一种用于uwb高精度定位系统的信号同步方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于UWB高精度定位系统的信号同步方法，包括以下步骤：（a）搭建信号同步平台：包括一个同步控制器以及用于UWB高精度定位的N个基站，同步控制器通过有线传输介质与第1个基站的接收端连接，各个基站依次级联；（b）各个基站依次接收、转发同步控制器的同步信号发生装置发出的时钟同步信号，并复位各自基站的高精度计时时钟；（c）各个基站接收到UWB定位信息码后，记录下各个基站的高精度计时时钟此时的时钟数，得到任意两个基站之间的时间延时值；（d）将该时间延时值作为一个修正量加入到对应的基站的时间信息中，实现各个基站的同步计时。本发明采用上述方法，能够实现各个基站之间信号的精确同步。
【专利说明】
一种用于UWB高精度定位系统的信号同步方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及UWB高精度定位领域，具体涉及一种用于UWB高精度定位系统的信号同步方法。
【背景技术】
[0002]高精度同步信号是UWB高精度定位系统必须解决的关键技术，为了能够精确的控制UWB定位系统内部的各个定位基站的时间测量，就需要严格、精确的计时同步控制。在现有的同步信号传输和控制方案中，往往采用专用同轴电缆或双绞线传输同步信号，并且每一台定位基准的同步信号接收端口与同步控制器的发送端口专线直连，这给实际工程应用带来了很大的难度和成本开销。同时，由于受到同轴电缆或双绞线的物理电气特性的限制，同步信号在线缆中传输将会随距离而衰减和波形畸变，最大传输距离受到限制，这就极大地影响到整个定位网络的组建的适应性和实用性。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种用于UWB高精度定位系统的信号同步方法，解决目前的UWB高精度定位系统存在同步难度大，安装不方便，定位网络的组建受限的问题。
[0004]本发明为实现上述目的，采用以下技术方案实现:
一种用于UWB高精度定位系统的信号同步方法，包括以下步骤:
(a)搭建信号同步平台:包括一个同步控制器以及用于UWB高精度定位的N个基站，同步控制器通过有线传输介质与第I个基站的接收端连接，各个基站通过有线传输介质依次级联，其中N为等于或大于3的整数；
(b)各个基站依次接收、转发同步控制器的同步信号发生装置发出的时钟同步信号，并复位各自基站的高精度计时时钟，然后等待放置于已知位置的UWB定位校验标签发出的UWB定位信息码的到来；
(c)各个基站接收到UWB定位信息码后，记录下各个基站的高精度计时时钟此时的时钟数，根据任意两个基站之间的时钟数差值、基站的坐标以及UWB定位校验标签的坐标，得到任意两个基站之间的时间延时值；
(d)将该时间延时值作为一个修正量加入到对应的基站的时间信息中，实现各个基站的同步计时。
[0005]进一步地，作为优选方案，所述步骤(b)的具体过程为:
(bl)同步控制器的同步信号发生装置向第I个基站发送时钟同步信号，第I个基站接收到时钟同步信号后，一方面复位本基站的高精度计时时钟，重新计时的高精度计时时钟等待放置于已知位置的UWB定位校验标签发出的UWB定位信息码的到来;另一方面，第I个基站将时钟同步信号向第2个基站转发；
(b2)第2个基站接收到第I个基站转发来的时钟同步信号后，一方面复位本基站的高精度计时时钟，重新计时的高精度计时时钟等待放置于已知位置的UWB定位校验标签发出的UWB定位信息码的到来;另一方面，第2个基站将时钟同步信号向第3个基站转发；
(b3)以此类推，直到最后一个基站接收到时钟同步信号，然后各个基站的高精度计时时钟都开始等待放置于已知位置的UWB定位校验标签发出的UWB定位信息码的到来。
[0006]进一步地，作为优选方案，所述步骤(b)中的时钟同步信号为数字编码。
[0007]进一步地，作为优选方案，所述步骤(b)中，先将该数字编码转换成1、Q调制数据后再发送出去。
[0008]进一步地，作为优选方案，还包括提取时间标识码步骤，具体过程为:
(b21)基站接收到1、Q调制数据后，对其进行解码得到数字编码；
(b22)对数字编码的帧头进行判断，若帧头不完整，则放弃本次同步，否则，进行步骤(b23)；
(b23)在数字编码中找到固定位置的数据，即时间标识码；
(b24)将时间标识码作为复位彳目号，对基站的尚精度计时时钟进行复位。
[0009]进一步地，作为优选方案，所述步骤(C)的具体过程为:
(Cl)各个基站接收到UWB定位信息码后，记下各个基站的高精度计时时钟此时的时钟数，并以该时钟数作为各自基站的定位校验时间；
(c2)计算出任意两个基站之间的定位校验时间的时间差；
(c3)根据时间差、各个基站的位置坐标以及UWB定位校验标签的坐标，由TDOA定位算法，得到任意两个基站之间的时间延时值。
[0010]进一步地，作为优选方案，所述步骤(d)中的时间延时值先做归一化处理，再将归一化后的时间延时值加入到各个基站的时间信息中，实现各个基站的同步计时。
[0011]进一步地，作为优选方案，所述步骤(d)的具体过程为:
(dll)在除最后一个基站外的每个基站增加I路高精度计时时钟，即除最后一个基站外的每个基站具有两路尚精度计时时钟，第I路尚精度计时时钟用于基站之间的延时fe验，第2路高精度计时时钟用于测量基站的定位时间；
(d 12 )得到各个基站之间的相对时间延时值后，将各自的时间延时值对应加入各个基站的第I路高精度计时时钟，当第I路高精度计时时钟计时到预设的时间点时，复位第2路高精度计时时钟，从而使得各个基站的第2路高精度计时时钟在同一时间点开始计时，实现各个基站的同步计时。
[0012]进一步地，作为优选方案，所述步骤(d)的具体过程为:
(d21)除最后一个基站外的每个基站的高精度计时时钟加入一个延时电路，延时电路的延时时间为最后一个基站与本基站之间的时间延时值；
(d22)经过延时后，各个基站的高精度计时时钟在同一时间点同时复位，实现各个基站的同步计时。
[0013]本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果:
(I)本发明有效的解决了时间同步信号传输需要专用电缆的工程难题，通过共用数据传输的网线，同时实现了定位数据和同步信号的传输。
[0014](2)本发明实现了同步信号逐级转发，有效的将定位基站级联入定位系统，能够组成数量大，规模大的定位系统。
[0015](3)本发明通过系统组建时的一整套测量方法，精确地测量出各个基站由于线路长短不同，内部电路转换时间同步信号所带来的延时不同，并加以修正，实现基站间高精度的同步控制，大大提尚了定位精度。
【附图说明】
[0016]图1为本发明的整体结构示意图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0018]实施例:
本实施例所述的一种用于UWB高精度定位系统的信号同步方法，包括以下步骤:
(a)搭建信号同步平台:包括一个同步控制器以及用于UWB高精度定位的N个基站，同步控制器通过有线传输介质与第I个基站的接收端连接，各个基站通过有线传输介质依次级联，其中N为等于或大于3的整数;有线传输介质包括光纤、网线、同轴电缆、双绞线等，不管是哪种有线传输介质，传输过程中均存在信号延时的情况。在本实施例中，如果采用网线作为信号传输介质，以10M/100M以太网的网线为例，网线包括8根芯线，一般只采用4根芯线传递数据，另外4根芯线处于空置状态，本实施例采用这4根空置的芯线传输时钟同步信号，基站与基站之间采用网线依次级联方式，具体是，第N-1个基站接收第N-2个基站发送来的时钟同步信号，并将接收到的时钟同步信号转发给第N个基站。同理，如果有限传输介质为光纤或同轴电缆或双绞线时，与网线一样，实现基站之间的依次级联。
[0019](b)各个基站依次接收、转发同步控制器的同步信号发生装置发出的时钟同步信号，并复位各自基站的高精度计时时钟，然后等待放置于已知位置的UWB定位校验标签发出的UWB定位信息码的到来；
(c)各个基站接收到UWB定位信息码后，记录下各个基站的高精度计时时钟此时的时钟数，根据任意两个基站之间的时钟数差值、基站的坐标以及UWB定位校验标签的坐标，得到任意两个基站之间的时间延时值；
(d)将该时间延时值作为一个修正量加入到对应的基站的时间信息中，实现各个基站的同步计时。
[0020]具体地，本实施例的步骤(b)的具体过程为:
(bl)同步控制器的同步信号发生装置向第I个基站发送时钟同步信号，第I个基站接收到时钟同步信号后，一方面复位本基站的高精度计时时钟，重新计时的高精度计时时钟等待放置于已知位置的UWB定位校验标签发出的UWB定位信息码的到来;另一方面，第I个基站将时钟同步信号向第2个基站转发；
(b2)第2个基站接收到第I个基站转发来的时钟同步信号后，一方面复位本基站的高精度计时时钟，重新计时的高精度计时时钟等待放置于已知位置的UWB定位校验标签发出的UWB定位信息码的到来;另一方面，第2个基站将时钟同步信号向第3个基站转发；
(b3)以此类推，直到最后一个基站接收到时钟同步信号，然后各个基站的高精度计时时钟都开始等待放置于已知位置的UWB定位校验标签发出的UWB定位信息码的到来。
[0021]为了提高信号传输的保密性以及数据的纠错能力，为后面的高精度同步提供更多的时间节点信息，提高系统的同步精度，本实施例的步骤(b)中的时钟同步信号为数字编码。
[0022]为了提高信号的抗干扰能力，本实施例的步骤(b)中，先将该数字编码转换成1、Q调制数据后再发送出去，1、Q调制数据是一种同相正交调制信号数据，该数据信号抗干扰能力强，通信带宽大，传输的时间精度就更高，从数字编码到1、Q调制数据，可用1、Q调制解调器来实现。
[0023]另外，为了确保获得的同步信号具有完整性，排除干扰信号对同步的影响，本实施例还包括提取时间标识码步骤，具体过程为:
(b21)基站接收到1、Q调制数据后，对其进行解码得到数字编码；
(b22)对数字编码的帧头进行判断，若帧头不完整，则放弃本次同步，否则，进行步骤(b23)；
(b23)在数字编码中找到固定位置的数据，即时间标识码；
(b24)将时间标识码作为复位彳目号，对基站的尚精度计时时钟进行复位。
[0024]具体地，本实施例的步骤(C)的具体过程为:
(Cl)各个基站接收到UWB定位信息码后，记下各个基站的高精度计时时钟此时的时钟数，并以该时钟数作为各自基站的定位校验时间；
(c2)计算出任意两个基站之间的定位校验时间的时间差；
(c3)根据时间差、各个基站的位置坐标以及UWB定位校验标签的坐标，由TDOA定位算法，得到任意两个基站之间的时间延时值。
[0025]为了便于计算和实现，本实施例的步骤(d)中的时间延时值先做归一化处理，再将归一化后的时间延时值加入到各个基站的时间信息中，实现各个基站的同步计时。
[0026]如图1所示，首先，同步信号发生器通过网线，向第I个基站发送1、Q调制数据，该1、Q调制数据由数字编码通过信号转换得到，第I个基站接收到1、Q调制数据后，一方面，对该
1、Q调制数据进行解码得到数字编码，提取该数字编码的时间标识码，该时间标识码作为复位信号，对第I个基站的高精度计时时钟进行复位，并得带UWB定位信息码的到来；另一方面，第I个基站将接收到的1、Q调制数据转发至第2个基站，第2个基站接收到1、Q调制数据后，完成与第I个基站相同的工作一计时、转发，以此类推，直到最后一个基站接收到1、Q调制数据，然后对该1、Q调制数据进行解码得到数字编码，提取该数字编码的时间标识码，该时间标识码作为复位信号，对第最后一个基站的高精度计时时钟进行复位，此时，所有基站的高精度计时时钟均在等待UWB定位信息码的到来。
[0027]位置已知的UWB定位校验标签发出的定位信息码，各个基站接收到UWB定位信息码后，记下各个基站各自的尚精度计时时钟此时的时钟数，该时钟数指的是从基站提取到时间标识码到基站接收到UWB定位信息码这段时间，由于UWB定位校验标签到各个基站的距离是已知的，也就是说，UWB定位信息码从发出到到达各个基站的时间是已知的，根据各个基站之间的时间差、基站坐标以及UWB定位校验标签的位置坐标，采用TDOA定位算法，计算出各个基站相对的时间延时值，由于两个基站之间的存在网线延时以及解码延时等，各个基站的时钟计数起始点(定位时间)是不一样的，计算出各个基站之间相对的时间延时值后，将延时值对应加入到各个基站的定位时间中，，使各个基站能够在同一时间点开始接收定位信息码，基站实现同步接收，从而为实现高精度定位创造了条件。
[0028]本发明的各个基站采用的是级联的方式，各个基站依次完成同步信号的接收、转发(最后一个基站不用转发同步信号)，采用上述方法，可以精确地得到任意两个基站之间的时间延时值，具体到本发明中，只需要得到每个基站分别与最后一个基站之间的时间延时值，然后将各自时间延时值加入到对应的基站即可，从而确保各个基站定位时间的一致，也就是在同一时刻开始接收UWB定位信号。将时间延时值加入到各自基站的方式有两种:
方式一的具体过程如下:
(dll)在除最后一个基站外的每个基站增加I路高精度计时时钟，即除最后一个基站外的每个基站具有两路尚精度计时时钟，第I路尚精度计时时钟用于基站之间的延时fe验，第2路高精度计时时钟用于测量基站的定位时间；
(d 12 )得到各个基站之间的相对时间延时值后，将各自的时间延时值对应加入各个基站的第I路高精度计时时钟，当第I路高精度计时时钟计时到预设的时间点时，复位第2路高精度计时时钟，从而使得各个基站的第2路高精度计时时钟在同一时间点开始计时，实现各个基站的同步计时。
[0029]采用方式一使本发明具有如下优点:
(I)采用两路时钟实现基站之间的同步接收UWB定位信息码，属于纯硬件同步，使计时抖动符合正态分布，便于后期数据处理，提高计时精度。
[°03°] (2)正是基于本方式实现的是纯硬件的同步，使基站的计时会稳定在一个范围内，如果超出范围值，则反映出定位系统出现了故障，便于操作人员及时进行对应的处理，避免错误的计时造成错误的结果。
[0031 ]方式二的具体过程如下:
(d21)除最后一个基站外的每个基站的高精度计时时钟加入一个延时电路，延时电路的延时时间为最后一个基站与本基站之间的时间延时值；
(d22)经过延时后，各个基站的高精度计时时钟在同一时间点同时复位，实现各个基站的同步计时。
[0032]采用方式二，使得本发明具有较为简单的硬件电路，便于同步维护，同时计时修正也很方便。
[0033]本发采用上述方法，能够获得如下技术效果:
(I)本发明有效地解决了时钟同步信号传输需要专用电缆的工程难题，无需专用同轴电缆或同轴电缆传输同步信号，也无需每一台定位基准的同步信号接收端口与同步控制器的发送端口专线直连，只需要通过共用数据传输的网线/光纤/同轴电缆/同轴电缆，即可同时实现定位数据和同步信号的传输，同步精度高，且成本低。
[0034](2)传统的基站采用并发的方式，受限于网线长度须小于100m，系统规模小，本发明实现了时钟同步信号逐级转发，有效地将定位基站级联入定位系统，能够组成数量大、规模大的定位系统，基站之间可实现无限级联，通过本发明实现各个基站之间的精确同步，无需担心基站之间的延时问题。
[0035](3)本发明通过系统组建时的一整套测量方法，精确地测量出各个基站由于线路长短不同以及内部电路转换时间同步信号所带来的延时不同，并加以修正，实现基站间高精度的同步控制，大大提高了定位精度。
[0036]以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种用于UWB高精度定位系统的信号同步方法，其特征在于:包括以下步骤: (a)搭建信号同步平台:包括一个同步控制器以及用于UWB高精度定位的N个基站，同步控制器通过有线传输介质与第I个基站的接收端连接，各个基站通过有线传输介质依次级联，其中N为等于或大于3的整数； (b)各个基站依次接收、转发同步控制器的同步信号发生装置发出的时钟同步信号，并复位各自基站的高精度计时时钟，然后等待放置于已知位置的UWB定位校验标签发出的UWB定位信息码的到来； (c)各个基站接收到UWB定位信息码后，记录下各个基站的高精度计时时钟此时的时钟数，根据任意两个基站之间的时钟数差值、基站的坐标以及UWB定位校验标签的坐标，得到任意两个基站之间的时间延时值； (d)将该时间延时值作为一个修正量加入到对应的基站的时间信息中，实现各个基站的同步计时。2.根据权利要求1所述的一种用于UWB高精度定位系统的信号同步方法，其特征在于:所述步骤(b)的具体过程为: (bl)同步控制器的同步信号发生装置向第I个基站发送时钟同步信号，第I个基站接收到时钟同步信号后，一方面复位本基站的高精度计时时钟，重新计时的高精度计时时钟等待放置于已知位置的UWB定位校验标签发出的UWB定位信息码的到来;另一方面，第I个基站将时钟同步信号向第2个基站转发； (b2)第2个基站接收到第I个基站转发来的时钟同步信号后，一方面复位本基站的高精度计时时钟，重新计时的高精度计时时钟等待放置于已知位置的UWB定位校验标签发出的UWB定位信息码的到来;另一方面，第2个基站将时钟同步信号向第3个基站转发； (b3)以此类推，直到最后一个基站接收到时钟同步信号，然后各个基站的高精度计时时钟都开始等待放置于已知位置的UWB定位校验标签发出的UWB定位信息码的到来。3.根据权利要求1或2所述的一种用于UWB高精度定位系统的信号同步方法，其特征在于:所述步骤(b)中的时钟同步信号为数字编码。4.根据权利要求3所述的一种用于UWB高精度定位系统的信号同步方法，其特征在于:所述步骤(b)中，先将该数字编码转换成1、Q调制数据后再发送出去。5.根据权利要求4所述的一种用于UWB高精度定位系统的信号同步方法，其特征在于:还包括提取时间标识码步骤，具体过程为: (b21)基站接收到1、Q调制数据后，对其进行解码得到数字编码； (b22)对数字编码的帧头进行判断，若帧头不完整，则放弃本次同步，否则，进行步骤(b23)； (b23)在数字编码中找到固定位置的数据，即时间标识码； (b24 )将时丨B]标识码作为复位彳目号，对基站的尚精度计时时钟进行复位。6.根据权利要求1所述的一种用于UWB高精度定位系统的信号同步方法，其特征在于:所述步骤(c)的具体过程为: (Cl)各个基站接收到UWB定位信息码后，记下各个基站的高精度计时时钟此时的时钟数，并以该时钟数作为各自基站的定位校验时间； (c2)计算出任意两个基站之间的定位校验时间的时间差； (c3)根据时间差、各个基站的位置坐标以及UWB定位校验标签的坐标，由TDOA定位算法，得到任意两个基站之间的时间延时值。7.根据权利要求1所述的一种用于UWB高精度定位系统的信号同步方法，其特征在于:所述步骤(d)中的时间延时值先做归一化处理，再将归一化后的时间延时值加入到各个基站的时间信息中，实现各个基站的同步计时。8.根据权利要求1所述的一种用于UWB高精度定位系统的信号同步方法，其特征在于:所述步骤(d)的具体过程为: (dll)在除最后一个基站外的每个基站增加I路高精度计时时钟，即除最后一个基站外的每个基站具有两路尚精度计时时钟，第I路尚精度计时时钟用于基站之间的延时fe验，第2路高精度计时时钟用于测量基站的定位时间； (dl2)得到各个基站之间的相对时间延时值后，将各自的时间延时值对应加入各个基站的第I路高精度计时时钟，当第I路高精度计时时钟计时到预设的时间点时，复位第2路高精度计时时钟，从而使得各个基站的第2路高精度计时时钟在同一时间点开始计时，实现各个基站的同步计时。9.根据权利要求1所述的一种用于UWB高精度定位系统的信号同步方法，其特征在于:所述步骤(d)的具体过程为: (d21)除最后一个基站外的每个基站的高精度计时时钟加入一个延时电路，延时电路的延时时间为最后一个基站与本基站之间的时间延时值； (d22 )经过延时后，各个基站的高精度计时时钟在同一时间点同时复位，实现各个基站的同步计时。
【文档编号】H04B1/7183GK105897330SQ201610198888
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月1日
【发明人】严炜
【申请人】严炜