用于提高TDOA定位精度的时钟偏移补偿系统及方法技术方案

用于提高TDOA定位精度的时钟偏移补偿系统，包括微控制器MCU，所述微控制器MCU分别通过数字鉴相器控制及数据总线和参考时钟源控制及数据总线与数字鉴相器和参考时钟源建立双向连接，微控制器MCU还通过UWB接收机数据总线分别与第一UWB接收机和第二UWB接收机建立双向连接，第一UWB接收机和第二UWB接收机内部分别设置有第一锁相回路和第二锁相回路，第一锁相回路和第二锁相回路分别通过第一时钟信号线和第二时钟信号线与参考时钟源相连，所述数字鉴相器分别通过第一相位测量线和第二相位测量线与第一时钟信号线和第二时钟信号线相连；本系统具有实现成本低，计算资源消耗小，同步精度达到亚纳秒级，定位精度高等优势。定位精度高等优势。定位精度高等优势。

【技术实现步骤摘要】
用于提高TDOA定位精度的时钟偏移补偿系统及方法


[0001]本专利技术涉及物联网定位
，特别是涉及一种用于提高TDOA定位精度的时钟偏移补偿系统及方法。

技术介绍

[0002]位置信息获取是实现物联网万物相连的基础技术之一，超宽带(Ultra Wide Band，UWB)信号作为一种高精度的定位信号，具有高时间分辨率、穿透性强、对信道衰落不敏感、信号能谱密度低及系统复杂度低等诸多优点，可广泛用于无卫星导航定位的室内外各类环境下的工作人员、物资、车辆定位等场景中，具有非常广阔的应用前景。
[0003]基于TDOA(Time Difference of Arrival，到达时间差)的定位方法又称为双曲线定位，其原理是通过测量标签发射的UWB信号分别到达一组UWB接收机传播时间的差值，从而得到标签可能位置的一条双曲线；使用多组UWB接收机就可以获得标签的准确位置。由于UWB信号达到接收机的时间是通过接收机本身的计时器测量获得的，根据TDOA定位技术原理，为了获得高精度的到达时间差，一组UWB接收机必须保持较高的时钟同步精度，从而保证定位精度。
[0004]现有同步精度较高的有线时钟同步技术是通过使用同一个参考时钟源取代两个UWB接收机各自内部晶振时钟，以消除不同晶振的频率漂移以及频率偏差带来的影响，实现较高质量的时钟同步。理想情况下使用了同源时钟和等长时钟信号线，达到两个接收机的时钟信号应该保持同频率同相位，但是由于实际电路中不可避免的存在传输路径差异和负载特性的差异，到达两个UWB接收机的时钟信号会发生时钟偏移，即存在相位差异；对于超宽带测量系统而言，纳秒级的时钟同步误差会带来30cm的测量误差，如果不考虑相位差，那么时钟同步所能达到的最好同步精度也就是相位差的值；并且在TDOA方法中，相位误差并不是共模误差，不会因为差分运算而消除，会混入最终获得的到达时间差里，从而带来定位误差。为了提高基于TDOA算法的超宽带定位模块的定位精度，需要设计一种补偿时钟偏移的系统和方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的就是针对现有技术中的不足，提供一种用于提高TDOA定位精度的时钟偏移补偿系统及方法，以解决现有超宽带测量系统存在相位差异及定位误差等带来的技术缺陷，提高基于TDOA算法的超宽带定位模块的定位精度和同步精度，为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：
[0006]用于提高TDOA定位精度的时钟偏移补偿系统，包括微控制器MCU，所述微控制器MCU分别通过数字鉴相器控制及数据总线和参考时钟源控制及数据总线与数字鉴相器和参考时钟源建立双向连接，所述微控制器MCU还通过UWB接收机数据总线分别与第一UWB接收机和第二UWB接收机建立双向连接，所述第一UWB接收机和第二UWB接收机内部分别设置有第一锁相回路和第二锁相回路，所述第一锁相回路和第二锁相回路分别通过第一时钟信号
线和第二时钟信号线与参考时钟源相连，所述数字鉴相器分别通过第一相位测量线和第二相位测量线与第一时钟信号线和第二时钟信号线相连。
[0007]优选的，所述参考时钟源为单一时钟源，并提供时钟驱动。
[0008]优选的，所述参考时钟源为第一UWB接收机和第二UWB接收机提供同步的时钟驱动，并在微控制器MCU的控制下叠加输出同步信号SYNC给第一UWB接收机和第二UWB接收机同步复位计时器。
[0009]优选的，所述第一时钟信号线与第一相位测量线等长蛇形布线设计，所述第二时钟信号线与第二相位测量线也采用等长蛇形对布线设计。
[0010]优选的，所述第一UWB接收机和第二UWB接收机的内部计时器依靠参考时钟源的时钟信号进行驱动。
[0011]优选的，所述第一UWB接收机和第二UWB接收机均采用Decawave公司的DW1000 UWB模块。
[0012]优选的，所述参考时钟源包括OCXO恒温晶振和CPLD逻辑控制电路。
[0013]一种利用时钟偏移补偿系统所进行的时钟偏移补偿方法，包括以下步骤：
[0014]S1、时钟偏移补偿系统上电，参考时钟源产生时钟信号；
[0015]S2、在微控制器MCU的控制下，参考时钟源在时钟信号上叠加同步信号SYNC；
[0016]S3、第一UWB接收机和第二UWB接收机接收到同步信号SYNC后，各自的内部计数器分别重置归零并开始计时；
[0017]S4、数字鉴相器实时测量时钟相位差Ts
’
；
[0018]S5、微控制器MCU等待接收标签定位信号，并判断是否有标签定位信号到达；是，则顺序执行步骤S6；否，则继续等待接收标签定位信号，并判断是否有标签定位信号到达；
[0019]S6、微控制器MCU读取标签定位信号到达第一UWB接收机和第二UWB接收机内部计时器的时刻，计算出获得的到达时间差ΔT
’
，并读取当时数字鉴相器的实时测量时钟相位差Ts
’
，依据公式一计算获得的估计真实到达时间差
[0020][0021]S7、微控制器MCU判断是否接收到停止测量指令；若是，直接结束程序；否，则顺序执行步骤S8；
[0022]S8、需判断步骤S6中的时钟相位差Ts
’
是否大于误差阈值；若是，则返回重新执行步骤S2；否，则返回执行步骤S5。
[0023]本专利技术的有益效果：
[0024]为了改进现有有线时钟同步技术补偿时钟偏移在超宽带模块TDOA测量方法中引入的误差，本专利技术的时钟偏移补偿系统引入参考时钟源和数字鉴相器用于改进现有技术缺陷，并对时钟信号线和相位测量线进性行特别的技术布线设计，具有实现成本低，计算资源消耗小，定位精度高，同步精度达到亚纳秒级等优势。
附图说明
[0025]图1为本专利技术时钟偏移补偿系统的电路结构示意图；
[0026]图2为本专利技术时钟偏移补偿方法的流程示意图；
[0027]图3为本专利技术的参考时钟源与第一、第二UWB接收机的时钟偏移分析图；
[0028]图4为本专利技术的第一、第二UWB接收机与数字鉴相器的时钟偏移分析图。
[0029]图中：1、微控制器MCU；2、数字鉴相器；3、参考时钟源；4、第一UWB接收机；5、第二UWB接收机；6、数字鉴相器控制及数据总线；7、参考时钟源控制及数据总线；8、UWB接收机数据总线；9、第一时钟信号线；10、第二时钟信号线；11、第一相位测量线；12、第二相位测量线。
具体实施方式
[0030]下面，结合附图以及具体实施方式，对本专利技术做进一步描述：
[0031]为使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本专利技术作进一步说明。
[0032]实施例1：
[0033]如图1所示，一种用于提高TDOA定位精度的时钟偏移补偿系统，包括微控制器MCU 1，其中，本专利技术时钟偏移补偿系统所设置的微控制器MCU 1分别通过数字鉴相器控制及数据总线6和参考时钟源控制及数据总线7与数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于提高TDOA定位精度的时钟偏移补偿系统，包括微控制器MCU，其特征在于，所述微控制器MCU分别通过数字鉴相器控制及数据总线和参考时钟源控制及数据总线与数字鉴相器和参考时钟源建立双向连接，所述微控制器MCU还通过UWB接收机数据总线分别与第一UWB接收机和第二UWB接收机建立双向连接，所述第一UWB接收机和第二UWB接收机内部分别设置有第一锁相回路和第二锁相回路，所述第一锁相回路和第二锁相回路分别通过第一时钟信号线和第二时钟信号线与参考时钟源相连，所述数字鉴相器分别通过第一相位测量线和第二相位测量线与第一时钟信号线和第二时钟信号线相连。2.根据权利要求1所述的用于提高TDOA定位精度的时钟偏移补偿系统，其特征在于，所述参考时钟源为单一时钟源，并提供时钟驱动。3.根据权利要求2所述的用于提高TDOA定位精度的时钟偏移补偿系统，其特征在于，所述参考时钟源为第一UWB接收机和第二UWB接收机提供同步的时钟驱动，并在微控制器MCU的控制下叠加输出同步信号SYNC给第一UWB接收机和第二UWB接收机同步复位计时器。4.根据权利要求1所述的用于提高TDOA定位精度的时钟偏移补偿系统，其特征在于，所述第一时钟信号线与第一相位测量线等长蛇形布线设计，所述第二时钟信号线与第二相位测量线也采用等长蛇形布线设计。5.根据权利要求1所述的用于提高TDOA定位精度的时钟偏移补偿系统及方法，其特征在于，所述第一UWB接收机和第二UWB接收机的内部计时器依靠参考时钟源的时钟信号进行驱动。6.根据权利要求1所述的用于提高TDOA定位精度的时钟偏移补偿系统及方法，其特征在于，所述第一U...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗景琳，孙传碑，杨海东，
申请(专利权)人：佛山市南海区广工大数控装备协同创新研究院，
类型：发明
国别省市：