CN107182123B - 一种uwb 定位系统的同步方法及同步系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种UWB定位系统的同步方法及同步系统，属于UWB技术应用领域。本发明同步方法包括如下步骤：选择其中一个基站向其信号覆盖的其他基站发送UWB同步信号；记录其他基站上传的时间戳；根据UWB同步信号到达其他基站的时间差和上传的时间戳，计算其他基站之间的修正因子；根据修正因子，得到其他基站之间的飞行时间差，完成发送UWB同步信号的基站所覆盖的其他基站的同步；选择与上一次发送UWB同步信号不同的基站向其信号覆盖的其他基站发送UWB同步信号，然后执行同步步骤，直至所有基站都完成同步。本发明无需同步控制器和高精度传输线，降低了成本；相比现有的无线同步方法，本发明极其简洁。

Description

一种UWB 定位系统的同步方法及同步系统

技术领域

本发明涉及UWB技术应用领域，尤其涉及一种UWB定位系统的同步方法，还涉及一种实现所述同步方法的同步系统。

背景技术

UWB(Ultra Wideband，是一种无载波通信技术)定位系统同步，一般有两种形式，有线同步与无线同步。

有线同步是基于特定电长度的传输线，利用高精度的脉冲信号，或者高频率的正弦波突然缺相、反相，或者类似的高精度信号进行同步。这种方式需要将整个系统的定位基站都以传输线相连，并且严格制作传输线的长度。所有基站由一个统一的同步控制器进行操控。这种方式组网不灵活，同步传输线要求工艺高，同步控制器引入了额外的硬件成本。

无线同步有多种形式，通常都是基站之间两两进行同步，或者定义一个主基站，以此为时间基准校准其他基站。

定义主基站的话，会出现主基站无法覆盖网内所有基站的情况(基站总数少除外)。对于较大的网络，一定要有一种方式将同步传递出去。

基站之间两两同步，需要基站之间数次的互通，消除信号处理占用的时间后，才可以完成同步。此外，同步路由也是一个问题，涉及到最优同步传递的策略，以最小化同步次数，以及最小化积累误差等问题。

发明内容

为解决现有技术中的问题，本发明提供一种及其简单的UWB定位系统的同步方法，本同步方法无需同步控制器和高精度传输线，也无需估计信号处理时间，及考虑路由策略。本发明还提供一种实现所述同步方法的同步系统。

本发明同步方法包括如下步骤：

步骤S1：选择其中一个基站向其信号覆盖的其他基站发送UWB同步信号；

步骤S2：记录其他基站上传的时间戳；

步骤S3：根据UWB同步信号到达其他基站的时间差和上传的时间戳，计算其他基站之间的修正因子；

步骤S4：根据修正因子，得到其他基站之间的飞行时间差，完成发送UWB同步信号的基站所覆盖的其他基站的同步；

步骤S5：选择与上一次发送UWB同步信号不同的基站向其信号覆盖的其他基站发送UWB同步信号，然后执行步骤S2-步骤S4，直至所有基站都完成同步。

本发明作进一步改进，在步骤S1和步骤S5中，对N个基站依次编号，控制基站顺次发射UWB同步信号，实现全网同步。

本发明作进一步改进，所有基站都接入以太网，通过上层信令控制基站顺次发送UWB 同步信号，和控制基站同步的时机。

本发明作进一步改进，在步骤S3中，基站之间的时间差ΔT通过不同基站之间的坐标和光速计算得出。

本发明作进一步改进，假设基站1发送UWB同步信号给基站2和基站3，所述基站2和基站3上传的时间戳分别为T2’和T3’，令T3’+a-T2’＝ΔT，那么修正因子a的计算公式为：a＝T2’-T3’+ΔT。

本发明作进一步改进，基站2和基站3收到任何来自同一帧的时间戳信号，都能够采用所述修正因子a进行修正，得到正确的飞行时间差，从而完成基站2和基站3的同步。

本发明还提供一种实现所述同步方法的同步系统，包括选择发送模块：用于依次选择基站向其信号覆盖的其他基站发送UWB同步信号，直至所有基站都收到了UWB同步信号；记录模块：用于记录其他基站上传的时间戳；

修正因子计算模块：用于根据UWB同步信号到达其他基站的时间差和上传的时间戳，计算其他基站之间的修正因子；

同步模块：用于根据修正因子，得到其他基站之间的飞行时间差，完成发送UWB同步信号的基站所覆盖的其他基站的同步，最终完成N个基站同步。

本发明作进一步改进，在选择发送模块和同步模块中，对N个基站依次编号，控制基站顺次发射UWB同步信号，实现全网同步。

本发明作进一步改进，所有基站都接入以太网，通过上层信令控制基站顺次发送UWB 同步信号，和控制基站同步的时机。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：相比有线同步，减少同步控制器和高精度传输线的成本；相比现有的无线同步方法，该同步方法极其简洁，无需估计信号处理时间，也无需考虑路由策略及误差情况。

附图说明

图1为本发明3个基站之间全覆盖第一次同步示意图；

图2为本发明3个基站之间全覆盖第二次同步示意图；

图3为本发明多个基站之间全覆盖第一次同步示意图；

图4为本发明基站之间不能完全覆盖同步示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明中的UWB定位系统因要实现二维定位，所以最小单位是3个基站。为了保证定位效果，在实践中，一个基站的信号，至少也能被其它两个基站收到。此外，在基站设置时，所有基站的XY(如果不等高的话，也包含Z)坐标是已知的。

基于上述UWB定位系统为基础，本发明使用一种极其简单的同步方法同步网内所有基站。相比现有无线同步中的两两同步，该方法无需估计信号处理时间，也无需考虑路由策略。

本发明同步方法包括如下步骤：

步骤S1：选择其中一个基站向其信号覆盖的其他基站发送UWB同步信号；

步骤S2：记录其他基站上传的时间戳；

步骤S3：根据UWB同步信号到达其他基站的时间差和上传的时间戳，计算其他基站之间的修正因子；

步骤S4：根据修正因子，得到其他基站之间的飞行时间差，完成发送UWB同步信号的基站所覆盖的其他基站的同步；

步骤S5：选择与上一次发送UWB同步信号不同的基站向其信号覆盖的其他基站发送UWB同步信号，然后执行步骤S2-步骤S4，直至所有基站都完成同步。

如图1所示，作为本发明的一个实施例，本例为一个最简单的3基站定位系统，包括基站1、基站2和基站3，在T1时刻，基站1发出UWB同步信号，在基站1发出UWB同步信号之前的内部处理时间和延迟本发明不需要关心。信号于时间T2到达基站2，于时间T3 到达基站3。基站2和基站3都有各自的延时(包含电路延时，处理延时等)，但是本发明无需关心它们的延时，本例只需记下基站2、基站3上传的时间戳T2’和T3’即可。

为了实现基站同步，本例引入一个修正因子a，令T3’+a-T2’＝ΔT。其中，ΔT为基站2和基站3(或基站天线)分别接收到UWB信号的时间T2和T3之间的差值ΔT，那么本例时间差ΔT可以通过三个基站已知的坐标和信号传输的速度，本例为光速，然后通过三角函数计算出来。

在未来一小段时间内，基站2和基站3的时钟、内部延迟(部分固定延迟、部分处理延迟，其中处理延迟和时钟相关)都可以认为处于一个暂时的稳态。因此，基站2、基站3 收到任何来自同一帧(如定位卡)的时间戳信号，都可以使用上次计算所得的修正因子a 进行修正，得到正确的飞行时间差，具体来说，是知道了两者确切的本地时间差，等价于两者已经同步。因此，通过图1的操作，基站2和基站3就达成了同步。

因此，基站1发出的UWB同步信号，实际上能够同步基站2、基站3的时钟。需要注意的是，此时基站1的时钟并未同步。只要利用基站2或者基站3重复上述过程，即可让基站1和基站2，或者让基站1和基站3达成同步。如图2所示，本例是基站3和基站1 达成了同步，另外，图2中的所有关于时间的参数都是不同于第一次同步的全新的参数。比如，上传时间戳T3’为第二次同步时的参数。与图1中第一次同步时的上传时间戳不同。结合图1和图2，通过两次同步，在短时间内，基站1、基站2和基站3就达成了全网同步。

如图3所示，作为本发明的另一个实施例，对于一个由M个基站组成的、互相之间能相互覆盖的系统，同样只需要两次就可以全网同步。第一次由基站1发出UWB同步信号，然后执行步骤S2-步骤S4，即可同步除了基站1之外的所有基站。利用除基站1之外的其他任意一个基站再次发送一次UWB同步信号，进行一次同步步骤S2-S4，即可完成所有基站同步。

此例为一种多基站的特殊情况，一般情况下，对于一个由N个基站组成的定位系统，基站之间不能完全相互覆盖。因此，本发明只要能保证每个基站都接收到过UWB同步信号，即可完成所有基站的同步。本发明可以利用顺次发射同步信号的方式，实现全网同步。

如图4所示，作为本发明的第三个实施例，本例为一个5基站系统，并且5个基站不能实现全覆盖，具体地，基站1能和基站2、基站3相互覆盖，基站2能和基站1、基站4 相互覆盖，基站3能和基站1、基站4、基站5相互覆盖，基站4能和基站2、基站3、基站5相互覆盖，基站5能和基站3、基站4相互覆盖。

首先，基站1发射UWB同步信号，执行步骤S2-S4，基站2和基站3同步完成；然后基站2发射UWB同步信号，基站1、基站4同步完成；接下来基站3发射UWB同步信号，基站1、基站4、基站5同步完成。基站4发射UWB同步信号，基站2、基站3、基站5同步完成。此时，因为基站2、基站3和基站5同步了，基站5又和基站1、基站4、基站5 同步了，所以全网已经全部同步完成。最后本例基站5再发射一次UWB同步信号，令基站 3、基站4同步。对于本例的UWB定位系统来说，基站5的发射是比较冗余的。但是这能够保证对于任意的系统结构，都能形成全网同步。

本例优选顺次发射，因为顺次发射非常容易控制，并且不需要时间精度。举例来说，本例如果所有基站都接入以太网，本例同步的时机并不需要很精确，因此，可以通过上层信令来控制。本例不直接使用以太网同步的原因是，以太网协议的时间精度远远达不到要求。本例的以太网只需要控制基站同步的时机，譬如每约500ms(不需要精确)，令其中一个基站外发UWB同步信号即可。

本发明相比有线同步，减少同步控制器和高精度传输线的成本；相比现有的无线同步，该同步方法极其简洁，并且无需估计信号处理时间，也无需考虑路由策略及误差情况。

以上所述之具体实施方式为本发明的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明所作的等效变化均在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种UWB定位系统的同步方法，所述UWB定位系统包括N个基站，N为大于或等于3的整数，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：选择其中一个基站向其信号覆盖的其他基站发送UWB同步信号；

步骤S2：记录发送UWB同步信号的基站信号覆盖的其他基站向发送UWB同步信号的基站上传的时间戳；

步骤S3：根据UWB同步信号到达发送UWB同步信号的基站信号覆盖的其他基站的时间差和发送UWB同步信号的基站信号覆盖的其他基站向发送UWB同步信号的基站上传的时间戳，计算发送UWB同步信号的基站信号覆盖的其他基站之间的修正因子；

步骤S4：根据修正因子，得到发送UWB同步信号的基站信号覆盖的其他基站之间的飞行时间差，完成发送UWB同步信号的基站所覆盖的其他基站的同步，UWB的含义为超宽带；步骤S5：选择与上一次发送UWB同步信号不同的基站向其信号覆盖的其他基站发送UWB同步信号，然后执行步骤S2-步骤S4，直至所有基站都完成同步。

2.根据权利要求1所述的UWB定位系统的同步方法，其特征在于：在步骤S1和步骤S5中，对N个基站依次编号，控制基站顺次发射UWB同步信号，实现全网同步。

3.根据权利要求2所述的UWB定位系统的同步方法，其特征在于：所有基站都接入以太网，通过上层信令控制基站顺次发送UWB同步信号，和控制基站同步的时机。

4.根据权利要求1-3任一项所述的UWB定位系统的同步方法，其特征在于：在步骤S3中，基站之间的时间差ΔT通过不同基站之间的坐标和光速计算得出。

5.根据权利要求4所述的UWB定位系统的同步方法，其特征在于：所述基站的数量为三个，基站1发送UWB同步信号给基站2和基站3，所述基站2和基站3上传的时间戳分别为T2’和T3’，令T3’+a-T2’＝ΔT，那么修正因子a的计算公式为：a＝T2’-T3’+ΔT。

6.根据权利要求5所述的UWB定位系统的同步方法，其特征在于：基站2和基站3收到任何来自同一帧的时间戳信号，都能够采用所述修正因子a进行修正，得到正确的飞行时间差，从而完成基站2和基站3的同步。

7.一种实现权利要求1-6任一项所述的UWB定位系统的同步方法的同步系统，其特征在于包括：

选择发送模块：用于依次选择基站向其信号覆盖的其他基站发送UWB同步信号，直至所有基站都收到了UWB同步信号；

记录模块：用于记录发送UWB同步信号的基站信号覆盖的其他基站向发送UWB同步信号的基站上传的时间戳；

修正因子计算模块：用于根据UWB同步信号到达发送UWB同步信号的基站信号覆盖的其他基站的时间差和发送UWB同步信号的基站信号覆盖的其他基站向发送UWB同步信号的基站上传的时间戳，计算发送UWB同步信号的基站信号覆盖的其他基站之间的修正因子；同步模块：用于根据修正因子，得到发送UWB同步信号的基站信号覆盖的其他基站之间的飞行时间差，完成发送UWB同步信号的基站所覆盖的其他基站的同步，最终完成N个基站同步，N为大于或等于3的整数。

8.根据权利要求7所述的同步系统，其特征在于：在选择发送模块和同步模块中，对N个基站依次编号，控制基站顺次发射UWB同步信号，实现全网同步。

9.根据权利要求8所述的同步系统，其特征在于：所有基站都接入以太网，通过上层信令控制基站顺次发送UWB同步信号，和控制基站同步的时机。