一种UWB高精度定位系统的时间同步方法与流程

本发明涉及一种uwb高精度定位系统的时间同步方法。

背景技术：

uwb(ultrawideband)是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。有人称它为无线电领域的一次革命性进展，认为它将成为未来短距离无线通信的主流技术。总的来说，uwb在早期被用来应用在近距离高速数据传输，近年来国外开始利用其亚纳秒级超窄脉冲来做近距离精确室内定位。uwb高精度定位系统的时间同步的优良是决定定位精度、定位目标的容量及系统稳定性的重要条件。

现有技术的标签定位系统中，由于每个基站anchor有自己的时钟源，存在频率差，这些频率差不固定，且随各处温度变化。为了实现基站时间同步，采用有线的到达时间差tdoa的时间同步方法，即系统中每个基站anchor之间的距离已知，采用频率产生器产生时钟频率，通过有线发送到系统中的anchor，作为anchor的时钟源，从而实现基站的时间同步，该方法中，由于采用有线传输频率，增加硬件设备成本。

另外，还有现有技术中采用无线时间同步方法，系统中每个定位基站anchor之间的距离已知，用来计算信号飞行时间。该同步方法为：在系统的所有定位基站anchor中定义一个主定位基站masteranchor，其余为从定位基站slaveanchor，masteranchor周期性的发送同步信号，比如150ms，500ms等；masteranchor记录发出的时间，slaveanchor收到的masteranchor发出的同步信息后记录收到的时间，slaveanchor收到的时间减去masteranchor发出的时间，再减去信号的飞行时间即这两者之间的时间偏差，这样就可以实现时间同步了，这个时间偏差由上位机记录。然而，这种方法中，masteranchor周期性的发送数据，相对来说减少了anchor接收时间，进而降低了接收的卡容量。

技术实现要素：

本发明提出了一种可以很好解决时间同步问题并可对误差大的数据自动修正的uwb高精度定位系统的时间同步方法。

本发明采用的技术方案是：

一种uwb高精度定位系统的时间同步方法，所述uwb高精度定位系统包括主定位基站、多个普通定位基站、以及定位标签心跳，普通定位基站的时间同步方法的具体步骤如下：

普通定位基站接收主定位基站发送的同步帧信号，主定位基站和普通定位基站接收定位标签心跳的标签心跳帧信号；

普通定位基站根据接收到的信号判断是同步帧信号还是标签心跳帧信号，如是同步帧信号，则进入pic同步计算单元进行计算，如是标签心跳帧信号则进入时钟补偿单元计算。

进一步，pic同步计算单元的同步计算公式为：

其中，y(n)为经算法修正后的普通定位基站同步包时间戳序列，x(n)为某个普通定位基站收到同步包的时间戳序列，t(n)为主定位基站发送同步的时间戳序列，kp为比例调节系数，ki为积分调节系数，e(j)为误差。

进一步，pic同步计算单元首次执行时参数进行初始化，包括：

将普通定位基站接收到的时间戳rx赋予给x(n)；

将x(n)赋予给y(n)；

将主定位基站发出的时间戳tx赋予给t(n)；

将e(j)赋予给0。

进一步，pic同步计算单元计算后进行同步有效性校验，其具体步骤包括：

定义一计算临时变量delta_temp＝y(n)-t(n)，保存前一次计算值的临时变量last_delta_temp＝delta_temp；

主定位基站和普通定位基站之间的存在的时钟差delta_diff＝delta_temp-last_delta_temp；

在每次的时钟差delta_diff进行时间窗口校准时，将时钟差delta_diff缓存在缓存器中，当缓存器中的个数达到预设个数阈值n时，计算n个delta_diff的算术平均值mean；

将平均值mean与当前次同步计算后的delta_diff的差值绝对值与预设差值阈值比较，如在预设差值阈值范围内，则本次同步有效，并将pic同步参数更新，如不在预设差值阈值范围内，则本次同步无效丢弃本次同步参数更新，pic同步参数恢复为上一次正确的同步参数值。

进一步，delta_diff采用了0.15s间隔内的标准偏差来进行比较，公式如下：delta_diff＝0.15*delta_diff*(t(n)-t(n-1))。

进一步，缓存器中的delta_diff个数不满足预设个数阈值n时，不进行同步有效性校验。

进一步，预设个数阈值n为50，预设差值阈值为4ns。

进一步，时钟补偿单元的同步计算公式如下：

其中b(n)为经过算法同步后定位标签心跳包时间戳序列，r(n)为某个普通定位基站收到定位标签心跳包的时间戳序列。

本发明的有益效果是：可以很好解决时间同步问题并可对误差大的数据自动修正。

附图说明

图1是本发明的uwb高精度定位系统结构示意图。

图2是本发明的同步计算流程图。

图3是本发明的同步有效性校验流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。

参见图1-3，一种uwb高精度定位系统的时间同步方法，所述uwb高精度定位系统包括主定位基站、多个普通定位基站、以及定位标签心跳tagblink，普通定位基站的时间同步方法的具体步骤如下：

普通定位基站接收主定位基站发送的同步帧信号，主定位基站和普通定位基站接收定位标签心跳的标签心跳帧信号；

普通定位基站根据接收到的信号判断是同步帧信号还是标签心跳帧信号，如是同步帧信号，则进入pic同步计算单元进行计算，如是标签心跳帧信号则进入时钟补偿单元进行计算。

本实施例pic同步计算单元的同步计算公式为：

其中，y(n)为经算法修正后的普通定位基站同步包时间戳序列，x(n)为某个普通定位基站收到同步包的时间戳序列，t(n)为主定位基站发送同步的时间戳序列，kp为比例调节系数，ki为积分调节系数，e(j)为误差。

本实施例pic同步计算单元首次执行时参数进行初始化，包括：

将普通定位基站接收到的时间戳rx赋予给x(n)；

将x(n)赋予给y(n)；

将主定位基站发出的时间戳tx赋予给t(n)；

将e(j)赋予给0。

本实施例pic同步计算单元计算后进行同步有效性校验，其具体步骤包括：

定义一计算临时变量delta_temp＝y(n)-t(n)，保存前一次计算值的临时变量last_delta_temp＝delta_temp；

主定位基站和普通定位基站之间的存在的时钟差delta_diff＝delta_temp-last_delta_temp；

delta_diff采用了0.15s间隔内的标准偏差来进行比较，公式如下：delta_diff＝0.15*delta_diff*(t(n)-t(n-1))；

在每次的时钟差delta_diff进行时间窗口校准时，将时钟差delta_diff缓存在缓存器中，当缓存器中的个数达到预设个数阈值n＝50时，计算n个delta_diff的算术平均值mean；

将平均值mean与当前次同步计算后的delta_diff的差值绝对值与预设差值阈值4ns比较，如在预设差值阈值4ns范围内，则本次同步有效，并将pic同步参数更新，如不在预设差值阈值4ns范围内，则本次同步无效丢弃本次同步参数更新，pic同步参数恢复为上一次正确的同步参数值。

本实施例的缓存器中的delta_diff个数不满足预设个数阈值n时，不进行同步有效性校验。

对于已经同步过的pic参数，在得到tagblink时间戳r(n)时，就可以通过时钟补偿单元的同步计算公式将其转换到主定位基站的时间域上的时间。时钟补偿单元的同步计算公式如下：

其中b(n)为经过算法同步后定位标签心跳包时间戳序列，r(n)为某个普通定位基站收到定位标签心跳包的时间戳序列。

本实施例pic的主要思想在于对于主定位基站发送同步帧，普通定位基站接收同步帧的无线同步系统的来说，pic同步算法中需要对几个参数在每次同步发生的过程中进行更新，这些更新过后参数用于同步校验。但是单纯的pic同步算法虽然能够缩小同步的抖动的偏差，但是由于同步时间戳上的抖动会在一段时间内影响后续的时间戳校准。因此，在检测到同步时间戳上有跳动的时候，必须抛弃掉本次同步。