基于UWB基站二次自修正的时间同步与定位方法及系统

基于uwb基站二次自修正的时间同步与定位方法及系统
技术领域
1.本发明属于时间同步与定位领域，具体涉及基于uwb基站二次自修正的时间同步与定位方法及系统。


背景技术：

2.进入二十一世纪后，科技发展突飞猛进，信息产业、智能产品不断更新换代并在人群中迅速普及开来，手持智能移动终端设备已成为生活中常见的现象，也推动着生活基础设施的智能现代化进程。近年来基于导航定位的位置信息服务在各个生活场景中均有出现，这也是需求用户人群数量激增和市场需求所导致的，定位导航技术在医疗、交通、救援、日常娱乐生活等方面都有广泛的应用，例如在医院、商场、机场、车站等人群密集且建筑物复杂的室内，为用户提供精确的定位和目标导航服务已成为这类场所的必需功能。
3.全球卫星定位系统(gps)、北斗卫星导航系统(bds)等全球卫星无线定位技术有着覆盖广、精度高、功能全面等优势，满足了绝大多数的用户在室外活动的定位需求，但在室内复杂环境和人群密集活动的限制下，无法实时可靠地为用户提供准确保障的定位服务。室内定位中的理论与技术近年来吸引了众多科研人员的研究热情，声、光、电、磁、图像等技术用于定位的研究层出不穷，成果瞩目。在众多室内定位技术中，超宽带技术(ultra wide band,uwb)与rssi信号强度、红外线、蓝牙、超声波、rfid、lora等技术相比，不仅具有数据传输速率高、抗干扰和穿透能力强等优点，还可以达到更高的定位精度。uwb技术是一种采用无线载波的通信技术，它不是直接使用传统定位中的正弦载波，而是使用纳秒级的非正弦波窄脉冲来进行数据传输，过程中对冲击脉冲直接进行调制。它所占的频谱范围较宽，uwb的时域信号脉冲也很窄，因此存在着信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、系统复杂度低、定位精度高、具有与其他无线通信系统共享频谱的功能等优点。
4.uwb定位的基础是测量电磁波的传播时间进行测距，再进一步利用测距结果进行定位。但在各uwb基站间无有线连接的情形下，如何通过无线方式解决各uwb基站之间的时间同步问题是tdoa等算法得以应用的前提，而由于各个定位基站的时钟源通常采用温补晶振甚至普通晶振，因此存在时钟偏差以及时钟漂移的问题，如何提高时间同步的精度也是各uwb基站间时间同步问题的一个挑战。
5.例如专利文献2017114429745一种uwb单向定位系统中时间同步的方法；例如专利文献2016102676376一种uwb高精度定位系统及定位方法，除了中心控制器外，还需要已知位置的uwb定位信号接收器至少有两个。可见，现有的解决时间同步的方案是，在定位范围内布设若干已知位置的基站和已知位置的参考点或一个中心控制器(相当于参考点)，参考点上放置的uwb设备具备信号发射功能，基站上放置的uwb设备具备接受和发射信号功能，定位标签处的uwb设备只需要具备接收信号功能；通过测量计算出各个基站与定位标签之间的电磁波传播时间，基于每两个基站分别到达定位标签的时间差，得到定位标签的坐标。完成时间同步并求解位置的操作为：在参考点uwb设备的控制下，各基站uwb设备在延迟相应的等待时间后向定位标签发送定位消息，定位标签在收到各基站发来的定位消息以后，
记录下各基站发射的定位消息到达定位标签的时刻，根据基站到参考点的电磁波传播时间、基站的等待时间、基站到定位标签的电磁波传播时间等时间量，求得各个基站与定位标签之间的电磁波传播时间差，从而可以进一步通过tdoa算法求得定位标签自身的位置坐标。
6.现有的实现时间同步的系统除了若干基站uwb设备外还需要额外的参考点uwb设备，甚至需要已知参考点坐标。本发明是一种无需参考点仅通过基站间的信息交换即可完成各基站间时间同步的一种时间同步合作机制，同时，本发明提出了二次发送时间信息和进行卡尔曼滤波的机制，进一步提高了时间同步的精度。


技术实现要素：

7.为了解决上述技术问题，本发明提出了基于uwb基站二次自修正的时间同步与定位方法，包括：配置阶段、测距阶段、时间同步阶段和定位阶段；
8.所述配置阶段中，在多个已知位置的uwb设备中任选一个uwb设备设置为主控基站，其余uwb设备设置为定位基站，将需要测定位置的uwb设备设置为定位终端；对主控基站和定位基站的延迟时间t
di
进行设置，t
di
的选取以不同基站发出的信号不出现飞行时间重叠为准；
9.所述测距阶段中，获得主控基站到各定位基站的电磁波传播时间；
10.所述时间同步阶段中，由主控基站向定位基站发送时间同步信息，延迟相应的时间后，主控基站和定位基站向定位终端发送两次时间信息，第一次发送完成以后，定位终端对主控基站和定位基站信息的接收时间以及信息中的主控基站和定位基站延迟时间进行记录，主控基站和定位基站将第一次发送信息的确切时间进行第二次发送，定位终端使用第二次收到的确切时间对第一次发送来的延迟时间信息进行修正；
11.所述定位阶段中，由获得的各个时间信息计算得到各基站到定位终端的电磁波传播时间以及时间差，利用tdoa算法根据时间差信息计算得到定位终端的坐标。
12.进一步地，所述电磁波传播时间为t
propi
，通过测量主控基站与各定位基站的距离d
propi
获得：
13.d
propi
＝ct
propi
，c为电磁波在空气中的传播速度。
14.进一步地，时间同步阶段启动后，主控基站广播同步信号，并记录发送同步信号的时间t
sync
；
15.所述主控基站根据所述延迟时间t
d1
，由公式t
send1
＝t
sync
+t
d1
计算得到向定位终端发送定位信息的发送时间t
send1
；
16.所述主控基站的时钟计时到达所述发送时间t
send1
以后，向定位终端第一次发送定位信息，同时记录发送定位信息的时间t
snd1
，由公式t
dact1
＝t
snd1-t
sync
计算得到修正的延迟时间t
dact1
；
17.进行第二次发送，将所述修正的延迟时间t
dact1
发送给定位终端，用于对所述延迟时间t
d1
进行修正。
18.进一步地，所述定位基站收到配置信息后，对坐标(xi,yi)进行设置，将基站类型设置为定位基站，并对延迟时间t
di
进行设置；
19.所述定位基站收到主控基站发来的测距信息后，计算并记录与主控基站之间的电
磁波传播时间t
propi
；
20.所述定位基站收到主控基站广播的同步信号后，记录收到同步信号的时刻t
recvi
；
21.根所述延迟时间t
di
，按照公式t
sendi
＝t
recv
+t
di
计算得到向定位终端发送定位信息的发送时间t
sendi
；
22.所述定位基站的时钟计时到达所述发送时间t
sendi
后，向定位终端第一次发送定位信息，同时记录发送定位信息的时间t
sndi
，由公式t
dacti
＝t
sndi-t
recv
计算得到修正的延迟时间t
dacti
；
23.进行第二次发送，将修正的延迟时间t
dacti
发送给定位终端对所述延迟时间t
di
进行修正。
24.进一步地，所述定位终端收到配置信息后，将类型设置为定位终端；
25.时间同步机制启动后，等待接收主控基站和定位基站发送的定位信息；
26.第一次收到主控基站和定位基站发送的定位信息后，记录下各基站的坐标信息(xi,yi)；
27.同时记录主控基站和定位基站的延迟时间t
di
，以及定位基站ai到主控基站a1的电磁波传播时间t
propi
，同时记录收到定位信息的时间t
rcvi
；
28.第二次收到定位信息后，将所述延迟时间t
di
修改为t
dacti
；
29.由公式t
propi
＝t
rcvi-t
dacti-t
propi
计算得到各基站到定位终端的电磁波传播时间，并计算定位基站和主控基站分别到达定位终端的时间差t
ci
；
30.将各基站的坐标(xi,yi)、时间差t
ci
运用tdoa算法求解，得到定位终端的坐标(x,y)。
31.本发明还提出了一种基于uwb基站二次自修正的时间同步与定位系统，用于实现所述的时间同步与定位方法，包含一个主控基站、多个定位基站和多个定位终端；
32.所述主控基站向所述多个定位基站发送测距信息，利用双边双向法测得主控基站与所述多个定位基站之间的距离，由所述距离计算得到主控基站与所述多个定位基站之间的电磁波传播时间；
33.所述主控基站向多个定位基站发送时间同步信息，多个定位基站收到同步信息以后，延迟相应的时间，向所述多个定位终端发送两次定位信息；
34.所述多个定位终端收到所述主控基站和所述多个定位基站的定位信息后，利用tdoa算法计算得到所述多个定位终端的坐标。
35.本发明所提出的时间同步与定位方法及系统简便，便于部署，无需再额外添加实现时间同步功能的基站，整个定位系统成本低；采用了多次测距进行卡尔曼滤波和两次发送定位信息的机制，使得获得的时间信息更加精准，极大地提高了定位的精度，使系统可以应用在定位精度要求高的室内场景；本发明可以根据系统实际的部署和定位需求来进行相应参数的设置，使用起来更加灵活方便。
附图说明
36.附图1为本发明的时间同步与定位系统架构示意图；
37.附图2为本发明的时间同步与定位方法流程图；
38.附图3为本发明的定位模型结构示意图；
39.附图4为本发明的主控基站工作流程图；
40.附图5为本发明的定位基站工作流程图；
41.附图6为本发明的定位终端工作流程图；
42.附图7为本发明的系统时序图。
具体实施方式
43.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
44.在本发明的具体实施例附图中，为了更好、更清楚的描述系统中的各元件的工作原理，表现所述装置中各部分的连接关系，只是明显区分了各元件之间的相对位置关系，并不能构成对元件或结构内的信号传输方向、连接顺序及各部分结构大小、尺寸、形状的限定。
45.本发明时间同步与定位系统架构如图1所示，包含一个主控基站a1、若干个定位基站a2,a3,
…an
和若干个定位终端m1,m2,
…mn
。主控基站、定位基站以及定位终端都同时具备接受和发射信号的功能。定位基站的布设数量有最低要求，如果进行二维坐标定位，则至少需要3个，如果进行三维坐标定位，则至少需要4个。为保证定位区域的覆盖以及提高定位精度，通常布设的基站数量要高于该最低要求数量。
46.使用本发明的时间同步与定位系统进行系统定位的过程包括4个阶段：配置阶段，测距阶段，时间同步阶段和定位阶段。其中，配置阶段，测距阶段和时间同步阶段是时间同步机制的重要阶段，在时间同步机制的基础上，配合基站的坐标信息和tdoa算法即可完成系统定位。
47.如图2所示为时间同步与定位方法的流程示意图。
48.首先进行相应的配置，包括两个部分：一个是定位系统的配置，对系统中基站的数目、测距次数以及基站的坐标参数进行设置，另一个是时间同步配置，对基站的类型参数进行设置，即将系统中的基站设置为主控基站、定位基站、定位终端，并对主控基站和定位基站的延迟时间进行设置。
49.然后进入到测距阶段，获得主控基站到各定位基站的电磁波传播时间。
50.接着进入到时间同步阶段，由主控基站向定位基站发送时间同步信息，接着它们延迟相应的时间，向定位终端发送两次时间信息，第一次发送完成以后，定位终端对各基站信息的接收时间以及信息中的基站延迟时间进行记录，之后基站将第一次发送信息的确切时间进行第二次发送，定位终端使用第二次收到的确切时间对第一次发送来的延迟时间信息进行修正，使我们获得的时间戳更加精确。
51.最后由获得的各个时间信息计算得到各基站到定位终端的电磁波传播时间以及时间差，利用tdoa算法将时间差信息带入相应的方程，计算得到定位终端的坐标。各个时间信息是指：定位终端第一次收到所有基站同步信息的接收时间，以及所有基站第一次发送同步信息的延迟时间(这个时间定位终端会从各基站第二次发送的信息中获得)，这个两次发送是uwb芯片的特点决定的，需要在定位终端知道信号接收时间和发送时间，接收时间可
以由定位终端自己采集，而信号是由各个基站发送的，各基站发送后才能知道准确的发送时间，所以第二次发送是把第一次发送的准确时间发送过去，则定位终端能够知道第一次发送的准确时间。
52.tdoa算法是基于信号到达时间差的算法，利用的是数学上的双曲线模型，移动节点发出信号，各个基站接收信号，这之间存在着时间差，利用两个基站间的时间差可以得到一个双曲线方程，一共可以得到多个双曲线方程。两个基站固定时，移动点会在以这两个基站的位置为焦点的双曲线上，通过画出多个双曲线，他们的交点即为移动点的坐标。
53.根据定位模型，先写出任意一个基站到移动节点的距离，定位模型如图3所示，表达式如下：
[0054][0055]
(1)式子中的c代表光速，ti代表基站到目标点的飞行时间，根据距离的公式可以得到三个方程，用后两个式子依次减去第一个式子，可以列出如下方程组：
[0056][0057][0058]
方程组(2)的解即为目标点的坐标(x,y)。
[0059]
具体地，配置阶段使用配置命令进行基站的配置，配置阶段包括两个部分：
[0060]
定位系统的配置：首先根据系统部署的定位基站数目以及系统的应用需求对基站的数目n
bs
、测距的次数n
range
进行设置；然后对基站的坐标位置进行赋值，通过配置命令把各基站相对于坐标原点(0,0)的坐标值(xi,yi)(i＝1、2、3
……
n)发送过去并储存起来。
[0061]
时间同步的配置：首先对基站的类型参数进行设置，即在已知位置的uwb设备中任选一个设置为主控基站，其余设置为定位基站，需要测定位置的uwb设备设置为定位终端；然后对主控基站和定位基站的延迟时间t
di
进行设置，t
di
的选取以不同基站发出的信号不出现飞行时间重叠为准，即不会存在至少两个不同的基站信号同时在同一位置重叠的情况，避免不同的基站信号之间出现相互干扰。因为本发明所采用的uwb设备的时间精度可达到纳秒级，所以本系统的间隔时间为微秒级，微秒级的间隔时间足以保证各基站的信号不会在同一位置出现叠加的情况发生。
[0062]
具体地，测距阶段获得主控基站a1与各定位基站ai之间的电磁波传播时间t
propi
。这里的电磁波传播时间通过测量主控基站与各定位基站的距离d
propi
，由公式d
propi
＝ct
propi
来计算得到，c为电磁波在空气中的传播速度。
[0063]
为了使获得的主控基站与各定位基站之间的电磁波传播时间t
propi
更加精确，采取多次测量，然后对测量值存储，进行卡尔曼滤波，滤去测距数据中由于突发噪声引起的波动过大的数据，进一步提高了测距的精度，从而使获得的时间信息更加精确。
[0064]
具体地，时间同步阶段中，在完成上述的基站配置与测距之后，主控基站，定位基站，定位终端将进行如下的操作来实现时间同步：
[0065]
如图4所示为主控基站的工作流程，包括：
[0066]
主控基站收到配置信息后，首先对自己的坐标(x1,y1)进行设置，然后将自己的基站类型设置为主控基站，并对自己的延迟时间t
d1
进行设置。
[0067]
主控基站发送测距命令，通过计算获得与各定位基站之间的电磁波传播时间
t
propi
。
[0068]
时间同步机制启动后，首先广播一个同步信号，并记录发送同步信号的时间t
sync
；
[0069]
主控基站根据自己的延迟时间t
d1
由公式t
send1
＝t
sync
+t
d1
计算得到自己向定位终端发送定位信息的发送时间t
send1
；
[0070]
主控基站自己的时钟计时到达上一步骤中计算的发送时间t
send1
以后，向定位终端第一次发送定位信息，其中包括自己的坐标(x1,y1)、以及延迟时间t
d1
。同时记录发送定位信息的时间t
snd1
，然后由公式t
dact1
＝t
snd1-t
sync
计算得到修正的延迟时间；
[0071]
第一次发送信息完成以后，进行第二次发送，将修正的延迟时间t
dact1
发送给定位终端对之前记录的延迟时间进行修正。
[0072]
如图5所示为定位基站工作流程，包括：
[0073]
定位基站收到配置信息后，首先对自己的坐标(xi,yi)进行设置，然后将自己的基站类型设置为定位基站，并对自己的延迟时间t
di
进行设置。
[0074]
收到主控基站发来的测距信息后，计算并记录与主控基站之间的电磁波传播时间t
propi
。
[0075]
定位基站收到主控基站广播的同步信号后，以自己的时间系统记录收到同步信号的时刻t
recvi
；
[0076]
定位基站根自己的延迟时间t
di
由公式t
sendi
＝t
recv
+t
di
计算得到自己向定位终端发送定位信息的发送时间；
[0077]
主控基站自己的时钟计时到达上一步骤中计算的发送时间t
sendi
以后，向定位终端第一次发送定位信息，其中包括定位基站的坐标(xi,yi)、定位基站与主控基站之间的电磁波传播时间t
propi
以及延迟时间t
di
，同时记录发送定位信息的时间t
sndi
，然后由公式t
dacti
＝t
sndi-t
recv
计算得到修正的延迟时间；
[0078]
第一次发送信息完成以后，进行第二次发送，将修正的延迟时间t
dacti
发送给定位终端对之前记录的延迟时间进行修正。
[0079]
如图6所示为定位终端工作流程，包括：
[0080]
定位终端收到配置信息后，将自己的类型设置为定位终端。
[0081]
时间同步机制启动后，等待接收主控基站和定位基站发来的定位信息；
[0082]
第一次收到主控基站和定位基站发来的定位信息以后，记录下各基站的坐标信息(xi,yi)；
[0083]
同时记录主控基站和定位基站的延迟时间t
di
，以及定位基站ai到主控基站a1的电磁波传播时间t
propi
，同时记录收到定位信息的时间t
rcvi
；
[0084]
第二次收到定位信息以后，将(1)中记录的延迟时间t
di
修改为t
dacti
。
[0085]
由公式t
propi
＝t
rcvi-t
dacti-t
propi
计算得到各基站到定位终端的电磁波传播时间，并计算出定位基站和主控基站分别到达定位终端的时间差t
ci
；
[0086]
将各基站的坐标(xi,yi)、时间差t
ci
运用tdoa算法求解，得到定位终端的坐标(x,y)。
[0087]
如图7所示为系统时序图。首先主控基站向各定位基站发送测距信息，即利用双边双向法测得主控基站与各定位基站之间的距离，由距离我们就可以计算得到主控基站与各定位基站之间的电磁波传播时间；然后主控基站向定位基站发送时间同步信息，各定位基
站收到同步信息以后，延迟相应的时间，向定位终端发送两次定位信息；最后定位终端收到主控基站和定位基站发来的定位信息后，利用tdoa算法计算得到定位终端的坐标。
[0088]
相较于现有的时间同步机制，本发明将时间同步的功能放在了定位基站之上，主控基站除了含有同步功能以外，其余功能与定位基站是一样的，整个定位系统不再需要额外设置一个专门进行同步功能的基站。不仅使得整个定位系统的更加简单，而且系统的部署也更加灵活方便。
[0089]
在本发明所提出的定位系统中，主控基站和定位基站是随意设置的，本系统中没有固定的主控基站和定位基站，哪一个基站来充当主控基站和定位基站是使用者自己来进行设置的；为了进一步提高时间同步精度，本发明在测距阶段获得各定位基站与主控基站之间的电磁波传播时间的时候，将测距的结果进行预存储，进行卡尔曼滤波后再去进行运算，由于硬件计算速度足够快，故可以缓存足够数量的数据进行卡尔曼滤波，提高测距结果的精度；在时间同步阶段，为了减小硬件温漂等造成的定时时间存在的误差，本发明采用发送两次定位信息的机制，第二次发送计算得到的修正的时间信息，使获得的时间信息更为准确，极大地提高了定位的精度。
[0090]
为了使定位系统使用起来更加灵活，本发明在测距阶段配置了设置测距基站数目和测距次数的命令，根据系统实际部署的定位基站数目以及系统的实际定位需求来进行相应的设置。
[0091]
以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。