基于时间校正的TDOA定位方法、系统、装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于室内无线定位技术领域，具体涉及一种基于时间校正的TDOA定位方法、系统、装置，旨在解决TDOA定位功耗大、定位时间同步精度不高的问题。本系统方法包括基于主基站和多个从基站之间时间校正消息的发送时间、到达时间、预设发送间隔，计算时钟漂移，并利用二维卡尔曼滤波方法消除时钟漂移的误差；根据无线卡片发送定位消息时间、各从基站接收时间及消除误差后的时钟漂移，校正各从基站接收到定位消息的时间；计算主基站和校正后的各从基站接收到定位消息的时间差，根据时间差计算卡片到主、各从基站的距离差并构建双曲线方程，求解多个双曲线方程获取无线卡片的位置。本发明专利技术降低了TDOA定位的功耗，提高了定位时间同步的精度。

TDOA Location Method, System and Device Based on Time Correction

【技术实现步骤摘要】
基于时间校正的TDOA定位方法、系统、装置
本专利技术属于室内无线定位
，具体涉及一种基于时间校正的TDOA定位方法、系统、装置。
技术介绍
目前基于时间的无线定位方式主要有到达时间(TOA)和到达时间差(TDOA)两种。TOA定位，指测量卡片到基站的到达时间乘以电磁波速率，得到卡片和基站之间的距离，从而实现定位。而实际上，由于TOA定位需要卡片和所有基站具有相同的时钟基准的限制，常常使用双向TOA的方式，即卡片向基站发送一个消息包，基站经过一定延时后回复一个应答消息包。此方法可以避免进行卡片和基站间的时间同步，但是要求卡片既可发送又可接收。多次的卡片和基站之间的消息交互将导致系统功耗增加以及系统容量降低，对于高密度低功耗的实时定位系统，并不适用。TDOA定位，指测量卡片到两个基站的到达时间差乘以电磁波速率，得到卡片到两个基站的距离差，建立双曲线方程完成定位。值得说明的是，TDOA定位实施的前提是基站之间必须进行时间同步，否则不同时钟基准下的到达时间做差，带入定位算法中会使定位误差大大增加。现有的无线时间同步方法多着重协议的设计和对网络的考虑，同步精度大多在微秒级。而在定位场景中，时间同步的结果直接影响定位精度，1ns的时间误差对应30cm的距离误差，因此微秒级的时间同步精度远不能满足定位的需求。此外，非视距一直是影响定位精度的一个重要因素。由于非视距环境使得信号经过反射、衍射或穿越障碍物等方式到达接收节点，传播时间产生一个正向延迟，无论是定位算法还是时间同步算法，都会受此影响而性能下降，最终表现为定位精度相比视距环境大大下降。而现有的许多定位方法中都避免涉及非视距，常常要求基站和卡片射频信号视距可见，但在复杂的室内环境常常不满足。
技术实现思路
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决TDOA定位功耗大、定位时间同步精度不高的问题，本专利技术第一方面，提出了一种基于时间校正的TDOA定位方法，该方法包括：步骤S10，基于主基站和多个从基站之间时间校正消息的发送时间、到达时间、预设发送间隔，计算各从基站相对于所述主基站的时钟漂移，并利用二维卡尔曼滤波方法消除所述时钟漂移的误差；步骤S20，根据设置于定位对象上的无线卡片发送定位消息的发送时间、各从基站接收到无线卡片定位消息的到达时间、所述消除误差后的时钟漂移，校正各从基站接收到无线卡片定位消息的到达时间；步骤S30，将所述主基站接收到无线卡片定位消息的到达时间作为第一时间，将所述校正后的从基站接收到无线卡片定位消息的到达时间作为第二时间，分别计算第一时间与各从基站对应的第二时间的时间差；根据各所述时间差，计算所述无线卡片到所述主基站和到对应从基站的距离差，并构建其对应的双曲线方程；将得到的多个所述双曲线方程构成双曲线方程组，求解得到所述无线卡片的位置。在一些优选的实施方式中，步骤S10中“计算各从基站相对于所述主基站的时钟漂移”，对任一从基站，其计算方法为：其中，δ为时钟漂移，T1A和T3A为主基站A的时间校正消息的发送时间，T2B和T4B为从基站B的时间校正消息到达时间，T校正为预设发送间隔。在一些优选的实施方式中，步骤S10中“利用二维卡尔曼滤波方法消除所述时钟漂移的误差”，对任一从基站，通过状态方程和观测方程消除误差；所述观测方程为：所述状态方程为：其中，为k时刻的状态变量，tTOA(k)为k时刻对应从基站接收到时间校正消息的到达时间，δ(k)为k时刻对应从基站相对于所述主基站的时钟漂移，tTOA(k-1)为k-1时刻对应从基站接收到时间校正消息的到达时间，δ(k-1)为k-1时刻对应从基站相对于所述主基站的时钟漂移。在一些优选的实施方式中，步骤S20中“校正各从基站接收到无线卡片定位消息的到达时间”，其计算方法为：其中，T3B校正前为T3时刻定位消息到达从基站B未经校正的到达时间，T3B校正后为T3时刻定位消息到达从基站B校正后的到达时间，μT3为T3时刻从基站时间和真实时间之间的绝对误差，T0B为无线卡片向所有基站发送定位消息的对应从基站B的时钟时间。在一些优选的实施方式中，对任一从基站对应的距离差，步骤S30中“计算所述无线卡片到所述主基站和到对应从基站的距离差，并构建其对应的双曲线方程”，其方法为：根据所述时间差和电磁波传播速率，得到所述无线卡片到所述主基站和到对应从基站的距离差，并以所述主基站和所述对应从基站的位置为焦点构成双曲线方程。在一些优选的实施方式中，所述时钟漂移的误差的选用区间为[0.01ns，1ns]。在一些优选的实施方式中，所述从基站的数量不少于3个。本专利技术的第二方面，提出了一种基于时间校正的TDOA定位系统，该系统包括计算时间漂移模块、校正模块、输出位置模块；所述的计算时间漂移模块，配置为基于主基站和多个从基站之间时间校正消息的发送时间、到达时间、预设发送间隔，计算各从基站相对于所述主基站的时钟漂移，并利用二维卡尔曼滤波方法消除所述时钟漂移的误差；所述的校正模块，配置为根据设置于定位对象上的无线卡片发送定位消息的发送时间、各从基站接收到无线卡片定位消息的到达时间、所述消除误差后的时钟漂移，校正各从基站接收到无线卡片定位消息的到达时间；所述的输出位置模块，配置为将所述主基站接收到无线卡片定位消息的到达时间作为第一时间，将所述校正后的从基站接收到无线卡片定位消息的到达时间作为第二时间，分别计算第一时间与各从基站对应的第二时间的时间差；根据各所述时间差，计算所述无线卡片到所述主基站和到对应从基站的距离差，并构建其对应的双曲线方程；将得到的多个所述双曲线方程构成双曲线方程组，求解得到所述无线卡片的位置。本专利技术的第三方面，提出了一种存储装置，其中存储有多条程序，所述程序应用由处理器加载并执行以实现上述的基于时间校正的TDOA定位方法。本专利技术的第四方面，提出了一种处理设置，包括处理器、存储装置；处理器，适用于执行各条程序；存储装置，适用于存储多条程序；所述程序适用于由处理器加载并执行以实现上述的基于时间校正的TDOA定位方法。本专利技术的有益效果：本专利技术降低了TDOA定位的功耗，并提高了定位时间同步的精度。本专利技术中通过卡尔曼滤波消除从基站相对于主基站的时钟漂移的误差，将其用于定位计算中输入值的校正，但并不纠正从基站的本地时钟，降低了计算复杂度。并在TDOA定位中只需要无线卡片周期性的广播发送定位消息，在一个周期内设置极短的通信窗口发送消息，其余时间均处于休眠状态，不仅减少了通信次数，降低了功耗。附图说明通过阅读参照以下附图所做的对非限制性实施例所做的详细描述，本申请的其他特征、目的和优点将会变得更明显。图1是本专利技术一种实施例的基于时间校正的TDOA定位方法的流程示意图；图2是本专利技术一种实施例的基于时间校正的TDOA定位系统的框架示意图；图3是本专利技术一种实施例的主基站向对应从基站发送时间校正消息的时序示例图；图4本专利技术一种实施例的无线卡片向主基站和对应从基站发送定位消息的时序示例图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于时间校正的TDOA定位方法，其特征在于，该方法包括：步骤S10，基于主基站和多个从基站之间时间校正消息的发送时间、到达时间、预设发送间隔，计算各从基站相对于所述主基站的时钟漂移，并利用二维卡尔曼滤波方法消除所述时钟漂移的误差；步骤S20，根据设置于定位对象上的无线卡片发送定位消息的发送时间、各从基站接收到无线卡片定位消息的到达时间、所述消除误差后的时钟漂移，校正各从基站接收到无线卡片定位消息的到达时间；步骤S30，将所述主基站接收到无线卡片定位消息的到达时间作为第一时间，将所述校正后的从基站接收到无线卡片定位消息的到达时间作为第二时间，分别计算第一时间与各从基站对应的第二时间的时间差；根据各所述时间差，计算所述无线卡片到所述主基站和到对应从基站的距离差，并构建其对应的双曲线方程；将得到的多个所述双曲线方程构成双曲线方程组，求解得到所述无线卡片的位置。

【技术特征摘要】
1.一种基于时间校正的TDOA定位方法，其特征在于，该方法包括：步骤S10，基于主基站和多个从基站之间时间校正消息的发送时间、到达时间、预设发送间隔，计算各从基站相对于所述主基站的时钟漂移，并利用二维卡尔曼滤波方法消除所述时钟漂移的误差；步骤S20，根据设置于定位对象上的无线卡片发送定位消息的发送时间、各从基站接收到无线卡片定位消息的到达时间、所述消除误差后的时钟漂移，校正各从基站接收到无线卡片定位消息的到达时间；步骤S30，将所述主基站接收到无线卡片定位消息的到达时间作为第一时间，将所述校正后的从基站接收到无线卡片定位消息的到达时间作为第二时间，分别计算第一时间与各从基站对应的第二时间的时间差；根据各所述时间差，计算所述无线卡片到所述主基站和到对应从基站的距离差，并构建其对应的双曲线方程；将得到的多个所述双曲线方程构成双曲线方程组，求解得到所述无线卡片的位置。2.根据权利要求1所述的基于时间校正的TDOA定位方法，其特征在于，步骤S10中“计算各从基站相对于所述主基站的时钟漂移”，对任一从基站，其计算方法为：其中，δ为时钟漂移，T1A和T3A为主基站A的时间校正消息的发送时间，T2B和T4B为从基站B的时间校正消息到达时间，T校正为预设发送间隔。3.根据权利要求1和2所述的基于时间校正的TDOA定位方法，其特征在于，步骤S10中“利用二维卡尔曼滤波方法消除所述时钟漂移的误差”，对任一从基站，通过状态方程和观测方程消除误差；所述观测方程为：所述状态方程为：其中，z(k)为k时刻从基站相对于主基站的的观测值，为k时刻的状态变量，tTOA(k)为k时刻对应从基站接收到时间校正消息的到达时间，δ(k)为k时刻对应从基站相对于所述主基站的时钟漂移，tTOA(k-1)为k-1时刻对应从基站接收到时间校正消息的到达时间，δ(k-1)为k-1时刻对应从基站相对于所述主基站的时钟漂移。4.根据权利要求1所述的基于时间校正的TDOA定位方法，其特征在于，步骤S20中“校正各从基站接收到无线卡片定位消息的到达时间”，其计算方法为：T3B校正后＝T3B校正前-μT3＝T3B校正前-(T3B校正前-T0B)×δ＝T3B校正前×(1-δ)+T0B×δ其中，T3B校正前为T3时刻定位消息到达从基站B未经校正的到达时间，T3B校...

【专利技术属性】
技术研发人员：李学恩，游博，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11