CN112272403B - 基于uwb的定位时钟误差解算方法 - Google Patents

基于uwb的定位时钟误差解算方法 Download PDF

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Abstract

一种基于UWB的定位时钟误差解算方法，包括：主时钟节点按照时间间隔以延时发送信号时间设定的方式发送第一同步信号和第二同步信号，分别包含主AP时钟计数；第一从基站时钟节点接收到同步信号，测量接收时时钟计数；第二从基站时钟节点接收到同步信号，测量接收时的时钟计数；移动节点发送实时数据，从基站时钟节点接收到实时数据时分别记录当前接收实时数据时的时钟计数；上位机计算得到第一从基站时钟节点B和第二从基站时钟节点C的计数偏差。本发明中的定位时钟同步计算方法在以主AP基站发送同步包同步时钟时，若标签与主AP基站有阻挡，能采用其它从AP基站来计算时钟同步，可以降低定位坐标卡顿问题发生的概率，有效提升标签的定位精度。

Description

基于UWB的定位时钟误差解算方法
技术领域
本虱欸合约定位时钟误差解算领域，特别涉及一种基于UWB的定位时钟误差解算方法。
背景技术
随着科技的发展，无线通信技术的提高，越来越多的物联网业务需要处理基于位置定位的服务，基于现在室外环境有GPS定位的条件下，室内的定位技术成为了研究的热点。在室内与室外的环境对比中，室内定位系统着重于实现对物体精准的定位，而UWB技术却恰好是非常符合该条件的，它具有功耗低，安全性高，定位精度高等一系列优点。
现有技术中的UWB室内定位通常利用TOA、TDOA、TOF等技术，基本上离不开对时钟同步的处理，因为不管如何相像的两台定位基站他们的时钟都是存在差异的。但是，在UWB一光速来计算时间差的系统中，一点点细微的时间差异都可能对定位的精度造成巨大的误差。
现在技术中的时钟同步技术都是通过主AP基站定时发送同步包来同步其附近从AP基站的时钟，然而在主ap基站出错的时候，从ap基站如果还是依赖于发生错误的主ap基站的同步包来同步时钟，这会对定位精度造成巨大误差，同时同步包接收会造成延时，使定位变得卡顿，不连续。
发明内容
本发明提供了一种基于UWB的定位时钟误差解算方法，以解决现有技术中uwb定位所需对时钟的同步过分依赖于主AP基站发送正确的同步包给从AP基站接收，然后进行时钟的同步问题。
为解决上述问题，作为本发明的一个方面，提供了一种基于UWB的定位时钟误差解算方法，包括：
步骤1，主时钟节点A按照时间间隔T1以延时发送信号时间设定的方式发送第一同步信号和第二同步信号，第一同步信号和第二同步信号中分别包含发送时主时钟节点A的第一主AP时钟计数TA1、和第二主AP时钟计数TA2；
步骤2，第一从基站时钟节点B接收到所述第一同步信号和第二同步信号，测量接收时第一从基站时钟节点B的时钟计数分别为TB1、TB2；
步骤3，第二从基站时钟节点C接收到所述第一同步信号和第二同步信号，测量接收时第二从基站时钟节点C的时钟计数分别为TC1、TC2；
步骤4，移动节点Tag发送实时数据，第一从基站时钟节点B和第二从基站时钟节点C接收到实时数据时分别记录当前接收实时数据时的时钟计数TBT,TCT；
步骤5，上位机根据第一同步信号的电信号在主时钟节点与从基站时钟节点之间的理论传输计数、以及主时钟节点的时钟计数与从基站时钟节点的时钟计数的差，计算得到第一从基站时钟节点B和第二从基站时钟节点C的计数偏差。
优选地，步骤5，上位机根据△B＝TA1-(TB1-SAB/C)计算第一从基站时钟节点B接收第一同步信号时刻的计数偏差，其中，SAB为主时钟节点A与第一从基站时钟节点B之间的距离；C为光速；
上位机根据△C＝TA1-(TC1-SAC/C)计算第二从基站时钟节点C接收第一同步信号时刻的计数偏差，其中，SAC为主时钟节点A与第二从基站时钟节点C之间的距离。
优选地，步骤5还包括：若主时钟节点A在该周期内未接收到标签数据，而第一从基站时钟节点B和第二从基站时钟节点C接收到了标签数据，且第一从基站时钟节点B的信号稍强于第二从基站时钟节点C的信号，则上位机以第一从基站时钟节点B为基准时钟计算第二从基站时钟节点C在TB1<T<TB2时间段平均频率偏差为：
Figure BDA0002750314620000031
优选地，步骤5还包括：在第一从基站时钟节点B于TB1<T<TB2内的任一时间T，第二从基站时钟节点C的时钟偏差TBC为：
TBC＝△C+(T-TB1)×△f-△B。
优选地，步骤5还包括：移动节点Tag发射广播信号，第一从基站时钟节点B接收主时钟计数为TBT，第二从基站时钟节点C接收主时钟为TCT，经过时钟校准计算第一从基站时钟节点B、第二从基站时钟节点C接收信号的时间差为：
△TBC＝△TBT-(TCT+TBC(TBT))。
优选地，步骤5还包括：利用下式计算经过时钟校准计算第一从基站时钟节点B、第二从基站时钟节点C接收信号的时间差：
Figure BDA0002750314620000032
优选地，步骤5还包括：经过时钟校准计算第一从基站时钟节点B、主时钟节点A接收信号的时间差：
Figure BDA0002750314620000033
与原有定位时钟同步算法相比，本发明中的定位时钟同步计算方法在以主AP基站发送同步包同步时钟时，若标签与主AP基站有阻挡，能采用其它从AP基站来计算时钟同步，可以降低定位坐标卡顿问题发生的概率，有效提升标签的定位精度。
附图说明
图1示意性地示出了本发明中的UWB定位时钟解算方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
本发明中涉及的技术术语解释如下：
(1)标签，标签为不确定位置坐标，它按周期定时广播发送定位实时数据，使其附近的AP基站能接收的到实时数据。
(2)主AP基站，主AP基站主要用于周期定时发送同步包数据到从AP基站并记录当前发送同步包时间戳，将发送同步包时间戳发送到上位机。
(3)从AP基站，接收主AP基站发来的同步包及标签实时数据，记录接收到同步包的时间戳以及接收到标签实时数据的时间戳，将时间戳发送到上位机。
(4)上位机，在接收到同一段时间的同步包时间戳时，进行时钟同步计算，计算各个AP基站之间的时钟误差。
本发明中的定位时钟误差解算方式考虑到标签与主AP基站之间存在严重的遮挡时，主AP基站发送同步时钟数据由从AP基站接收到数据那一刻的同步包时间戳来说并不准确的问题，该问题会造成接收产生一定的延时，延时会造成定位的解算偏差及定位卡顿现象。
为此，作为本发明的一个方面，提供了一种基于UWB的定位时钟误差解算方法，包括：
步骤1，主时钟节点A按照时间间隔T1以延时发送信号时间设定的方式发送第一同步信号和第二同步信号，第一同步信号和第二同步信号中分别包含发送时主时钟节点A的第一主AP时钟计数TA1、和第二主AP时钟计数TA2；
步骤2，第一从基站时钟节点B接收到所述第一同步信号和第二同步信号，测量接收时第一从基站时钟节点B的时钟计数分别为TB1、TB2；
步骤3，第二从基站时钟节点C接收到所述第一同步信号和第二同步信号，测量接收时第二从基站时钟节点C的时钟计数分别为TC1、TC2；
步骤4，移动节点Tag发送实时数据，第一从基站时钟节点B和第二从基站时钟节点C接收到实时数据时分别记录当前接收实时数据时的时钟计数TBT,TCT；
步骤5，上位机根据第一同步信号的电信号在主时钟节点与从基站时钟节点之间的理论传输计数、以及主时钟节点的时钟计数与从基站时钟节点的时钟计数的差，计算得到第一从基站时钟节点B和第二从基站时钟节点C的计数偏差。
优选地，步骤5，上位机根据△B＝TA1-(TB1-SAB/C)计算第一从基站时钟节点B接收第一同步信号时刻的计数偏差，其中，SAB为主时钟节点A与第一从基站时钟节点B之间的距离；C为光速；
上位机根据△C＝TA1-(TC1-SAC/C)计算第二从基站时钟节点C接收第一同步信号时刻的计数偏差，其中，SAC为主时钟节点A与第二从基站时钟节点C之间的距离。
优选地，步骤5还包括：若主时钟节点A在该周期内未接收到标签数据，而第一从基站时钟节点B和第二从基站时钟节点C接收到了标签数据，且第一从基站时钟节点B的信号稍强于第二从基站时钟节点C的信号，则上位机以第一从基站时钟节点B为基准时钟计算第二从基站时钟节点C在TB1<T<TB2时间段平均频率偏差为：
Figure BDA0002750314620000051
这样，在以主AP基站发送同步包同步时钟时，若标签与主AP基站有阻挡，能采用其它从AP基站来计算时钟同步，可以降低定位坐标卡顿问题发生的概率，有效提升标签的定位精度。
优选地，步骤5还包括：在第一从基站时钟节点B于TB1<T<TB2内的任一时间T，第二从基站时钟节点C的时钟偏差TBC为：
TBC＝△C+(T-TB1)×△f-△B。
优选地，步骤5还包括：移动节点Tag发射广播信号，第一从基站时钟节点B接收主时钟计数为TBT，第二从基站时钟节点C接收主时钟为TCT，经过时钟校准计算第一从基站时钟节点B、第二从基站时钟节点C接收信号的时间差为：
△TBC＝△TBT-(TCT+TBC(TBT))。
优选地，步骤5还包括：利用下式计算经过时钟校准计算第一从基站时钟节点B、第二从基站时钟节点C接收信号的时间差：
Figure BDA0002750314620000061
优选地，步骤5还包括：经过时钟校准计算第一从基站时钟节点B、主时钟节点A接收信号的时间差：
Figure BDA0002750314620000062
下面，以一个具体的实施例，对本发明的实施过程进行详细说明。
在此实施例中，A为主AP基站时钟参考节点，B和C为从AP基站时钟参考节点，节点Tag标签表示移动节点。
其中，主时钟节点A按照时间间隔T1以延时发送信号时间设定方式发送同步信号1、2，同步信号中包含发送时节点A主AP时钟计数TA1、TA2。从基站时钟节点B接收到2个同步信号，测量接收时时钟计数分别为TB1、TB2。从基站时钟节点C接收到2个同步信号，测量接收时时钟计数分别为TC1、TC2。节点Tag发送实时数据，在从AP节点B,C接收到实时数据时各自记录当前接收实时数据时时钟计数TBT,TCT，需要说明的是，此时钟计数是实时数据时钟，而测量接收时钟计数是同步信号，TBT,TCT是定义为实时数据到达时钟，TB1,TC1为上一时刻获取的接收时钟，TB2,TC2为实时时钟过后下一时刻获取的接收时钟。计数值由UWB芯片寄存器获取。
下面，对上位机收到所需数据后的各种计算进行详细说明。
计算从AP B接收同步信号1时刻计数偏差为：
△B＝TA1-(TB1-SAB/C)  式(1)
其中，SAB为节点A、B之间的距离；C为光速；TA1为主AP时钟计数；TB1为从基站时钟节点B接收到1个同步信号，测量接收时时钟计数。
计算从AP C接收同步信号1时刻计数偏差为：
△C＝TA1-(TC1-SAC/C)  式(2)
其中，SAC为节点A、C之间的距离；TC1为从基站时钟节点C接收到1个同步信号，测量接收时时钟计数；、。
近似认为T1时间段主从时钟频率恒定不变，若主AP在该周期内未接收到标签数据，而其他两个从AP接收到了标签数据，假如从AP B的信号稍强，则以从AP时钟节点B为基准时钟计算从AP时钟节点C，在TB1<T<TB2时间段平均频率偏差为：
Figure BDA0002750314620000071
在从AP时钟节点B TB1<T<TB2任一时间T，从时钟节点时钟节点C时钟偏差TBC为：
TBC＝△C+(T-TB1)×△f-△B  式(4)
移动节点Tag发射广播信号，节点B接收主时钟计数为TBT，节点C接收主时钟为TCT，经过时钟校准计算节点B、C接收信号的时间差为：
△TBC＝△TBT-(TCT+TBC(TBT))  式(5)
将式(1)-(4)代入式(5)得到：
Figure BDA0002750314620000081
Figure BDA0002750314620000082
通过以上计算方式得出的值，可以解决当标签与主AP基站之间存在严重遮挡时，主AP的同步包错误带来的时钟偏差问题。
由于采用了上述技术方案，本发明中的时钟误差解算方法在标签与主AP基站之间存在严重的遮挡时，因为其附近的从AP基站未必是遮挡的，若是有从AP基站信号比较好，通过该从AP基站与其它从AP基站的信息数据进行解算，可以避免原定定位解算方式造成的定位偏差及定位卡顿。
与原有定位时钟同步算法相比，本发明中的定位时钟同步计算方法在以主AP基站发送同步包同步时钟时，若标签与主AP基站有阻挡，能采用其它从AP基站来计算时钟同步，可以降低定位坐标卡顿问题发生的概率，有效提升标签的定位精度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于UWB的定位时钟误差解算方法，其特征在于，包括：
步骤1，主时钟节点A按照时间间隔T1以延时发送信号时间设定的方式发送第一同步信号和第二同步信号，第一同步信号和第二同步信号中分别包含发送时主时钟节点A的第一主AP时钟计数TA1、和第二主AP时钟计数TA2；
步骤2，第一从基站时钟节点B接收到所述第一同步信号和第二同步信号，测量接收时第一从基站时钟节点B的时钟计数分别为TB1、TB2；
步骤3，第二从基站时钟节点C接收到所述第一同步信号和第二同步信号，测量接收时第二从基站时钟节点C的时钟计数分别为TC1、TC2；
步骤4，移动节点Tag发送实时数据，第一从基站时钟节点B和第二从基站时钟节点C接收到实时数据时分别记录当前接收实时数据时的时钟计数TBT,TCT；
步骤5，上位机根据第一同步信号的电信号在主时钟节点与从基站时钟节点之间的理论传输计数、以及主时钟节点的时钟计数与从基站时钟节点的时钟计数的差，计算得到第一从基站时钟节点B和第二从基站时钟节点C的计数偏差；
步骤5还包括：
若主时钟节点A在其定时发送同步包数据的周期内未接收到标签数据，而第一从基站时钟节点B和第二从基站时钟节点C接收到了标签数据，且第一从基站时钟节点B的信号强于第二从基站时钟节点C的信号，则上位机以第一从基站时钟节点B为基准时钟计算第二从基站时钟节点C在TB1<T<TB2时间段平均频率偏差为：
Figure FDA0004104364640000011
在第一从基站时钟节点B于TB1<T<TB2内的任一时间T，第二从基站时钟节点C的时钟偏差TBC为：
TBC＝ΔC+(T-TB1)×Δf-ΔB；
移动节点Tag发射广播信号，第一从基站时钟节点B接收主时钟计数为TBT，第二从基站时钟节点C接收主时钟为TCT，经过时钟校准计算第一从基站时钟节点B、第二从基站时钟节点C接收信号的时间差为：
ΔTBC＝ΔTBT-(TCT+TBC(TBT))。
2.根据权利要求1所述的基于UWB的定位时钟误差解算方法，其特征在于，步骤5，上位机根据ΔB＝TA1-(TB1-SAB/C)计算第一从基站时钟节点B接收第一同步信号时刻的计数偏差，其中，SAB为主时钟节点A与第一从基站时钟节点B之间的距离；C为光速；
上位机根据ΔC＝TA1-(TC1-SAC/C)计算第二从基站时钟节点C接收第一同步信号时刻的计数偏差，其中，SAC为主时钟节点A与第二从基站时钟节点C之间的距离。
3.根据权利要求1所述的基于UWB的定位时钟误差解算方法，其特征在于，步骤5还包括：利用下式计算经过时钟校准计算第一从基站时钟节点B、第二从基站时钟节点C接收信号的时间差：
Figure FDA0004104364640000021
4.根据权利要求2所述的基于UWB的定位时钟误差解算方法，其特征在于，步骤5还包括：经过时钟校准计算第一从基站时钟节点B、主时钟节点A接收信号的时间差：
Figure FDA0004104364640000031
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