CN110121208A - 基于多基站定位的交叉互验时钟同步方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多基站定位的交叉互验时钟同步方法及系统。多基站定位系统中，用一个主基站和多个从基站对用户进行多基站定位。本发明方法中由主基站进行工作时序控制，保证通讯正常，同时获取各基站间互相通信的收发时间戳进行时钟同步，基于多组收发时间戳信息构建方程获得同步参数，对定位数据进行矫正，以此提高定位精度。其中各数据间的相关性起到互相验证的作用。本发明使用交叉互验的方法，高效地解决基站间时钟不同步问题，矫正了由时钟不同步造成的定位数据误差，使同步与定位并行进行，提高了系统整体效率，系统对定位算法的迁移性强。

Description

基于多基站定位的交叉互验时钟同步方法及系统

技术领域

本发明属于无线定位技术领域，涉及一种定位系统的时钟校准技术，具体涉及一种基于多基站定位的高精度交叉互验时钟同步方法及系统。

背景技术

时钟同步技术作为多基站实时定位系统的关键问题，主流的方法分为硬时钟同步和软时钟同步。在实际情况中，由于晶振老化程度、频率特性、温度等因素的不同，不同芯片的时钟频率会产生漂移。此外由于芯片上电时间不同，不同芯片间的绝对时间轴也会有产生偏差。

硬时钟同步系统包括同步信号和时钟频率生成器和基站信号，同步信号可以解决不同芯片间的时间轴偏差问题。而时钟生成器用来为所有基站芯片提供统一的时钟，来解决频率漂移的问题。但是由于硬时钟同步存在成本高、灵活性差的问题，且无法消除中央频率在传输过程中的误差。因此构建一个完整的用于多基站实时定位的软时钟同步系统是本发明的主要研究方向。

发明内容

发明目的：针对现有技术的问题，本发明目的是提供一种基于多基站定位的交叉互验时钟同步方法及系统，能够提供足够的精度，达到多基站定位的精度要求。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明所述的基于多基站定位的交叉互验时钟同步方法，包括以下步骤：

(1)在定位区域布置多个坐标已知的基站，包括一个主基站和n个从基站；基站个数大于等于4，且任意的4个基站不处于同一个平面；

(2)由主基站发出激活信号，包含本次通讯的发射时间、各从基站休眠时长和任务类型；

(3)各从基站收到激活信号后，读取出自身休眠时长，记录接收时间戳和发射时间戳，进入定位状态，与用户互相通信得到定位数据；同时，用户收到激活信号后发射定位信号，与各个基站通信产生定位数据；其中定位信号包含本次通讯的发射时间和任务类型；

(4)各从基站与用户完成定位过程之后，把本地的定位数据存在发送帧相应的位置，然后全部进入休眠状态；

(5)各从基站按约定好的顺序从A₁到A_n逐一醒来，发送本地反馈信号，将定位数据发送给主基站A₀，在接收到下一条激活信号前持续接收其他从基站的反馈信号；

(6)主基站A₀发完激活信号后接收一切信号，直到检测到收到终点从基站A_n的反馈信号或者接收定时器超时；读取出每一条反馈信号的数据，传给上位机进行处理；在主基站处得到一共F_n组通信收发时间戳，包括主基站A₀与每个从基站间的2n组互相通信时间戳，以及从基站之间的互相通信时间戳，即：

(7)上位机利用F_n组通信收发时间戳信息以及基站间的实测距离构成的线性方程组，用最小二乘法解出同步参数，包括各站晶振频率、各站间时间轴初值偏差和站间收发时延；

(8)用解得的同步参数矫正定位数据，并将矫正后的定位数据代入定位算法得到用户的位置。

在优选的实施方案中，所述步骤(2)中主基站发出的激活信号标志一个工作周期的开始，整个工作周期完全由主基站控制，从基站的工作内容由主基站指定。

在优选的实施方案中，所述步骤(3)中各从基站接收激活信号后，首先读取本地接收时间戳，根据帧协议读取出相应位置的数据，包括激活信号的发射时间、指定的工作内容，包括休眠时长、和任务目标；然后在休眠结束后根据读取的数据确定给哪个目标发送信号。

在优选的实施方案中，所述步骤(5)中每个从基站在发送的反馈信号中，包含了上一轮工作周期中接收其他从基站反馈信号的同步数据，以及本轮周期中的激活信号同步数据和定位数据；发送完反馈信号后从基站等待下一条激活信号，在接收到下一条激活信号之前一直保持接收状态，记录与其他从基站的通信时间戳作为本次同步数据，在下一轮工作周期中发给主基站。

在优选的实施方案中，所述步骤(7)中主基站每轮工作周期都能得到F_n组通信收发时间戳，任意两个基站之间进行一次通信，就能得到一条同步方程：

其中，为基站A_i记录的本地发射时间戳，为基站A_j记录的本地接收时间戳，f_i和f_j分别为基站A_i和A_j的晶振频率，d_ij是基站A_i和A_j之间的距离，c是光速，τ是发送和接收时延，ε_ij为以基站A_i为参考系下基站A_j的偏移量。

在优选的实施方案中，每一轮同步后得到的线性方程组为：

其中，V_n＝2n+2为未知变量的个数；为同步系数，其行向量表示基站i和基站j之间的一次单收单发的通讯过程得到的方程系数，向量d表示与矩阵的行向量对应的通讯基站间的物理距离：

向量中省略部分均为零。

在优选的实施方案中，所述步骤(7)中，利用最小二乘法得到同步参数解后，利用均值滤波器沿时间对解做平均，提高算法的鲁棒性。

在优选的实施方案中，主基站设定一个终点从基站，在收到终点从基站的反馈信号之后，即结束本轮工作周期，将数据发给上位机，发送激活信号开启下一轮工作周期；同时主基站内置一个定时器，在发送激活信号后一定时间内，若没有收到某个从基站的反馈信号，则认为本轮工作失败，不给上位机发送数据，做一定延时后发送新的激活信号，开启下一轮工作。

本发明所述的基于多基站定位的交叉互验时钟同步系统，包括主基站同步模块、从基站同步模块、用户同步模块、同步参数求解模块以及定位矫正模块；

所述主基站同步模块，用于在一轮工作周期开始时发出激活信号，并在发完激活信号后接收一切信号，直到检测到收到终点从基站A_n的反馈信号或者接收定时器超时；读取出每一条反馈信号的数据，传给上位机进行处理；

所述从基站同步模块，用于在收到激活信号后，读取出自身休眠时长，记录接收时间戳和发射时间戳，进入定位状态，与用户互相通信得到定位数据；并在与用户完成定位过程之后，把本地的定位数据存在发送帧相应的位置，然后全部进入休眠状态，在休眠结束后发送本地反馈信号，将定位数据发送给主基站A₀，在接收到下一条激活信号前持续接收其他从基站的反馈信号；

所述用户同步模块，用于在收到激活信号后发射定位信号，与各个基站通信产生定位数据；

所述同步参数求解模块，用于利用主基站获取的F_n组通信收发时间戳信息以及基站间的实测距离构成的线性方程组，用最小二乘法解出同步参数；

所述定位矫正模块，用于利用解得的同步参数矫正定位数据，并将矫正后的定位数据代入定位算法得到用户的位置。

有益效果：与现有技术相比，本发明技术方案具有如下优点：

1、在软件层面高效地解决基站间时钟不同步问题，矫正了多基站定位数据误差。并且由于本方案是软时钟同步方法，相比硬时钟同步大大降低了成本，提高了基站的灵活性。

2、用一个主基站和多个从基站对用户进行多基站定位，同时获取各基站间互相通信的收发时间戳进行时钟同步，以此提高定位精度。其中各数据间的相关性起到互相验证的作用，实现了交叉互验时钟同步。

3、本发明同步方法可以与多基站定位并行进行，不用停下定位进行同步，提高了系统整体效率。

4、经过验证，每一轮同步的各个方程间都互不相关，所以每轮同步都能通过最小二乘法得到一个更加稳定的解，沿时间多次平均后可以得到较好的鲁棒性。

5、本发明方法中工作时序完全由主基站控制，修改方便。只需更改终点站标签即可更改从基站数目，从而达到扩大或缩小系统尺寸的目的。另外，从基站休眠时长或工作模式也可以类似操作。

6、在对时钟同步问题的分析和求解过程中，充分的考虑了多基站实时定位系统的普遍需求，使得系统的迁移性强，能与大多定位算法完美配合。

此外，在原有的系统上，无须在购买其他硬件即可完成同步和定位过程，性价比高。

附图说明

图1为本发明实施例中系统各部分工作时序示意图(从基站时序以A₂为例)。

图2为本发明实施例中涉及的通信协议示意图。

图3为本发明实施例的方法流程图。

图4为本发明实施例中以TDOA算法为例的收发时序示意图。

具体实施方式

下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

本发明的基本思想是，通过设计工作时序保证通讯正常，设计通讯协议保证数据传输，设计基站间时钟同步方程得到同步参数，利用同步参数设计方案矫正定位数据，消除由于时钟不同步引起的定位偏差。

具体地，本发明中工作周期时序设计如下：

如附图1所示，一个完整的工作周期包括三种通信任务类型：激活信号、定位信号和反馈信号。激活信号标志一个新的工作周期开始，各从基站收到激活信号后等待定位信号，完成定位过程后全部进入休眠状态。接着按约定好的顺序逐一醒来，开始发送反馈信号。主基站A₀发完激活信号后接收一切信号，直到检测到收到终点从基站A_n的反馈信号后者接收定时器超时。之后发送新的激活信号开启下一个工作周期。因为加入了定位信号，工作周期变为T_total＝(n+1+N_loc)T_c，其中T_c表示一个时隙的长度，N_loc表示每次定位需要用到的时隙个数。

显然，想要整个系统正常工作，各个模块之间的协议是非常重要的。本专利中，由主基站A₀操控时序，一切工作由A₀安排，包括各个从基站的休眠时长、发送信号次数和目的地等等，全部包含在激活信号的数据包中，各个从基站按照激活信号中的指示进行后续工作。该模式下，多数的丢包情况可以无视，比如从基站A_i丢失了一条来自A_j的反馈信号，其实是不会造成明显影响的。但如果遇到了不可忽视的丢包情况，例如丢失了本地定位信息导致无法得到用户坐标，或者从基站丢失了激活信号导致时序混乱，则会对本次定位造成较大的影响。因此给主基站A₀设置了接收定时器，如果没有收到正确的从基站信号，则定时器会超时。一旦超时，立马抛弃本轮数据，重置状态并发送新的激活信号，重新开始新一轮工作。对于从基站和用户，在发送完反馈信号且还没有收到激活信号时，一直保持全接收状态，而主基站A₀的定时器设定时间大于工作周期，因此当定时器超时时，全部从基站和用户都已经回归全接收状态，可以进行新一轮工作。

具体地，附图2展示了交叉互验方案中基站通信的协议设计，如图2所示，地址0到7的部分存入的是本次通信相关的数据，8-11是定位数据，12是本地数据记录条数，从13开始存入的是之前记录的通信数据。

对于每条信号，地址0记录发送站，地址1记录接收站，地址2记录通信任务类型(激活、定位或反馈)。地址3只有激活信号会用到，用于设定接收站休眠时长。地址4-7用于记录信号发射时间。但需要注意的是，此处记录的发射时间不是本次通信的发射时间戳，而是发射站的上一次发射时间戳。只有在已经封装好帧进行发射之后才能知道本次通信的发射时间戳，所以帧内装入的是上一次的发射时间戳，需要和上一次通信的帧放在一起才能得到有意义的通信数据。考虑到每一个工作周期内，每个模块发射且仅发射一条信号，所以发射时间戳不会被覆盖，对数据进行预处理即可得到相匹配的数据。对于激活信号，只需要用到0-7地址。

用户也是激活信号的接收站之一，收到后根据指示延迟一段时间后发射定位信号，与各个基站进行定位通信，每个基站得到自己的定位数据后将数据记录在本地。从基站需要把定位数据存在发送帧的地址8-11处，以便反馈给主基站。

各个从基站收到激活信号后，读取帧地址3的数据，确定休眠时长。从休眠中醒来并发送反馈信号后，帧数据全部清零，进入全接收状态，每次有通信发生，从基站都记录下相关数据，存在相应地址，同时帧地址12处的数据加1。下一次发送反馈信号时，这些数据就会被传送给主基站，主基站再从相应地址取出需要的数据。

该设计协议让从基站的时序完全由主基站操控，避免时序混乱，且相关参数便于修改。协议中详细的字段说明如下表所示：

如图3所示，在上述工作周期时序和通信协议说明的基础上，本发明实施例公开的基于多基站定位的交叉互验时钟同步方法的具体步骤包括：

S1：在定位区域布置多个坐标已知的基站；基站个数大于等于4，且任意的4个基站不处于同一个平面；

S2：由主基站发出激活信号，包含本次通讯的发射时间、各从基站休眠时长、任务类型(即激活)；

S3：各从基站收到激活信号后，读取出自身休眠时长，记录接收时间戳和发射时间戳。进入定位状态，与用户互相通信得到定位数据。具体通信过程取决于定位算法。

S4：同时，用户收到激活信号后发射定位信号，与各个基站通信产生定位数据。其中定位信号包含本次通讯的发射时间、任务类型(即定位)；

S5：各从基站与用户完成定位过程之后，把本地额度定位数据存在发送帧相应的位置，然后全部进入休眠状态。

S6：各从基站按约定好的顺序从A₁到A_n逐一醒来，发送本地反馈信号，在接收到下一条激活信号前持续接收其他从基站的反馈信号；

S7：主基站A₀发完激活信号后接收一切信号，直到检测到收到终点从基站A_n的反馈信号或者接收定时器超时。读取出每一条反馈信号的数据，传给上位机进行处理。这就是交叉互验同步方案的整体流程。如此便能在主基站处得到一共F_n组通信收发时间戳，若n为从基站个数，则：

进一步，任意两个基站之间进行一次通信，就能得到一条同步方程。设基站A_i向A_j发送一条信号，记录下了发送时间戳和接收时间戳。其中A_i时间戳和A_j时间戳，各自晶振频率为f_i和f_j。在t₀＝0时刻全部模块通电开启，此时两基站的时间戳分别记为和在t_k时刻基站A_i向A_j发送了一条信号，A_i记录到本地发射时间戳为而A_j记录到本地接收时间戳为经分析可知每次通信可以得到方程：

其中d_ij是基站A_i和A_j之间的距离，c是光速，τ是发送和接收时延，此处假设全部模块的收发时延都相同。将ε_ij称为以基站A_i为参考系下基站A_j的偏移量，满足：

进一步，一共有n+1个基站，晶振频率共n+1个变量，同时注意到ε_ij＝ε_ip+ε_pj,即任意两个基站间的偏移量可以用他们与第三个基站间的偏移量计算出来，本实施例中任意两个从基站间的偏移量利用他们在主基站参考系下的偏移量计算出来。

因此对偏移量可以认为只有ε₀₁,ε₀₂,…,ε_0n共n个变量。再加上收发时延τ，时钟同步需要确定的未知变量共有V_n＝2n+2个。由上述分析可知，每轮同步所得到的独立方程数为F_n，可以证明当n≥3时，F_n>V_n。

S8：上位机利用上述时间戳信息以及基站间的实测距离构成的线性方程组，用最小二乘法解出同步参数，利用均值滤波器提高算法鲁棒性。

具体地，每一轮同步可以得到线性方程组：

其中称为同步系数，其行向量表示基站i和基站j之间的一次单收单发的通讯过程得到的方程系数，向量d表示与矩阵的行向量对应的通讯基站间的物理距离：

式(5)中省略部分均为零。

测得系数矩阵后，用最小二乘法即可得到所求

S9：用解得的同步参数矫正定位数据(如TDOA或TOA)，矫正后的定位数据代入定位算法可得到高精度的用户位置。

具体地，以TDOA为例，从TDOA数据中，能得到的只有各个基站A_i接收到TDOA信号时的时间戳(设基站A_i在真实时间时刻记录的时间戳为)。而TDOA算法需要各个基站接收到TDOA信号的时间差，即

注意到δ_ij＝δ_0j-δ_0i，因此只需要得到δ_n×1＝[δ₀₁ δ₀₂ … δ_0n]^T即可。

式(8)可以继续转化：

于是有：

式中如式(6)定义。N_TDOA为各基站接收TDOA信号记录的时间戳组成的矩阵，其行向量表示主基站和基站i接收到TDOA信号过程的系数向量。

式(11)中省略部分均为零。

每一轮工作结束后，用式(7)解出再代入式(10)计算出真实的接收时间差δ_n×1，即可代入TDOA算法中计算出用户位置。

对于TOA定位系统，其时钟同步方案的具体步骤类似上述步骤，不同点在于：

在所有步骤中，把用户看成一个从基站，因此从基站的个数为n+1，即在上述步骤用n+1代替原来参数n

在步骤S9中，TOA算法需要用户和各个基站的时间差，即需要的得到δ_(n+1)×1＝[δ_n+1,0 δ_n+1,1 δ_n+1,2 … δ_n+1,n]^T。根据上述步骤S9可知：

其中N_TOA为各基站(包括用户)接收TOA信号记录的时间戳组成的矩阵。而利用参考系的转变，可以从ε_0,1,ε_0,2,…,ε_0,n+1得到ε_n+1,0,ε_n+1,1,…,ε_n+1,n，因此上述式(6)可以改写为：

本发明另一实施例公开的基于多基站定位的交叉互验时钟同步系统，包括主基站同步模块、从基站同步模块、用户同步模块、同步参数求解模块以及定位矫正模块；其中，主基站同步模块，用于在一轮工作周期开始时发出激活信号，并在发完激活信号后接收一切信号，直到检测到收到终点从基站A_n的反馈信号或者接收定时器超时；读取出每一条反馈信号的数据，传给上位机进行处理；从基站同步模块，用于在收到激活信号后，读取出自身休眠时长，记录接收时间戳和发射时间戳，进入定位状态，与用户互相通信得到定位数据；并在与用户完成定位过程之后，把本地的定位数据存在发送帧相应的位置，然后全部进入休眠状态，在休眠结束后发送本地反馈信号，将定位数据发送给主基站A₀，在接收到下一条激活信号前持续接收其他从基站的反馈信号；用户同步模块，用于在收到激活信号后发射定位信号，与各个基站通信产生定位数据；同步参数求解模块，用于利用主基站获取的F_n组通信收发时间戳信息以及基站间的实测距离构成的线性方程组，用最小二乘法解出同步参数；定位矫正模块，用于利用解得的同步参数矫正定位数据，并将矫正后的定位数据代入定位算法得到用户的位置。本系统实施例的各模块的具体实现方法与上述方法实施例一致，此处不再赘述。

Claims (9)

1.基于多基站定位的交叉互验时钟同步方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)在定位区域布置多个坐标已知的基站，包括一个主基站和n个从基站；基站个数大于等于4，且任意的4个基站不处于同一个平面；

(2)由主基站发出激活信号，包含本次通讯的发射时间、各从基站休眠时长和任务类型；

(3)各从基站收到激活信号后，读取出自身休眠时长，记录接收时间戳和发射时间戳，进入定位状态，与用户互相通信得到定位数据；同时，用户收到激活信号后发射定位信号，与各个基站通信产生定位数据；其中定位信号包含本次通讯的发射时间和任务类型；

(4)各从基站与用户完成定位过程之后，把本地的定位数据存在发送帧相应的位置，然后全部进入休眠状态；

(5)各从基站按约定好的顺序从A₁到A_n逐一醒来，发送本地反馈信号，将定位数据发送给主基站A₀，在接收到下一条激活信号前持续接收其他从基站的反馈信号；

(6)主基站A₀发完激活信号后接收一切信号，直到检测到收到终点从基站A_n的反馈信号或者接收定时器超时；读取出每一条反馈信号的数据，传给上位机进行处理；在主基站处得到一共F_n组通信收发时间戳，包括主基站A₀与每个从基站间的2n组互相通信时间戳，以及从基站之间的互相通信时间戳，即：

(7)上位机利用F_n组通信收发时间戳信息以及基站间的实测距离构成的线性方程组，用最小二乘法解出同步参数，包括各站晶振频率、各站间时间轴的偏移量和站间收发时延；

(8)用解得的同步参数矫正定位数据，并将矫正后的定位数据代入定位算法得到用户的位置。

2.根据权利要求1所述的基于多基站定位的交叉互验时钟同步方法，其特征在于：所述步骤(2)中主基站发出的激活信号标志一个工作周期的开始，整个工作周期完全由主基站控制，从基站的工作内容由主基站指定。

3.根据权利要求1所述的基于多基站定位的交叉互验时钟同步方法，其特征在于：所述步骤(3)中各从基站接收激活信号后，首先读取本地接收时间戳，根据帧协议读取出相应位置的数据，包括激活信号的发射时间、指定的工作内容，包括休眠时长、和任务目标；然后在休眠结束后根据读取的数据确定给哪个目标发送信号。

4.根据权利要求1所述的基于多基站定位的交叉互验时钟同步方法，其特征在于：所述步骤(5)中每个从基站在发送的反馈信号中，包含了上一轮工作周期中接收其他从基站反馈信号的同步数据，以及本轮周期中的激活信号同步数据和定位数据；发送完反馈信号后从基站等待下一条激活信号，在接收到下一条激活信号之前一直保持接收状态，记录与其他从基站的通信时间戳作为本次同步数据，在下一轮工作周期中发给主基站。

5.根据权利要求1所述的基于多基站定位的交叉互验时钟同步方法，其特征在于：所述步骤(7)中主基站每轮工作周期都能得到F_n组通信收发时间戳，任意两个基站之间进行一次通信，就能得到一条同步方程：

其中，为基站A_i记录的本地发射时间戳，为基站A_j记录的本地接收时间戳，f_i和f_j分别为基站A_i和A_j的晶振频率，d_ij是基站A_i和A_j之间的距离，c是光速，τ是发送和接收时延，ε_ij为以基站A_i为参考系下基站A_j的偏移量。

6.根据权利要求5所述的基于多基站定位的交叉互验时钟同步方法，其特征在于：每一轮同步后得到的线性方程组为：

其中，V_n＝2n+2为未知变量的个数；为同步系数，其行向量表示基站i和基站j之间的一次单收单发的通讯过程得到的方程系数，向量d表示与矩阵的行向量对应的通讯基站间的物理距离：

向量中省略部分均为零。

7.根据权利要求1所述的基于多基站定位的交叉互验时钟同步方法，其特征在于：所述步骤(7)中，利用最小二乘法得到同步参数解后，利用均值滤波器沿时间对解做平均，提高算法的鲁棒性。

8.根据权利要求1所述的基于多基站定位的交叉互验时钟同步方法，其特征在于：主基站设定一个终点从基站，在收到终点从基站的反馈信号之后，即结束本轮工作周期，将数据发给上位机，发送激活信号开启下一轮工作周期；同时主基站内置一个定时器，在发送激活信号后一定时间内，若没有收到某个从基站的反馈信号，则认为本轮工作失败，不给上位机发送数据，做一定延时后发送新的激活信号，开启下一轮工作。

9.基于根据权利要求1-8任一项所述的基于多基站定位的交叉互验时钟同步方法的基于多基站定位的交叉互验时钟同步系统，其特征在于：包括主基站同步模块、从基站同步模块、用户同步模块、同步参数求解模块以及定位矫正模块；

所述主基站同步模块，用于在一轮工作周期开始时发出激活信号，并在发完激活信号后接收一切信号，直到检测到收到终点从基站A_n的反馈信号或者接收定时器超时；读取出每一条反馈信号的数据，传给上位机进行处理；

所述从基站同步模块，用于在收到激活信号后，读取出自身休眠时长，记录接收时间戳和发射时间戳，进入定位状态，与用户互相通信得到定位数据；并在与用户完成定位过程之后，把本地的定位数据存在发送帧相应的位置，然后全部进入休眠状态，在休眠结束后发送本地反馈信号，将定位数据发送给主基站A₀，在接收到下一条激活信号前持续接收其他从基站的反馈信号；

所述用户同步模块，用于在收到激活信号后发射定位信号，与各个基站通信产生定位数据；

所述同步参数求解模块，用于利用主基站获取的F_n组通信收发时间戳信息以及基站间的实测距离构成的线性方程组，用最小二乘法解出同步参数；

所述定位矫正模块，用于利用解得的同步参数矫正定位数据，并将矫正后的定位数据代入定位算法得到用户的位置。