CN109618299A - 基于多节点接力式时钟同步的封闭空间定位系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多节点接力式时钟同步的封闭空间定位系统和方法，属于封闭空间内对目标终端精确定位技术领域。该系统包括每个封闭空间小区由以太网相连的一根或多根电缆、多个定位节点、多个定位终端、一个兼容WIFI协议的接入点，一个井下网络交换机组成的小区定位网络、地面控制中心；该定位节点基于ToA同步算法进行全网同步以实现定位；该方法使用ToA方法检测两个定位节点之间的距离，此距离信息被前一个节点用于同步下一个节点，各节点依次接力连接下一个定位节点从而达到大型定位网络的全网同步。本发明解决了封闭空间大型定位网络缺乏时钟同步而导致系统容量受限的问题，特别适应于特殊环境封闭空间内多移动目标的精确定位。

Description

基于多节点接力式时钟同步的封闭空间定位系统和方法

技术领域

本发明属于封闭空间内对目标终端精确定位技术领域，具体涉及一种基于多节点接力式时钟同步的封闭空间定位系统和方法。

背景技术

封闭空间内随着目标终端和通信通道的不断增加对多节点大型定位网络的精确定位要求越来越高。现有的封闭空间通信和定位基本分为有线和无线相结合的主动通过BT(蓝牙)/WiFi(无线局域网)通信方式或被动RFID(射频标签)对目标节点的位置进行检测并传输数据。目前以被动(RFID)刷卡的方式占多数，这种方式无法满足现代技术的对自动化和智能化的要求。例如在矿井下复杂多变的客观环境和煤矿工业天然存在的危险性，构成了对矿工生命和矿井财产安全的极大威胁。一旦紧急情况如矿难发生，由于对井下工作人员方位的缺失，往往造成援救不能及时到达，导致人员生命财产的损失。所以精确的井下定位成为一个急切的需求。与此同时，日益增加的运营成本和人工智能技术的发展，使得多节点大型定位网络(如矿井自动作业和无人驾驶矿车)成为现实。自动作业可以减少运营成本，同时也为建立智能空间提供了一个有效的解决方案。但是，封闭空间自动作业也需要多节点的初始的精确位置为前提。所以高精确定位成为封闭空间一个急切的需求。

矿井封闭空间内定位由于特殊的环境，比如障碍物阻挡，多径反射和粉尘对信号的衰减，导致这种特殊封闭空间定位具有比普通室内定位更大的难度。同时，新的定位需求又提出了更加高的精度要求和容量要求。传统的基于蓝牙或者Zigbee的定位方法不能够满足这些要求，因为这些标准的定位误差较大，可以达到1米以上，显然不能满足定位的精度需求。目前主流的定位法比如基于UWB信号和ToA方法的定位系统存在终端容量受限的缺陷。此系统包含定位节点(Tag)，定位终端(Terminal)。ToA方法需要定位节点给定位终端发送信号，然后定位终端给节点回传信号，由节点计算出坐标信息，才能完成一个定位测距过程。这种基于ToA的定位方法不需要节点之间时钟同步，但当一个小区内终端用户(如具有定位终端的矿工或者矿车)过多时，这些定位终端可能同时给定位节点回传信号，会造成信道拥塞及定位网络完全失效。所以基于此种技术的定位系统是不能支持大容量用户的。这给此类系统应用与煤矿等井下环境造成了实际应用上的困难，另外还存在一些功能上的不足，比如信号对射频电路的要求太高。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于多节点接力式时钟同步的封闭空间定位系统和方法。本发明系统对已有的定位节点进行改进，使用基于到达时间差(TDoA)的定位法，节点之间进行时钟同步，以解决现有的封闭空间大型定位网络缺乏时钟同步而导致系统容量受限的问题。本发明提出一种基于多节点接力式时钟同步的封闭空间定位系统，应用于矿井下封闭空间中，封闭空间具有一个或多个独立的封闭空间小区，该系统包括：每个封闭空间小区由以太网相连的一根或多根电缆、多个发射宽带定位信号的定位节点、多个定位终端、一个兼容WIFI协议的接入点，一个井下网络交换机组成的小区定位网络，还包括各小区定位网络通过以太网相连的地面控制中心；其特征在于，

所述电缆至少包括一根封闭空间纵向设置的井下供电电缆线，用于安装定位节点，进行三维目标定位；根据封闭空间小区横向距离的大小，还横向设置一根或多根安装定位节点的定位电缆；

所述多个发射宽带定位信号的定位节点，安装在封闭空间井下供电电缆线和定位电缆上，沿电缆线方向呈一维线性等间距排列；该定位节点排列间距能保证信号传输距离覆盖整个封闭空间，定位节点坐标已知并且有相应唯一的ID号码，用于发射扩频码信号并基于ToA的同步算法进行全网同步以实现定位；

所述多个定位终端，每个定位终端通过无线能接收3～5个定位节点发射的扩频码信号，用于计算到达时间和间隔距离，解调出定位节点坐标，从而计算出定位终端自身定位坐标；并实时将定位坐标信息通过以太网络上传到控制中心；定位终端安装在小区内需要定位的移动目标上；

所述一个兼容WIFI协议的接入点，设置在封闭小区适当位置，用于能接收到该小区所有定位终端发送的坐标信号；

所述井下网络交换机，设置在与一维线性分布的小区定位节点中最末端的节点处，并通过以太网分别与该小区各节点、地面控制中心相连接；井下网络交换机用于将接收到的该小区所有定位终端坐标发送到地面控制中心；

设置在地面上的控制中心，用于存储所有定位终端的坐标信息，管理定位网络，以图形界面的方式展示井下终端位置。

本发明还提出基于上述系统实现的基于多节点接力式时钟同步的封闭空间定位方法，具体包括以下步骤：

1)一个定位周期启动，由与交换机连接的节点(如tag1)发起同步；以下记为节点A；

2)节点A在自身同步完成以后，节点A发送宽带定位信号给相邻一个节点，以下记为被同步节点B，该宽带信号为高速扩频码信号，并记下本地发送时间为t₁；

3)节点B在收到该信号以后，用本地的扩频码和接收信号进行相关，找出相关峰值对应的本地时间，记为t₂’，t′₂＝t₂+Δt；其中t₂是与t₂’同一时间A节点的本地时间，两节点之间时钟的差由Δt表示；

4)节点B发送同样的宽带定位信号给节点A，并记下本地发送时间t₃’，t′₃＝t₃+Δt，其中t₃是与t₃’同一时间A节点的本地时间，同时把t₂’和t₃’一起发送给节点A；

5)节点A在收到该信号后，用本地的扩频码和接收信号进行相关，找出相关峰值对应的本地时间，记为t₄；

6)节点A在获得四个时间信息：t₁，t₂’，t₃’，t₄之后，用以下基于ToA的方程计算信号传输时间

7)节点A把传输时间T_FL乘以光速c得到两节点间距D∶D＝c×T_FL；

8)节点A计算信号到达节点B时，节点A的本地时间t_next∶t_next＝t_current+T_FL，t_current为节点A当前时间；节点A把t_next发送给节点B；

9)节点A同时把节点B的精确位置和宽带定位信号广播给附近的的定位终端；

10)节点B接收到时间信息后把本地时钟同步为t_next；

11)定位终端接收到广播信号后根据TDoA方法定出自身坐标；

12)节点B重复步骤2)-10)同步下一个节点，直至小区内所有节点同步完毕和所有终端定位完毕，等待下一个定位周期到来转步骤1)。

本发明的特点及有益效果：

本发明使用扩频码进行高精度测距，测距的结果将被用于定位节点的同步。扩频码的作用是将窄带信号频谱扩展到宽带频谱上，从而达到对抗白噪声和多径的目的。其具体实现上借助了伪随机序列。扩频码自发明以来因为其优异的抗干扰能力抗多径能力被广泛应用于通信系统，比如GPS定位系统也应用了扩频码。本发明首次将扩频码应用于室内定位特别是特殊封闭空间定位的时间同步。本发明还使用了基于飞行时间(ToA)的方法来精确测距。其基本原理是用来回两次飞行时间去除两地时钟的时间差，从而达到不需要同步就测距的目的。本发明利用ToA测距结果进行同步定位并建立自组织通信网络。

本发明系统包含定位节点、终端、井下交换机和地面控制中心，其中定位节点包含同步模块。本发明采用了到达时间差(TDoA)的定位方法，该方法使用传统ToA的方法检测两个定位节点之间的距离，此距离信息被前一个节点用于同步下一个节点。这种同步方式被节点依次接力连接下一个定位节点从而达到大型定位网络的全网同步。TDoA方法不需要终端给定位节点回传信号，从而解决了信道拥塞的问题。TDoA的方法通过定位节点之间保持时间同步以保证定位要求的精度实现了没有外部时钟的大型网络的精确定位。

本发明特别适应于特殊环境(如矿井)的封闭空间内多移动目标的精确定位。

附图说明

图1是本发明基于多节点接力式时钟同步的封闭空间定位系统组成示意图；

其中(a)为系统整体组成示意图，(b)为(a)的截面示意图。

图2是本发明系统中定位节点(Tag)的组成框图。

图3是本发明方法的定位节点时间同步过程图。

具体实施方式

本发明提出的基于多节点接力式时钟同步的封闭空间定位系统，应用于矿井下封闭空间中，封闭空间具有一个或多个独立的封闭空间小区，每个封闭空间小区组成如图1(a)所示，包括：每个封闭空间小区由以太网相连的一根或多根电缆、多个发射宽带定位信号的定位节点(Tag)、多个定位终端、一个兼容WIFI协议的接入点(AP)，一个井下网络交换机组成的小区定位网络，还包括各小区定位网络通过以太网相连的地面控制中心；其中：

所述电缆至少包括一根封闭空间纵向设置的井下供电电缆线，用于安装定位节点，进行三维目标定位。根据封闭空间小区横向距离的大小(若封闭空间小区横向距离大)，还可横向设置一根或多根安装定位节点的定位电缆，如图1(b)所示，该电缆采用常规产品。

所述多个发射宽带定位信号(扩频码信号)的定位节点，安装在封闭空间井下供电电缆线和定位电缆上，沿电缆线方向呈一维线性等间距排列；该定位节点排列间距能保证信号传输距离覆盖整个封闭空间，相邻两个定位节点信号传输距离可有重叠(两个定位节点之间可以为传输距离的三分之一左右(例如10米到30米一个)。Tag坐标已知并且有相应唯一的ID号码；用于发射扩频码信号并基于ToA的同步算法进行全网同步以实现定位终端定位；

所述多个定位终端(Terminal)，每个定位终端通过无线能接收3～5个定位节点发射的扩频码信号，用于计算到达时间和间隔距离，解调出Tag坐标，从而计算出Terminal自身定位坐标；并实时将定位坐标信息通过以太网络上传到控制中心；定位终端安装在小区内需要定位的移动目标上，(如井下矿工身上或者安装在矿井机车上面)。该定位终端采用常规射频信号接收技术制成。

所述一个兼容WIFI协议的接入点(AP)，设置在封闭小区适当位置，用于能接收到该小区所有定位终端发送的坐标信号；

所述井下网络交换机，一般设置在与一维线性分布的小区定位节点中最末端的节点处，并通过以太网分别与该小区各节点、地面控制中心相连接。井下网络交换机用于将接收到的该小区所有定位终端坐标发送到地面控制中心，采用常规技术实现。

设置在地面上的控制中心，用于存储所有定位终端的坐标信息，管理定位网络，以图形界面的方式展示井下定位终端位置，采用常规技术实现。

所述定位节点组成如图2所示，该定位节点包括宽带射频收发模块，用来收发定位和同步使用的宽带扩频码信号；兼容WIFI的收发模块，用于和WIFI网络通信；带ARM MCU及同步模块的基带处理器，用于接收宽带射频收发模块和兼容WIFI的收发模块的信号，实现定位和基于ToA的同步算法，该算法使用ToA的方法检测两个定位节点之间的距离，此距离信息被前一个节点用于同步下一个节点，节点依次接力连接下一个定位节点从而达到全网同步，以实现定位终端定位；支持以太网和USB的调试接口(TCPIP USB)，用于将定位信息发送到地面控制中心；DCDC电源模块，用于为各模块供电。其中，所述基带处理器分别与宽带射频收发模块与兼容WIFI的收发模块相连接，带ARM CPU的基带模块和TCPIP/USB模块连接在一起，DCDC电源模块分别和所述所有模块、处理器连接。以上模块及处理器均为采用常规编程技术实现的通用模块。

本发明还提出基于上述系统实现的基于多节点接力式时钟同步的封闭空间定位方法，如图3所示，包括以下具体步骤：

1)一个定位周期启动，由与交换机连接的节点(如tag1)发起同步；以下记为节点A；

2)节点A在自身同步完成以后，节点A发送宽带定位信号给相邻一个节点，以下记为被同步节点B，该宽带信号为高速扩频码信号，并记下本地发送时间为t₁；

3)节点B在收到该信号以后，用本地的扩频码和接收信号进行相关，找出相关峰值对应的本地时间，记为t₂’，t′₂＝t₂+Δt；其中t₂是与t₂’同一时间A节点的本地时间，两节点之间时钟的差由Δt表示；

4)节点B发送同样的宽带定位信号给节点A，并记下本地发送时间t₃’，t′₃＝t₃+Δt，其中t₃是与t₃’同一时间A节点的本地时间，同时把t₂’和t₃’一起发送给节点A；

5)节点A在收到该信号后，用本地的扩频码和接收信号进行相关，找出相关峰值对应的本地时间，记为t₄；

6)节点A在获得四个时间信息：t₁，t₂’，t₃’，t₄之后，用以下基于ToA的方程计算信号传输时间

7)节点A把传输时间T_FL乘以光速c得到两节点间距D∶D＝c×T_FL；

8)节点A计算信号到达节点B时，节点A的本地时间t_next∶t_next＝t_current+T_FL，t_current为节点A当前时间；节点A把t_next发送给节点B；

9)节点A同时把节点B的精确位置和宽带定位信号广播给附近的的定位终端；

10)节点B接收到时间信息后把本地时钟同步为t_next；

11)定位终端接收到广播信号后根据TDoA方法定出自身坐标；

12)节点B重复步骤2)-10)同步下一个节点，直至小区内所有节点同步完毕和所有终端定位完毕，等待下一个定位周期到来转步骤1)。

所述步骤3)中用本地的扩频码和接收信号进行相关，找出相关峰值对应的本地时间的具体过程为：

3.1)节点B以本地时钟的频率产生长度为N的扩频码code(n)，和接收到的信号r做相关，如方程(1)所示，T为本地时钟频率；

3.2)

3.3)在得到的结果Co(t-mT)到Co(t)中，如果没有超过相关值的预设阈值(阈值根据仿真决定，可以设为最大相关值的一半)的，则继续过程3.1)到3.2)，直至相关值达到或超过阈值，式中m为估计的检测窗口长度；

3.4)在得到的结果Co(t-mT)到Co(t)中选出幅度最大值，记下时间为t-iT，此即为接收时间相关峰值对应的本地时间t₂’。

实施例：本实施例为具有一个井下小区的封闭空间的定位系统及定位方法

本实施例系统设置有一根井下供电电缆，7个发射宽带定位信号的定位节点，安装在封闭空间井下供电电缆线上沿电线方向呈一维线性等间距排列；

相邻两节点间距10米。

3个定位终端分别固定在3个待定位移动目标上。

一个设置在小区封闭空间的交换机，一个设置在地面上的控制中心，第7个定位节点通过交换机和地面控制中心连接。

一个兼容WIFI协议的接入点布置在该小区的末端。

上述系统实施例的基于定位节点同步的封闭空间小区的定位方法，小区节点同步由第7个节点(节点A)发起，节点A同步相邻的第6个节点(节点B)，具体包括以下步骤：

1)一个定位周期启动，节点A发起同步；

2)节点A在0秒发送宽带信号给节点B，t₁＝0；

3)两节点相距10米，信号在到达节点B；节点B采样率为2GHz，采样周期为0.5nS，接收到信号时候节点B已经做过66次相关(相关值都小于阈值512)，信号到达后做67次相关，得到相关值1024；因为前面相关值都小于512，所以节点B认为当前时刻收到的是信号，此时节点A时钟为t₂＝33.5nS，节点B时钟为t₂’＝133.5nS，两地时钟相差为Δt＝100nS；

4)节点B在140nS(t₃’)发送宽带信号给节点A，并且把t₂’和t₃’两个时间值一起发送，信号在A时钟73.3nS到达节点A；

5)节点A做同样的相关运算，得出信号在73.5nS(t₃)到达节点A；

6)节点A做运算

7)两点距离为33.5nS×3×10⁸＝10.05m，测距误差0.05m；

8)节点A在t_current＝80nS将t_next＝80nS+33.5nS＝113.5nS发送给节点B；

9)节点A同时把节点B的精确位置和宽带定位信号广播给附近的的定位终端；

10)节点B在80nS+33.3nS＝113.3nS收到此时间标签，将本地时钟从213.3nS同步为113.5nS，从而完成两地时钟同步；

11)定位终端接收到广播信号后根据TDoA方法定出自身坐标；

12)节点B重复步骤2)-10)同步下一个节点，直至小区内所有节点同步完毕和所有终端定位完毕，等待下一个定位周期到来转步骤1)。

Claims (4)

1.一种基于多节点接力式时钟同步的封闭空间定位系统，应用于矿井下封闭空间中，封闭空间具有一个或多个独立的封闭空间小区，该系统包括：每个封闭空间小区由以太网相连的一根或多根电缆、多个发射宽带定位信号的定位节点、多个定位终端、一个兼容WIFI协议的接入点，一个井下网络交换机组成的小区定位网络，还包括各小区定位网络通过以太网相连的地面控制中心；其特征在于，

所述电缆至少包括一根封闭空间纵向设置的井下供电电缆线，用于安装定位节点，进行三维目标定位；根据封闭空间小区横向距离的大小，还横向设置一根或多根安装定位节点的定位电缆；

所述多个发射宽带定位信号的定位节点，安装在封闭空间井下供电电缆线和定位电缆上，沿电缆线方向呈一维线性等间距排列；该定位节点排列间距能保证信号传输距离覆盖整个封闭空间，定位节点坐标已知并且有相应唯一的ID号码，用于发射扩频码信号并基于ToA的同步算法进行全网同步以实现定位；

所述多个定位终端，每个定位终端通过无线能接收3～5个定位节点发射的扩频码信号，用于计算到达时间和间隔距离，解调出定位节点坐标，从而计算出定位终端自身定位坐标；并实时将定位坐标信息通过以太网络上传到控制中心；定位终端安装在小区内需要定位的移动目标上；

所述一个兼容WIFI协议的接入点，设置在封闭小区适当位置，用于能接收到该小区所有定位终端发送的坐标信号；

所述井下网络交换机，设置在与一维线性分布的小区定位节点中最末端的节点处，并通过以太网分别与该小区各节点、地面控制中心相连接；井下网络交换机用于将接收到的该小区所有定位终端坐标发送到地面控制中心；

设置在地面上的控制中心，用于存储所有定位终端的坐标信息，管理定位网络，以图形界面的方式展示井下终端位置。

2.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述多个发射宽带定位的定位节点包括宽带射频收发模块，用来收发定位和同步使用的宽带扩频码信号；兼容WIFI的收发模块，用于和WIFI网络通信；带ARM MCU及同步模块的基带处理器，用于接收宽带射频收发模块和兼容WIFI的收发模块的信号，基于ToA的同步算法进行全网同步以实现定位；支持以太网和USB的调试接口，用于将定位信息发送到地面控制中心；DCDC电源模块，用于为各模块供电；其中，所述基带处理器分别与宽带射频收发模块与兼容WIFI的收发模块相连接，带ARM CPU的基带模块和TCPIP/USB模块连接在一起，DCDC电源模块分别和所述所有模块、处理器连接。

3.一种基于如权利要求1所述系统实现的基于多节点接力式时钟同步的封闭空间定位方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

1)一个定位周期启动，由与交换机连接的节点(如tagl)发起同步；以下记为节点A；

2)节点A在自身同步完成以后，节点A发送宽带定位信号给相邻一个节点，以下记为被同步节点B，该宽带信号为高速扩频码信号，并记下本地发送时间为t₁；

3)节点B在收到该信号以后，用本地的扩频码和接收信号进行相关，找出相关峰值对应的本地时间，记为t₂’，t′₂＝t₂+Δt；其中t₂是与t₂’同一时间A节点的本地时间，两节点之间时钟的差由Δt表示；

4)节点B发送同样的宽带定位信号给节点A，并记下本地发送时间t₃’，t′₃＝t₃+Δt，其中t₃是与t₃’同一时间A节点的本地时间，同时把t₂’和t₃’一起发送给节点A；

5)节点A在收到该信号后，用本地的扩频码和接收信号进行相关，找出相关峰值对应的本地时间，记为t₄；

6)节点A在获得四个时间信息：t₁，t₂’，t₃’，t₄之后，用以下基于ToA的方程计算信号传输时间T_FL：

7)节点A把传输时间T_FL乘以光速c得到两节点间距D：D＝c×T_FL；

8)节点A计算信号到达节点B时，节点A的本地时间t_next：t_next＝t_current+T_FL，t_current为节点A当前时间；节点A把t_next发送给节点B；

9)节点A同时把节点B的精确位置和宽带定位信号广播给附近的的定位终端；

10)节点B接收到时间信息后把本地时钟同步为t_next；

11)定位终端接收到广播信号后根据TDoA方法定出自身坐标；

12)节点B重复步骤2)-10)同步下一个节点，直至小区内所有节点同步完毕和所有终端定位完毕，等待下一个定位周期到来转步骤1)。

4.如权利要求3所述方法，其特征在于，所述步骤3)中用本地的扩频码和接收信号进行相关，找出相关峰值对应的本地时间的具体过程为：

3.1)节点B以本地时钟的频率产生长度为N的扩频码code(n)，和接收到的信号r做相关，如方程(1)所示，T为本地时钟频率；

3.2)

3.3)在得到的结果Co(t-mT)到Co(t)中，如果没有超过相关值的预设阈值，则继续过程3.1)到3.2)，直至相关值达到或超过阈值，式中m为估计的检测窗口长度；

3.4)在得到的结果Co(t-mT)到Co(t)中选出幅度最大值，记下时间为t-iT，此即为接收时间相关峰值对应的本地时间t₂’。