一种UWB定位系统的到达时间差测量与校准方法技术方案

一种UWB定位系统的到达时间差测量与校准方法，UWB定位系统包括定位标签、参考基站、普通基站、网关、定位引擎，所述参考基站和普通基站通讯连接，所述参考基站和普通基站分别与网关通讯连接，所述网关与定位引擎通讯连接，采用无线方式实现频率同步和时间同步，无需增加公共时钟系统和铺设同步电缆，同样可准确对定位标签进行定位，且计算方法简单，定位引擎执行效率高,本发明专利技术采用无线技术进行频率和时间同步，不依赖公共参考时钟系统，不用铺设射频同步电缆，有利于减小施工难度，降低线路的布设成本；缩短硬件布置工程的施工周期,仅需对参考基站的时钟进行标定，对其它基站不做要求，允许不同基站间的时钟存在差异。

A measurement and calibration method of arrival time difference of UWB positioning system

【技术实现步骤摘要】
一种UWB定位系统的到达时间差测量与校准方法
本专利技术属于无线通信与定位领域，更具体地，涉及一种UWB定位系统的到达时间差测量与校准方法。
技术介绍
UWB(超宽带)定位技术依赖UWB信号的瞬时窄脉冲特性，利用信号的飞行时间(TOF)的进行测距定位，UWB定位一般采用三边定位法或者达到时间差定位法。时差定位法又称为双曲线定位，相比三边定位法，该方法仅需单向发送定位信号，通信协议简单，节点的可扩展性更强，功耗更低。该方法的基本原理是首先测量信号到达不同参考节点的时间差；然后基于时间差测得两两节点间的距离差，建立双曲线方程组；通过解二次方程的形式求得待定位节点坐标。该系统为了提高定位精度，需要对信号的到达时间差进行精确测量。传统技术手段是建立一套公共时钟系统，将参考时钟和同步脉冲通过射频电缆分发给所有参考节点，而且射频电缆要求尽量等长或能够提前进行时延补偿，以实现所有节点的频率同步和时间同步，最终保证能够获取高精度的时差信息。该方法硬件布设复杂，施工成本较高，不方便系统的大规模扩展。
技术实现思路
一种UWB定位系统的到达时间差测量与校准方法，采用无线方式实现频率同步和时间同步，无需增加公共时钟系统和铺设同步电缆，同样可准确对定位标签进行定位，且计算方法简单，定位引擎执行效率高。一种UWB定位系统的到达时间差测量与校准方法，所述UWB定位系统包括定位标签、参考基站、普通基站、网关、定位引擎，所述参考基站和普通基站通讯连接，所述参考基站和普通基站分别与网关通讯连接，所述网关与定位引擎通讯连接，具体包括以下步骤：S1：UWB定位系统的到达时间差测量与校准启动前，对参考基站的时钟频率进行精确测量并标定，对参考基站和普通基站的位置坐标进行标定，获取参考基站与普通基站的相对距离信息；S2：UWB定位系统的到达时间差测量与校准启动后，参考基站周期性广播信标帧，广播完成后记录每次信标帧发出的时间戳和帧序列号，然后立即转为监听状态；S3：普通基站始终保持监听状态，接收信标帧并记录每次信标帧接收的时间戳和帧序列号；S4：参考基站和普通基站同时监听是否有定位标签广播的定位帧，若收到，则进入步骤S5；否则继续进行监听；S5：参考基站和普通基站监听到定位标签发出的定位帧后记录接收时间戳和帧序列号；S6：参考基站和其它普通基站将信标帧时间戳及帧序列号、定位帧时间戳及帧序列号分别打包成信标帧数据包和定位帧数据包，并依次通过网关发送至定位引擎；S7：定位引擎根据给出的计算方法进行时差测量与校准。进一步地，步骤S1中频率标定无需针对参考基站和普通基站，仅需要对参考基站的时钟频率进行标定。进一步地，步骤S2中参考基站对信标帧的广播周期无严格要求，信标帧的广播周期并非一个确定性的时延，参考基站可依据当前信道的拥堵情况，在空闲时发送，记录发送帧的时间戳；依次发送的信标帧包含一个逐次累加的信标帧序列号，用于标示信标帧发送的先后顺序，用于定位引擎对收到的信标帧数据包队列进行规范排序及查找。进一步地，步骤S4中定位标签发送的定位帧为随机，无需按一定的周期，定位帧需包含一个逐次累加的定位帧序列号，用于标示定位帧发送的先后顺序，用于定位引擎对收到的数据包队列进行规范排序及查找。进一步地，步骤S4中发往定位引擎的数据包必须包含具有最新序列号的信标帧，否则将引起标定混乱。进一步地，所述网关为交换机或路由器。所述网关用于接收来自参考基站和普通基站的数据包，并将其转发至定位引擎。网关与参考基站和普通基站的数据传递既可通过无线形式，也可通过网线。更进一步地，步骤S7中的计算方法包含以下步骤：a.定位引擎根据基站坐标，求出参考基站相对普通基站的距离，从而得出信标帧传播的相对时延Tdx；b.定位引擎从参考基站的信标帧数据包队列里取出最新发出的两个信标帧序列号相连的数据包，前一信标帧时间戳为N0，后一信标帧时间戳为N′0，计算参考基站的前后时间戳差值Nspf0＝N'0-N0；c.同步骤b，定位引擎从普通基站的信标帧数据包队列里取出最新发出的两个信标帧序号相连的数据包，与步骤b对应，分别为Nx和N′x，计算普通基站的前后时间戳差值Nspfx＝N'x-Nx，然后根据如下公式对普通基站的实际频率fx进行校准：上式中，f0为参考基站的频率，已经过标定；d.从参考基站和普通基站的信标帧数据包列队中，提取参考基站接收的定位帧时间戳信息值Ntag0和普通基站接收的定位帧时间戳信息值Ntagx，根据以下公式计算定位帧到达参考基站的时间T0和到达普通基站的时间Tx：e.根据公式计算定位帧到达各普通基站的时间差值ΔTx0：ΔTx0＝Tx-T0其中x为自然数1,2,3……，代表不同的普通基站号。进一步地，所述定位引擎为PC机服务器或解算器，所述定位引擎用于接收来自各个基站的数据包，并取出相应数据，进行时差测量和校准，并利用时差定位法进行定位解算。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案能够取得下列有益效果：(1)本专利技术采用无线技术进行频率和时间同步，不依赖公共参考时钟系统，不用铺设射频同步电缆，有利于减小施工难度，降低线路的布设成本；(2)缩短硬件布置工程的施工周期；(3)本专利技术仅需对参考基站的时钟进行标定，对其它基站不做要求，允许不同基站间的时钟存在差异，对器件筛选的要求较低，有利于降低元件的采购成本；(4)本专利技术采用单向广播方式对定位帧和信标帧进行发送，无需双向握手通信，有利于降低节点的通信开销，减少无线网络拥堵，降低系统功耗；(5)时钟校准方法简单，定位引擎执行效率高。附图说明图1为本专利技术的硬件组成图；图2为本专利技术的实施流程图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。如图1、图2所示，本实施例中，参考基站为一个，普通基站为三个，参考基站和普通基站分别与网关通过网线通讯连接，网关与定位引擎也通过网线通讯连接。一种UWB定位系统的到达时间差测量与校准方法，用于定位帧到达参考基站和普通基站时间差测量与校准。所述UWB定位系统包括定位标签(即图1所示的标签)、参考基站、普通基站(即图2所示的其它基站)、网关、定位引擎，所述参考基站和普通基站通讯连接，所述参考基站和普通基站分别与网关通讯连接，所述网关与定位引擎通讯连接，具体包括以下步骤：S1：UWB定位系统的到达时间差测量与校准启动前，对参考基站的时钟频率进行精确测量并标定，对参考基站和普通基站的位置坐标进行标定，获取参考基站与普通基站的相对距离信息；参考基站和普通基站的坐标位置可根据安装本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种UWB定位系统的到达时间差测量与校准方法，其特征在于所述UWB定位系统包括定位标签、参考基站、普通基站、网关、定位引擎，所述参考基站和普通基站通讯连接，所述参考基站和普通基站分别与网关通讯连接，所述网关与定位引擎通讯连接，具体包括以下步骤：/nS

【技术特征摘要】
1.一种UWB定位系统的到达时间差测量与校准方法，其特征在于所述UWB定位系统包括定位标签、参考基站、普通基站、网关、定位引擎，所述参考基站和普通基站通讯连接，所述参考基站和普通基站分别与网关通讯连接，所述网关与定位引擎通讯连接，具体包括以下步骤：
S1：UWB定位系统的到达时间差测量与校准启动前，对参考基站的时钟频率进行精确测量并标定，对参考基站和普通基站的位置坐标进行标定，获取参考基站与普通基站的相对距离信息；
S2：UWB定位系统的到达时间差测量与校准启动后，参考基站周期性广播信标帧，广播完成后记录每次信标帧发出的时间戳和帧序列号，然后立即转为监听状态；
S3：普通基站始终保持监听状态，接收信标帧并记录每次信标帧接收的时间戳和帧序列号；
S4：参考基站和普通基站同时监听是否有定位标签广播的定位帧，若收到，则进入步骤S5；否则继续进行监听；
S5：参考基站和普通基站监听到定位标签发出的定位帧后记录接收时间戳和帧序列号；
S6：参考基站和其它普通基站将信标帧时间戳及帧序列号、定位帧时间戳及帧序列号分别打包成信标帧数据包和定位帧数据包，并依次通过网关发送至定位引擎；
S7：定位引擎根据给出的计算方法进行时差测量与校准。


2.根据权利要求1所述的UWB定位系统的到达时间差测量与校准方法，其特征在于：步骤S1中频率标定无需针对参考基站和普通基站，仅需要对参考基站的时钟频率进行标定。


3.根据权利要求1所述的UWB定位系统的到达时间差测量与校准方法，其特征在于：步骤S2中参考基站对信标帧的广播周期无严格要求，信标帧的广播周期并非一个确定性的时延，参考基站可依据当前信道的拥堵情况，在空闲时发送，记录发送帧的时间戳；依次发送的信标帧包含一个逐次累加的信标帧序列号，用于标示信标帧发送的先后顺序，用于定位引擎对收到的信标帧数据包队列进行规范排序及查找。


4.根据权利要求1所述的UWB定位系统的到达时间差测量与校准方法，其特征在于：步骤S4中...

【专利技术属性】
技术研发人员：张华君，刘荣生，张紫龙，黄飞，周子鸣，李磊，刘青，张达，李盛，邬华明，李康伟，王建刚，王中原，费广磊，黄晓龙，
申请(专利权)人：湖北航天飞行器研究所，
类型：发明
国别省市：湖北;42