一种基于UWB的联合无线时钟同步和TOA的测距系统技术方案

本文提出了一种基于UWB的联合无线时钟同步和TOA的测距系统。所述测距系统包括硬件平台以及软件方法。其中所述硬件平台包含UWB标签、4个或者4个以上UWB定位基站以及计算控制单元。所述软件方法包括①标签与基站通信并且记录信息收发的时间戳信息并计算TOF时间从而得到标签与基站之间的距离；②在测距通信过程中，UWB定位基站在反馈信息中插入包含时钟源等级、时钟等级、时钟同步跳数以及时钟计数等信息的时钟同步信息，选择性地在通信范围内进行时钟同步。所述测距系统易扩展UWB基站数量，形成大规模的测距系统，同时由于采用的时钟同步方法为在测距通信的信息中插入同步时间信息，节约了通信开支，这是一种低开销的时钟同步方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于UWB的联合无线时钟同步和TOA的测距系统
本专利技术涉及超宽带短距离无线通信领域，具体涉及一种基于UWB的联合无线时钟同步和TOA的测距系统。
技术介绍
UWB技术是一种利用亚纳秒级超窄脉冲的无载波通信技术。相对于其他定位技术，UWB技术具有以下优势：1.通信距离远，能实现百米范围内有效通信，满足室内定位需要；2.高数据传输速率，10米范围内数据传输速率达到百Mbit/s，甚至到达Gbit/s；3.抗干扰能力强，多径分辨能力强；4.功耗小，发射功率在mW级别；5.时间分辨率高，时间区分度在亚纳秒级别；UWB室内定位技术在理论上可以将误差控制在10cm，实际应用中能控制误差在20cm内。相对于其他定位技术，使用UWB信号进行室内定位可以获得更高的定位精度和稳定性。但是UWB无线通信也具有所有无线通信共同的缺点，同频干扰。所以在UWB测距过程中需要，需要协调网络中的各个端点避免同时发送UWB信号。有线时钟同步技术极大程度限制了时钟同步技术的应用，也限制了测距系统的搭建。无线时钟同步技术需要考虑同步精度、功耗、可扩展性。传统的无线时钟同步技术增加了额外的通信开销，增大了计算控制单元的功耗。
技术实现思路
本专利技术的目的在于结合基于UWB的TOA方法测距和无线时钟同步，具体的操作方法是在TOA测距通信过程中，在通信信息中插入无线时钟同步信息。，考虑到对时钟同步精度要求是ms级别，牺牲时钟同步精度，提升无线时钟同步的可扩展性以及降低无线时钟同步的功耗和通信开销，提升测距网络的组建的易操作性，提出一种基于UWB的联合无线时钟同步方法和TOA方法的测距系统。本专利技术为实现上述目的，采用以下技术方案实现：一种基于UWB的联合无线时钟同步方法和TOA方法的测距系统，其特征在于，所述测距系统包括硬件平台和软件方法：（1）所述硬件平台包括UWB标签、UWB定位基站以及计算控制单元。（2）所述软件方法包括①标签与基站通信并且记录信息收发的时间戳信息并计算TOF时间从而得到标签与基站之间的距离；②在测距通信过程中，UWB定位基站在反馈信息中插入包含时钟源等级、时钟等级、时钟同步跳数以及时钟计数等信息的时钟同步信息，选择性地在通信范围内进行时钟同步。进一步的，硬件平台包括UWB标签、UWB定位基站以及计算控制单元。所述UWB标签广播统一编码的包含测距时间戳信息的短脉冲信号，并接收UWB定位基站反馈回来的时间戳信息以及由UWB定位基站反馈的TOF时间信息统一编码后的短脉冲信号。所述UWB定位基站接收统一编码的短脉冲信号，并反馈包含测距时间戳信息以及时钟同步信息统一编码以后的短脉冲信号。所述计算控制单元协调控制UWB标签与UWB定位基站的短脉冲信号的收发控制，记录测距通信过程中短脉冲信号的收发时间戳，并计算TOF时间信息和距离信息。进一步的，UWB定位基站需要接收、处理、反馈UWB标签以及其他UWB定位基站发送的短脉冲信号：进一步的，软件方法包括联合TOA方法测距和无线时钟同步。（1）所述TOA方法测距是标签与基站通信并且记录信息收发的时间戳信息并计算TOF时间从而得到标签与基站之间的距离；（2）所述时钟同步是在测距通信过程中，UWB定位基站在反馈信息中插入包含时钟源等级、时钟等级、时钟同步跳数以及本地时钟计数等信息的时钟同步信息，选择性地在通信范围内进行时钟同步。进一步的，一种基于UWB的联合无线时钟同步方法和TOA方法的测距系统，包含如下步骤：（1）组建包含1个UWB标签，4个或者4个以上UWB定位基站、计算控制单元的硬件平台（2）UWB标签广播统一编码的包含开始测距的信息的短脉冲信号，并由UWB标签上的计算控制单元读取记录发送成功时间戳为T_tx1。（3）取参与测距的4个UWB定位基站中的一个基站来分析。所述取用的一个基站接收到开始测距信号记录接收完成时间戳为T_rx1，并且准备自身要反馈的信息。在反馈的信息中插入时钟同步信息。所述时钟同步信息包括时钟源等级，时钟等级，时钟同步跳数以及本地时钟计数。（4）参与测距的4个UWB定位基站根据自身的地址大小决定反馈顺序先后。所述反馈顺序遵循地址越小，反馈优先级越高的的原则。根据反馈顺序，4个UWB定位基站依次反馈包含有时钟同步信息的统一编码以后的短脉冲信号，并记录信号发送成功时间戳为T_tx2。（5）UWB标签接收到所述步骤（3）中的反馈信号，取4，并且准备自身要反馈的信息。在反馈的信息中插入时钟同步信息。所述时钟同步信息包括时钟源等级，时钟等级，时钟同步跳数以及本地时钟计数。（4）参与测距的4个UWB定位基站根据自身的地址大小决定反馈顺序先后。所述反馈顺序遵循地址越小，反馈优先级越高的的原则。根据反馈顺序，4个UWB定位基站依次反馈包含有时钟同步信息的统一编码以后的短脉冲信号，并记录信号发送成功时间戳为T_tx2。（5）UWB标签接收到所述步骤（3）中的反馈信号，取4个UWB定位基站中的一个基站来分析，记录接收反馈信息成功时间戳为T_rx2，同时广播统一编码的包含结束测距的信息的短脉冲信号，并记录信号发送成功时间戳为T_tx3。所述结束测距的信息需插入时间戳T_tx1，T_rx2，T_tx3。（6）UWB定位基站接收到步骤（3）中的反馈信号，按照编码规则提取反馈信号中的时钟源等级，时钟等级，时钟同步跳数以及时钟计数，同时与本地UWB定位基站的时钟源等级，时钟等级，时钟同步跳数比较，若所述比较符合所设条件，则选择反馈信号中的时钟同步信息同步本地UWB定位基站。同步后，本地UWB定位基站的时钟源等级为反馈信号中的时钟源等级，时钟等级为反馈信号中的时钟等级加1，时钟同步跳数为反馈信号中的时钟同步跳数加1，时钟计数为反馈信号中的时钟同步跳数，并且联合之前的同步时钟信息进行数据拟合，获取本地时钟与时钟源的时钟计数关系，后期便可以降低通信计算开销。所述所设条件满足尽量使全局UWB定位基站时钟计数同步的原则。（7）取参与测距的4个UWB定位基站中的一个基站来分析。所述取用的一个基站接收到结束测距信号记录接收完成时间为T_rx3，并提取结束测距信号中的时间戳T_tx1，T_rx2，T_tx3。通过T_tx1，T_rx1，T_tx2，T_rx2，T_tx3，T_rx3这6个时间戳计算TOF时间为：T_tof=(((T_rx3-T_tx2)-(T_tx3-T_rx2))+((T_rx2-T_tx1)-(T_tx2-T_rx1)))/4计算该UWB定位基站与UWB定位标签之间的距离S为（U_光表示光速）：S=T_tof*U_光（8）通过上述步骤，所述测距系统完成TOA方法测距和无线时钟同步。本专利技术组建了一种基于UWB的联合无线时钟同步方法和TOA方法的测距系统，在该测距系统中能实现以下效果：（1）高效率地利用TOA方法测距通信资源，不额外地增加UWB通信过程实现毫秒级时钟同步，这是一种低开销的无线时钟同步策略。（2）在通信过程中只同步相关基站周边的基站，并且只有在测距时才会进行时钟同步，减少了接收时钟同步信息的UWB定位基站的控制处理频率，大幅度减小了时钟同步的功耗和节省了计算处理单元的资源。（3）该测距系统扩展性好，能够在大范围内布设UWB定位基站，可以无限制地扩展UWB定位基站数量和UW本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于UWB的联合无线时钟同步和TOA的测距系统，其特征在于，所述测距系统包括硬件平台和软件方法：（1）所述硬件平台包括UWB标签、UWB定位基站以及计算控制单元；（2）所述软件方法包括①标签与基站通信并且记录信息收发的时间戳信息并计算TOF时间从而得到标签与基站之间的距离；②在测距通信过程中，UWB定位基站在反馈信息中插入包含时钟源等级、时钟等级、时钟同步跳数以及时钟计数等信息的时钟同步信息，选择性地在通信范围内进行时钟同步。

【技术特征摘要】
1.一种基于UWB的联合无线时钟同步和TOA的测距系统，其特征在于，所述测距系统包括硬件平台和软件方法：（1）所述硬件平台包括UWB标签、UWB定位基站以及计算控制单元；（2）所述软件方法包括①标签与基站通信并且记录信息收发的时间戳信息并计算TOF时间从而得到标签与基站之间的距离；②在测距通信过程中，UWB定位基站在反馈信息中插入包含时钟源等级、时钟等级、时钟同步跳数以及时钟计数等信息的时钟同步信息，选择性地在通信范围内进行时钟同步。2.如权利要求1要求的一种基于UWB的联合无线时钟同步方法和TOA方法的测距系统的硬件平台，其特征在于，包括UWB标签、UWB定位基站以及计算控制单元：（1）所述UWB标签广播统一编码的包含测距时间戳信息的短脉冲信号，并接收UWB定位基站反馈回来的时间戳信息以及由UWB定位基站反馈的TOF时间信息统一编码后的短脉冲信号；（2）所述UWB定位基站接收统一编码的短脉冲信号，并反馈包含测距时间戳信息以及时钟同步信息统一编码以后的短脉冲信号；（3）所述计算控制单元协调控制UWB标签与UWB定位基站的短脉冲信号的收发控制，记录测距通信过程中短脉冲信号的收发时间戳，并计算TOF时间信息和距离信息。3.如权利要求2中要求的UWB定位基站，其特征在于，UWB定位基站需要接收、处理、反馈UWB标签以及其他UWB定位基站发送的短脉冲信号：（1）接收UWB标签广播的统一编码的包含测距时间戳信息的短脉冲信号；（2）反馈包含测距时间戳信息以及时钟同步信息，并在同一编码以后发送出去；（3）接收其它UWB定位基站的反馈信息，并提取时钟同步信息选择是否同步本地UWB定位基站时钟。4.如权利1要求的一种基于UWB的联合无线时钟同步方法和TOA方法的测距系统的软件方法，其特征在于联合TOA方法测距和无线时钟同步：（1）所述TOA方法测距是标签与基站通信并且记录信息收发的时间戳信息并计算TOF时间从而得到标签与基站之间的距离；（2）所述时钟同步是在测距通信过程中，UWB定位基站在反馈信息中插入包含时钟源等级、时钟等级、时钟同步跳数以及本地时钟计数等信息的时钟同步信息，选择性地在通信范围内进行时钟同步。5.一种基于UWB的联合无线时钟同步方法和TOA方法的测距系统，包含如下步骤：（1）组建包含1个UWB标签，4个或者4个以上UWB定位基站、计算控制单元的硬件平台；（2）UWB标签广播统一编码的包含开始测距的信息的短脉冲信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：阮进，邓卓，张涛，蔡阳春，郭璁，
申请(专利权)人：深圳市普渡科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44