CN108112070A - 一种uwb单向定位系统中时间同步的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种UWB单向定位系统中时间同步的方法，在定位范围内布设若干已知位置的锚点，其特征在于：在定位范围内布设已知位置的参考点，参考点上放置的UWB设备具备信号发射功能，锚点上放置的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锚点与定位标签之间的电磁波传播时间差，基于每两个锚点分别到达定位标签的时间差，得到定位标签的坐标。本发明应用时定位标签容量可以无限扩展，同时标签功耗得以降低，而且整体结构简单，易于实现。

Description

一种UWB单向定位系统中时间同步的方法

技术领域

本发明属于定位技术，涉及基于UWB以及TDOA技术定位的方法。

背景技术

室外定位技术已经非常成熟，市场上有多种GNSS设备可以满足不同用户从米级到毫米级的各种需求。而事实上，众多行业都对室内定位技术提出越来越高的要求，例如物联网行业，工业厂房，旅游行业，商业场所，机场，消防，公安，军用，停车场，医疗，机器人，无人机，隧道矿井等。对于室内定位，虽然目前有多种解决方案，例如基站定位，WIFI指纹定位，超声波定位，蓝牙定位，地磁定位，伪卫星定位，UWB(Ultra-Wideband，超宽带)定位等，但是由于技术局限以及成本问题，目前尚未有像GNSS定位技术一样让不同级别用户满意的成熟产品，更进一步说，这些技术要么定位精度无法满足要求，只能满足低精度用户的需求，要么成本太高，难以推广。

目前使用较多的室内定位技术解决方案中，目前来看UWB定位的结果最为精确，而且UWB的传播特性使其抗干扰、抗多径以及穿透性能明显好于其他技术，因此具有良好的发展前景。UWB定位的基础是测量电磁波的传播时间进行测距，再进一步用测距结果进行定位。目前的方法是首先是通过一定的通讯协议，测量电磁波在锚点与标签之间的飞行时间(有时也测量它们之间的相对方向)，由于电磁波在空气中的传播速度即光速，由此即可计算出锚点和标签之间的距离。但是由于各个锚点以及标签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，导致各个锚点以及标签的时间无法同步，而目前采取的方法是依靠控制锚点与标签之间多次通信来消除时钟不同步的问题，以得到较为精确的测距和定位结果。这种多次通信操作在标签以及锚点的数量增多以后，效率会急剧下降，定位刷新率严重受限，同时，标签的功耗也较高，给实用化带来了阻碍。因此只有通过将双向多次通信的模式改为单向通信测距，才能实现定位标签数量的无限增长，然而目前的单向通信测距是采用硬件时间同步的方法，硬件极为复杂，成本太高，而且对于时间同步服务器的依赖性很强，因此难以实施。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，通过参考点的方法，消除各个锚点之间的时钟差，使得参考站之间的时钟得到逻辑上的同步，从而实现标签的高精度被动定位。

本发明提供一种UWB单向定位系统中时间同步的方法，在定位范围内布设若干已知位置的锚点，在定位范围内布设已知位置的参考点，参考点上放置的UWB设备具备信号发射功能，锚点上放置的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锚点与定位标签之间的电磁波传播时间差，基于每两个锚点分别到达定位标签的时间差，得到定位标签的坐标；为测量计算电磁波传播时间差，进行以下操作，

参考点定时发出时标信号；

每个锚点存储了自身到参考点的电磁波传播时间T_(a,ref)以及各自的发射延迟时间T_d，每个锚点执行如下操作，

1)锚点状态设置为信号接收状态；

2)当锚点收到时标信号后，以自己的时间系统记录收到时标信号的时刻，该时刻的值为T_a+T_(a,ref)，并生成定位报文，定位报文中至少包含该锚点自身到参考点的电磁波传播时间T_(a,ref)与该锚点的发射延迟时间T_d以及该锚点自身的坐标(Xa,Ya,Za)；其中，T_a表示锚点收到时标信号的时刻减去锚点自身到参考点的电磁波传播时间T_(a,ref)，即参考点发出时标信号时锚点自己的时间系统的时刻；

3)等待T_d时间后，该锚点状态设置为发射状态，然后将定位报文发射出去；

定位标签收到定位报文后，以定位标签自身的时间系统记录收到报文的时刻T_t+T_rx，其中T_rx＝T_(a,ref)+T_d+T_(tag,a)，T_(tag,a)为电磁波从锚点到定位标签的传播时间，T_rx表示时标信号从参考点经锚点传输到定位标签的传播时间，T_t表示参考点发出时标信号时定位标签自己的时间系统的时刻；在将定位报文解码后，得到T_(a,ref)与T_d。

而且，测量计算电磁波传播时间差，实现方式如下，

设有两个锚点分别为锚点n和锚点m，当定位标签收到这两个锚点的定位报文后，通过执行如下操作解决锚点之间的时间同步问题，得到各个锚点与定位标签之间的电磁波传播时间差，

1)收到锚点n发出的定位报文时，记录下锚点n发射的定位报文到达定位标签的时刻，T_{an_rx}＝T_t+T_(an,ref)+T_dn+T_(tag,an)

其中，T_(an,ref)、T_dn、T_(tag,an)分别为锚点n到参考点的电磁波传播时间、锚点n的等待时间、锚点n到定位标签的电磁波传播时间，T_t表示参考点发出时标信号时定位标签自己的时间系统的时刻，

则有，

T_(tag,an)＝T_{an_rx}–T_t–T_(an,ref)–T_dn

2)收到锚点m发出的定位报文时，记录下锚点m发射的定位报文到达定位标签的时刻，T_{am_rx}＝T_t+T_(am,ref)+T_dm+T_(tag,am)

其中，T_(am,ref)、T_dm、T_(tag,am)分别为锚点m到参考点的电磁波传播时间、锚点m的等待时间、锚点m到定位标签的电磁波传播时间，T_t表示参考点发出时标信号时定位标签自己的时间系统的时刻，

则有，

T_(tag,am)＝T_{am_rx}–T_t–T_(am,ref)–T_dm

3)计算电磁波从锚点n和锚点m分别到达定位标签Tag的时间差为，

T_(tag,an)–T_(tag,am)＝T_{an_rx}–T_t–T_(an,ref)–T_dn–(T_{am_rx}–T_t–T_(am,ref)–T_dm)

＝T_{an_rx}–T_{am_rx}–T_(an,ref)–T_dn+T_(am,ref)+T_dm

其中，T_{an_rx}、T_{am_rx}均由定位标签自身记录定位报文的到达时间得到，而T_(an,ref)、T_dn、T_(am,ref)、T_dm均包含于定位报文中，因此T_(tag,an)–T_(tag,am)的值确定，从而获得了电磁波从锚点n和锚点m分别到达定位标签Tag的时间差。

本发明应用时定位标签容量可以无限扩展，同时标签功耗得以降低，而且整体结构简单，易于实现。本方法不仅适合于所有采用电磁波传播特性测距的定位系统，具有广泛的通用性。

附图说明

图1为本发明实施例的系统结构示意图；

图2为本发明实施例的时间差关系示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。

参见图1，本发明实施例采用的方法是：

在定位范围内，除了布设一定数量的已知位置的锚点1外，再布设已知位置的参考点2。参考点上放置的UWB设备具备信号发射功能，锚点上放置的UWB设备具备接受和发射信号功能，定位标签3的UWB设备只要接收信号即可，无需发射。锚点1的布设数量有最低要求，如果进行二维坐标定位，则至少需要三个，如果进行三维坐标定位，则至少需要四个。为保证定位区域的覆盖以及通过提高定位精度，通常布设的锚点数量要高于这个最低要求数量。一个定位区域内只需要一个参考点，如果由于遮挡与衰减问题导致一个参考点无法与所有锚点通信，则需要增加参考点。定位标签的数量由用户按需增加，由于本发明采用了被动定位，因此定位标签的数量不受限制，可以无限增加。

1，参考点、各个锚点、各个定位标签各自有自己的时间系统，分别为T_r,T_a，j以及T_t，k，j为锚点编号，k为定位标签编号。

2，参考点定时发出时标信号，频度越高则系统得定位刷新率越高，但同时应考虑锚点的信号处理速度，并保留一定余量。根据所选用的通信速率的不同以及报文的长短不同，时标信号发射速率可以优选在0.1Hz到1000Hz之间选择；

3，每个锚点存储了自身到参考点的电磁波传播时间T_(a,ref)以及各自的发射延迟时间T_d，由于锚点和参考点的坐标皆为已知，因此根据光速公式可预先直接计算出T_(a,ref)。设置发射延迟时间T_d的作用是，在锚点收到时标信号以后，延迟一段时间再发送定位报文，每个锚点的延迟时间错开，以避免冲突导致丢失报文；

每个锚点执行如下操作：

1)锚点状态设置为信号接收状态；

2)当锚点收到时标信号后，以自己的时间系统记录收到时标信号的时刻，该时刻的值为T_a+T_(a,ref)，并生成定位报文，报文中至少包含该锚点自身到参考点的电磁波传播时间T_(a,ref)与该锚点的发射延迟时间T_d以及该锚点自身的坐标(Xa,Ya,Za)；其中，T_a表示锚点收到时标信号的时刻减去锚点自身到参考点的电磁波传播时间T_(a,ref)，即参考点发出时标信号时锚点自己的时间系统的时刻；

3)在等待T_d时间后，该锚点状态设置为发射状态，然后将定位报文发射出去。

4，定位标签收到该报文后，以定位标签自身的时间系统记录收到报文的时刻T_t+T_rx，其中T_rx＝T_(a,ref)+T_d+T_(tag,a)，T_(tag,a)为电磁波从锚点到定位标签的传播时间，T_rx表示时标信号从参考点经锚点传输到定位标签的传播时间，T_t表示参考点发出时标信号时定位标签自己的时间系统的时刻。

在将定位报文解码后，可以得到T_(a,ref)与T_d。

5，假定有两个锚点分别为锚点n和锚点m，如图2，参考点于自己时间系统的时刻T_t发出时标信号，此时锚点n的时间系统的时刻为T_an，锚点m的时间系统的时刻为T_am，定位标签的时间系统的时刻为T_t。当定位标签收到这两个锚点的定位报文后，通过执行如下操作解决锚点之间的时间同步问题，以得到各个锚点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坐标：

1)收到锚点n发出的定位报文时，记录下锚点n发射的定位报文到达定位标签的时刻：

T_{an_rx}＝T_t+T_(an,ref)+T_dn+T_(tag,an)

其中，T_(an,ref)、T_dn、T_(tag,an)分别为锚点n到参考点的电磁波传播时间、锚点n的等待时间、锚点n到定位标签的电磁波传播时间，T_t表示参考点发出时标信号时定位标签自己的时间系统的时刻。

则有：

T_(tag,an)＝T_{an_rx}–T_t–T_(an,ref)–T_dn

2)n收到锚点m发出的定位报文时，记录下锚点m发射的定位报文到达定位标签的时刻：

T_{am_rx}＝T_t+T_(am,ref)+T_dm+T_(tag,am)

其中，T_(am,ref)、T_dm、T_(tag,am)分别为锚点m到参考点的电磁波传播时间、锚点m的等待时间、锚点m到定位标签的电磁波传播时间，T_t表示参考点发出时标信号时定位标签自己的时间系统的时刻。则有：

T_(tag,am)＝T_{am_rx}–T_t–T_(am,ref)–T_dm

3)计算电磁波从锚点n和锚点m分别到达定位标签Tag的时间差为：

T_(tag,an)–T_(tag,am)

＝T_{an_rx}–T_t–T_(an,ref)–T_dn–(T_{am_rx}–T_t–T_(am,ref)–T_dm)

＝T_{an_rx}–T_{am_rx}–T_(an,ref)–T_dn+T_(am,ref)+T_dm

其中，T_{an_rx}、T_{am_rx}均由定位标签自身记录定位报文的到达时间得到，而T_(an,ref)、T_dn、T_(am,ref)、T_dm均包含于定位报文中，因此T_(tag,an)–T_(tag,am)的值确定，从而获得了电磁波从锚点n和锚点m分别到达定位标签Tag的时间差。

通过以上方法，本发明不需要关注锚点、参考点和定位标签各自的时间系统，即可确定它们之间的关系。

另外，定位标签还从定位报文中获得了锚点自身的坐标，当锚点足够多的时候，(平面定位需要至少三个锚点，三位定位需要至少四个锚点)，即可通过以上方法测量计算出各个锚点与定位标签之间的电磁波传播时间差，基于每两个锚点分别到达定位标签的时间差，最后通过现有的TDOA方法得到定位标签的坐标。

需要说明的是，由于一般的UWB设备使用的时钟是普通晶振或者温度补偿晶振，因此存在较大的频偏以及漂移，这对于系统的时钟同步效果会有一定影响，但一般这些普通晶振的精度都小于20ppm,而且系统同步频度较高，根据计算，假设晶振的精度是20ppm，则由于晶振频偏和漂移引起的无法消除的时间误差小于100皮秒，合算成距离，大约为0.03米，对于大多数场合是可以接受的。而经过校准的晶振或者温度补偿晶振的精度一般可以小于2ppm，其引起的误差更小。具体实施时，本发明所提供方法可由本领域技术人员基于软件技术实现自动运行流程。

为说明本发明技术效果，采用本发明实施例的技术方案进行试验如下：

主要材料：

Decawave DWM1000UWB模块，STM32f103c8单片机，LCD1604显示模块。

实施步骤：

1，将DWM1000与单片机的SPI总线连接，单片机的I2C端口与LCD1604显示模块连接。单片机的UART端口引出备用。

2，分别编写锚点、定位标签以及参考点的单片机程序。

1)锚点的程序需要实现控制DWM1000进行收发切换，获取接受报文时间戳，延时发射，读取以及修改配置数据(包含自身到参考点的电磁波传播时间，发射延迟参数，自身坐标等)，生成定位报文等功能。

2)参考点的程序需要实现定时发射时标信号

3)定位标签的程序需要实现接收锚点发出的定位报文，记录接收时间，并将报文解码，得到该锚点到参考点的电磁波传播时间以及延时发射时间，以及该锚点的自身坐标，从而计算各个锚点到定位标签自身之间的电磁波传播时间差，并进一步计算定位标签自身的坐标。

3，在定位区域内安装锚点(至少三个)和参考点，并量测每个锚点与参考点的准确位置，以及锚点与参考点的距离，将距离换算成电磁波传播时间，安排每个锚点的发射延迟时间，并将锚点坐标、锚点与参考点之间电磁波传播时间、发射延迟时间一起，通过UART端口保存于每个锚点内(STM32f103c8自身有存储装置)；

4，当锚点与参考点都开始工作后，将定位标签置于定位区域内，即可实现定位。

本文中所描述的具体实例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种UWB单向定位系统中时间同步的方法，在定位范围内布设若干已知位置的锚点，其特征在于：在定位范围内布设已知位置的参考点，参考点上放置的UWB设备具备信号发射功能，锚点上放置的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锚点与定位标签之间的电磁波传播时间差，基于每两个锚点分别到达定位标签的时间差，得到定位标签的坐标；为测量计算电磁波传播时间差，进行以下操作，

参考点定时发出时标信号；

每个锚点存储了自身到参考点的电磁波传播时间T_(a,ref)以及各自的发射延迟时间T_d，每个锚点执行如下操作，

1)锚点状态设置为信号接收状态；

2)当锚点收到时标信号后，以自己的时间系统记录收到时标信号的时刻，该时刻的值为T_a+T_(a,ref)，并生成定位报文，定位报文中至少包含该锚点自身到参考点的电磁波传播时间T_(a,ref)与该锚点的发射延迟时间T_d以及该锚点自身的坐标(Xa,Ya,Za)；其中，T_a表示锚点收到时标信号的时刻减去锚点自身到参考点的电磁波传播时间T_(a,ref)，即参考点发出时标信号时锚点自己的时间系统的时刻；

3)等待T_d时间后，该锚点状态设置为发射状态，然后将定位报文发射出去；

定位标签收到定位报文后，以定位标签自身的时间系统记录收到报文的时刻T_t+T_rx，其中T_rx＝T_(a,ref)+T_d+T_(tag,a)，T_(tag,a)为电磁波从锚点到定位标签的传播时间，T_rx表示时标信号从参考点经锚点传输到定位标签的传播时间，T_t表示参考点发出时标信号时定位标签自己的时间系统的时刻；在将定位报文解码后，得到T_(a,ref)与T_d。

2.根据权利要求1所述UWB单向定位系统中时间同步的方法，其特征在于：测量计算电磁波传播时间差，实现方式如下，

设有两个锚点分别为锚点n和锚点m，当定位标签收到这两个锚点的定位报文后，通过执行如下操作解决锚点之间的时间同步问题，得到各个锚点与定位标签之间的电磁波传播时间差，

1)收到锚点n发出的定位报文时，记录下锚点n发射的定位报文到达定位标签的时刻，T_{an_rx}＝T_t+T_(an,ref)+T_dn+T_(tag,an)

其中，T_(an,ref)、T_dn、T_(tag,an)分别为锚点n到参考点的电磁波传播时间、锚点n的等待时间、锚点n到定位标签的电磁波传播时间，T_t表示参考点发出时标信号时定位标签自己的时间系统的时刻，

则有，

T_(tag,an)＝T_{an_rx}–T_t–T_(an,ref)–T_dn

2)收到锚点m发出的定位报文时，记录下锚点m发射的定位报文到达定位标签的时刻，T_{am_rx}＝T_t+T_(am,ref)+T_dm+T_(tag,am)

其中，T_(am,ref)、T_dm、T_(tag,am)分别为锚点m到参考点的电磁波传播时间、锚点m的等待时间、锚点m到定位标签的电磁波传播时间，T_t表示参考点发出时标信号时定位标签自己的时间系统的时刻，

则有，

T_(tag,am)＝T_{am_rx}–T_t–T_(am,ref)–T_dm

3)计算电磁波从锚点n和锚点m分别到达定位标签Tag的时间差为，

T_(tag,an)–T_(tag,am)＝T_{an_rx}–T_t–T_(an,ref)–T_dn–(T_{am_rx}–T_t–T_(am,ref)–T_dm)

＝T_{an_rx}–T_{am_rx}–T_(an,ref)–T_dn+T_(am,ref)+T_dm

其中，T_{an_rx}、T_{am_rx}均由定位标签自身记录定位报文的到达时间得到，而T_(an,ref)、T_dn、T_(am,ref)、T_dm均包含于定位报文中，因此T_(tag,an)–T_(tag,am)的值确定，从而获得了电磁波从锚点n和锚点m分别到达定位标签Tag的时间差。