CN110267200A - 一种基于高精度时间同步网络的基站定位方法 - Google Patents

一种基于高精度时间同步网络的基站定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于高精度时间同步网络的基站定位方法，属于导航定位领域。其包括：获取无线电波在待定位终端与至少三个基站间传播的绝对时间或相对时间差；获取所述基站在预设坐标中的空间坐标信息；根据所述绝对时间或相对时间差计算所述待定位终端与所述基站的相对距离或相对距离差；根据所述相对距离或相对距离差与所述空间坐标信息按照预设策略，获取待定位终端的位置信息；基站间构建光纤树型拓扑结构网络。本方法通过调整所述从时钟与主时钟的时间同步误差，实现所述从时钟与主时钟的时间同步，提高了基站时间同步精度，达到亚纳秒级别，在定位计算获取基站到达待定位移动终端的距离差时，时间值测量更为精确，可以实现厘米级定位误差，大大提高了定位精度。

Description

一种基于高精度时间同步网络的基站定位方法
技术领域
本发明属于导航定位领域，具体地说，涉及一种基于高精度时间同步网络的基站定位方法。
背景技术
位置服务(LBS，Location Based Services)是一种通过无线通信网络或其他定位系统获取终端位置信息，再结合地理信息系统为用户提供与位置相关的各类信息的服务。时至今日，基于全球卫星导航系统(GNSS，Global Navigation Satellite System)等卫星定位技术的室外位置服务已经广泛应用于车载导航、共享单车等实际应用中，极大提高了生活质量并创造了巨大的商业价值。而随着物联网、车联网等技术发展，位置服务需求呈现爆炸式增长，在国家战略性新兴产业中具有举足轻重的地位，包括在智慧城市、智慧物流、公共安全、城市交通管理、应急救援、弱势群体关爱、无人机领域、自动驾驶领域等都需要位置服务作为基础性支撑。上述应用场景对于定位精度和室内室外位置服务无缝切换都提出了明确要求，尤其是车联网相关的自动驾驶、智慧物流等，定位连续性是保证安全可靠的必要前提，仅仅依靠GNSS定位或者其他定位技术无法满足要求。
现有主流的定位技术主要有三种，其一为基于GNSS系统的卫星定位技术；其二为基于非无线电技术的定位技术；其三为基站定位技术。下面重点阐述基站定位技术，基站定位技术通过对自由空间中无线信号处理，估计目标物体的物理和几何参量，从而实现目标物体的定位过程。在无线定位技术的研究中，影响其定位精度的核心部分为物理测量环节，通过获取无线电波在目标和基站参考点间传播的时间差，计算得到目标与参考点之间的相对距离，再经过算法模型计算得到目标节点的位置信息。基于上述测距的算法主要包括三类：1)基于飞行时间(Time of Flight，TOF)的算法模型，如到达时间(Time of Arrival，TOA)算法、到达时间差算法(Time Difference of Arrival，TDOA)等，其主要制约因素为参考点之间的时间同步精度，很小的时间误差即会导致较大的测距误差，提升定位精度需保证参考点之间高精度时间同步；2)基于接受信号强度(Received Signal Strength，RSS)的算法模型，其主要制约因素为信号强度衰落，且需要配合相关信道衰落模型来估计位置信息，增加了新的不确定因素；3)基于到达方向角(Direction of Arrival)的算法模型，其主要制约因素为到达方向角估计难以控制，较小的角度估计偏差即会导致严重的测距误差，且需要在参考点之间部署复杂昂贵的天线阵列。
综合上述分析，基于TOF的算法模型逻辑简单清晰，计算简单，其主要制约因素时间同步误差，所以如何降低时间同步误差，提高基站时间同步精度，进而提高定位精度是本行业亟待解决的问题。
发明内容
1、要解决的问题
针对现有的基站时间同步精度有限的问题，导致移动设备终端定位精度不高问题，本发明提供一种基于高精度时间同步网络的基站定位方法，其中基站通过光纤构建树型拓扑结构网络，树型拓扑结构网络包括各级根节点时钟，将每一级的根节点时钟作为下一级的主时钟，每下一级的根节点时钟作为上一级的从时钟；通过调整所述从时钟与主时钟的时间同步误差，实现所述从时钟与主时钟的时间同步，大大提高了基站时间同步精度，达到亚纳秒级别，在定位计算获取基站到达待定位移动终端的距离差时，其中时间值测量更为精确，可以实现厘米级定位误差，大大提高了定位精度。
2、技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种基于高精度时间同步网络的基站定位方法，包括获取无线电波在待定位终端与至少三个基站间传播的绝对时间或相对时间差；获取所述基站在预设坐标中的空间坐标信息；根据所述绝对时间计算所述待定位终端与所述基站的相对距离或根据所述相对时间差计算所述待定位终端与所述基站的相对距离差；根据所述相对距离或相对距离差与所述空间坐标信息按照预设策略，获取待定位终端的位置信息；
其中所述基站通过光纤构建树型拓扑结构网络，所述树型拓扑结构网络包括各级根节点时钟，所述每一级的根节点时钟作为下一级的主时钟，每下一级的根节点时钟作为上一级的从时钟；调整所述从时钟与主时钟的时间同步误差，实现所述从时钟与主时钟的时间同步。
进一步的，所述调整从时钟与主时钟的时间同步误差方法包括：将参考时钟和PPS秒脉冲信号与所述根节点时钟锁定，驯服主时钟。
进一步的，所述调整从时钟与主时钟的时间同步误差方法还包括：通过提升时间戳的最小分辨率调整所述从时钟与所述主时钟的时间同步误差，具体步骤包括：
(1)测量物理层时间戳信息；
(2)利用数字双混频技术，调整从时钟与主时钟的时间同步误差。
进一步的，所述调整从时钟与主时钟的时间同步误差方法还包括：通过在硬件上添加多级PLL电路，控制所述树型拓扑结构网络主时钟和从时钟的时钟抖动。
进一步的，在所述树型拓扑结构网络中的物理层添加前向纠错机制算法。
进一步的，所述树型拓扑结构网络还包括有备份时钟和备份网络连接，所述备份时钟接入主时钟，所述备份网络连接接入备份时钟链路；所述备份时钟通过交换机设备中预留的冗余光纤接口接入主时钟源，所述备份网络连接通过同步节点设备中预留的冗余光纤接口接入备份时钟源链路。
进一步的，所述预设策略为TDOA算法或TOA算法。
3、有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明提供一种基于高精度时间同步网络的基站定位方法，其中基站通过光纤构建树型拓扑结构网络，树型拓扑结构网络包括各级根节点时钟，将每一级的根节点时钟作为下一级的主时钟，每下一级的根节点时钟作为上一级的从时钟；通过调整所述从时钟与主时钟的时间同步误差，实现所述从时钟与主时钟的时间同步，大大提高了基站时间同步精度，达到亚纳秒级别，在定位计算获取基站到达待定位移动终端的距离差时，其中时间值测量更为精确，实现厘米级定位误差，大大提高了定位精度；
(2)本发明的定位基站间时间同步网络采用光纤连接方式，可有效利用基站基础数据业务的光纤资源，降低部署成本，优化部署方法；
(3)本发明通过将来自时钟源的参考时钟和PPS秒脉冲信号与根节点的本地时钟锁定，实现驯服根节点主时钟功能，为根节点注入更稳定的高质量时间源信息，这种驯服机制，还可以实现各局域同步网络溯源到同一个时钟源，比如时钟源都来自北斗信号或者国家授时中心的原子钟信号，构建天基授时网络和地基授时网络一体化；
(4)本发明在物理层添加大量前向纠错机制算法(FEC，Forward ErrorCorrection)，同步信号包含在控制消息中传输，控制消息经FEC编码后被编写到N个帧中，经过复杂网络环境传输，可能会由于误码原因丢失部分帧，但由于有FEC算法加持，仍可以从任意接收到的M个帧中(M<N)重建控制消息，对误码不敏感，可以实现在高误码率网络环境中，仍然能够恢复同步信号，保证同步性能。
附图说明
图1为一种基于高精度时间同步网络的基站定位方法流程图；
图2为TOA(到达时间算法)原理图；
图3为TDOA(到达时间差算法)原理图；
图4为基站时间同步网络拓扑图；
图5为时间戳测量及精准相位调整图；
图6为定位基站网络部署图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
在本申请中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
如在本说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种基于高精度时间同步网络的基站定位方法包括：
获取无线电波在待定位终端与至少三个基站间传播的绝对时间或相对时间差；获取所述基站在预设坐标中的空间坐标信息；根据所述绝对时间计算所述待定位终端与所述基站的相对距离或根据所述相对时间差计算所述待定位终端与所述基站的相对距离差；根据所述相对距离或相对距离差与所述空间坐标信息按照预设策略，获取待定位终端的位置信息。
具体的，如图2所示，当预设策略为TOA(到达时间算法)，通常用相对距离进行建模，通过获取无线电波在待定位终端和基站间传播的绝对时间计算出他们的相对距离，再通过球面相交法，便能够在二维平面唯一确定待定位终端的位置坐标。设定待定位终端的未知坐标为(x，y，z)，两个基站的坐标分别为(x1，y1，z1)和(x2，y2，z2)，其中X表示坐标系中的横坐标，Y表示纵坐标，Z表示纵坐标。两个基站发射的信号到达待定位终端的相对时间差为Δt，c为光速(以下同)，则可以得到如下的距离方程：
当获取无线电波在待定位终端与多个基站间传播的相对时间差，且获取多个基站在预设坐标中的空间坐标信息，就可以建立一系列如(式1)的方程，多个方程构成方程组，这个方程组的解就是待定位终端的坐标，其在现有技术中应用比较成熟，在此不做赘述。
具体的，如图3所示，当预设策略为TDOA(到达时间差算法)，通常基于定位基站到定位终端的传输距离差来建模。通过设定待定位终端的未知坐标，两个基站的坐标，列出方程组，通过求解方程组并结合相关算法获得待定位终端的坐标，其在现有技术中应用比较成熟，在此不做赘述。
需要说明的是，本实施例中预设策略为TDOA(到达时间差算法)或TOA(到达时间算法)，但不用于限制本发明。
需要说明的是，TOA(到达时间算法)和TDOA(到达时间差算法)虽然算法模型逻辑简单,计算方便，其主要制约因素为时间同步误差。根据实际测算1米的定位误差对应定位基站间时间同步误差约为3.3纳秒。为了实现厘米级定位误差，需要将基站间时间同步精度提升至亚纳秒级，通过基站间通过光纤构建树型拓扑结构网络，树型拓扑结构网络包括各级根节点时钟，将每一级的根节点时钟作为下一级的主时钟，每下一级的根节点时钟作为上一级的从时钟；通过调整所述从时钟与主时钟的时间同步误差，实现所述从时钟与主时钟的时间同步，大大提高了基站时间同步精度，达到亚纳秒级别，在定位计算获取基站到达待定位移动终端的距离差时，其中时间值测量更为精确，实现厘米级定位误差，大大提高了定位精度。
实施例2
本实施例提供了一种基于光纤网络的移动通信基站高精度时间同步方法，具体的，如图4所示，其中GPS(Global Positioning System)为美国全球定位系统，PPS(PulsePer Second)为秒脉冲信号，UTC(Coordinated Universal Time)为协调世界时。各基站通过光纤构建树型拓扑结构网络，所述树型拓扑结构网络包括各级根节点时钟，所述每一级的根节点时钟作为下一级的主时钟，每下一级的根节点时钟作为上一级的从时钟；调整所述从时钟与主时钟的时间同步误差，实现所述从时钟与主时钟的时间同步。
进一步，为了将各基站组网实现同步，同步精度可达亚纳秒级，该树型拓扑结构网络的每个从节点和对应的主节点构成一对主从关系，每个从节点向对应的主节点看齐，依次类推，从而实现其他所有节点向根节点看齐。该树型拓扑结构网络的参考时钟源可以来自GPS、北斗或高精度铯原子钟，由这类时钟源为同步网络的根节点Grandmaster提供参考时钟、PPS秒脉冲信号、UTC时间等，通过驯服根节点主时钟的本地时钟，注入更稳定的时间源信息。该树型拓扑结构网络的从节点可以是专用同步交换机设备，也可以是同步节点设备，通过单光纤网络连接。在移动通信基站中部署同步时间节点设备，并通过光纤连接，可以将各基站组网实现同步，基站可使用网络中共享的参考时钟、PPS秒脉冲信号、UTC时间等信息，传递给基站的无线信号处理单元，满足移动通讯网络的时间信息需求，同步精度可达亚纳秒级。
调整所述从时钟与所述主时钟的时间同步误差，实现所述从时钟与所述主时钟的时间同步；
为了减小所述从时钟与所述主时钟的时间同步误差，提高所述从时钟与所述主时钟的同步精度，PTP协议为基于主从式关系的时钟协议，通过树型拓扑结构实现组网，并在物理层打时间戳，通过最优主时钟算法确定系统网络中的主时钟，时间同步精度可达亚微秒级。本实施例在精准时钟协议(Precision Time Protocol，PTP)的基础上做了进一步扩展和修改，具体如下：
(1)该树型拓扑结构网络中的参考时钟源可以来自GPS、北斗或高精度铯原子钟，由这类时钟源为同步网络的根节点Grandmaster提供参考时钟、PPS秒脉冲信号、UTC时间等，将根节点的工作模式配置为Grandmaster模式，通过将来自时钟源的参考时钟和PPS秒脉冲信号与根节点的本地时钟锁定，实现驯服根节点主时钟功能，为根节点注入更稳定的高质量时间源信息。这种驯服机制，还可以实现各局域同步网络溯源到同一个时钟源，比如时钟源都来自北斗信号或者国家授时中心的原子钟信号，构建天基授时网络和地基授时网络一体化。
(2)提升时间戳的最小分辨率，实现方法为，基于PTP协议中时间戳测量原理，测量物理层时间戳信息，精确测得数据包到达时间t2和t4，配合已知所记录的数据包发送时间t1和t3，如图5所示，利用数字双混频技术，突破物理层硬件时钟的周期T限制，实现相位精细调整，得到更为精细的相位差Δt(Δt<T)，可达亚纳秒量级，由此调整从时钟与主时钟的时间同步误差，使其控制在亚纳秒级精度。
其中，调整从时钟与主时钟的时间同步误差方法还包括控制所述树型拓扑结构网络主时钟和从时钟的时钟抖动。
具体的，为了实现优质的抖动性能和相位噪声，保证树型拓扑结构网络稳定性，在硬件上添加多级PLL(Phase Locked Loop，锁相环)电路，其中硬件为电路板级硬件，除了在物理层逻辑算法之外，在硬件层面也做出配合，用来控制树型拓扑结构网络的时钟抖动，进一步助于在复杂通信环境中恢复时钟信号。
进一步地，由于主时钟源可能会发生故障，为了避免主时钟源发生故障影响树型拓扑结构网络的稳定性，在该网络拓扑结构中，另有备份时钟源和备份网络连接，分别通过专用交换机设备和同步节点设备中预留的冗余光纤接口，接入主时钟源和备份时钟源链路，并提供配置接口设定主时钟源和备份时钟源链路。通过秒级反馈实时补偿机制刷新时钟源信息实现热备份，在发生主时钟源故障情况下，同步网络中的设备可实时切换到备份时钟源链路。
更进一步地，在物理层添加大量前向纠错机制算法(FEC，Forward ErrorCorrection)，同步信号包含在控制消息中传输，控制消息经FEC编码后被编写到N个帧中，经过复杂网络环境传输，可能会由于误码原因丢失部分帧，但由于有FEC算法加持，仍可以从任意接收到的M个帧中(M<N)重建控制消息，对误码不敏感，可以实现在高误码率网络环境中，仍然能够恢复同步信号，保证同步性能。
时钟频率同步是时间同步的基础，而要实现高精度时间同步，还需要实现相位同步，IEEE 1588v2协议可以实现相位调整，从而实现时间同步。IEEE 1588作为PTP协议标准，全称为IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol forNetworked Measurement and Control Systems，即网络测量和控制系统的精准时钟同步协议标准，由IEEE标准委员会在2002年发布1588v1版本，并在2008年发布1588v2版本，以更好地适用于电信网络。当前3G/4G网络的时间同步，基于IEEE 1588v2的方案为商用主流方案之一，通过光纤网络连接，同步精度可以达到百纳秒级。本实施例的技术方案，通过在网络的物理层时钟共享，允许在网络中精准传递频率信息，实现时钟频率同步；同时，本实施例的技术方案，基于PTP协议扩展和修改而来，可向下兼容IEEE1588v2协议。基于IEEE1588v2的时间同步方案，为现有移动通信网络的主流技术方案之一，本实施例提供的基于光纤网络的移动通信基站高精度时间同步方法的一种实施方式，可向下兼容该主流方案。该实施方式从技术原理以及网络部署上，可以轻松替换原有时间同步系统，避免大规模网络改造，节省硬件成本。
更进一步的，在车联网、智慧仓储等应用场景对定位精度较高，本实施例的基站定位方法，可实现定位基站间亚纳秒级时间同步精度，根据位置误差计算公式，可将无线电波传输时间差带来的位置误差控制在分米级，通过进一步提高时间同步精度达到300皮秒以内，可将无线电波传输时间差带来的位置误差控制在厘米级：
L＝c*Δt＝3×108×100×300×10-12cm＝6＝9cm，其中L表示位置误差，c表示光速，表示相对时间差。
需要说明的是，本实施例的定位基站网络部署采用光纤连接方式，通过光纤资源实现各定位基站之间的星形连接网络结构或菊花链式连接网络结构，满足定位基站的各类部署场景。本实施例的高精度基站定位技术，理论上只需要定位终端具备无线通信功能即可实现高精度定位，可大幅降低终端复杂度及成本。本实施例的高精度基站定位技术具有良好的可扩展性，通过配合无线通信蜂窝网建设，可充分利用已有资源以优化建设及部署成本，以及引入优化的定位算法模型(如增强型TBS算法)，实现广域室内外无缝位置服务。通过配合5G网络建设，可有效利用定位基站间基础业务数据所需的光纤资源来构建高精度时间同步网络(如图5所示)。各基站通过光纤连接实现基础数据交互，为实现定位基站间的高精度时间同步，在基站部署基于光纤传输的高精度时间同步设备，可有效利用已有的光纤资源，无需单独铺设光纤，简化部署流程并可降低部署成本。
更近一步的，本实施例的基站定位方法，通过对定位基站间的时间同步指标做加扰，通过配置时间同步技术的算法参数，实现参考时钟和相位差可调，根据需求，将某些定位基站间的同步精度配置为亚纳秒级，而将其他一些基站间的同步精度配置为其他指标，比如调整为几十纳秒级甚至微秒级，从而按照时间同步精度对定位精度带来的影响。可在广域范围内精确控制指定区域内所发布的定位精度。本实施例的时间同步网络技术，可实现时间同步精度可调，通过开放相关接口，在广域范围内部署的定位基站中，对指定区域内的指定基站，在不影响基站基础业务数据的前提下，将基站间时间同步精度调整至指定数值，从而发布精度可控的位置信息，实现位置信息定制化管理功能，并保证安全性和可靠性。
表1.高精度定位方案对比
如表1，卫星定位+惯性导航+室内术融合，通过RTK或PPP等卫星定位技术，可以在室外广域无遮挡区域实现厘米级定位，结合惯性导航技术可在目标切换至遮挡区域时保持定位信息不丢失，如通过隧道、进入地下停车场等场景。室内定位技术可在目标进入完全遮挡区域后提供定位信息，如商场、厂房、地下停车场等场景，结合惯性导航技术及定位融合技术可在目标切换至室外区域时通过卫星定位技术获取定位信息。该定位融合技术方案，算法复杂度高，对定位终端计算能力要求高，且需同时具备多种定位功能，终端成本高。卫星定位技术固有的定位速度慢、收敛速度慢、以及高精度位置信息更新率低等问题难以解决，使其难以满足车联网等高速移动应用场景。此外，该定位融合技术方案，无法定位技实现特定区域的高精度位置信息管理功能。而本实施例中的技术方案，算法复杂度低，对定位终端计算能力要求小；在定位连续性、网络建设成本、定位速度以及更新速率都比现有技术有更好的表现。
如图6所示，针对未来物联网以及车联网等应用场景，比如电子车牌应用，公安系统为加强车辆管理和监控，需要能够在室内外不同场景获取运动轨迹，在实现定位无缝切换的同时保证位置准确性；智能网联汽车场景中，自动驾驶的实现需要车道级定位精度的保障，并且汽车这类高速移动物体经常会在开阔环境和遮挡环境下切换，对位置更新率和定位连续性都提出了极高的要求。本实施例中，基站间实现高精度时间同步，精度达到亚纳秒级别，在定位计算获取基站到达待定位移动终端的距离差时，其时间值测量更为精确，实现厘米级定位误差，可以大大提高了定位精度，满足了未来物联网以及车联网等应用场景的需求。

Claims (7)

1.一种基于高精度时间同步网络的基站定位方法，其特征在于，包括：
获取无线电波在待定位终端与至少三个基站间传播的绝对时间或相对时间差；
获取所述基站在预设坐标中的空间坐标信息；
根据所述绝对时间计算所述待定位终端与所述基站的相对距离或根据所述相对时间差计算所述待定位终端与所述基站的相对距离差；
根据所述相对距离或相对距离差与所述空间坐标信息按照预设策略，获取待定位终端的位置信息；
其中所述基站通过光纤构建树型拓扑结构网络，所述树型拓扑结构网络包括各级根节点时钟，所述每一级的根节点时钟作为下一级的主时钟，每下一级的根节点时钟作为上一级的从时钟；调整所述从时钟与主时钟的时间同步误差，实现所述从时钟与主时钟的时间同步。
2.根据权利要求1所述的一种基于高精度时间同步网络的基站定位方法，其特征在于，所述调整从时钟与主时钟的时间同步误差方法包括：将参考时钟和PPS秒脉冲信号与所述主时钟锁定，驯服主时钟。
3.根据权利要求2所述的一种基于高精度时间同步网络的基站定位方法，其特征在于，所述调整从时钟与主时钟的时间同步误差方法还包括：通过提升时间戳的最小分辨率调整所述从时钟与所述主时钟的时间同步误差，具体步骤包括：
(1)测量物理层时间戳信息；
(2)利用数字双混频技术，调整从时钟与主时钟的时间同步误差。
4.根据权利要求2所述的一种基于高精度时间同步网络的基站定位方法，其特征在于，所述调整从时钟与主时钟的时间同步误差方法还包括：
通过添加多级PLL电路，控制所述树型拓扑结构网络主时钟和从时钟的时钟抖动。
5.根据权利要求1所述的一种基于高精度时间同步网络的基站定位方法，其特征在于，在所述树型拓扑结构网络中的物理层添加前向纠错机制算法。
6.根据权利要求1所述的一种基于高精度时间同步网络的基站定位方法，其特征在于，所述树型拓扑结构网络还包括有备份时钟和备份网络连接，所述备份时钟接入主时钟，所述备份网络连接接入备份时钟链路；所述备份时钟通过交换机设备中预留的冗余光纤接口接入主时钟源，所述备份网络连接通过同步节点设备中预留的冗余光纤接口接入备份时钟源链路。
7.根据权利要求1所述的一种基于高精度时间同步网络的基站定位方法，其特征在于，所述预设策略为TDOA算法或TOA算法。
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