为0，因此，基站i接收无线同步时钟信号的周期长度减去该周期长度时钟累计的时钟误差就等于没有时钟误差的无线同步信号的真实周期，由于主从基站的相对位置是已知的，因此每个uwb从基站接收没有时钟晶振误差的无线同步时钟信号的真实周期是相同的，假设没有时钟偏差的无线同步信号的真实周期为t，则有：
(next_t1-t1)-(next_t1-t1)*sterr1＝t
(next_t2-t2)-(next_t2-t2)*sterr2＝t
(next_t3-t3)-(next_t3-t3)*sterr3＝t
…
(next_ti-ti)-(next_ti-ti)*sterri＝t
令周期等于ttsi，则：
(next_t1-t1)＝tts1
(next_t2-t2)＝tts2
(next_t3-t3)＝tts3
…
(next_ti-ti)＝ttsi
其中，ttsi设是定位从基站i的周期值，将上面的公式两两相减，可得到两两误差，经过转换后可得从基站的dw1000时钟每计数一次所产生的偏差的两两差值是：
…
等式存在自身的时钟偏差sterri，需要将其转换为：
…
在上面的等式中，由于sterr2就是dw1000每计数加1一次的时钟偏差值，而dw1000的时钟最大偏差值约±20ppm，即±0.000002，由于1远远大于0.000002，因此上述等式中的sterr2值可以忽略不计，即(1-sterr2)≈1，则两两误差之差值可表示为：
…
若信标帧的周期小于或等于无线时钟同步信号帧的周期，则在一个无线时钟同步信号帧的周期时间内必定会存在一个信标帧，若标帧的周期大于无线时钟同步信号帧的周期，则2个或2以上信标信标周期必定会存在一个信标帧，因此需要在uwb信号接收时间存在的时候才进行定位，uwb定位的相互关系的时间轴模型可如图13所示，上面讲述了无线同步时钟的误差分析和误差消除计算方法，接下来便可分析计算uwb信标定位信号的接收时间戳的误差消除方式，由于信标的位置不确定以及信标的位置变化，从基站接收的信标信号在空中飞行的时间差不同，但uwb的接收信号最大距离是可为60m，空中所需时间约为200ns，200ns产生的最大误差约200ns*20ppm＝4ps，因此最大空中飞行差值约4ps，4ps产生的距离误差约0.12cm，可以忽略不计，由于所有定位从基站都会存在不同的dw1000的时钟误差，因此信标定位中需要将时钟计数一次的时钟误差考虑进来，误差不可以绝对消除，只可抑制和减少误差，结合上面的两两误差关系，来抑制消除每个基站的大部分的时钟误差，从而得到真实的到达时间差值，则存在误差的到达时间差值是(tag1-t1)，由于(tag1-t1)存在时钟偏差，而这个偏差就是时间内所累积的误差，即(tag1-t1)*sterri，在定位模型图中，假设基站接收到的信标信号基站接收时间戳分别是{tag1，tag2，tag3…tagi}，由于时钟的偏差问题，必须将每次dw1000的计数时钟偏差考虑进来，则基站i从上一次的同步时钟时间戳开始到基站i接收到信标帧的时间段可表示为
(tag1-t1)-(tag1-t1)*sterr1＝tagw1
(tag2-t2)-(tag2-t2)*sterr2＝tagw2
(tag3-t3)-(tag3-t3)*sterr3＝tagw3
…
(tagi-ti)-(tagi-ti)*sterri＝tagwi
tdoa的定位方式就是计算达到基站的两两到达时间差来定位的，这里令
(tag1-t1)＝tag_ts1
(tag2-t2)＝tag_ts2
(tag3-t3)＝tag_ts3
…
(tagi-ti)＝tag_tsi
因此，将上面的等式进行相减结合上面的等式可以得到：
tagw1-tagw2＝(tag_ts1-tag_ts1*sterr1)-(tag_ts2-tag_ts2*sterr2)
tagw1-tagw3＝(tag_ts1-tag_ts1*sterr1)-(tag_ts3-tag_ts3*sterr3)
tagw2-tagw3＝(tag_ts2-tag_ts2*sterr2)-(tag_ts3-tag_ts3*sterr3)
…
tagwi-1-tagwi＝(tag_tsi-1-tag_tsi-1*sterri-1)-(tag_tsi-tag_tsi*sterri)
经过转换后得到：
由于两两误差之差值(sterr1-sterr2)是已知的，将上面的公式再次转换得到
考虑到dw1000的最大误差约±20ppm；即sterri最大的误差值约±20ppm，因此1s内产生的最大误差约±20us，假设无线时钟同步主基站的同步周期为1s，则信标定位信号的时间戳必定在同步周期内，一个定位信号的差
tagw1-tagw2＝(tag_ts1-tag_ts2)-tag_ts1(sterr1-sterr2)
tagw1-tagw3＝(tag_ts1-tag_ts3)-tag_ts1(sterr1-sterr3)
tagw2-tagw3＝(tag_ts2-tag_ts3)-tag_ts2(sterr2-sterr3)
…
tagwi-1-tagwi＝(tag_tsi-1-tag_tsi)-tag_tsi-1(sterri-1-sterri)
其中(sterri-1-sterri)是两两dw1000时钟每计数一次所产生的时钟偏差差值，为已知值，上述的公式是经过无线时钟同步后并且消除时钟偏差后的到达时间差，tdoa定位方式就是通过信标到达基站的两两接收时间差来定位的，通过上面的方法，就可以实现了无线时钟同步技术，通过两两基站的dw1000时钟偏差之差法可以算出每两个dw1000每计数一次所产生的偏差之差值，从而消除的计数偏差引起的误差，得到相对准确的定位信号达到基站的时间差值。
(3)定位解算，tdoa的定位算法是使用信号到达基站的两两时间差定位的，由于时间差与距离差的关系，因此tdoa定位的难度较大，对于二维平面或者三维平面的定位而言，在二维平面上的定位至少需要3个以及3个以上的定位从基站，若需要在三维空间算出信标的高度z，则至少需要4个及其4个以上的定位从基站，因此将时间差，设信标的坐标为(x，y，z)，从基站i的布置坐标已知分别为(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)、(x3，y3，z3)…(xi，yi，zi)，设信标到i(i必须要大于等于3)个基站的距离分别是d1，d2，d3…di，由点到点的距离公式可得到
…
由于tdoa定位算法的性质是利用信标信号达到时间差进行定位的，因此由时间差*光速c等于距离差的关系就可得出如下方程：
c光速(tagw1-tagw2)＝d1-d2
c光速(tagw1-tagw3)＝d1-d3
c光速(tag2-tagw3)＝d2-d3…
c光速(tagwi-1-tagwi)＝di-1-di
通过发现可知上面的时间距离差的公式其实是双曲线方程，在实际的工程定位中，由于工程环境的原因导致的是存在差值，但对于多个双曲线，可以将利用双曲线算法便可计算出信标坐标xyz，仍然会出现相交、相离和相切的混合多种情况，算法变得复杂，因此需要将二元等式转换为简单的一元进行计算和定位。
本发明的方法，需要硬件支持，包括uwb定位信标、uwb定位从基站和uwb定位时钟同步基站的硬件，数据发送到服务器可支持的硬件有无线wifi方式或有线以太网方式，本硬件提到的基站都要同时支持两者数据传输方式，其硬件的基本组成单元根据图15、图16和图17示，图15是uwb定位信标的硬件电路组成结构，图16是uwb定位主基站的硬件电路组成结构，图17是uwb定位从基站的硬件电路组成结构，其信标拥有主控制器单元、uwb通讯集成电路单元以及电池保护和管理单元，其主从基站拥有主控制器单元、uwb通讯集成电路单元以及电源管理单元。
图15，增加了dw1000功耗可控ldo电路，控制ldo断开dw1000电源，可进一步降低功耗。图15中，ldo(lowdropoutregulator)是一种低压差线性稳压器，cortex-m3是一个32位处理器内核。
图15中，ldo可控制定位信标的电源功耗，dw1000作为uwb无线收发芯片，是与其他基站进行通讯的核心通讯芯片，cortex-m3控制处理器控制dw1000收发方式和控制逻辑制，cortex-m3会通过spi协议设置dw1000工作状态和工作方式，可以使信标处于低功耗状态或者不同的测试方式，一旦cortex-m3控制dw1000发射出一个信标信号后，cortex-m3首先控制dw1000处于低功耗模式，cortex-m3接着再控制ldo关闭dw1000的电源，进一步降低功耗，只有下一次通讯的时候，才顺序开启和恢复正常工作状态。
图16，增加了wifi和以太网双向控制器功能，增加数据通讯的稳定性能和防丢失性，uwb定位从基站的主要作用是接收uwb的广播信号和网络数据通讯传输；将uwb天线和wifi的天线放置于两侧，可提高相互将抗扰能力。
图16中，wifi电路和以太网电路的功能是连接上互联网的通道，将进行处理整合后通过网络发送到远程服务器，在服务器端进行解算和处理；ldo作用是控制dw1000、以太网和wifi的电源稳压供电，同时cortex-m3可控制ldo来控制电源的开关，降低功耗，ldo需要满足高psrr、低噪声和线性性能，可程序控制使能电源，提高信标的稳定性能。
图17是本发明的方法的主要部分之一，起到了发射参考的无线同步时钟作用，对于硬件而言，主基站使用的是全方向棒状天线，具有较高的接收天线增益效果、从而无论信标处于哪个位置，其接收信号的性能好，且全方向的接收效率高。
图17中，该dw1000+棒状天线的主要作用是发射无线时钟同步信号，可全方位的散射出发射的无线时钟同步信号，在该范围的定位从基站都会很良好好接收到该信。
为了区分基站接收的数据包类型，信标或者主基站发送的数据有对应的信标帧和时钟同步帧，两者具有唯一的格式区分，因为tdoa的主要特点是时钟同步和时间差计算，信标信号里可以只包含信标的id，信标可以不必发送信标本身的计数时间戳，整个定位过程信号传递都是单向的。
在一个可替代例子中，tdoa定位方法可完全替代uwb定位tof测距定位方式，一次定位的通信次数显著减少，其定位精度显著提高，可避免tof测距定位方式出现的测距过程拥堵和问题，提高了定位效率和扩大了的定位区域面积，信标只广播降低了信标工作的功耗，提高了刷新频率和速率，最适用于多信标多基站的大规模信标定位。
其中，本发明的方案，是基于uwb的tdoa方式的，tof定位方式是采取的是测距来定位，tdoa是采用的时间差值定位，tdoa在tof硬件不需要改变，只需要改变软件控制方案，将信标的测距模式改为广播模式，测距基站的被动方式改为接收模式，主基站的工作方式改为无线时钟同步发射方式。
由于本实施例的通信系统所实现的处理及功能基本相应于前述图8所示的装置的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。
经大量的试验验证，采用本发明的技术方案，通过利用同步时钟的平均误差之差来抑制消除大部分的信标定位时间戳的周期误差的差值，一定程度地消除了绝大部分由于工艺时钟偏差问题导致的周期误差累积，减小时钟误差，提升精准性。
根据本发明的实施例，还提供了对应于时钟定位方法的一种存储介质。该存储介质，可以包括：所述存储介质中存储有多条指令；所述多条指令，用于由处理器加载并执行以上所述的时钟定位方法。
由于本实施例的存储介质所实现的处理及功能基本相应于前述图1至图7所示的方法的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。
经大量的试验验证，采用本发明的技术方案，通过利用同步时钟的平均误差之差来抑制消除大部分的信标定位时间戳的周期误差的差值，在定位期间没有任何的状态切换，完全适合无线时钟同步tdoa算法，算法难度小，且可靠性高。
根据本发明的实施例，还提供了对应于时钟定位方法的一种通信系统。该通信系统，可以包括：处理器，用于执行多条指令；存储器，用于存储多条指令；其中，所述多条指令，用于由所述存储器存储，并由所述处理器加载并执行以上所述的时钟定位方法。
由于本实施例的通信系统所实现的处理及功能基本相应于前述图1至图7所示的方法的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。
经大量的试验验证，采用本发明的技术方案，通过利用同步时钟的平均误差之差来抑制消除大部分的信标定位时间戳的周期误差的差值，可以降低uwb信标定位发射的功耗，避免定位信标会来回切换产生的更多额外功耗。
综上，本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！