CN109327900A - 一种基于非扩频无线通信系统的定位授时方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非扩频无线通信系统的定位授时方法。该方法结合非扩频通信系统的特点，通过采用双向测量技术，并在信号发送时采用MAC层加载时间戳技术，信号接收时采用高频采样装置和插值滤波器技术，并结合高稳定时钟源实现通信双方的距离测量和时间同步。在此基础上使用多基准节点定位技术实现了相对/绝对定位。最终解决了非扩频无线通信系统的测量问题，实现了非扩频无线通信系统的定位授时。

Description

一种基于非扩频无线通信系统的定位授时方法

技术领域

本发明涉及通信、导航、时间频率等领域，尤其涉及基于非扩频通信系统的定位授时问题。

背景技术

自GPS系统应用以来，基于卫星导航系统的定位授时技术得到了广泛的应用。然而到达地面的卫星导航信号电平较低，且容易受到建筑物等的遮挡，影响定位授时效果。例如，在山谷中，建筑物内等场景中，卫星导航系统几乎无法使用。我国在军民领域已建成多种通信系统，其信号抗干扰、遮挡能力较强，且覆盖广泛。因此，研究基于通信系统的定位授时方法得到了越来越多学者的注意。

卫星导航系统基于到达时间(Time ofArrival,TOA)原理进行定位授时。其实现基于伪码测量技术，即使用伪码的相位来标记信号的收发时刻，从而测量信号从已知位置的发射源至用户接收机所经历的时间，信号接收端最终经过相应的计算得到定位授时信息。无线电定位技术基于两点的无线电测距，由于无线电测距是由光速与信号传播时间的乘积得来的，而信号传播时间的精度由时间同步精度决定，因此提升时间同步精度即可提升测距精度。现有通信系统具备一定的时间同步能力，但其主要为信号收发服务，其设计精度较低，一般仅为毫秒级，因而其测距误差高达数十公里，对于定位来说基本没有参考意义。

例如4G移动通信、电台、wifi等广泛应用的无线通信手段并未采用扩频的通信体制，此类系统无法借助于伪码测量技术进行收发时间戳的标记等，因此针对非扩频通信系统研究定位授时方法是十分必要的。

本发明方法主要针对非扩频移动通信系统，针对信号收发特点，以及时间同步技术体制，通过一定的优化设计可大幅提升时间同步能力，从而使得通信信号具备一定的测距能力，并借助多个节点间的相对测量即可获得定位信息。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对非扩频通信系统，提出一种有效的定位授时方法，该方法能够解决非扩频无线通信系统定位授时的问题。在做有限改动的前提下可提升非扩频通信系统的时间同步精度，从而使得通信系统具备一定的测距、定位能力。

本发明采用的技术方案为：

一种基于非扩频无线通信系统的定位授时方法，其具体步骤如下：

一种基于非扩频无线通信系统的定位授时方法，包括以下步骤：

(1)信号收发双方建立通信链接后，请求方分别向每个被请求方发送测量请求信号；所述的被请求方大于等于三个；

(2)每个被请求方接收到测量请求信号后，在资源允许的情况下，分别向请求方发送应答信号，应答信号中包含应答信号的发送时间，即应答信号发送时间戳；

(3)请求方接收到每个被请求方的应答信号后分别记录每个应答信号的到达时刻，即应答信号到达时间戳，并在资源允许的情况下，分别快速地向每个被请求方发送反馈信息，该反馈信息中包含反馈信息的发送时间，即反馈信息发送时间戳；

(4)每个被请求方接收到反馈信息后，分别记录反馈信息的到达时刻，即反馈信息接收时间戳，并分别向请求方发送延迟反馈信息，该延迟反信息携带有反馈信息接收时间戳；

(5)请求方在接收到每个被请求方的延迟反馈信息后，利用与每个被请求方的应答信号发送时间戳、应答信号到达时间戳、反馈信息发送时间戳和反馈信息接收时间戳计算请求方和每个被请求方之间的时间差ΔT和距离r；

(6)根据请求方和每个被请求方之间的时间差ΔT和距离r计算请求方的相对或绝对位置信息；

完成基于非扩频无线通信系统的定位授时。

其中，步骤(5)中，请求方和每个被请求方之间的时间差ΔT和距离r计算公式如下：

式中，分别为请求方和每个被请求方两个节点的发送接收时延，通过高精度的时延标校技术标记得到；r₁、r₂为应答信号和反馈信息所传输的距离，c为光速；与光速相比节点移动速度较小可以忽略，设应答信号和反馈信息所经过的路径是对称的，将上面两个式子做差得到ΔT，求和得到距离r。

其中，其中步骤(6)中请求方的相对或绝对位置信息计算方式如下：

请求方的定位算法通过求解以下方程组：

式中，[x,y,z]^T为请求方的位置坐标向量，[x⁽ⁱ⁾,y⁽ⁱ⁾,z⁽ⁱ⁾]^T i＝1,2…n·.·为被请求方位置坐标，被请求方的位置为已知位置，r₁、r₂、···r_n为请求方和每个被请求方之间的距离，n为被请求方的个数；

其中，每一个方程式对应于请求方与一个被请求方的距离测量值，在上述整个方程组中，若各基准节点的位置坐标值[x⁽ⁱ⁾,y⁽ⁱ⁾,z⁽ⁱ⁾]^Ti＝1,2…n由节点事先测量或部署在位置已知的地方，则请求方获得的为绝对位置；若各基准节点的位置坐标值由各基准节点自行组成坐标系，[x⁽ⁱ⁾,y⁽ⁱ⁾,z⁽ⁱ⁾]^Ti＝1,2…n代表各基准节点在独立坐标系中的位置，则请求方获得的是相对位置。

其中，，请求方和被请求方的时钟源使用外接或内置原子钟、高稳晶振。

其中，，步骤(2)和(4)中的应答信号发送时间戳和反馈信息发送时间戳在MAC层或物理层进行标记。

其中，，步骤(3)和(4)中的应答信号到达时间戳和反馈信息接收时间戳使用高频采样装置并结合插值滤波器进行标记。

本发明相比背景技术具有如下优点：

(1)本发明提出的一种基于非扩频无线通信系统的定位授时方法解决了非扩频无线通信系统定位授时的问题，适用范围广，硬件改动少，便于实现。

(2)本发明提出的一种基于非扩频无线通信系统的定位授时方法完全基于通信链路，不会对原有系统增加额外的开销，并且可以同时完成时间同步和距离测量。

附图说明

图1是本发明定位授时方法的示意图。

图2是本发明MAC层时间戳加载示意图。

图3是本发明接收采样示意图。

图4是本发明通过与多个基准节点进行测量从而完成定位的示意图。

具体实施方式

下面结合附图1～4对本发明做进一步的详细的说明。

扩频系统可以利用伪码的相关性进行测量，具备较高的精度，本发明是为了解决非扩频通信系统的测量问题。现有多数通信设备在做有限改动的前提下可提升非扩频通信系统的时间同步精度，从而使得通信系统具备一定的定位授时能力。

一种基于非扩频通信系统的定位授时方法，其具体过程如下：

图1是本发明方法的工作示意图。本发明方法的工作流程如下：

(1)通信双方建立通信链接，B节点向A节点发出请求测量信号；A、B两个节点应使用外接或内置原子钟、高稳晶振等高精度的时钟源，替换通信设备中的现有时钟源，以提升时间同步精度和守时精度。

(2)被A节点作为被请求方，在接收到测量请求信号后，向B节点发送应答信号M1，应答信号M1中包含信号的发送时间，即应答信号发送时间戳，记为t1。应答信号发送时间戳表示信号的发送时刻，在伪码体制下发送时间可以通过伪码相位表示，而在非伪码体制下应使用图2所示的方式，将时间戳信息在最靠近物理层的MAC层进行加载，以做到尽量精确的表示信号发送时刻。

(3)请求方B节点接收到应答信号后记录信号的到达时刻，即应答信号到达时间戳，记为t2；B节点随后向A节点发送反馈信息M2，该信号中包含信号的发送时间戳，记为t3；具体为：

(301)如图3所示，到达时间戳的精度与采样点的间隔密切相关，采样点越密集，到达时刻的标记越精确。应使用高频采样装置并结合插值滤波器提升采样精度。

(302)B节点在条件允许的情况下，尽量快速地向A节点发送反馈信息M2。因为A、B之间有相对运动，应使信息M1和M2经历的传输路径尽量对称，以消除路径传播时延。因此t1和t3应尽量的接近。

(303)发送时间戳的加载应使用图2所示方式，加载在靠近物理层的MAC层，或直接加载在物理层。

(4)A节点接收到反馈信息后，记录信号到达时刻，记为t4；与步骤(301)一样，应使用高频采样装置并结合插值滤波器提升采样精度从而提升信号到达时刻的标记精度。A随后发送延迟反馈信息M3，该信息携带有先前的M2到达的准确的接收时间戳t4；

(5)B节点在接收到M3信息后，利用t1、t2、t3、t4四个时间戳信息可以计算出A、B双方的时间差ΔT和距离r；其中计算原理如下所示：

设A、B时差为ΔT，则：

其中，分别为AB两个节点的发送接收时延，可以通过高精度的时延标校技术标记出来。r₁、r₂为信息M1、M2所传输的距离，c为光速，与光速相比节点移动速度较小可以忽略，假设M1和M2信息所经过的路径是对称的，即r₁≈r₂。将上面两个式子做差即可求得ΔT，求和即可求得距离r。

(6)如图4所示，当有大于3个被请求方，每个被请求方都可以看做是基准节点，记为A1、A2…An。节点B针对每个基准节点A1、A2…An执行步骤(1)～(5)计算B与基准节点的的时间差和距离，进而可以得到B相对于A1、A2…An的位置。当A1、A2…An的位置是绝对位置时，B获得位置也是绝对位置。A1、A2…An的位置是区域坐标系中的相对位置时，B获得的是相对位置。上述B的位置计算过程有如下步骤：

(601)假设未知节点B的位置坐标向量为[x,y,z]^T，基准节点A1、A2…An的位置坐标为[x⁽ⁱ⁾,y⁽ⁱ⁾,z⁽ⁱ⁾]^Ti＝1,2,3…n；

(602)节点B与基准节点A1、A2…An之间分别执行步骤(2)～(5)，获得距离r₁,r₂…r_n；

(603)那么未知节点B的定位算法的本质就是求解以下一个三元非线性方程组：

其中的每一个方程式对应于B与一个已知节点的距离测量值。在上述整个方程组中，各已知节点的位置坐标值[x⁽ⁱ⁾,y⁽ⁱ⁾,z⁽ⁱ⁾]^Ti＝1,2…n可由节点事先测量或部署在位置已知的地方，发送至被测节点B，这样B获得的就是绝对位置。也可以由已知节点自行组成坐标系，[x⁽ⁱ⁾,y⁽ⁱ⁾,z⁽ⁱ⁾]^Ti＝1,2…n代表各已知节点在独立坐标系中的位置，则被测节点B获得的是相对位置信息。

基于上述步骤(1)～(5)可以完成两个节点间的距离测量和时间同步，基于上述步骤(1)～(6)可以完成节点的定位和时间同步。

Claims (6)

1.一种基于非扩频无线通信系统的定位授时方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)信号收发双方建立通信链接后，请求方分别向每个被请求方发送测量请求信号；所述的被请求方大于等于三个；

(2)每个被请求方接收到测量请求信号后，在资源允许的情况下，分别向请求方发送应答信号，应答信号中包含应答信号的发送时间，即应答信号发送时间戳；

(3)请求方接收到每个被请求方的应答信号后分别记录每个应答信号的到达时刻，即应答信号到达时间戳，并在资源允许的情况下，分别快速地向每个被请求方发送反馈信息，该反馈信息中包含反馈信息的发送时间，即反馈信息发送时间戳；

(4)每个被请求方接收到反馈信息后，分别记录反馈信息的到达时刻，即反馈信息接收时间戳，并分别向请求方发送延迟反馈信息，该延迟反信息携带有反馈信息接收时间戳；

(5)请求方在接收到每个被请求方的延迟反馈信息后，利用与每个被请求方的应答信号发送时间戳、应答信号到达时间戳、反馈信息发送时间戳和反馈信息接收时间戳计算请求方和每个被请求方之间的时间差ΔT和距离r；

(6)根据请求方和每个被请求方之间的时间差ΔT和距离r计算请求方的相对或绝对位置信息；

完成基于非扩频无线通信系统的定位授时。

2.根据权利要求1所述的一种基于非扩频无线通信系统的定位授时方法，其特征在于，步骤(5)中，请求方和每个被请求方之间的时间差ΔT和距离r计算公式如下：

式中，分别为请求方和每个被请求方两个节点的发送接收时延，通过高精度的时延标校技术标记得到；r₁、r₂为应答信号和反馈信息所传输的距离，c为光速；与光速相比节点移动速度可忽略，设应答信号和反馈信息所经过的路径是对称的，将上面两个式子做差得到请求方和每个被请求方之间的时间差ΔT，求和得到请求方和每个被请求方之间的距离r。

3.根据权利要求1所述的一种基于非扩频无线通信系统的定位授时方法，其特征在于，其中步骤(6)中请求方的相对或绝对位置信息计算方式如下：

请求方的定位算法通过求解以下方程组：

式中，[x,y,z]^T为请求方的位置坐标向量，[x⁽ⁱ⁾,y⁽ⁱ⁾,z⁽ⁱ⁾]^Ti＝1,2…n为被请求方位置坐标，被请求方的位置为已知位置，r₁、r₂、···r_n为请求方和每个被请求方之间的距离，n为被请求方的个数；

其中，每一个方程式对应于请求方与一个被请求方的距离测量值，在上述整个方程组中，若各被请求方的位置坐标值[x⁽ⁱ⁾,y⁽ⁱ⁾,z⁽ⁱ⁾]^Ti＝1,2…n由节点事先测量或部署在位置已知的地方，则请求方获得的为绝对位置；若各被请求方的位置坐标值由各基准节点自行组成坐标系，[x⁽ⁱ⁾,y⁽ⁱ⁾,z⁽ⁱ⁾]^Ti＝1,2…n代表各基准节点在独立坐标系中的位置，则请求方获得的是相对位置。

4.根据权利要求1所述的一种基于非扩频无线通信系统的定位授时方法，其特征在于，请求方和被请求方的时钟源使用外接或内置原子钟、高稳晶振。

5.根据权利要求1所述的一种基于非扩频无线通信系统的定位授时方法，其特征在于，步骤(2)和(4)中的应答信号发送时间戳和反馈信息发送时间戳在MAC层或物理层进行标记。

6.根据权利要求1所述的一种基于非扩频无线通信系统的定位授时方法，其特征在于，步骤(3)和(4)中的应答信号到达时间戳和反馈信息接收时间戳使用高频采样装置并结合插值滤波器进行标记。