基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案技术方案

本发明专利技术公开一种基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案。定位系统包括标签、接收机、时间基准站及定位引擎。接收机、时间基准站的位置已知，时间基准站周期性发送时钟参考数据包，记下数据包发射时间传给定位引擎；接收机接收到时间参考数据包，记下接收时间传给定位引擎。定位引擎根据时钟参考数据包的发送时间、接收时间以及时间基准站与接收机间的距离得到接收机和时间基准站的时间偏差。通过多次时钟参考数据包的传输得到一组时间偏差，以此作为观测值引入卡尔曼滤波算法，最优估计出接收机和时间基准站之间的时间偏差、频率偏差以及漂移量之差。最后利用该信息将接收机时间基准统一到时间基准站的时间基准上，实现接收机的时钟同步。

【技术实现步骤摘要】
基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案
：本专利技术涉及一种时钟同步方案，尤其是基于TDOA技术的定位系统中的一种无线时钟同步方案。
技术介绍
：常用的无线定位方式有：基于到达信号强度定位法(RSS)、基于到达角度定位法(AOA)、基于到达时间定位法(TOA)以及基于到达时间差定位法(TDOA)。AOA通过获取被测点到两个接收机的信号到达角度进行定位，需要配置复杂的天线系统，且角度误差对定位精度的影响远比测距误差大。RSS则根据信号的传输模型，利用接收信号的强度与信号传播距离的关系，对目标进行定位。这种方法对信道传输模型的依赖性非常大，多径以及环境条件的变化都会使其精度严重恶化。所以，RSS和AOA一般不单独用于定位，只能作为辅助手段进行初级粗定位。而TOA定位方法要求参考节点与被测点保持严格的时间同步，这在多数应用场合下是无法满足这一要求的。与TOA类似，但TDOA只是测量时间差而非绝对时间，这种方法只需参考节点之间保持同步，不要求参考节点与被测点之间的严格时间同步，相对容易实现，最适合用于无线定位系统。基于TDOA技术的定位系统设计，定位解算是定位系统的根本任务，而接收机时钟同步是最直接的实现方法与技术手段，没有精确的接收机同步就不可能进行精密的定位功能。目前，移动网络中时钟同步较多采用GPS(GlobalPositioningSystem，全球定位系统)授时的方法，但GPS授时存在成本高，安装困难(需要120度净空要求等)，且存在不可用的风险。在2002年出现了IEEE(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，美国电气和电子工程师协会)1588标准，即网络化测试和控制系统的精确时钟同步协议(PrecisionTimeProtocol,简称为PTP)，提供了网络内时钟同步的方案，可以实现网络内其他时钟与网络内最精准时钟保持同步。PTP协议主要通过主时钟设备和从时钟设备之间PTP报文交互来实现时间同步。IEEE1588PTP需要收集往返于主时钟和从属时钟之间的全部时间戳，该时间戳是由存在于主时钟侧和从属时钟侧的时间戳引擎印上的。时间戳主要包括同步信息包(Sync信息包)、跟随信息(Follow-Up信息)、延迟请求信息包(Delay-Req)以及延迟响应信息包(Delay-Resp)等信息的发送时间和接收时间，只有收集了往返于主时钟和从属时钟之间的足够的时间戳信息，才可以对主时钟和从属时钟进行频率同步调整和时间同步调整。上述的方法存在以下缺点：处理过程会占用过多的链路带宽资源，尤其是当网络传输条件恶化，需要提高发送信息包的频率进行频率同步时，时钟同步占用过多的链路带宽资源的这一缺点更加明显。国内外研究人员从不同的侧重点考虑，提出了许多时间同步算法和协议。无论是有线还是无线领域的时钟同步算法，虽然基本原理大致相同，但针对不同的应用采用不同的同步策略，并没有一种算法可以满足所有的应用需求，时钟同步算法的复杂度、精度和对硬件设施的要求在不同的应用中都要进行重新考量，因此对时钟同步的研究随着仪器应用范围的广泛以及对时钟同步高精度的需求一直在继续。本专利技术在IEEE1588协议的基础上，结合无线定位系统的特点进行简化改进，随后引入卡尔曼滤波算法，提出了一种适用于TDOA定位系统的时钟同步方案。该方案采用独立的时钟基准站周期性的发送无线时钟参考数据包来调整接收机标签信息到达时间的时基，不需要更改接收机的结构，同时采用无线同步，安装简单，操作简便，无需另外铺设线路，成本较低。
技术实现思路
：本专利技术是针对基于TDOA技术的定位系统要求接收机同步的问题，提出了一种简单实用的无线时钟同步方案。本专利技术的技术方案为：基于TDOA技术的定位系统包括标签、接收机、时间基准站及定位引擎。接收机及时间基准站的位置已知，时间基准站周期性的发送时钟参考数据包，记录下时钟参考数据包发射时间，将其传给定位引擎；接收机接收到时间参考数据包，记录下接收时间，将其传给定位引擎。定位引擎根据时钟参考数据包的发送时间、接收时间以及时间基准站与接收机间的距离得到接收机和时间基准站的时间偏差。通过多次时钟参考数据包的传输，能够得到一组时间偏差，以此作为观测值引入卡尔曼滤波算法，最优估计出接收机和时间基准站之间的时间偏差、频率偏差以及漂移量之差。最后利用这些信息将相应接收机的时间基准统一到时间基准站的时间基准上，实现接收机的时钟同步。所述的基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案，时间基准站以组播的方式周期性的发送时钟参考数据包；所述的标签周期性的发送标签定位信息；所述的接收机用于接收参考数据包和标签定位信息；所述的定位引擎用于接收时间戳信息，进行相应的运算，最终得到标签的位置信息。所述的基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案，时间基准站仅用于发送时钟参考数据包，而不进行标签定位信息的接收。所述的基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案，接收机和时间基准站之间的时间偏差计算如下：假定假设时间基准站的发送时间参考数据包的时间为t1，接收机的接收时间为t2，时间基准站与该接收机的距离为d，可计算得到时间基准站和接收机的时间偏差：Δθ＝t2-(t1+d/c)所述的基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案，时间基准站和接收机之间的传输时间可以通过它们之间的距离以及电磁波的传播速度理论计算得到，也可以通过报文交互测量得到。所述的基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案，接收机和时间基准站之间的时基偏差可由卡尔曼滤波算法得到。所述的基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案，接收机和时间基准站之间的时基偏差也可采用粒子滤波算法得到。所述的基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案，时间参考数据包的发送时间和接收时间信息直接传送给定位引擎。所述的基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案，时间参考数据包的发送时间和接收时间信息可先发送给一个中间设备-时钟同步器完成时间基准的变换，之后再传送给定位引擎完成定位。所述的基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案，时钟参考站和接收机的内部晶振采用性能比较稳定的温补晶振。所述的基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案，各个接收机独立运行于各自的时基下，时钟同步仅仅是调整标签定位信息到达各接收机的时间，使其能够统一在相同的时基下，完成两两接收机标签定位信息到达时间差TDOA的计算。本专利技术的有益结果：基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案采用简化的IEEE1588PTP协议减少了报文的传递次数，更适合于实时的定位系统。通过设置独立的时间参考站而不是将某个接收机设置为时间参考基准，避免了接收机进行发射接收的切换问题。而通过引入卡尔曼滤波算法对时钟偏差频差及时钟漂移进行估计，在优化时钟模型的同时，消除网络不确定性对时钟偏差测量的干扰，从而提高接收机和时钟参考站之间的时钟同步精度。附图说明：图1为本专利技术的无线同步方案的一种实施方案图。图2为本专利技术的无线同步方案的另一种实施方案图。图3为本专利技术的无线同步方案的流程图。图4为基于本专利技术无线同步方案的定位系统流程图。具体实施方案：下面结合具体实施例对本专利技术进行进一步描述，但本专利技术的保护范围并不本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案，其特征在于，所述的定位系统包括标签、接收机、时间基准站及定位引擎；接收机及时间基准站的位置已知，时间基准站周期性的发送时钟参考数据包，记录时钟参考数据包发射时间，将其传给定位引擎；接收机接收到时间参考数据包，记录下接收时间，将其传给定位引擎；定位引擎根据时钟参考数据包的发送时间、接收时间以及时间基准站与接收机间的距离得到接收机和时间基准站的时间偏差；通过多次时钟参考数据包的传输，能够得到一组时间偏差，以此作为观测值引入卡尔曼滤波算法，最优估计出接收机和时间基准站之间的时间偏差、频率偏差以及漂移量之差；最后利用这些信息将相应接收机的时间基准统一到时间基准站的时间基准上，实现接收机的时钟同步。

【技术特征摘要】
1.基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案，其特征在于，所述的定位系统包括标签、接收机、时间基准站及定位引擎；接收机及时间基准站的位置已知，时间基准站周期性的发送时钟参考数据包，记录时钟参考数据包发射时间，将其传给定位引擎；接收机接收到时间参考数据包，记录下接收时间，将其传给定位引擎；定位引擎根据时钟参考数据包的发送时间、接收时间以及时间基准站与接收机间的距离得到接收机和时间基准站的时间偏差；通过多次时钟参考数据包的传输，能够得到一组时间偏差，以此作为观测值引入卡尔曼滤波算法，最优估计出接收机和时间基准站之间的时间偏差、频率偏差以及漂移量之差；最后利用这些信息将相应接收机的时间基准统一到时间基准站的时间基准上，实现接收机的时钟同步。2.根据权利要求1所述的基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案，其特征在于，所述的时间基准站以组播的方式周期性的发送时钟参考数据包；所述的标签周期性的发送标签定位信息；所述的接收机用于接收参考数据包和标签定位信息；所述的定位引擎用于接收时间戳信息，进行相应的运算，得到标签的位置信息。3.根据权利要求1所述的基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案，其特征在于时间基准站仅用于发送时钟参考数据包，而不进行标签定位信息的接收。4.根据权利要求1所述的基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案，其特征在于接收机和时间基准站之间的时间偏差计算如下：假定假设时间基准站的发送时间参考数据包的时间为t1，接收机的接收时间为t2，时间基准站...

【专利技术属性】
技术研发人员：马琳琳，李冀，肖岩，袁子伦，张绘军，何雪锋，
申请(专利权)人：郑州联睿电子科技有限公司，广州中海达定位技术有限公司，
类型：发明
国别省市：河南,41