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CN111050393B - 一种uwb定位系统 - Google Patents

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Abstract

一种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，所述参考基站上设有第一发送模块和第一接收模块，所述普通基站上设有第二接收模块，所述定位标签上设有第二发送模块，所述第一发送模块广播信标帧至第二接收模块，所述第二发送模块广播定位帧至第一接收模块和第二接收模块，用于定位帧到达参考基站和普通基站时间差测量与校准。该系统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，可有效降低系统复杂度和设计成本。

Description

一种UWB定位系统
技术领域
本发明属于无线通信与定位领域，更具体地，涉及一种UWB定位系统。
背景技术
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。
发明内容
为了解决这一问题，提出了一种UWB定位系统，该系统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，可有效降低系统复杂度和设计成本。
一种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，所述参考基站上设有第一发送模块和第一接收模块，所述普通基站上设有第二接收模块，所述定位标签上设有第二发送模块，所述第一发送模块广播信标帧至第二接收模块，所述第二发送模块广播定位帧至第一接收模块和第二接收模块，用于定位帧到达参考基站和普通基站时间差测量与校准。
进一步地，所述第一发送模块周期性广播信标帧至第二接收模块，同时，所述第一发送模块将周期性广播的信标帧的时间戳和帧序列号予以记录并打包成一个第一信标帧数据包队列，直接发送至定位引擎；所述第二接收模块周期性接收信标帧，所述第二接收模块将周期性接收的信标帧的时间戳和帧序列号予以记录打包成一个第二信标帧数据包队列，并发送至定位引擎。
进一步地，所述信标帧的广播周期无严格要求，所述广播周期并非一个确定性的时延。
进一步地，所述第二发送模块广播定位帧为随机广播，所述第一接收模块和第二接收模块接收定位帧，所述第一接收模块将接收的定位帧的帧序列号和时间戳予以记录打包成一个第一定位帧数据包队列，并发送至定位引擎；所述第二接收模块将接收的定位帧的帧序列号和时间戳予以记录打包成一个第二定位帧数据包队列，并发送至定位引擎，所述定位引擎根据给出的计算方法进行时差测量与校准。
更进一步地，所述定位引擎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第一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第二信标帧数据包队列里取出最新发出的两个新表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：
Figure BDA0002291201750000031
上式中，f0为参考基站的频率，已经过标定；
d.从参考基站第一定位帧数据包队列和普通基站第二定位帧数据包队列中，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：
Figure BDA0002291201750000032
Figure BDA0002291201750000033
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
f.进而采用时差定位法，利用多组ΔTx0＝Tx-T0计算出定位标签的实际坐标位置。
进一步地，所述定位引擎的计算方法步骤a中还包括：
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，从而获取参考基站与普通基站的相对距离信息。
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。
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。
为实现上述发明，本方法主要包含以下步骤：
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案能够取得下列有益效果：
(1)本发明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)本发明仅需对参考基站的时钟进行标定，对普通基站不做要求，允许参考基站和普通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)本发明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为本发明的硬件组成图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明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。
一种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、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，所述参考基站上设有第一发送模块和第一接收模块，所述普通基站上设有第二接收模块，所述定位标签上设有第二发送模块，所述第一发送模块广播信标帧至第二接收模块，所述第二发送模块广播定位帧至第一接收模块和第二接收模块，用于定位帧到达参考基站和普通基站时间差测量与校准。
所述第一发送模块周期性广播信标帧至第二接收模块，同时，所述第一发送模块将周期性广播的信标帧的时间戳和帧序列号予以记录并打包成一个第一信标帧数据包队列，直接发送至定位引擎；所述第二接收模块周期性接收信标帧，所述第二接收模块将周期性接收的信标帧的序列号和时间戳予以记录打包成一个第二信标帧数据包队列并发送至定位引擎，逐次累加的帧序列号，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。
一个周期发一个信标帧，含时间戳和序列号，为一个数据包。所述信标帧的广播周期无严格要求，所述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。
所述第二发送模块广播定位帧为随机广播，所述第一接收模块和第二接收模块接收定位帧，所述第一接收模块将接收的定位帧的序列号和时间戳予以记录打包成一个第一定位帧数据包队列，所述第二接收模块将接收的定位帧的序列号和时间戳予以记录打包成一个第二定位帧数据包队列并发送至定位引擎，所述定位引擎根据给出的计算方法进行时差测量与校准。标示定位帧发送的先后顺序，用于定位引擎对收到的定位帧数据包队列进行规范排序及查找。
所述定位引擎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；参考基站和普通基站的坐标位置可根据安装时的标定距离或安装完成后测绘得出，根据坐标位置和电磁波的传播速度计算相对时延Tdx，如图1所示，本实施例中，参考基站为一个，普通基站的数量为三个。
b.定位引擎从参考基站的第一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第二信标帧数据包队列里取出最新发出的两个新表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：
Figure BDA0002291201750000061
上式中，f0为参考基站的频率，已经过标定；
d.从参考基站第一定位帧数据包队列和普通基站第二定位帧数据包队列中，提取参考基站接收定位帧时间戳信息值Ntag0和普通基站接收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：
Figure BDA0002291201750000071
Figure BDA0002291201750000072
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。
f.进而采用时差定位法，利用多组ΔTx0＝Tx-T0计算出定位标签的实际坐标位置。
所述定位引擎的计算方法步骤a中还包括：
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，从而获取参考基站与普通基站的相对距离信息。
本实施例中，所述网关为交换机，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。所述定位引擎为PC机服务器，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。另一实施例中，所述网关为路由器，所述定位引擎为解算器。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，本实施例中为网线。
如图1所示，本实施例中，时间戳采用高位宽计数器进行记录，参考基站为一个，时间戳N0为109，时间戳N′0为2×109，Nspf0为109，Ntag0＝3000000187,T0＝6666667290ns，f0为300MHz，Td1＝445ns,Td2＝629ns,Td3＝447ns，普通基站为三个，即x为自然数1，2，3。表一中具体列出了定位引擎的计算方法所涉及到的各计算量的数值。
在另一个实施例中，普通基站为四个，即x为自然数1，2，3，4。在另一个实施例中，普通基站为七个，即x为自然数1，2，3，4，5，6，7。
表一定位引擎的计算方法所涉及到的各计算量的数值
Figure BDA0002291201750000081
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种UWB定位系统，其特征在于：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，所述参考基站上设有第一发送模块和第一接收模块，所述普通基站上设有第二接收模块，所述定位标签上设有第二发送模块，所述第一发送模块广播信标帧至第二接收模块，所述第二发送模块广播定位帧至第一接收模块和第二接收模块，用于定位帧到达参考基站和普通基站时间差测量与校准；
所述定位引擎根据给出的计算方法进行时差测量与校准；
所述定位引擎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第一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第二信标帧数据包队列里取出最新发出的两个新表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：
Figure FDA0003305198430000011
上式中，f0为参考基站的频率，已经过标定；
d.从参考基站第一定位帧数据包队列和普通基站第二定位帧数据包队列中，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：
Figure FDA0003305198430000021
Figure FDA0003305198430000022
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f.采用时差定位法，利用多组ΔTx0＝Tx-T0计算出定位标签的实际坐标位置。
2.根据权利要求1所述的UWB定位系统，其特征在于，所述第一发送模块周期性广播信标帧至第二接收模块，同时，所述第一发送模块将周期性广播的信标帧的时间戳和帧序列号予以记录并打包成一个第一信标帧数据包队列，直接发送至定位引擎；所述第二接收模块周期性接收信标帧，所述第二接收模块将周期性接收的信标帧的时间戳和帧序列号予以记录打包成一个第二信标帧数据包队列，并发送至定位引擎。
3.根据权利要求2所述的UWB定位系统，其特征在于，所述第二发送模块广播定位帧为随机广播，所述第一接收模块和第二接收模块接收定位帧，所述第一接收模块将接收的定位帧的帧序列号和时间戳予以记录打包成一个第一定位帧数据包队列，并发送至定位引擎；所述第二接收模块将接收的定位帧的帧序列号和时间戳予以记录打包成一个第二定位帧数据包队列，并发送至定位引擎。
4.根据权利要求1所述的UWB定位系统，其特征在于，所述定位引擎的计算方法步骤a中还包括：
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，从而获取参考基站与普通基站的相对距离信息。
5.根据权利要求1所述的UWB定位系统，其特征在于，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。
6.根据权利要求1所述的UWB定位系统，其特征在于，所述定位引擎为PC机服务器或解算器。
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