CN109633533A - 一种uwb高精度定位方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种UWB高精度定位方法。通过在定位系统中设置已知位置的UWB定位信号接收器，获取到UWB定位信号发送器发射定位信号的时间差值。在本发明中，已知位置的UWB定位信号接收器接收UWB定位信号发送器发射的定位信号，记录其到达自身的计时值，并计算出各个UWB定位信号的时间差，将时间差广播至各定位终端。定位终端根据自身需要选择出与适用于对自身进行定位UWB定位信号发送器相对应的时间差计算出与之对应的时间修正值。相比于利用已知位置的UWB定位信号接收器完成全部时间修正值的计算后再向各待定位装置广播所述时间修正值，大大增强了获取时间修正值的时效性，并减少了已知位置的UWB定位信号接收器的计算量。

Description

一种UWB高精度定位方法
技术领域
本发明涉及UWB高精度定位领域，具体涉及一种UWB高精度定位系统及其方法。
背景技术
短距离、高精度室内定位技术在城市密集区域和室内封闭空间应用非常广泛。UWB(Ultra Wide Band，超宽带)信号以其较高的时间分辨率被广泛应用于定位技术中，UWB定位系统的一种信号收发方式为，定位基站发射定位信号，待定位装置接收定位信号，并利用到达时间TOA(Time of Arrivial)定位算法或到达时间差TDOA(Time Difference ofArrivial)定位算法实现对待定位装置的定位。TOA定位需要各定位基站与待定位装置精确的时钟同步才能实现较高精度的定位；TDOA定位需要已知各定位基站发射定位信号精确的时序关系。现有技术中确定各个定位基站之间发射定位信号时序关系的方法主要是使各个定位基站间实现精确的时钟同步，常用的同步方法主要有两种，一是各个定位基站中各自包含精确的同步时钟，如原子钟等，这种方法成本较高，且需定期对其进行时钟校准；二是各定位基站间传输同步信号，此方法需要各定位基站包含同步信号接收机，所述接收机需对同步信号进行滤波、放大、整形等处理，其结构较为复杂，成本及功耗都较高，且同步系统独立于定位系统存在，造成了资源浪费。
由此，本领域出现了在定位系统中增设已知位置的定位信号接收装置，与待定位装置共同接收定位基站发射的定位信号，并记录定位信号到达自身的时间值，已知位置的定位信号接收装置利用定位信号到达自身的时间值、自身的位置信息以及定位基站的位置信息解算出定位基站发射定位信号的时间差值，由于所述时间差值是绝对的时间段信息，无论待定位装置与所述已知位置的定位信号接收装置是否进行时钟同步，其同样适用于待定位装置。在利用TDOA定位算法解算待定位装置的位置时，需要用到至少三个定位基站，在定位基站较多的定位系统中，待定位装置选择其中最适用于自身定位的定位基站进行定位，因此，已知位置的定位信号接收装置需要计算出每两个定位基站发射定位信号的时间差值，以适应不同的待定位装置的选择。然而，在定位基站较多的定位系统中，已知位置的定位信号接收装置需要较长的时间计算每两个定位基站发射定位信号的时间差值，当完成全部计算后再向各待定位装置广播所述时间差值时严重影响了对待定位装置定位的时效性。
因此，研究如何高时效性的获取定位基站发射定位信号的时间差值成为了本领域研究人员亟需解决的问题。
发明内容
依据本发明的一个方面，公开了一种UWB定位方法，其特征在于：包括以下步骤：(a)中心控制器向UWB定位信号发送器发送指令，各个UWB定位信号发送器接收到指令后，在一定的时间间隔范围内分别发送UWB定位信号；(b)中心控制器发送接收指令，各个定位终端与已知位置的UWB定位信号接收器同步开启接收模式，并等待UWB定位信号的到来；(c)各个定位终端与已知位置的UWB定位信号接收器接收到不同的UWB定位信号后，记录下不同的接收时间，得到多个计时值；(d)根据步骤(c)得到的多个计时值，计算出已知位置的UWB定位信号接收器接收到各个UWB定位信号的时间差，已知位置的UWB定位信号接收器将接收到的各个UWB定位信号的时间差发送至各个定位终端；(e)各定位终端利用已知位置的UWB定位信号接收器发送的时间差、已知位置的UWB定位信号接收器的位置坐标和UWB定位信号发送器的位置坐标，得到定位系统的时间修正值，其中，所述时间修正值是任意两个UWB定位信号发送器之间由于硬件电路以及系统通信信道传送造成的UWB定位信号的延时值；(f)各定位终端利用定位系统的时间修正值，去除掉定位终端中由于粗略同步控制及电路时间摆动所带来的偏移和误差，得到仅与本定位终端同相应的定位信号发送器之间距离相对应的计时量，通过TDOA算法计算出本定位终端的位置。
本发明通过在定位系统中设置已知位置的UWB定位信号接收器，获取到UWB定位信号发送器发射定位信号的时间差值。在本发明中，已知位置的UWB定位信号接收器接收UWB定位信号发送器发射的定位信号，记录其到达自身的计时值，并计算出各个UWB定位信号的时间差，将时间差广播至各定位终端。定位终端根据自身需要选择出与适用于对自身进行定位UWB定位信号发送器相对应的时间差计算出与之对应的时间修正值。相比于利用已知位置的UWB定位信号接收器完成全部时间修正值的计算后再向各待定位装置广播所述时间修正值，大大增强了获取时间修正值的时效性，并减少了已知位置的UWB定位信号接收器的计算量。
附图说明
图1给出依据本发明一种UWB高精度定位系统100的示意图；
图2给出依据本发明一种UWB高精度定位方法200的流程图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称“元件”“连接到”或“耦接”到另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
图1给出依据本发明一种实施例的UWB高精度定位系统100的示意图。本实施例所述的一种UWB高精度定位系统100示例性地包括1个UWB定位信号发送器组以及用于对UWB定位信号发送器组进行同步控制的1个中心控制器CC，其中，UWB定位信号发送器组包括N个已知位置的UWB定位信号发送器，N为等于或大于3的整数，在本实施例中N取5，UWB定位信号发送器分别为BS1-BS5。任意一个UWB定位信号发送器与中心控制器CC之间实现无线通信。定位系统100还示例性地包括2个定位终端MS1和MS2，定位终端用于接收各个UWB定位信号发送器发出的UWB定位信号，定位终端与中心控制器CC之间实现无线通信。定位系统100还示例性地包括1个已知位置的UWB定位信号接收器PS，已知位置的UWB定位信号接收器PS用于接收各个UWB定位信号发送器发出的UWB定位信号，同时，已知位置的UWB定位信号接收器PS分别与定位终端MS1、MS2以及中心控制器CC之间实现无线通信。又在一个实施例中，定位系统100包括两个或多个已知位置的UWB定位信号接收器。
中心控制器CC向UWB定位信号发送器BS1-BS5发送指令，UWB定位信号发送器BS1-BS5接收到指令后，在一定的时间间隔范围内分别发送UWB定位信号。中心控制器CC发送接收指令，定位终端MS1和MS2与已知位置的UWB定位信号接收器PS同步开启接收模式，并等待UWB定位信号的到来。已知位置的UWB定位信号接收器PS接收到不同的UWB定位信号后，记录下不同的接收时间T1-T5，分别对应UWB定位信号发送器BS1-BS5发送的定位信号。在一个实施例中，已知位置的UWB定位信号接收器PS还计算出每两个接收时间的时间差，又在一个实施例中，已知位置的UWB定位信号接收器PS计算出相邻的两个接收时间的时间差，即T2-T1＝T21，T3-T2＝T32，T4-T3＝T43，T5-T4＝T54，并将所述时间差发送至定位终端MS1和MS2。定位终端MS1和MS2接收到不同的UWB定位信号后，分别记录下不同的接收时间TM1_1-TM1_5以及TM2_1-TM2_5，并接收来自已知位置的UWB定位信号接收器的时间差。
定位终端利用已知位置的UWB定位信号接收器PS的位置坐标和UWB定位信号发送器的位置坐标以及来自已知位置的UWB定位信号接收器的时间差得到定位系统的时间修正值，并利用该时间修正值，去除掉定位终端中由于粗略同步控制及电路时间摆动所带来的偏移和误差，得到仅与本定位终端同相应的定位信号发送器之间距离相对应的计时量，再利用与自身对应的第二计时值组以及UWB定位信号发送器的位置坐标，通过TDOA算法计算出本定位终端的位置。
本领域技术人员应当知道，要想利用TDOA定位算法实现对定位终端的二维定位，则至少需要三个UWB定位信号发送器。而UWB定位信号发送器与定位终端的位置关系会影响对定位终端的定位精度。如图1所示，对于定位终端MS1，利用UWB定位信号发送器BS1、BS2、BS3对其定位会获得较高的定位精度；对于定位终端MS2，利用UWB定位信号发送器BS3、BS4、BS5对其定位会获得较高的定位精度。
在一个实施例中，定位终端MS1利用已知位置的UWB定位信号接收器PS的位置坐标和UWB定位信号发送器BS1、BS2、BS3的位置坐标以及来自已知位置的UWB定位信号接收器的时间差T21和T32得到定位系统的时间修正值，并利用该时间修正值，去除掉定位终端中由于粗略同步控制及电路时间摆动所带来的偏移和误差，得到仅与本定位终端同相应的定位信号发送器之间距离相对应的计时量，再利用与自身对应的TM1_1、TM1_2、TM1_3以及UWB定位信号发送器BS1、BS2、BS3的位置坐标，通过TDOA算法计算出定位终端MS1的位置。定位终端MS2利用已知位置的UWB定位信号接收器PS的位置坐标和UWB定位信号发送器BS3、BS4、BS5的位置坐标以及来自已知位置的UWB定位信号接收器的时间差T43和T54得到定位系统的时间修正值，并利用该时间修正值，去除掉定位终端中由于粗略同步控制及电路时间摆动所带来的偏移和误差，得到仅与本定位终端同相应的定位信号发送器之间距离相对应的计时量，再利用与自身对应的TM2_3、TM2_4、TM2_5以及UWB定位信号发送器BS3、BS4、BS5的位置坐标，通过TDOA算法计算出定位终端MS2的位置。
下面描述定位终端如何获取时间修正值，以定位终端MS1获取UWB定位信号发送器BS1和BS2发射定位信号的时间修正值为例加以说明。由于UWB定位信号发送器BS1和BS2以及已知位置的UWB定位信号接收器PS的位置已知，则UWB定位信号发送器BS1和BS2与已知位置的UWB定位信号接收器PS距离即为已知，记为d1和d2。UWB定位信号发送器BS1和BS2发射的定位信号到达已知位置的UWB定位信号接收器PS的时刻为T1和T2，由已知位置的UWB定位信号接收器PS记录且以已知位置的UWB定位信号接收器PS自身时钟为基准。根据上述已知信息可以得到当以已知位置的UWB定位信号接收器PS时钟为基准时，UWB定位信号发送器BS1和BS2发射定位信号的时刻为TS1和TS2，其表达式如式(1)和式(2)给出。
其中c是定位信号在自由空间中的传播速度。将式(2)和式(1)做差可以得到式(3)。
其中TS21是UWB定位信号发送器BS1和BS2发射定位信号相对于已知位置的UWB定位信号接收器PS的时钟的发射时间差。本领域技术人员应当理解，定位信号的发射时刻相对于不同的时钟会有不同的值，但定位信号间的发射时间差相对于任一时钟都是相等的。因此，TS21也是UWB定位信号发送器BS1和BS2发射定位信号相对于定位终端MS1的时钟的发射时间差。所述发射时间差即为UWB定位信号发送器BS1和BS2发射定位信号的时间修正值。
在一个实施例中，定位终端MS1利用该时间修正值，去除掉定位终端MS1中由于粗略同步控制及电路时间摆动所带来的偏移和误差，得到仅与定位终端MS1同相应的UWB定位信号发送器BS1和BS2之间距离相对应的计时量TS21’。所述计时量TS21’＝(dm2-dm1)/c＝TM1_2-TM1_1-TS21。其中，dm2-dm1为定位终端MS1与UWB定位信号发送器BS2和BS1之间距离差，TM1_1和TM1_2为UWB定位信号发送器BS1和BS2发射的定位信号到达定位终端MS1的计时值。定位终端MS1利用计时量TS21’以及UWB定位信号发送器的位置坐标，通过TDOA算法计算出本定位终端的位置。
在一个实施例中，各个定位终端与已知位置的UWB定位信号接收器PS均包含多路高精度时钟，当各个定位终端与已知位置的UWB定位信号接收器PS同步开启接收模式的同时，复位各自的多路高精度时钟，使高精度时钟开始计时，并等待UWB定位信号的到来。已知位置的UWB定位信号接收器接收到第一个达到的UWB定位信号后，停止该UWB定位信号对应的一路高精度时钟，得到一个计时值；同理，接收到第二个达到的UWB定位信号后，停止该UWB定位信号对应的一路高精度时钟，又得到一个计时值；以此类推，当接收到最后一个达到的UWB定位信号后，停止该UWB定位信号对应的一路高精度时钟，得到最后一个计时值。
本发明通过在定位系统中设置已知位置的UWB定位信号接收器，获取到UWB定位信号发送器发射定位信号的时间差值。在本发明中，已知位置的UWB定位信号接收器接收UWB定位信号发送器发射的定位信号，记录其到达自身的计时值，并计算出各个UWB定位信号的时间差，将时间差广播至各定位终端。定位终端根据自身需要选择出与适用于对自身进行定位UWB定位信号发送器相对应的时间差计算出与之对应的时间修正值。相比于利用已知位置的UWB定位信号接收器完成全部时间修正值的计算后再向各待定位装置广播所述时间修正值，大大增强了获取时间修正值的时效性，并减少了已知位置的UWB定位信号接收器的计算量。
图2给出依据本发明一种UWB高精度定位方法200的流程图。所述定位方法200包括如下步骤：
步骤201：中心控制器CC向UWB定位信号发送器发送发射指令，各个UWB定位信号发送器接收所述发射指令并在一定的时间间隔范围内分别发送UWB定位信号；
步骤202：中心控制器CC向UWB定位信号接收器PS和定位终端MS发送接收指令，两者接收到接收指令后均开启接收模式，并接收UWB定位信号，其中，UWB定位信号发送器具有已知位置；
步骤203：已知位置的UWB定位信号接收器PS接收并记录下接收到各个UWB定位信号的接收时间，得到多个计时值；
步骤204：已知位置的UWB定位信号接收器PS计算出接收到的各个UWB定位信号的时间差，并将各个UWB定位信号的时间差发送至定位终端MS；
步骤205：定位终端MS利用已知位置的UWB定位信号接收器PS发送的时间差、已知位置的UWB定位信号接收器PS的位置坐标和UWB定位信号发送器的位置坐标，得到定位系统的时间修正值；
在一个实施例中，所述时间修正值是任意两个UWB定位信号发送器之间由于硬件电路以及系统通信信道传送造成的UWB定位信号的延时值。
步骤206：定位终端MS利用定位系统的时间修正值，去除掉定位终端中由于粗略同步控制及电路时间摆动所带来的偏移和误差，得到仅与本定位终端同相应的定位信号发送器之间距离相对应的计时量，通过TDOA算法计算出本定位终端的位置。
如以上所提到的，虽然已经说明和描述了本发明的优选实施例，但在不背离本发明的精神和范围的情况下，可进行许多改变。由此，本发明的范围不由优选实施例的公开所限制。而是，应当完全参考随后的权利要求来确定本发明。

Claims (4)

1.一种UWB定位方法，其特征在于：包括以下步骤：
(a)中心控制器向UWB定位信号发送器发送指令，各个UWB定位信号发送器接收到指令后，在一定的时间间隔范围内分别发送UWB定位信号；
(b)中心控制器发送接收指令，各个定位终端与已知位置的UWB定位信号接收器同步开启接收模式，并等待UWB定位信号的到来；
(c)各个定位终端与已知位置的UWB定位信号接收器接收到不同的UWB定位信号后，记录下不同的接收时间，得到多个计时值；
(d)根据步骤(c)得到的多个计时值，计算出已知位置的UWB定位信号接收器接收到各个UWB定位信号的时间差，已知位置的UWB定位信号接收器将接收到的各个UWB定位信号的时间差发送至各个定位终端；
(e)各定位终端利用已知位置的UWB定位信号接收器发送的时间差、已知位置的UWB定位信号接收器的位置坐标和UWB定位信号发送器的位置坐标，得到定位系统的时间修正值，其中，所述时间修正值是任意两个UWB定位信号发送器之间由于硬件电路以及系统通信信道传送造成的UWB定位信号的延时值；
(f)各定位终端利用定位系统的时间修正值，去除掉定位终端中由于粗略同步控制及电路时间摆动所带来的偏移和误差，得到仅与本定位终端同相应的定位信号发送器之间距离相对应的计时量，通过TDOA算法计算出本定位终端的位置。
2.根据权利要求1所述的UWB定位方法，其特征在于：所述步骤(b)的具体过程为：
(b1)中心控制器发送接收指令，各个定位终端与已知位置的UWB定位信号接收器同步开启接收模式；
(b2)各个定位终端与已知位置的UWB定位信号接收器同步开启接收模式的同时，复位各自的多路高精度时钟；
(b3)各个定位终端与已知位置的UWB定位信号接收器的高精度时钟开始计时，并等待UWB定位信号的到来。
3.根据权利要求2所述的定位方法，其特征在于：所述步骤(c)的具体过程为：
(c1)各个定位终端与已知位置的UWB定位信号接收器开始同步接收UWB定位信号；
(c2)已知位置的UWB定位信号接收器接收到第一个达到的UWB定位信号后，停止该UWB定位信号对应的一路高精度时钟，得到一个计时值；同理，接收到第二个达到的UWB定位信号后，停止该UWB定位信号对应的一路高精度时钟，又得到一个计时值；
(c3)以此类推，当接收到最后一个达到的UWB定位信号后，停止该UWB定位信号对应的一路高精度时钟，得到最后一个计时值。
4.根据权利要求2所述的定位方法，其特征在于：所述步骤(d)中的时间差指的是任意两个不同的UWB定位信号到达同一个已知位置的UWB定位信号接收器的时刻的差值。
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