CN109474885A - 一种时间同步装置、标签、定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信领域，公开了一种时间同步装置：包括两个以上、且至少两两相接的时间同步组；每一所述时间同步组包括三个分设于顶点的、可接收信号的基站；两个相接的所述时间同步组至少共用同一个基站；至少两个所述时间同步组具有独立的时间同步进程，并具有不同的时间同步信息。另外，本发明还公开了与之相关的标签、定位系统以及定位方法。本发明的一些技术效果在于：通过将基站进行区域划分，使基站可区域化地独立执行的时间同步方式，可有利于实现对标签在每个区域内的高精度、快速定位；无需所有基站之间进行统一的时间同步，避免了逐级同步，没有误差累积，为大场景、多基站条件下的高精度定位需求合理地提供了基础设施支持。

Description

一种时间同步装置、标签、定位系统及方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种时间同步装置、标签、定位系统及方法。

背景技术

现有技术中，通过无线的方式实时确定物体位置的主流技术之一是TDOA(即TimeDifference of Arrival，可译作“到达时间差”)定位法：通过测量信号到达监测站(或基站)的时间，可以确定信号源(或标签)的距离，利用信号源到多个监测站的距离，就能确定信号源的位置。

关于TDOA技术在定位中的的具体应用，公开号为“CN103561387A”、名称为“一种基于TDoA的室内定位方法及系统”的专利文献，公开号为“CN107454671A”、名称为“一种基于TDOA定位的距离差处理方法及装置”的专利文献，公开号为“CN107389068A”、名称为“基于TDOA的二分查找定位方法”的专利文献等均有所提及。

需要指出的是，TDOA定位法实现的关键技术就是基站间的时间同步，如果要求实现厘米级定位，时间同步精度一般需要达到纳秒级。对于一些大场景，特别是有障碍物的情况下，如何保证多基站时间同步就成为TDOA技术实时定位的关键。

对此，目前的主流解决方案是任选一基站作为主基站，主基站发送带有时间戳的广播报文，接收到主基站同步报文的次基站把时间同步到接收的广播报文所带时间戳的时间。对于超过主基站信号覆盖范围的其他基站，需手工设置次主基站，把同步信号像水波纹扩散那样逐级传递下去。对于被障碍物(如柱子)遮挡信号的基站群，根据可以覆盖的范围，手工选择次主基站，然后再向未进行时间同步的基站发射同步信号。最后通过层层信号的传输，统一所有基站的时间基准。

然而，前述的方案，由于同步信号需要在多个基站中进行逐级传播，容易产生误差累积，对于光速传输的信号，纳秒级的误差累积就将会达到30cm，这种误差累积对高精度定位是不可接受的。另外，手工设置基站的传播级数，也产生了繁琐的工作甚至可能会发生遗漏指定基站的情况。

发明内容

为解决上述的至少一个技术问题，本发明提出了一种时间同步装置、标签、定位系统及方法。

一种时间同步装置，包括两个以上、且至少两两相接的时间同步组；每一所述时间同步组包括三个分设于顶点的、可接收信号的基站；两个相接的所述时间同步组至少共用同一个基站；至少两个所述时间同步组具有独立的时间同步进程，并具有不同的时间同步信息。

优选地，所述两个相接的时间同步组，其共用的基站存储有至少两份对应不同的时间同步进程的时间同步信息文件。

优选地，每一所述时间同步组由三个分设于顶点的基站组成。

优选地，设于任一时间同步组顶点的任一个基站，均落入另外两个基站的视距范围。

优选地，在特定的场地，组成时间同步组的第一部分基站以设定的第一距离，在至少一个视角下，环绕地位于所述场地边缘的附近；若所述场地内存在障碍物，组成时间同步组的第二部分基站以设定的第二距离，在至少一个视角下，环绕地位于所述障碍物表面的附近。

一种标签，具有信号反馈装置；所述信号反馈装置用于发射或反射特定信号；所述特定信号能被至少两个时间同步组的所有基站所识别。

一种定位系统，具有定位解算模块，所述定位系统包括所述时间同步装置以及所述标签；所述定位解算模块用于获取所述特定信号到达某一时间同步组的所有基站的时间同步信息，并按TDOA定位法解算出所述标签的位置信息。

一种定位方法，所述标签落入某一时间同步组的所有基站的信号覆盖范围内并发送特定信号；该时间同步组的每一基站按照相应的时间同步进程，记录特定信号到达的时间，从而产生时间同步信息；定位解算模块获取所述时间同步信息，利用TDOA定位法解算出所述标签的位置信息。

优选地，所述标签在不同时间同步组的信号覆盖范围内时，触发对应的时间同步组的基站按照相应的时间同步进程，产生相应的时间同步信息。

优选地，对每个所述时间同步组设定触发条件，当触发条件被满足时，其对应的时间同步组被允许参与定位解算，所述触发条件包括：该时间同步组的全部基站接收到的特定信号的强度在设定范围内；若对于一个标签，两个以上的时间同步组均满足触发条件，则选择最早满足的触发条件对应的时间同步组，使其参与定位解算，其他时间同步组在此时不参与该标签的定位解算。

本发明的一些技术效果在于：

提供了一种时间同步装置，在保证信号完整覆盖的前提下，通过将基站进行区域划分，使基站可区域化地独立执行时间同步，可有利于实现对标签在每个区域内的高精度、快速定位；无需所有基站之间进行统一的时间同步，避免了逐级同步，以及因此带来的误差累积，为大场景、多基站条件下的高精度定位需求合理地提供了基础设施支持。

附图说明

为更好地理解本发明的技术方案，可参考下列的、用于对现有技术或实施例进行辅助说明的附图。这些附图将对现有技术或本发明部分实施例中，涉及到的产品或方法有选择地进行展示。这些附图的基本信息如下：

图1是一个实施例中，基站与标签的位置示意图，图中的虚线示意基站与基站之间可以组成多个呈三角形的通信组或基站群，即时间同步组；

图2是一个实施例中，基站的一种部署示意图，A、B、C、D示意基站之间组成的四个三角形区域。

上述附图中，附图标记及其所对应的技术特征如下：

1-基站；2-标签；3-场地边界；4-柱子；

11-基站一；12-基站二；13-基站三；14-基站四；15-基站五；16-基站六。

具体实施方式

下文将对本发明涉及的技术手段或技术效果作进一步的展开描述，显然，所提供的实施例仅是本发明的部分实施方式，而并非全部。基于本发明中的实施例以及图文的明示或暗示，本领域技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所能获得的所有其他实施例，都将在本发明保护的范围之内。

在一个实施例中，本发明提供了一种时间同步装置，包括两个以上、且至少两两相接的时间同步组；每一所述时间同步组包括三个分设于顶点的、可接收信号的基站；两个相接的所述时间同步组至少共用同一个基站；至少两个所述时间同步组具有独立的时间同步进程，并具有不同的时间同步信息。

所述时间同步装置特别适用于TDOA定位法，但本领域技术人员可以理解的是，它也适用于其他的通讯或定位方法——只要这样的通讯或定位方法有着多个基站需要进行时间同步的需求。

所述时间同步组的数量可以是多个，每个时间同步组至少包括三个基站，意味着在另一些实施例中，有的时间同步组可以采用四个或更多的基站。在一些情况下，时间同步组可以仅仅只包含基站；在一些情况下，时间同步组除了包含基站，也可以包含计算器或存储器。

“包括三个分设于顶点的基站”指某些情况下，一个时间同步组中可能存在三个以上的基站，但这些基站构成时间同步组的边界时，至少应有三个基站位于这个边界的顶点位置，即组成一个时间同步组的基站，至少可以在位置上构成一个三角形。

时间同步组可以人为指定划分，也可以根据一定计算机指令进行自动划分，时间同步组的本质是在于体现基站之间的通讯关系，一般来说，组成时间同步组的若干基站，它们之间可以相互通信，但也不排除这样的可能：时间同步组里某基站作为主基站，其他基站作为从基站，主基站可与所有从基站进行双向通信，从基站间无相互通信的需求。

需要注意的是，本文所说的基站并非要完全统一地建设在同一水平高度，本领域技术人员在实施时，可参考现有技术根据实际地形、要求、施工规范等而进行变通和调整。另外，每个基站也不要求必须在软硬件上均保持一致和统一，每个基站具体的构造并非本发明的公开要点，在此不作展开。

需要注意的是，一个时间同步组的基站所在平面，与另一个时间同步组的基站所在平面，这两个平面可以是同一平面，也可以是相交的不同平面。

本领域技术人员所知，要实现在某一时刻对某一标签(即信号源)进行定位，需要对相关基站之间的时间进行同步。依据本发明的技术方案，若某一时间同步组包括三个基站，则时间同步的方法之一如下：

如图2所示，假设某一时间同步组由基站一11、基站二12、基站四14组成，则可让基站一11分别向其余两个基站发送带有自身时间戳的消息，假设该时间戳对应的时间为T1，基站一11与基站二12的距离为D12，与基站四14的距离为D14，，基站二12接收到该消息的时间为T2，基站四14接收到该消息的时间为T4；

则基站二12的同步时间为：T2-(T2-T1)-D12/C；

基站四14的同步时间为：T4-(T4-T1)-D14/C；其中C为消息传播速度。

如此，三个基站便有了各自的同步时间信息，当标签的位置需要依靠这三个基站进行确定时，依据同步时间信息，便可快速获知标签的特定信号分别到达三个基站的时间之差。利用TDOA定位法，可解算标签的坐标位置。

进一步地，如图2所示，假设时间同步装置包括第一时间同步组(由基站一11、基站二12、基站四14组成)、第二时间同步组(由基站二12、基站三13、基站五15组成)、第三时间同步组(由基站二12、基站四14、基站五15组成)、第四时间同步组(由基站四14、基站五15、基站六16组成)，则当标签分别位于区域A、区域B、区域C、区域D时，可分别通过第一时间同步组、第二时间同步组、第三时间同步组、第四时间同步组协助进行定位解算。

可见，而依据本发明的时间同步装置的设计方式，基站一11、基站二12、基站三13、基站四14、基站五15、基站六16无须相互、逐一建立起时间同步关系。例如基站一11无需和基站六16具有时间同步关系，即第一时间同步组与第四时间同步组无需具有相同的时间同步进程，这样的好处是，即使第一时间同步组具有一定时间同步的误差，也不会对第四时间同步组的时间同步造成影响，而现有技术中的时间同步方式，若时间同步是由基站一11发起，则很有可能将误差逐级传递给基站六16。

本发明所述的时间同步装置，对于时间同步组的要求是“两个以上、且至少两两相接”，两两相接的意思是，时间同步组可以一个接一个，也可以是一个接两个(如图2，第一时间同步组分别于第二时间同步组、第三时间同步组相接)，也可以是一个接三个(如图2，第三时间同步组分别与第一时间同步组、第二时间同步组、第四时间同步组相接)或更多。时间同步组相接的好处在于，既可以共用基站，也可以全面完整地覆盖某一场地，避免存在定位/通信盲区。

对于前述的“时间同步进程”，在此作进一步说明。本领域技术人员可以理解的是，对多个基站进行时间同步，可以有多种方法，例如可以通过一个主基站发送带有时间戳的消息给从基站，也可以是基站之间依次发送消息而进行同步，也可以由其他通信端发送带有时间戳的消息给所有基站。在一些情况下，时间同步进程，可以理解为时间同步方法。

本发明的时间同步装置至少具有两个不同的时间同步进程，还可以理解为：至少两个时间同步组执行的时间同步方式是单独的，根据具体实施的需求，多个时间同步组之间可以无需统一同步时间，可以不遵循统一时间同步的基准，例如，第一时间同步组可以在某一时刻进行时间同步，而第二时间同步组可以在没有关联的下一时刻进行时间同步。

在图2所示的实施例中，每个时间同步组只需对各自的时间同步负责，不需理会其他时间同步组的时间同步的发起时机、结束时间、校准频率等。将基站进行区域化的划分而得到一个个的时间同步组，使得基站可以区域化地进行时间同步和校准，对于时间同步精度的提高具有非凡的意义。

本发明所说的“时间同步信息”，一般可以理解为时间同步组执行时间同步之中或之后，产出或生成的相关信息，例如时间同步结果记录/日志。更具体地，时间同步信息是由每个基站生成的，而时间同步信息可以通过文件的方式，被每个基站所储存，也可以设计

成由基站外的存储器进行存储的方式。

在一个实施例中，所述两个相接的时间同步组，其共用的基站存储有至少两份对应不同的时间同步进程的时间同步信息文件。若该基站还属于第三个时间同步组，也可以存储有第三份时间同步信息文件。

在一个实施例中，如图1所示，每一所述时间同步组由三个分设于顶点的基站组成，这样使得时间同步装置整体架构更加简化而且有规律，每一个时间同步组可以负责一个三角形区域的定位/通讯。

在一个实施例中，设于任一时间同步组顶点的任一个基站，均落入另外两个基站的视距范围，这样保证了时间同步组的三角形区域内，无论标签(信号源)处于具体哪个点，该时间同步组的所有基站均能接收到比较良好的信号。从整体而言，这样的设计也使整个时间同步装置的结构更为紧凑，对于提升定位精度能起到较好效果。

在一个实施例中，在特定的场地，组成时间同步组的第一部分基站(时间同步装置包括了多个部分的基站，第一部分基站是其中之一，第一部分基站是指若干时间同步组的若干个基站)以设定的第一距离，在至少一个视角下，环绕地位于所述场地边缘的附近；若所述场地内存在障碍物，组成时间同步组的第二部分基站(第二部分基站是指若干时间同步组的另外一些基站)以设定的第二距离，在至少一个视角下，环绕地位于所述障碍物表面的附近。该实施例可参照图1进行理解，图1是一个特定的场地(室内)，视角是俯视，其中的20个圆圈示意基站1，2个实线三角形示意标签2，最外的一圈实线示意场地边界3(即前述场地边缘)，里面的两个实线矩形示意柱子4(即前述障碍物)，虚线连接成的一个个三角形示意一个个的时间同步组。由图1可看到，场地边界3的附近，环绕地设置有基站1(第一部分基站)，柱子4的边缘附近，也环绕地设置有基站1(第二部分基站)，这样能保证基站信号的全面覆盖，避免出现室内定位的盲区。每个时间同步组均有独立的时间同步进程，其产生的时间同步误差一般仅限于该时间同步组的范围，而不会影响到其他的时间同步组。图1中有两个标签2，则在需要进行定位时，由对应区域的时间同步组参与即时解算，这两个时间同步组在时间同步上，不需要有所关联。

在一个实施例中，本发明提供了一种标签，具有信号反馈装置；所述信号反馈装置用于发射或反射特定信号；所述特定信号能被至少两个时间同步组的所有基站所识别。

在一个实施例中，本发明提供了一种定位系统，具有定位解算模块，所述定位系统包括所述时间同步装置以及所述标签；所述定位解算模块用于获取所述特定信号到达某一时间同步组的所有基站的时间同步信息，并按TDOA定位法解算出所述标签的位置信息。需要注意的是，定位解算模块可以单独地存在于脱离基站的控制中心或处理中心，也可以单独地存在于某个基站中，也可以部分地存在于某个基站中。这意味着在一些实施例中，基站可以具有解算功能，某个基站可以搜集该时间同步组的时间同步信息，而进行定位解算；在另一些实施例中，基站可以将时间同步信息发送至控制中心或后台，由控制中心或后台进行定位解算。

在一个实施例中，本发明提供了一种定位方法，所述标签落入某一时间同步组的所有基站的信号覆盖范围内并发送特定信号；该时间同步组的每一基站按照相应的时间同步进程，记录特定信号到达的时间，从而产生时间同步信息；定位解算模块获取所述时间同步信息，利用TDOA定位法解算出所述标签的位置信息。所述特定信号，可以具有多种表现形式(包括可以在频率、内容或数量上，与噪声或其他信号有所区别)，一般可理解为由标签发出/反射，被基站识别及接收，用于计算到达时间差的信号。

在一个实施例中，所述标签在不同时间同步组的信号覆盖范围内时，触发对应的时间同步组的基站按照相应的时间同步进程，产生相应的时间同步信息。具体而言，在一个特定环境下，如室内定位的环境下，标签在室内移动，当标签落入对应的时间同步组的区域，则由该时间同步组参与定位解算，移动到其他时间同步组的区域，则由其他的时间同步组参与定位解算。

在一个实施例中，对每个所述时间同步组设定触发条件，当触发条件被满足时，其对应的时间同步组被允许参与定位解算(被允许是指“可以”，但如果有其他约束条件，还需满足这些约束条件)，所述触发条件包括：该时间同步组的全部基站接收到的特定信号的强度在设定范围内；若对于一个标签，两个以上的时间同步组均满足触发条件，则选择最早满足的触发条件对应的时间同步组，使其参与定位解算，其他时间同步组在此时不参与该标签的定位解算。需要注意的是，每个时间同步组的触发条件可以是不一样的，也可以是部分相同的，具体而言，可以单独地对每个基站设置细分的触发条件，一个时间同步组所有基站细分的触发条件都被满足时，可以认为该时间同步组的触发条件得到满足。细分的触发条件一般为：该基站接收到的特定信号的强度值，在一个设定的范围内。这些触发条件的信息可以被存储在基站内，也可以被存储在基站外的存储器中。

该实施例体现出来的优势之一是：当一个标签发出的特定信号同时被一个以上的时间同步组所接收到时，通过前述方法能快速决定哪个时间同步组参与定位解算，不参与定位解算的时间同步组可以进行待机，从而降低整个系统的运算量。

在一个实施例中，可以通过记录每个时间同步组参与定位解算的频率而调整时间同步组时间同步误差的校准频率，即经常要参与定位解算的时间同步组，需要更为频繁地进行时间同步误差的校准。这样可避免所有的时间同步组均进行频繁的时间同步误差校准，节省了定位系统和校准人员的工作量。

在符合本领域技术人员的知识和能力水平范围内，本文提及的各种实施例或者技术特征在不冲突的情况下，可以相互组合而作为另外一些可选实施例，这些并未被一一罗列出来的、由有限数量的技术特征组合形成的有限数量的可选实施例，仍属于本发明揭露的技术范围内，亦是本领域技术人员结合附图和上文所能理解或推断而得出的。

最后再次强调，上文所列举的实施例，为本发明较为典型的、较佳实施例，仅用于详细说明、解释本发明的技术方案，以便于读者理解，并不用以限制本发明的保护范围或者应用。

因此，在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等而获得的技术方案，都应被涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种时间同步装置，其特征在于：

包括两个以上、且至少两两相接的时间同步组；

每一所述时间同步组包括三个分设于顶点的、可接收信号的基站；

两个相接的所述时间同步组至少共用同一个基站；

至少两个所述时间同步组具有独立的时间同步进程，并具有不同的时间同步信息。

2.根据权利要求1所述的时间同步装置，其特征在于：

所述两个相接的时间同步组，其共用的基站存储有至少两份对应不同的时间同步进程的时间同步信息文件。

3.根据权利要求1所述的时间同步装置，其特征在于：

每一所述时间同步组由三个分设于顶点的基站组成。

4.根据权利要求3所述的时间同步装置，其特征在于：

设于任一时间同步组顶点的任一个基站，均落入另外两个基站的视距范围。

5.根据权利要求1所述的时间同步装置，其特征在于：

在特定的场地，组成时间同步组的第一部分基站以设定的第一距离，在至少一个视角下，环绕地位于所述场地边缘的附近；

若所述场地内存在障碍物，组成时间同步组的第二部分基站以设定的第二距离，在至少一个视角下，环绕地位于所述障碍物表面的附近。

6.一种标签，其特征在于：

具有信号反馈装置；

所述信号反馈装置用于发射或反射特定信号；

所述特定信号能被至少两个时间同步组的所有基站所识别。

7.一种定位系统，具有定位解算模块，其特征在于：

所述定位系统包括所述时间同步装置以及所述标签；

所述定位解算模块用于获取所述特定信号到达某一时间同步组的所有基站的时间同步信息，并按TDOA定位法解算出所述标签的位置信息。

8.一种定位方法，其特征在于：

所述标签落入某一时间同步组的所有基站的信号覆盖范围内并发送特定信号；

该时间同步组的每一基站按照相应的时间同步进程，记录特定信号到达的时间，从而产生时间同步信息；

定位解算模块获取所述时间同步信息，利用TDOA定位法解算出所述标签的位置信息。

9.根据权利要求8所述的定位方法，其特征在于：

所述标签在不同时间同步组的信号覆盖范围内时，触发对应的时间同步组的基站按照相应的时间同步进程，产生相应的时间同步信息。

10.根据权利要求8所述的定位方法，其特征在于：

对每个所述时间同步组设定触发条件，当触发条件被满足时，其对应的时间同步组被允许参与定位解算，所述触发条件包括：该时间同步组的全部基站接收到的特定信号的强度在设定范围内；

若对于一个标签，两个以上的时间同步组均满足触发条件，则选择最早满足的触发条件对应的时间同步组，使其参与定位解算，其他时间同步组在此时不参与该标签的定位解算。