CN104185274A - 基于精确时钟同步和tdoa原理的高精度wlan定位 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于精确时钟同步和TDOA原理的高精度WLAN定位方案，包括集成互联了IEEE1588v2主时钟模块、TDOA WLAN接入点、定位终端和定位服务器及其定位算法来实现。本发明基于到达时差(TDOA)原理，构建一个高性能的软件无线电通信平台，实现对物理层无线信号到达时间的精确测量，基于IEEE1588v2(PTP)国际协议标准，通过多跳时延补偿和非对称补偿算法的创新应用，实现WLAN接入点(AP)间的高精度时钟同步，结合非视距(NLOS)误差的时变稳定性的原理，通过NLOS误差过滤和定位前数据预处理，最大程度的消除NLOS误差的影响，将无线测距的时域误差控制在5ns以下，从而实现分米级或更高精度的定位。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于精确时钟同步和TDOA原理的高精度WLAN定位。
背景技术
无线定位技术其定位精度的高低和定位范围的大小直接影响了定位系统的性能。由于无线局域网的普及，基于WLAN(IEEE802.11a/b)的无线定位技术是最常见的，也是成本最低的定位方式。但现有的WLAN定位系统并不能满足这些新兴的米或分米级的高精密定位应用的要求，现有的WLAN定位技术主要通过信号强度(RSSI)进行定位，这类技术受信号传播环境的影响很大，普遍精度不高，误差通常大于20米，大大超出许多需要高精度定位的实际应用的需要，在无线精确定位领域，目前国内公司普遍采用的都是这种最简单的RSSI定位方式，芬兰的Ekahau公司通过获取信号指纹的方式，获得了业界领先的WLAN定位精度，但也只是在理想情况下将定位精度提高到了5米左右，还有现有技术中能够提供分米甚至厘米级别的高精度无线定位解决方案，但是该解决方案并不是基于常见的WLAN信号，而是基于工业用无线通信技术，比如UWB(超宽频)和ChirpSpread Spectrum(线性调频扩频)也就是说这两种方式均不能和普通的无线终端一起使用。
对于WLAN上的分米或厘米级定位，学术界已经进行了多年的研究。在众多的研究成果中，信号到达时差(TDOA)定位技术在理论上最可能实现厘米级的定位精度，是学术界公认的最适合实现高精度定位的方式，但TDOA对信号到达时间记录精确度具有很高的要求，工业实现难度大，特别是基于WLAN的高精度到达时间差定位，不仅需要无线接入点(AP)之间实现纳秒级别的时间同步精度(1纳秒的时间同步误差相当于10～30厘米的定位误差)，还需要信号到达时间的记录误差也控制在几个纳秒之内。
但目前比较可行的AP之间的时间同步精度仅能达到微秒或毫秒级,市场上并没有比较成熟的可以利用TDOA的高精度定位方法的WLAN定位方案，另一方面，目前的商用WLAN设备或芯片并不支持高精度的信号到达时间记录。
发明内容
本发明的目的是提供一种本发明基于精确时钟同步和TDOA原理的高精度WLAN定位，以解决上述问题的至少一个方面。
根据本发明的一个方面，提供了一种基于精确时钟同步和TDOA原理的高精度WLAN定位，其特征在于，包括IEEE1588v2主时钟(1)、TDOA WLAN接入点、定位终端、定位服务器和WLAN AP系统，其中，
定位终端包括终端控制模块，定位终端通过终端控制模块向TDOA WLAN接入点发送定位信号，TDOA WLAN接入点接收定位信号。
TDOA WLAN接入点将定位信号发送至WLAN AP系统。
WLAN AP系统将定位信号发送至定位服务器，定位服务器计算出定位信号到达时间，并进行信号到达时间差来进行定位计算。
IEEE1588v2主时钟采用铷钟进行时间保持，通过IEEE1588v2协议栈和网络交换机与TDOA WLAN接入点进行交互，实现各AP间的时间同步。
TDOA WLAN接入点有多个，每个TDOA WLAN接入点包括了传统的WiFi系统，同时，还包括一个可编程模块，可编程模块将高精度1588v2模块与支持主时钟方向的PTP时钟同步，TDOA WLAN接入点对本地时钟校准，针对来自主时钟方向的1588报文硬件时间戳，以及使得来自外围移动终端方向的定位信号到达时间戳。
本发明主要包含WLAN定位系统中的高精度物理层无线信号到达时间的测量、基于IEEE1588v2标准的AP间精确时钟同步、非视距误差(NLOS)消除及定位前的数据预处理等关键内容。因此，将基于到达时差(TDOA)原理，构建一个高性能的软件无线电通信平台，实现对物理层无线信号到达时间的精确测量；基于IEEE1588v2(PTP)国际协议标准，通过多跳时延补偿和非对称补偿算法的创新应用，实现WLAN接入点(AP)间的高精度时钟同步；结合非视距(NLOS)误差的时变稳定性的原理，通过NLOS误差过滤和定位前数据预处理，最大程度的消除NLOS误差的影响，将无线测距的时域误差控制在5ns以下，从而实现分米或更高精度的位置。
在一些实施方式中WLAN AP系统包括802.11MAC模块、基带模块和信号转换放大处理模块和FPGA主控模块、时间戳计数器模块，
WLAN AP系统中的信号转换放大处理模块接收TDOA WLAN接入点发送的定位信号，将转换放大处理模块将定位信号发送给FPGA主控模块，FPGA主控模块再将定位信号发送给定位服务器；
或者，WLAN AP系统中的信号转换放大处理模块接收TDOA WLAN接入点发送的定位信号，将定位信号发送至基带模块与802.11 MAC模块，时间戳计数器模块接收802.11 MAC模块发送的定位信号，将定位信号发送给FPGA主控模块，FPGA主控模块再将定位信号发送给定位服务器。由此，信号到达时间的打戳点(Time-Stamping Point)为在802.11 MAC与基带处理模块连接的数据通路上，基于具有高速可编程逻辑门阵列(FPGA)和多核DSP处理器的开发板，通过专有的无线信号识别算法，实现在开发板数据总线上探测到WiFi信号，打上时间戳，从而将定位信号的到达时间记录精确到纳秒级，避免了系统在MAC层及以上的协议栈中的处理误差。
在一些实施方式中，基于IEEE1588v2精确时钟同步协议，包括网络流量预测,多跳时延补偿和非对称补偿等算法，实现80ns以下的单跳时钟同步精度。这意味着AP间用一个交换机连接时,AP间的时间记录误差可控制在单次测量80ns以下。由此，通过多次测量之后，将进行误差分布的建模(获取其概率分布，均值，方差等)，将最终误差控制在5ns以下，从而将TDOA定位的误差可以控制在1米以下。
在一些实施方式中，还包括采用信号指纹定位，基于非视距误差的时变稳定性的原理，通过NLOS误差过滤和定位前数据预处理，消除NLOS误差的影响，实现分米以下的TODA定位精度。由此，并基于非视距(NLOS)误差的时变稳定性的原理，通过NLOS误差过滤和定位前数据预处理，我们可以最大程度的消除NLOS误差的影响，实现分米以下的TODA定位精度。
附图说明
图1为本发明基于精确时钟同步和TDOA原理的高精度WLAN定位的原理图。
具体实施方式
下面结合附图对发明作进一步详细的说明。
图1示意性地显示了根据本发明的一种实施方式的原理。
如图1所示，一种基于精确时钟同步和TDOA原理的高精度WLAN定位，包括IEEE1588v2主时钟模块、TDOA WLAN接入点、WLAN AP系统、定位终端和定位服务器，其中，
如图1所示，IEEE1588v2主时钟采用铷钟进行时间保持，通过IEEE1588v2协议栈与TDOA WLAN接入点进行交互，实现各AP间的时间同步。
TDOA WLAN接入点有多个，每个TDOA WLAN接入点包括了传统的WiFi系统，同时，还包括一个可编程模块，可编程模块将高精度1588v2模块与支持主时钟方向的PTP时钟同步，TDOA WLAN接入点对本地时钟校准，针对来自主时钟方向的1588报文硬件时间戳，以及使得来自外围移动终端方向的定位信号到达时间戳。
定位终端包括终端控制模块，定位终端通过终端控制模块向TDOA WLAN接入点发送定位信号，TDOA WLAN接入点接收定位信号。
定位服务器接收TDOA WLAN接入点发送的定位信号，计算出定位信号到达时间，并进行信号到达时间差定位计算。
主要包含WLAN定位系统中的高精度物理层无线信号到达时间的测量、基于IEEE1588v2标准的AP间精确时钟同步、非视距误差(NLOS)消除及定位前的数据预处理等关键内容。因此，将基于到达时差(TDOA)原理，构建一个高性能的软件无线电通信平台，实现对物理层无线信号到达时间的精确测量；基于IEEE1588v2(PTP)国际协议标准，通过多跳时延补偿和非对称补偿算法的创新应用，实现WLAN接入点(AP)间的高精度时钟同步；结合非视距(NLOS)误差的时变稳定性的原理，通过NLOS误差过滤和定位前数据预处理，最大程度的消除NLOS误差的影响，将无线测距的时域误差控制在5ns以下，从而实现分米或更高精度的位置。
WLAN AP系统包括802.11MAC模块、基带模块、中频/射频转换模块、射频模块和功率放大芯片模块，信号到达时间的打戳点为在802.11 MAC与基带处理模块连接的数据通路上，通过无线信号识别算法，打上时间戳。由此，信号到达时间的打戳点(Time-Stamping Point)为在802.11 MAC与基带处理模块连接的数据通路上，基于具有高速可编程逻辑门阵列(FPGA)和多核DSP处理器的开发板，通过专有的无线信号识别算法，实现在开发板数据总线上探测到WiFi信号，打上时间戳，从而将定位信号的到达时间记录精确到纳秒级，避免了系统在MAC层及以上的协议栈中的处理误差。
基于IEEE1588v2精确时钟同步协议，包括网络流量预测,多跳时延补偿和非对称补偿等算法，实现80ns以下的单跳时钟同步精度。这意味着AP间用一个交换机连接时,AP间的时间记录误差可控制在单次测量80ns以下。由此，通过多次测量之后，将进行误差分布的建模(获取其概率分布，均值，方差等)，将最终误差控制在5ns以下，从而将TDOA定位的误差可以控制在1米以下。
采用信号指纹定位，基于非视距误差的时变稳定性的原理，通过非视距(NLOS)误差过滤和定位前数据预处理，消除非视距(NLOS)误差的影响，实现分米以下的TODA定位精度。由此，并基于非视距(NLOS)误差的时变稳定性的原理，通过非视距(NLOS)误差过滤和定位前数据预处理，我们可以最大程度的消除非视距(NLOS)误差的影响，实现分米以下的TODA定位精度。
在设备科研仪器设备与材料投入方面，安捷伦矢量信号发生器和矢量信号分析仪，以及数字无线测试仪、回流焊接仪、DSP实验开发装置、RF信号发生器、数字示波仪、高精度视频贴片系统、台式波峰焊机、高性能计算机等开展研发以及测试工作。
纳秒级IEEE1588v2高精度时钟设备PTPGrand-2100，作为WLAN网络授时的时间信号源。
PTPWatch为网络时钟监测仪，作为WLAN网络中定位服务器与各TDOA-AP接入点及定位终端之间交互时的精确时钟同步监测工具。
下面举例说明本发明的工作流程：
利用人群自带手机终端进入WLAN区域，AP1、AP2、AP3分别识别检测到被定位终端WiFi信号；
TDOA-AP基于IEEE1588v2主时钟同步，精确记录和处理WiFi信号到达时间；
通过网络上传给定位服务器(系统启动进行精确时钟同步以作时钟误差处理，达到纳秒级)；
定位服务器中装有基于TDOA(又名双曲线定位，材料中有详细注解，如上图)原理的专业定位处理算法以及NOLS误差过滤处理程序等，进行信号到达时间差(TDOA)定位计算；
服务器报告人群中手机的精确位置，找到目标对象。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于发明的保护范围。
Claims (4)
1.基于精确时钟同步和TDOA原理的高精度WLAN定位，其特征在于，包括IEEE1588v2主时钟(1)、TDOA WLAN接入点(2)、定位终端(3)、定位服务器(4)和WLAN AP系统，其中，
所述定位终端(3)包括终端控制模块，所述定位终端(3)通过终端控制模块向所述TDOA WLAN接入点(2)发送定位信号，所述TDOA WLAN接入点(2)接收所述定位信号；
所述TDOA WLAN接入点(2)将所述定位信号发送至所述WLAN AP系统；
所述WLAN AP系统将所述定位信号发送至所述定位服务器(4)，所述定位服务器(4)计算出定位信号到达时间，并进行信号到达时间差来进行定位计算；
所述IEEE1588v2主时钟(1)采用铷钟进行时间保持，通过IEEE1588v2协议栈和网络交换机与所述TDOA WLAN接入点进行交互，实现各AP间的时间同步；
所述TDOA WLAN接入点(2)有多个，每个所述TDOA WLAN接入点(2)包括了传统的WiFi系统，同时，还包括一个可编程模块，所述可编程模块将高精度1588v2模块与支持主时钟方向的PTP时钟同步，所述TDOA WLAN接入点(2)对本地时钟校准，针对来自主时钟方向的1588报文硬件时间戳，以及使得来自外围移动终端方向的定位信号到达时间戳。
2.根据权利要求1所述的基于精确时钟同步和TDOA原理的高精度WLAN定位，其特征在于，所述WLAN AP系统包括802.11MAC模块、基带模块、信号转换放大处理模块和FPGA主控模块、时间戳计数器模块，
所述WLAN AP系统中的信号转换放大处理模块接收所述TDOA WLAN接入点(2)发送的定位信号，将所述转换放大处理模块将定位信号发送给FPGA主控模块，所述FPGA主控模块再将所述定位信号发送给所述定位服务器；
或者，所述WLAN AP系统中的信号转换放大处理模块接收所述TDOA WLAN接入点(2)发送的定位信号，将所述定位信号发送至基带模块与802.11 MAC模块，所述时间戳计数器模块接收所述802.11 MAC模块发送的定位信号，将所述定位信号发送给所述FPGA主控模块，所述FPGA主控模块再将所述定位信号发送给所述定位服务器。
3.根据权利要求2所述的基于精确时钟同步和TDOA原理的高精度WLAN定位，其特征在于，基于IEEE1588v2精确时钟同步协议，包括网络流量预测,多跳时延补偿和非对称补偿等算法，实现80ns以下的单跳时钟同步精度。
4.根据权利要求3所述的基于精确时钟同步和TDOA原理的高精度WLAN定位，其特征在于，还包括采用信号指纹定位，基于非视距误差的时变稳定性的原理，通过NLOS误差过滤和定位前数据预处理，消除NLOS误差的影响，实现分米以下的TODA定位精度。
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Effective date of registration: 20180116 Address after: 430074 Wenhua Garden Road, East Lake Hi-tech Development Zone, Wuhan City, Wuhan, Hubei Co-patentee after: Zhou Junjie Patentee after: Winworld Academy Address before: 430074 Hubei city of Wuhan province Kuanshan Poly Garden Road No. 219 25-1-1002 Co-patentee before: Wang Xiaobing Patentee before: Zhou Junjie Co-patentee before: Winworld Academy of the Central China University of Science and Technology Co-patentee before: Yu Kan |
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Effective date of registration: 20190321 Address after: 430074 No. 8 Wenhua Garden Road, Donghu High-tech Development Zone, Wuhan City, Hubei Province Patentee after: Winworld Academy Address before: 430074 No. 8 Wenhua Garden Road, Donghu High-tech Development Zone, Wuhan City, Hubei Province Co-patentee before: Zhou Junjie Patentee before: Winworld Academy |
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