CN107835491B - 一种基于uwb的信号同步方法、室内定位系统 - Google Patents

一种基于uwb的信号同步方法、室内定位系统 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供了一种基于UWB的信号同步方法、室内定位系统。该方法应用于室内定位系统，包括：直放站将室外基站定位信号转发至室内定位系统对应的室内定位网络中每条链路的第一级定位节点；每条链路的第一级定位节点对定位信号进行预设处理，得到对应的同步定位信号；从每条链路的第一级到倒数第二级定位节点，每条链路的每一级定位节点将其对应的同步定位信号和信号飞行时间发送至该条链路的下一级定位节点；该下一级定位节点根据接收到的信号飞行时间，对接收到的同步定位信号进行时钟校正，得到对应的同步定位信号。本发明以无线通信方式实现室内定位节点与定位信号同步，简化了室内定位系统的安装和维护过程，便于调整定位节点的位置。

Description

一种基于UWB的信号同步方法、室内定位系统
技术领域
本发明涉及室内定位技术领域，特别涉及一种基于UWB的信号同步方法、室内定位系统。
背景技术
随着现代工作和生活的发展，人们在一天之中有更多的时间在室内工作和生活，因此研究室内定位技术具有重要意义。目前全球导航卫星系统(Global NavigationSatellite System，GNSS)如美国的全球定位系统(Global Positioning System，GPS)，俄罗斯的格洛纳斯，中国的北斗卫星导航系统，欧盟的伽利略卫星导航系统能够满足人们对室外位置定位的需求，然而在室内由于遮挡、多径等因素，卫星信号无法发挥出在室外的可用性和稳定性。
北京邮电大学邓中亮教授提出了基于时分码分-正交频分复用的(Time & CodeDivision-Orthogonal Frequency Division Multiplexing，TC-OFDM)的室内定位技术，该技术基于移动通信网，并结合北斗卫星导航系统，实现了由室外到室内的位置定位的无缝切换，并实现了室内的米级定位精度。在TC-OFDM室内定位技术中，一般设置有多级定位节点接收定位信号，多级定位节点之间的时钟同步是通过有线方式来实现的，例如，通过光纤或同轴电缆实现时钟同步。
但是这两种有线的多级定位节点时钟同步的方案使节点分布的布网布线工作非常繁琐，尤其是针对大面积的室内范围进行位置定位时，需要多级定位节点进行定位，有线的时钟同步方案给定位系统的安装实施带来不便，增加了工作量。而且在有线的定位系统中，每个节点都有同轴电缆或光纤与之相连，由于室内环境有时要进行其他的装修，改造等工作，这可能会破坏原有的定位系统的布线，影响定位系统的稳定运行。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种基于UWB的信号同步方法、室内定位系统，以解决现有技术中有线的时钟同步方案带来的定位系统安装繁琐且维护不便的问题。具体技术方案如下：
为达到上述目的，第一方面，本发明实施例公开了一种基于UWB的信号同步方法，应用于室内定位系统，所述室内定位系统包括：直放站和多级定位节点，其中，所述多级定位节点中的每级定位节点均包括至少一个定位节点，所述方法包括：
所述直放站将室外基站的定位信号转发至所述室内定位系统对应的室内定位网络中每条链路的第一级定位节点；其中，所述每条链路均包括依次连接的所述每级定位节点中的一个定位节点；
所述每条链路的第一级定位节点对所述定位信号进行预设处理，得到每条链路的第一级定位节点对应的同步定位信号；
从每条链路的第一级定位节点到每条链路的倒数第二级定位节点，每条链路的每一级定位节点将该级定位节点对应的同步定位信号和信号飞行时间发送至该条链路的下一级定位节点；该下一级定位节点根据接收到的信号飞行时间，对接收到的同步定位信号进行时钟校正，得到该下一级定位节点对应的同步定位信号；其中，每条链路的每一级定位节点对应的信号飞行时间为该级定位节点到该条链路的下一级定位节点的信号飞行时间。
可选地，所述方法还包括：
每条链路的每级定位节点按照预设时间间隔获取该级定位节点到该条链路的下一级定位节点的信号飞行时间。
可选地，所述直放站将室外基站的定位信号转发至所述室内定位系统对应的室内定位网络中每条链路的第一级定位节点，包括：
所述直放站通过有线通信方式将室外基站的定位信号转发至所述室内定位系统对应的室内定位网络中每条链路的第一级定位节点。
可选地，所述每条链路对应不同的信道。
所述每条链路的每一级定位节点将该级定位节点对应的同步定位信号和信号飞行时间发送至该条链路的下一级定位节点，包括：
所述每条链路的每一级定位节点通过该条链路对应的信道，将该级定位节点对应的同步定位信号和信号飞行时间发送至该条链路的下一级定位节点。
可选地，在所述每条链路的每一级定位节点通过该条链路对应的信道，将该级定位节点对应的同步定位信号和信号飞行时间发送至该条链路的下一级定位节点的步骤前，所述方法还包括：
所述每条链路的每一级定位节点获取该条链路的干扰信息；其中，所述干扰信息为：该条链路与所述室内定位网络中的其他链路是否存在干扰的信息。
所述每条链路的每一级定位节点通过该条链路对应的信道，将该级定位节点对应的同步定位信号和信号飞行时间发送至该条链路的下一级定位节点，包括：
所述每条链路的每一级定位节点根据该条链路的干扰信息，判断该条链路是否与所述室内定位网络中的其他链路存在干扰，若存在，则存在干扰的两条链路在不同时间段分别实现：所述每条链路的每一级定位节点通过该条链路对应的信道，将该级定位节点对应的同步定位信号和信号飞行时间发送至该条链路的下一级定位节点。
第二方面，本发明实施例公开了一种室内定位系统，包括：直放站和多级定位节点，其中，所述多级定位节点中的每级定位节点均包括至少一个定位节点。
所述直放站，用于将室外基站的定位信号转发至所述室内定位系统对应的室内定位网络中每条链路的第一级定位节点；其中，所述每条链路均包括依次连接的所述每级定位节点中的一个定位节点。
所述每条链路的第一级定位节点，用于对所述定位信号进行预设处理，得到每条链路的第一级定位节点对应的同步定位信号。
从每条链路的第一级定位节点到每条链路的倒数第二级定位节点，每条链路的每一级定位节点，用于将该级定位节点对应的同步定位信号和信号飞行时间发送至该条链路的下一级定位节点；该下一级定位节点，用于根据接收到的信号飞行时间，对接收到的同步定位信号进行时钟校正，得到该下一级定位节点对应的同步定位信号；其中，每条链路的每一级定位节点对应的信号飞行时间为该级定位节点到该条链路的下一级定位节点的信号飞行时间。
可选地，所述每条链路的每级定位节点，还用于按照预设时间间隔获取该级定位节点到该条链路的下一级定位节点的信号飞行时间。
可选地，所述直放站，具体用于通过有线通信方式将室外基站的定位信号转发至所述室内定位系统对应的室内定位网络中每条链路的第一级定位节点。
可选地，所述每条链路对应不同的信道。
所述每条链路的每一级定位节点，具体用于通过该条链路对应的信道，将该级定位节点对应的同步定位信号和信号飞行时间发送至该条链路的下一级定位节点。
可选地，所述每条链路的每一级定位节点，还用于在通过该条链路对应的信道，将该级定位节点对应的同步定位信号和信号飞行时间发送至该条链路的下一级定位节点前，获取该条链路的干扰信息；其中，所述干扰信息为：该条链路与所述室内定位网络中的其他链路是否存在干扰的信息。
所述每条链路的每一级定位节点，具体用于根据该条链路的干扰信息，判断该条链路是否与所述室内定位网络中的其他链路存在干扰，若存在，则存在干扰的两条链路，用于在不同时间段分别实现：所述每条链路的每一级定位节点通过该条链路对应的信道，将该级定位节点对应的同步定位信号和信号飞行时间发送至该条链路的下一级定位节点。
本发明实施例提供的一种基于UWB的信号同步方法、室内定位系统，由直放站将室外基站的定位信号转发至室内定位系统对应的室内定位网络中每条链路的第一级定位节点；并由每条链路的第一级定位节点对所述定位信号进行预设处理，得到每条链路的第一级定位节点对应的同步定位信号，从而实现第一级定位节点与室外直放站的定位信号的同步；再由每条链路的每一级定位节点将该级定位节点对应的同步定位信号和信号飞行时间发送至该条链路的下一级定位节点；该下一级定位节点根据接收到的信号飞行时间，对接收到的同步定位信号进行时钟校正，得到该下一级定位节点对应的同步定位信号，从而实现每一级定位节点对定位信号的同步。
本发明实施例以无线通信的方式，代替现有的TC-OFDM室内定位技术中各增补器间有线连接的方式，简化了室内定位系统的安装和维护过程，也便于对定位节点的位置进行灵活调整。在不影响定位精度的情况下，实现了室内各个定位节点与室外基站的定位信号的同步，并且利用时分-频分复用技术减小了同频干扰，提高了整个室内定位网络对定位信号的同步速度，从而为室内定位信号的大范围覆盖打下了基础。
当然，实施本发明的任一产品或方法必不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种信号同步方法的流程示意图；
图2a为采用单信道时室内定位系统的同步时隙图；
图2b为采用多信道时室内定位系统的同步时隙图；
图3为本发明实施例提供的另一种信号同步方法的流程示意图；
图4a为本发明实施例中信号飞行时间的测量流程图；
图4b为本发明实施例中信号飞行时间的实验测量结果图；
图4c为本发明实施例提供的一种室内定位节点分布图；
图5为本发明实施例提供的一种室内定位系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面通过具体实施例，对本发明进行详细说明。
本发明实施例提供的信号同步方法，应用于室内定位系统，该室内定位系统包括直放站和多级定位节点，其中，多级定位节点中的每级定位节点均包括至少一个定位节点。
实际使用中，当室内定位系统应用于会堂、车库、机场航站楼等大型室内室内定位场所时，可以将室内定位系统的多个定位节点划分为多级定位节点，逐级对定位信号进行同步，从而能够提高整个室内定位网络对定位信号的同步速度，进而能够实现大面积的室内定位需求。
本发明实施例中，上述室内定位系统的定位节点的数量至少为2个。实际使用中，定位节点的数量和位置可根据室内定位场所的需要进行设置和布设，本发明在此不做限定。
图1为本发明实施例提供的一种信号同步方法的流程示意图，该方法包括：
步骤S101，直放站将室外基站的定位信号转发至室内定位系统对应的室内定位网络中每条链路的第一级定位节点。
室内定位系统对应的室内定位网络包含了多级定位节点之间的连接关系。具体地，该室内定位网络可以包含多条链路。其中，每条链路均包括依次连接的每级定位节点中的一个定位节点。每条链路的各级定位节点可以按照定位节点级数从前到后的顺序，逐级对定位信号进行同步。可以理解的是，室内定位系统的所有定位节点均包含在多条链路中的至少一条链路中。
实际使用中，可以根据室内定位场所的需要设置链路的数量，以及每条链路包含哪几个定位节点。
例如：室内定位系统包括三级定位节点，第一级定位节点包括A1，A2，第二级定位节点包括B1，B2，第三级定位节点包括C1，C2，可以设定室内定位网络包含两条链路，链路一为：A1-B1-C1，链路二为：A2-B2-C2。
本实施例中，为了实现室外定位到室内定位的无缝切换，可以由直放站将室外基站的定位信号转发至每条链路的第一级定位节点。假设一目标在运动过程中存在室外和室内的位置切换，在室外对该目标进行定位时，可以由室外基站发射定位信号，该目标接收定位信号后进行定位。在室内对该目标进行定位时，可以由直放站将室外基站的定位信号转发至室内的定位节点，由室内的各定位节点对定位信号进行同步后，将同步定位信号进行播发，目标接收到同步定位信号后进行定位，从而实现室外定位和室内定位的无缝切换。
一种实现方式中，直放站可以通过有线通信方式将室外基站的定位信号转发至每条链路的第一级定位节点。该有线通信方式可以通过同轴电缆或光纤等实现。具体的，可以在直放站与每条链路的第一级定位节点之间铺设同轴电缆或光纤，这样，每条链路的第一级定位节点可以同时接收直放站转发的定位信号，也就是说，各条链路的第一级定位节点接收直放站转发的定位信号的过程互不影响，可以同时进行，而且这种有线通信方式使得第一级定位节点对定位信号的时钟同步精度较高。
步骤S102，每条链路的第一级定位节点对定位信号进行预设处理，得到每条链路的第一级定位节点对应的同步定位信号。
当每条链路的第一级定位节点接收到直放站转发的定位信号后，可以对定位信号进行预设处理，实现每条链路的第一定位节点对定位信号的同步，即得到每条链路的第一级定位节点对应的同步定位信号。
具体的，上述预设处理可以包括：下变频处理和A/D(Analog/Digital，模拟/数字)采样，对定位信号依次进行下变频处理和A/D采样后，得到对应的中频信号。上述预设处理还可以依次包括：信号捕获、环路跟踪、驯服校频及同步播发，对中频信号依次进行这四个步骤的处理后，即可得到对应的同步定位信号。该同步定位信号包含了对应的秒脉冲和码相位信息。
本实施例中，可以通过现有技术实现上述预设处理，这里不再赘述。
在上述步骤S101中，各条链路的第一级定位节点与直放站之间可以通过有线连接方式获取室外基站的定位信号。可以理解的是，有线连接的方式使得定位信号在直放站和第一级定位节点之间在发送接收定位信号时产生了固定的传输时延，通过上述预设处理可以将该传输时延进行补偿，因而，每条链路的第一级定位节点对应的同步定位信号是传输时延补偿后的定位信号。通过步骤S102实现了每条链路的第一级定位节点对应的同步定位信号与室外基站的定位信号的时钟同步。
步骤S103，从每条链路的第一级定位节点到每条链路的倒数第二级定位节点，每条链路的每一级定位节点将该级定位节点对应的同步定位信号和信号飞行时间发送至该条链路的下一级定位节点；该下一级定位节点根据接收到的信号飞行时间，对接收到的同步定位信号进行时钟校正，得到该下一级定位节点对应的同步定位信号。
本实施例中，每条链路的每一级定位节点对应的信号飞行时间为该级定位节点到该条链路的下一级定位节点的信号飞行时间，可以用来表征每条链路中相邻两级定位节点间的传输时延。以步骤S101中的例子来说，链路一A1-B1-C1中，第一级定位节点A1对应的信号飞行时间为A1到B1的信号飞行时间。
上述信号飞行时间可以通过现有技术进行测量。一种情形中，如果室内定位系统的各个定位节点的位置会发生变化，可以实时测量每个定位节点对应的信号飞行时间。一种情形中，如果室内定位系统的各个定位节点的位置相对固定，可以在布设好各个定位节点的位置后，对各个定位节点对应的信号飞行时间进行一次标定即可。
需要说明的是，对于每条链路中的最后一级定位节点来说，当该节点得到对应的同步定位信号后，整个室内定位网络对定位信号的同步过程就完成了，该定位节点不需要向其他级定位节点发送该定位节点对应的同步定位信号，因而，该定位节点不对应有信号飞行时间。
本实施例中，从每条链路的第一级定位节点到每条链路的倒数第二级定位节点，每条链路的每一级定位节点通过无线通信方式，将该级定位节点对应的同步定位信号和信号飞行时间发送至该条链路的下一级定位节点。这样，在大型室内定位场所中，各级定位节点间不需要铺设同轴电缆或光纤等实现时钟同步。在需要调整定位节点的位置时，这种无线通信方式更便于对节点的位置进行调整。
从每条链路的第二级定位节点到最后一级定位节点，每一级定位节点接收到的同步定位信号相对于上一级定位节点发送的同步定位信号，产生了一传输时延，可以将上一级定位节点对应的信号飞行时间作为该传输时延。因而，每一级定位节点可以根据接收到的信号飞行时间，将接收到的同步定位信号的发射码的码相位进行调整，以使该码相位与上一级定位节点对应的同步定位信号的发射码的码相位相同，从而得到每级定位节点对应的同步定位信号。这样，实现了每级定位节点对应的同步定位信号与室外基站的定位信号的时钟同步。
本实施例的一种可选实施方式中，当室内定位系统使用单信道对定位信号进行时钟同步时，每条链路需要采用时分复用的方式对定位信号进行时钟同步，这样才能消除不同链路在对定位信号进行时钟同步时的同频干扰。
如图2a所示，设定室内定位网络共有N条链路，每条链路上有k个(级)定位节点。每条链路中的每两个相邻定位节点之间实现时钟同步需要耗时t0。每条链路对定位信号进行时钟同步，耗时为T1＝(k-1)*t0。整个室内定位系统对定位信号进行时钟同步，耗时为T＝N*T1＝N*(k-1)*t0。
本实施例的一种可选实施方式中，室内定位系统可以使用多信道对定位信号进行时钟同步。具体的，室内定位网络的每条链路对应不同的信道，每条链路可以采用频分复用的方式对定位信号进行时钟同步，从而消除了不同链路在对定位信号进行时钟同步时的同频干扰。
相应地，每条链路的每一级定位节点可以通过该条链路对应的信道，将该级定位节点对应的同步定位信号和信号飞行时间发送至该条链路的下一级定位节点。
如图2b所示，设定室内定位网络共有N条链路，每条链路上有k个(级)定位节点。每条链路中的每两个相邻定位节点之间实现时钟同步需要耗时t0，每条链路对定位信号进行时钟同步，耗时为T1＝(k-1)*t0。室内定位网络中的N条链路可以在不同的n个信道同时对定位信号进行时钟同步，整个室内定位系统对定位信号进行时钟同步，耗时为T＝T1。
相较于采用单信道而言，采用多信道的室内定位系统对定位信号进行时钟同步的速度有(N*T1)/T1＝N倍的提高，极大消除了不同链路在对定位信号进行时钟同步时的同频干扰，使通信误码率降低，也使整个室内定位系统对定位信号的时钟同步效率得到提高。
一种实现方式中，在每条链路的每一级定位节点通过该条链路对应的信道，将该级定位节点对应的同步定位信号和信号飞行时间发送至该条链路的下一级定位节点的步骤前，上述方法还可以包括：
每条链路的每一级定位节点获取该条链路的干扰信息，该干扰信息为：该条链路与室内定位网络中的其他链路是否存在干扰的信息。例如，室内定位网络存在3条链路，其中，链路1的干扰信息为：链路1与链路2存在干扰，链路1和链路3不存在干扰。
具体的，每条链路的每一级定位节点获取该条链路的干扰信息，可以包括：每条链路的每一级定位节点获取室内定位系统的所有定位节点的位置；计算该条链路的所有定位节点与其它链路的所有定位节点的两两之间的距离，如果该条链路的所有定位节点与其中一条链路的所有定位节点的两两之间的距离中，最短的距离小于预设值，则认为这两条链路存在干扰。其中，预设值可以根据需要进行设定。本实施例只是以上述为例进行说明，每条链路的每一级定位节点获取该条链路的干扰信息的方式不限于此。
以上述的室内定位系统存在3条链路的情形为例，链路1包括定位节点a1和a2，链路2包括定位节点b1和b2，链路3包括定位节点c1和c2。计算出链路1和链路2的定位节点的两两之间的距离为：Da1b1＝20米，Da1b2＝20米，Da2b1＝20米，Da2b2＝5米。计算出链路1和链路3的定位节点的两两之间的距离为：Dalc1＝20米，Da1c2＝20米，Da2c1＝20米，Da2c2＝20米。设定预设值为10米，则链路1与链路2存在干扰，链路1和链路3不存在干扰。
相应地，每条链路的每一级定位节点通过该条链路对应的信道，将该级定位节点对应的同步定位信号和信号飞行时间发送至该条链路的下一级定位节点，可以包括：
每条链路的每一级定位节点根据该条链路的干扰信息，判断该条链路是否与所述室内定位网络中的其他链路存在干扰，若存在，则存在干扰的两条链路在不同时间段分别实现：每条链路的每一级定位节点通过该条链路对应的信道，将该级定位节点对应的同步定位信号和信号飞行时间发送至该条链路的下一级定位节点。
对于存在干扰的两条链路，通过分时实现各条链路对定位信号的时钟同步，能够消除两条链路在对定位信号进行时钟同步时的同频干扰，提高时钟同步的精度。
本发明实施例提供的基于UWB的信号同步方法，以无线通信的方式，代替现有的TC-OFDM室内定位技术中各增补器间有线连接的方式，简化了室内定位系统的安装和维护过程，也便于对定位节点的位置进行灵活调整。在不影响定位精度的情况下，实现了室内各个定位节点与室外基站的定位信号的同步，并且利用时分-频分复用技术减小了同频干扰，提高了整个室内定位网络对定位信号的同步速度，从而为室内定位信号的大范围覆盖打下了基础。
图3为本发明实施例提供的另一种信号同步方法的流程示意图。该方法包括：
步骤S301，直放站将室外基站的定位信号转发至室内定位系统对应的室内定位网络中每条链路的第一级定位节点。
步骤S302，每条链路的第一级定位节点对定位信号进行预设处理，得到每条链路的第一级定位节点对应的同步定位信号。
本实施例中，上述步骤S301-S302可以分别与图1所述实施例的步骤S101-S102完全相同，这里不再重复。
步骤S303，每条链路的每级定位节点按照预设时间间隔获取该级定位节点到该条链路的下一级定位节点的信号飞行时间。
本实施例中，室内定位网络中的每级定位节点中的每个定位节点均可以包括一UWB模块。利用UWB模块接收和发射信号的时间戳，精度可达15.65皮秒，每个定位节点的UWB模块可以通过双边双向的方式计算出信号在两级定位节点之间的空中飞行时间，即信号飞行时间(Time of flight，TOF)。
具体的，如图4a所示，UWB模块测量信号飞行时间的流程为：两个UWB模块之间以三次消息交互完成对TOF的测量，这3条消息分别是轮询请求消息Poll，回应消息Response和最终应答消息Final。每条消息上都有一个标记符RMARKER，是UWB模块进行消息接收和发射的产生时间戳位置。
以一条链路的第一级和第二级定位节点为例，首先第一级定位节点Device A发射消息Poll，并记下发射时刻TP；第二级定位节点Device B收到消息Poll以后，记下接收时刻RP，然后延时Treply1的时间，发射消息Response，并记下发射时刻TR；DeviceA收到消息Response以后，记下接收时刻RR，然后延时Treply2的时间，发射消息Final，并记下发射时刻TF，此Final消息中还携带有Device A记录的时刻：TP，RR和TF；Device B收到Final消息以后，记下接收时刻RF，至此，Device B有足够的信息来计算TOF，以下为计算TOF的公式：
Figure BDA0001434938710000111
其中，Device A的信号往返时间Troundl＝RR-TP；Device B的信号往返时间Tround2＝RF-TR；Treply1＝TR-RP；Treply2＝TF-RR；Device B计算出两个定位节点之间的信号飞行时间TOF以后，可根据用户需要再把这个TOF返回给Device A以供Device A使用。这样第一级定位节点Device A就获取到了该级定位节点到该条链路的下一级定位节点Device B的信号飞行时间。
考虑到室内环境较为复杂，且各定位节点的位置可以根据需要进行调整，那么每条链路的每级定位节点可以按照预设时间间隔来获取该级定位节点到该条链路的下一级定位节点的信号飞行时间，将最接近当前时间所获取的信号飞行时间作为该级定位节点对应的信号飞行时间，这样可以保证定位节点对应的信号飞行时间是较为准确的。
上述预设时间间隔可以根据需要进行设定，当然，该预设时间间隔至少应该大于定位节点获取一次信号飞行时间的时长。
在本实施例的一种可选实施方式中，可以采用一种UWB模块，如DWM1000模块来获取信号飞行时间。由于TOF的稳定性将直接影响定位信号的时钟同步精度以及室内定位的精度。本可选实施方式中，通过实验对两个位置固定的DWM1000模块在视距条件下，进行两个小时的TOF测量，结果如图4b所示。
通过对TOF测量结果的采样结果进行Excel拟合分析可知，TOF的稳定性在0.5ns内波动，而1ns的时间波动会有0.3米的误差，而室内定位要实现米级的定位，要求时间波动在3ns左右。可见DWM1000模块能较精确地测量TOF且波动很小，这为定位节点之间无线同步方式提供了理论支撑。在另一实施方式中，也可考虑对所测量的TOF数据进行处理，进一步减小TOF的抖动，如卡尔曼滤波，均值滤波等。
图4c给出了一种室内定位节点分布图，每个圆环上都合理布置了一些定位节点(图中将定位节点简称为节点)，室内定位系统包含三级定位节点。当定位终端处在圆环1包围的区域内，由于一级节点与直放站间通过有线连接，一级节点与直放站间的时钟同步精度较高，当定位终端处于其他任意两个圆环之间的环形区域时，该定位终端接收的定位信号来自相邻两个圆环上的节点，不存在因多级节点分布导致的串行时钟同步误差累积，仅仅存在两个相邻级节点间的时钟同步波动，而两个相邻节点的UWB模块之间的TOF值在0.5ns内抖动，稳定性较好，从而为高精度室内定位打下了基础。
另外，图4c中，圆环1上的一级节点与直放站间的距离为d0，d0≥d或0＜d0＜d，可根据实际情况适当选取，优先选取d0＜d，可节省布线成本，以突出本发明的无线同步的优势，d为UWB模块的信号最大传输距离。圆环2上的二级节点，圆环3上的三级节点分别与上一级节点的距离都为d。因此，定位信号在室内定位系统的覆盖面积S为：
S＝π(2d+d0)2
其中，S的单位为平方米m2，π为圆周率，d0表示一级节点到直放站的距离，单位为米m，d表示UWB模块的信号最大传输距离，单位为米m。
目前，DWM1000模块的有效信号传输距离能达250m左右。因此，本实施例中，各级定位节点间基于无线通信方式实现对定位信号的时钟同步，能够实现定位信号在室内场所的大面积覆盖。
步骤S304，从每条链路的第一级定位节点到每条链路的倒数第二级定位节点，每条链路的每一级定位节点将该级定位节点对应的同步定位信号和信号飞行时间发送至该条链路的下一级定位节点；该下一级定位节点根据接收到的信号飞行时间，对接收到的同步定位信号进行时钟校正，得到该下一级定位节点对应的同步定位信号。
本实施例中，UWB模块有很大的带宽，从3.1GHz～10.6GHz，都是可使用的频段，以DWM1000模块为例，其信道划分如下表所示：
Figure BDA0001434938710000131
Figure BDA0001434938710000141
在本实施例中，可以通过每级定位节点的UWB模块实现：室内定位系统可以使用多信道对定位信号进行时钟同步。
一种实现方式中，室内定位网络的每条链路对应不同的信道，每条链路可以采用频分复用的方式对定位信号进行时钟同步，从而消除了不同链路在对定位信号进行时钟同步时的同频干扰。
相应地，每条链路的每一级定位节点可以通过该条链路对应的信道，将该级定位节点对应的同步定位信号和信号飞行时间发送至该条链路的下一级定位节点。
另一种实现方式中，对于相距较近的不同链路可采用不同的信道对定位信号进行时钟同步，例如：链路1和链路2分别使用信道a和b。相距较远的不同链路可以使用相同的信道对定位信号进行时钟同步，例如：链路2和链路3都使用信道b。链路使用不同的通道进行时钟同步，不同的链路的时钟同步过程可以在时间上重叠，而不会相互干扰。判断链路距离远近的方法可以采用图1所述实施例的获取链路的干扰信息的方法，当链路间存在干扰时，可以认为链路间相距较近，当链路间不存在干扰时，可以认为链路间相距较远。当然，采用相同信道的链路必然需要采用时分复用的方式分别进行时钟同步，以消除不同链路间的同频干扰。
另外，DWM1000在国内的可用频段为4.2GHz～4.8GHz和6.0GHz～9.0GHz。在定位节点的布设过程中，DWM1000模块间发送消息的帧格式是通用的，每个定位节点都可根据消息的来源地址、目的地址及帧头类型来进行信息筛选，当消息中的目的地址和DWM1000模块的地址一致时，DWM1000模块才接收该消息，以保证DWM1000模块不受其他DWM1000模块发来的消息的干扰。
需要说明的是，步骤S303和步骤S301、S302、S304之间没有严格的执行时间顺序。步骤S303的目的在于按照预设时间间隔获取信号飞行时间，以使得每级定位节点可以将较为准确的信号飞行时间发送给下一级定位节点。
本发明实施例提供的基于UWB的信号同步方法，以无线通信的方式，代替现有的TC-OFDM室内定位技术中各增补器间有线连接的方式，简化了室内定位系统的安装和维护过程，也便于对定位节点的位置进行灵活调整。在不影响定位精度的情况下，实现了室内各个定位节点与室外基站的定位信号的同步，并且利用时分-频分复用技术减小了同频干扰，提高了整个室内定位网络的定位信号的同步速度，从而为室内定位信号的大范围覆盖打下了基础。
图5为本发明实施例提供的一种室内定位系统的结构示意图。该室内定位系统包括直放站501和多级定位节点502，其中，多级定位节点502中的每级定位节点均包括至少一个定位节点。
直放站501，用于将室外基站的定位信号转发至室内定位系统对应的室内定位网络中每条链路的第一级定位节点；其中，每条链路均包括依次连接的每级定位节点中的一个节点。
每条链路的第一级定位节点，用于对定位信号进行预设处理，得到每条链路的第一级定位节点对应的同步定位信号。
从每条链路的第一级定位节点到每条链路的倒数第二级定位节点，每条链路的每一级定位节点，用于将该级定位节点对应的同步定位信号和信号飞行时间发送至该条链路的下一级定位节点；该下一级定位节点，用于根据接收到的信号飞行时间，对接收到的同步定位信号进行时钟校正，得到该下一级定位节点对应的同步定位信号；其中，每条链路的每一级定位节点对应的信号飞行时间为该级定位节点到该条链路的下一级定位节点的信号飞行时间。
一种实现方式中，每条链路的每级定位节点，还用于按照预设时间间隔获取该级定位节点到该条链路的下一级定位节点的信号飞行时间。
一种实现方式中，直放站501，具体用于通过有线通信方式将室外基站的定位信号转发至室内定位系统对应的室内定位网络中每条链路的第一级定位节点。
一种实现方式中，每条链路对应不同的信道。
每条链路的每一级定位节点，具体用于通过该条链路对应的信道，将该级定位节点对应的同步定位信号和信号飞行时间发送至该条链路的下一级定位节点。
一种实现方式中，每条链路的每一级定位节点，还用于在通过该条链路对应的信道，将该级定位节点对应的同步定位信号和信号飞行时间发送至该条链路的下一级定位节点前，获取该条链路的干扰信息；其中，干扰信息为：该条链路与所述室内定位网络中的其他链路是否存在干扰的信息。
每条链路的每一级定位节点，具体用于根据该条链路的干扰信息，判断该条链路是否与室内定位网络中的其他链路存在干扰，若存在，则存在干扰的两条链路，用于在不同时间段分别实现：每条链路的每一级定位节点通过该条链路对应的信道，将该级定位节点对应的同步定位信号和信号飞行时间发送至该条链路的下一级定位节点。
本发明实施例提供的室内定位系统，以无线通信的方式，代替现有的TC-OFDM室内定位技术中各增补器间有线连接的方式，简化了室内定位系统的安装和维护过程，也便于对定位节点的位置进行灵活调整。在不影响定位精度的情况下，实现了室内各个定位节点与室外基站的定位信号的同步，并且利用时分-频分复用技术减小了同频干扰，提高了整个室内定位网络的定位信号的同步速度，从而为室内定位信号的大范围覆盖打下了基础。
对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于UWB的信号同步方法，其特征在于，应用于室内定位系统，所述室内定位系统包括：直放站和多级定位节点，其中，所述多级定位节点中的每级定位节点均包括至少一个定位节点，所述方法包括：
所述直放站将室外基站的定位信号转发至所述室内定位系统对应的室内定位网络中每条链路的第一级定位节点；其中，所述每条链路均包括依次连接的所述每级定位节点中的一个定位节点；
所述每条链路的第一级定位节点对所述定位信号进行预设处理，得到每条链路的第一级定位节点对应的同步定位信号；
从每条链路的第一级定位节点到每条链路的倒数第二级定位节点，每条链路的每一级定位节点将该级定位节点对应的同步定位信号和信号飞行时间发送至该条链路的下一级定位节点；该下一级定位节点根据接收到的信号飞行时间，对接收到的同步定位信号进行时钟校正，得到该下一级定位节点对应的同步定位信号；其中，每条链路的每一级定位节点对应的信号飞行时间为该级定位节点到该条链路的下一级定位节点的信号飞行时间，该信号飞行时间用于表征：该级定位节点与到该条链路的下一级定位节点的传输时延。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
每条链路的每级定位节点按照预设时间间隔获取该级定位节点到该条链路的下一级定位节点的信号飞行时间。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述直放站将室外基站的定位信号转发至所述室内定位系统对应的室内定位网络中每条链路的第一级定位节点，包括：
所述直放站通过有线通信方式将室外基站的定位信号转发至所述室内定位系统对应的室内定位网络中每条链路的第一级定位节点。
4.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，所述每条链路对应不同的信道；
所述每条链路的每一级定位节点将该级定位节点对应的同步定位信号和信号飞行时间发送至该条链路的下一级定位节点，包括：
所述每条链路的每一级定位节点通过该条链路对应的信道，将该级定位节点对应的同步定位信号和信号飞行时间发送至该条链路的下一级定位节点。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述每条链路的每一级定位节点通过该条链路对应的信道，将该级定位节点对应的同步定位信号和信号飞行时间发送至该条链路的下一级定位节点的步骤前，所述方法还包括：
所述每条链路的每一级定位节点获取该条链路的干扰信息；其中，所述干扰信息为：该条链路与所述室内定位网络中的其他链路是否存在干扰的信息；
所述每条链路的每一级定位节点通过该条链路对应的信道，将该级定位节点对应的同步定位信号和信号飞行时间发送至该条链路的下一级定位节点，包括：
所述每条链路的每一级定位节点根据该条链路的干扰信息，判断该条链路是否与所述室内定位网络中的其他链路存在干扰，若存在，则存在干扰的两条链路在不同时间段分别实现：所述每条链路的每一级定位节点通过该条链路对应的信道，将该级定位节点对应的同步定位信号和信号飞行时间发送至该条链路的下一级定位节点。
6.一种室内定位系统，其特征在于，包括：直放站和多级定位节点，其中，所述多级定位节点中的每级定位节点均包括至少一个定位节点；
所述直放站，用于将室外基站的定位信号转发至所述室内定位系统对应的室内定位网络中每条链路的第一级定位节点；其中，所述每条链路均包括依次连接的所述每级定位节点中的一个定位节点；
所述每条链路的第一级定位节点，用于对所述定位信号进行预设处理，得到每条链路的第一级定位节点对应的同步定位信号；
从每条链路的第一级定位节点到每条链路的倒数第二级定位节点，每条链路的每一级定位节点，用于将该级定位节点对应的同步定位信号和信号飞行时间发送至该条链路的下一级定位节点；该下一级定位节点，用于根据接收到的信号飞行时间，对接收到的同步定位信号进行时钟校正，得到该下一级定位节点对应的同步定位信号；其中，每条链路的每一级定位节点对应的信号飞行时间为该级定位节点到该条链路的下一级定位节点的信号飞行时间，该信号飞行时间用于表征：该级定位节点与到该条链路的下一级定位节点的传输时延。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，
所述每条链路的每级定位节点，还用于按照预设时间间隔获取该级定位节点到该条链路的下一级定位节点的信号飞行时间。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，
所述直放站，具体用于通过有线通信方式将室外基站的定位信号转发至所述室内定位系统对应的室内定位网络中每条链路的第一级定位节点。
9.根据权利要求6-8任一所述的系统，其特征在于，所述每条链路对应不同的信道；
所述每条链路的每一级定位节点，具体用于通过该条链路对应的信道，将该级定位节点对应的同步定位信号和信号飞行时间发送至该条链路的下一级定位节点。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述每条链路的每一级定位节点，还用于在通过该条链路对应的信道，将该级定位节点对应的同步定位信号和信号飞行时间发送至该条链路的下一级定位节点前，获取该条链路的干扰信息；其中，所述干扰信息为：该条链路与所述室内定位网络中的其他链路是否存在干扰的信息；
所述每条链路的每一级定位节点，具体用于根据该条链路的干扰信息，判断该条链路是否与所述室内定位网络中的其他链路存在干扰，若存在，则存在干扰的两条链路，用于在不同时间段分别实现：所述每条链路的每一级定位节点通过该条链路对应的信道，将该级定位节点对应的同步定位信号和信号飞行时间发送至该条链路的下一级定位节点。
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