CN112964258B - 一种基于tdoa的多单元协同定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于TDOA的多单元协同定位系统。该定位系统包括上位机、POE交换机、若干基站和待定位标签。若干基站被划分为至少两个定位单元，每个单元使用各自单元内的一个基站作为时钟基准，该基站将自己的坐标、时间、频率等定位信息以报文的方式传送给从基站，每个从基站完成k值计算以及时钟同步的过程，从基站单独上传同步后的接收到标签的时间给上位机，在上位机中利用LM算法将多单元超定方程组进行联立求解定位坐标。本发明利用LM算法求解整合后的TDOA超定方程组得到唯一的位置估计，解决了多单元定位中的定位冲突问题，同时求解得到的结果具有更高的精度。

Description

一种基于TDOA的多单元协同定位系统

技术领域

本发明涉及室内定位技术领域，具体地说是一种基于TDOA的多单元协同定位系统。

背景技术

近年来，室内定位不断发展，在现有的无线通信技术中，超宽带(ultra-wideband，UWB)信号具有高传输率、低功耗、抗干扰性强、穿透能力强的优点，使其在定位精度方面比其他定位技术更有优势，在短距离定位方面更加可靠。在定位系统中，需要将与位置相关的信息通过有线或者无线的方式在标签与基站、基站与基站间进行传输，并实时解算定位标签的位置信息。目前应用最广泛的定位方法有基于信号强度指示(RSSI)、基于到达时间(TOA)、基于到达时间差(TDOA)、基于到达方向(AOA)、基于双向测距(TOF)等。

RSSI定位方法是通过测得UWB脉冲信号的信号场强，依照信道衰落模型及得到的发射信号的信号强度值，计算标签与基站之间的距离。RSSI是一种低功率、低成本的测距技术，在实际应用中，该方法易受阴影衰落、多径效应的影响造成较大的误差，故被广泛应用于定位精度要求不高的场景中。

AOA定位方法是基站通过天线阵列测出UWB信号的入射方位，以此来计算基站与标签的角度，最后利用三角测量法得出标签的位置坐标。该方法对UWB信号的方向和角度计算要求较高，易受非视距、环境噪声等的影响，导致精度降低。

TOA定位方法是根据UWB信号在基站与标签之间的传播速度和时间来计算两者之间的距离进而实现定位。每个基站与标签都可以得到一组以基站为圆心的方程，TOA定位估计问题就转换为了求解一组非线性圆方程的问题。但由于测得的时间受环境因素或者硬件影响，会使TOA测量值出现较大偏差，使得方程组无法求解，造成定位算法的性能显著下降。

TOF定位方法是一种双向测距技术，它通过测量UWB信号在基站与标签之间往返的飞行时间来计算距离。TOF定位方法与TOA定位方法在本质上是相同的，而TOF测距不依赖基站与标签的时间同步，故没有时钟同步偏差带来的误差，但TOF测距方法的时间取决于时钟精度，时间偏移会带来误差。

TDOA定位方法是通过测量UWB信号从标签到两个基站之间传播时间的差值，得到标签到两个基站之间的固定距离差。相比TOA定位方法不需要加入专门的时间戳来进行标签与基站间时钟同步，定位精度更高。

以上方法都是基于UWB的定位方法，UWB系统采用极窄脉冲进行信息传输，多径情况下的时间分辨率极高，采用TOA、TDOA、TOF等方法无须对超宽带信号进行预处理。为了得到更为准确的定位精度，UWB定位系统一般采用TDOA方法进行位置信息的获取。

根据TDOA定位技术的原理，测量参数主要是从基站上获得的，因此基站与基站之间必须保持严格的时钟同步，如果没有足够精确的时钟同步，定位测量结果将会产生很大的误差。时钟同步一般通过高稳定精度的原子钟产生的时间和频率基准，校正其他时钟的频率，使处于各个位置的时钟保持频率和时间的同步。进行时钟同步可以选用有线或者无线两种方式，但有线时钟同步布线繁琐，成本较高，而且不易扩展，适用范围比较小，故多采用无线的方式进行时钟同步。

利用TDOA方法进行多单元定位时，标签发射的定位信号往往会被相邻的2-3个定位单元同时收到，接收到标签定位信息的定位单元都会对其进行位置计算。因此，每个单元都会得到一个TDOA超定方程组，分别得到标签的位置坐标。但是，当定位现场的环境存在多径干扰或者外界噪声很大时，导致测量误差增大，使得各自单元所得标签的位置坐标差异很大，引起定位冲突，影响对标签具体位置的准确判断，无法得到准确的位置估计。因此需要设计一种多单元协同定位系统，解决多单元定位中的定位冲突问题并从求解的角度提高解算结果的精度。

发明内容

本发明的目的就是提供一种基于TDOA的多单元协同定位系统，以解决现有多单元定位中的定位冲突问题。

本发明是这样实现的：一种基于TDOA的多单元协同定位系统，包括上位机、POE交换机、若干基站和待定位标签；若干基站被划分为至少两个定位单元，每一定位单元中包含至少三个基站，且在每一定位单元中，存在一个基站为主基站，其余基站为从基站；相邻两个定位单元交叉包含至少一个相同的基站，这些被交叉包含的基站，在其中一个定位单元中均作为从基站，而在另一定位单元中，选择其中之一作为主基站；各基站均能接收到待定位标签发射的标签信号；每个定位单元单独进行时钟同步，主基站用于发射时钟同步信号，且在发射时钟同步信号的同时携带自身的时钟计数；从基站用于完成k值计算以及时钟同步过程，并将同步后的接收到标签信号的时间上传至上位机；k值为主基站和从基站的时钟频率比值；上位机用于将所得到的所有定位信息进行整合得到唯一的TDOA超定方程组，并利用LM算法进行求解，得到标签位置。

优选的，从基站完成k值计算是依据卡尔曼滤波算法预估得到的。

优选的，在各基站上均设有RJ45接口，各基站通过以太网接到POE交换机的接口上，由POE交换机对各基站进行供电。所述标签采用电池进行供电。

优选的，各基站均包括数据采集单元和数据处理单元；在各基站上均设有射频信号接收探头和射频信号发射探头，在所述标签上设有射频信号发射探头。

所述若干基站具体是六个基站，分别为基站A、B、C、D、E、F；这六个基站被划分为两个定位单元，其中，定位单元一包括基站A、B、D、E，定位单元二包括基站B、C、E、F；在定位单元一中，基站A为主基站，基站B、D、E为从基站；在定位单元二中，基站B为主基站，基站C、E、F为从基站；各基站的坐标分别为A(x₁，y₁)、B(x₂，y₂)、C(x₃，y₃)、D(x₄，y₄)、E(x₅，y₅)、F(x₆，y₆)，标签的坐标为(x，y)；基站B、C、D、E、F同步后的接收到标签信号的时间分别记为T₂、T₃、T₄、T₅、T₆；上位机利用LM算法对如下方程组进行求解，得到标签位置，

式中，c为光速。

传统TDOA定位中，针对定位现场的多个定位单元同时收到标签发射的定位信息并分别对标签进行定位时，由于多径干扰以及外界噪声使得测量误差增大导致的定位冲突问题，本发明设计了一种基于TDOA的多单元协同定位系统，该系统整合了参与定位计算的所有基站信息，组成了唯一的TDOA超定方程组，利用LM算法求解整合后的TDOA超定方程组得到唯一的位置估计，解决了多单元定位中的定位冲突问题。同时由于TDOA超定方程组中整合了所有参与定位的基站信息，增加了方程组的约束条件，求解得到的结果具有更高的精度，为提高TDOA定位的精度并增强其扩展性提供了一种新方法、新思路。

附图说明

图1是本发明实施例中多单元协同定位系统的模型示意图。

图2是本发明实施例中时钟同步原理图。

图3是本发明实施例中基于TDOA的多单元协同定位系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明在理论分析及前期工作经验的基础上，对基站进行了结构设计，优化了设计方案。本发明中系统通讯节点采用Decawace公司推出的DW1000射频芯片，DW1000采用的是高传输率、低功耗、抗干扰性强等特点的UWB技术，且支持6个信道，DW1000射频芯片内置了63.8976GHz的采样时钟，计时分辨率为15.65ps，高精度的时钟保证了信号飞行时间的测量精度。控制器采用意法半导体(ST)公司的STM32F107 32位ARM微控制器，承担DW1000射频芯片的控制及数据收发工作。以此为基础设计了多单元基站布局，每个单元使用各自单元内的一个基站作为时钟基准，该基站将自己的坐标、时间、频率等定位信息以报文的方式传送给从基站，每个从基站完成k值计算以及时钟同步的过程，从基站单独上传同步后的接收到标签的时间给上位机，在上位机中利用LM算法将多单元超定方程组进行联立求解定位坐标。本发明致力于研发一种多单元协同定位系统，扩大定位范围，消除多单元定位多解冲突，定位方程联立，方程个数增加，约束条件增加，理论定位精度提高。

本发明中，将参与定位的所有基站作为一个整体系统，该整体系统包括若干定位单元，每个定位单元又作为一个单独的子系统，这些子系统单独进行时间同步，协同处理完成整个定位过程。故本发明设计了一种多单元的协同定位系统，例如：第一定位单元选择独立的基站作为主时钟参考节点，选择相邻两个单元(此处为第一定位单元和第二定位单元)的共用从基站中的一个作为第二定位单元的主时钟参考节点，以此类推，每个单元又单独进行时钟同步，主基站在发射时钟同步信号的同时携带自身的时钟计数，在每一个从基站中完成k值计算以及时钟同步的过程，从基站上传同步后的接收到标签的时间，在上位机中将得到的所有定位信息进行整合得到唯一的TDOA超定方程组，增加了约束条件，对定位标签进行多单元协同定位得出精度更高的位置估计。

TDOA定位是通过检测发射源(记为移动节点或标签)发射的信号到各参考节点的时间差，进一步得到距离差，来对移动节点进行定位。采用两个不同的参考节点就可以测得一个到达时间差，对应于一条双曲线，采用三个不同的参考节点就可以得到三个到达时间差，对应三条双曲线，移动节点就位于这三条双曲线的交点，因此要达到定位目的，至少需要三个不同的参考节点。

如图1所示，以多单元协同定位系统中的两个单元(此处中的单元亦即定位单元的简称)为例进行说明，单元一中包括四个基站(或称参考节点)A、B、D、E，其中，基站A为主基站，基站B、D、E为从基站；单元二包括四个基站B、C、E、F，其中，基站B、E是单元一和单元二的共用基站，单元二中，选取共用基站中的基站B作为主基站(当然，此处选择基站E作为主基站也是可以的)，其余基站C、E、F为从基站。将基站A、B、C、D、E、F的坐标分别记为A(x₁，y₁)、B(x₂，y₂)、C(x₃，y₃)、D(x₄，y₄)、E(x₅，y₅)、F(x₆，y₆)，移动节点(Tag)(x，y)发射的信号到达参考节点A、B、C、D、E、F天线的时间分别记为t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆。每个单元得到的TDOA方程组如下：

单元一：

单元二：

若使用TDOA方法进行定位，需要获取到达时间差，即需要先测量移动节点发射的无线电到达两个参考节点的时间，再取差，这种方法要求参考节点时钟严格同步，本发明采用无线时钟同步方法。

如图2所示，主时钟参考节点A以T₁为时间间隔，发送1、2两个同步信号，同步信号里包含主时钟参考节点A的时钟计数τ_A1、τ_A2，从时钟参考节点B收到同步信号1、2时，测得接收时钟计数为τ_B1、τ_B2。可在从时钟参考节点B中计算得到同步信号1时刻计数初始偏差如下：

式(1)中，S_AB表示主时钟参考节点A与从时钟参考节点B之间的距离，c表示光速。在计算时可以认为T₁时间段内主时钟频率和从时钟频率是不变的，A、B两个参考节点在τ_A1＜τ＜τ_A2，τ_B1＜τ＜τ_B2时间段平均频率偏差比值计算如下：

在参考节点B时钟计数τ_B1＜τ＜τ_B2时间段内的任一时间τ，A、B两个参考节点的时钟偏差t_AB计算如下：

t_AB(τ)＝Δ1+(τ-τ_B1)×(1/k) (3)

在主时钟参考节点A和从时钟参考节点B进行校准的时候，移动节点Tag发射的广播信号和主时钟参考节点A的同步信号不发生冲突的情况下，主时钟参考节点A和从时钟参考节点B均能够收到广播信号。如图2所示，移动节点Tag发射广播信号，从时钟参考节点B接收到广播信号的时钟计数为t₂，经过时钟校准后可得从时钟参考节点B接收广播信号时间对应的主时钟参考节点A时钟计数如下：

T₂＝t_AB(t₂) (4)

将(1)、(2)、(3)代入(4)中，可得：

式(5)中，k值为主时钟参考节点A和从时钟参考节点B的时钟频率比值，k值的测量计算最为关键。如图2中所示，若采用接收标签信号后的对时信号计算k值，则定位计算会存在延时。本发明利用卡尔曼滤波算法预测的k值则可以很好地解决这一问题。具体地，从基站利用τ_A1、τ_B1及以前的历史数据预估未来一段时间的k值，收到下一帧对时信号时利用τ_A2、τ_B2更新预估值，依次迭代更新，特别强调T₂时间计算是由从基站完成。通过这种分布式时钟同步计算设计，降低了上位机计算量。

通过时钟传递方法，将单元一中的A基站作为主时钟参考节点，B、D、E基站作为从时钟参考节点，同时，单元二与单元一相连，故又可以将B(E)基站作为单元二的主时钟参考节点，C、E(B)、F基站作为单元二的从时钟参考节点，这样两个定位单元不需要进行所有基站的时钟同步，这些时钟传递的过程都在基站中完成，并将得到的定位信息各自上传至上位机，两个定位单元方程组进行联立，式中(T₂，T₃，T₄，T₅，T₆)分别是从基站B、C、D、E、F接收标签时间经时钟同步计算后得到的主时钟对应时间，同一主时钟标签接收时间可计算距离差，得到多单元协同定位下的TDOA定位方程组如下：

对TDOA超定方程组，采取LM(Levenberg–Marquardt)算法进行求解，得到唯一的位置坐标估计。LM算法是一种用来解决非线性最小二乘解问题的快速算法，多用于曲线拟合的情况，它本质上就是“信赖域法”，把最优算法转化为局部寻优的问题，在起始点，每一次迭代中，设置一个网络可以接受的信赖域，在该区域内进行近似函数的寻优，找到该区域内的最优解，再以该点计算某一评判函数的下降值，若该函数下降值满足要求，则以这个最优解的方向迭代，若是不满足要求，则减小信赖域继续搜索最优解。它把梯度下降法与高斯牛顿法的优点结合起来应用到实际问题中，计算时间短，并且可以解决易陷入局部最优解的缺陷。

下面结合图3描述本发明中基于TDOA的多单元协同定位系统的整体结构。如图3所示，多单元协同定位系统包括上位机、POE交换机、基站、标签Tag；本实施例中以两个定位单元为例进行说明，图中示出了六个基站，分别为A、B、C、D、E、F，按照四个基站作为一个标准的定位单元，将这六个基站分为两个定位单元，定位单元一包括基站A、B、D、E，定位单元二包括基站B、C、E、F。在标签上有一个射频信号发射探头、在六个基站上分别有一个射频信号接收探头和射频信号发射探头。基站和标签可以通过以太网线与POE交换机相连，进而对基站和标签进行供电，基站之间可以进行通信完成定位数据传输过程，在定位单元一中，选择基站A作为主时钟参考节点，在定位单元二中，选择与之相连的定位单元一中的从时钟参考节点(即基站B和E)中的一个作为主时钟参考节点，每个从基站完成k值计算以及时钟同步的过程，每个基站通过网络传输的方式将各自的坐标、时间、频率单独上传给上位机，两个单元的定位方程进行整合，利用LM算法完成TDOA方程求解，并在上位机中实时显示。

具体地，将两个定位单元放置在同一空间内，如图3所示，分别为定位单元一(主基站A、从基站B、从基站D、从基站E)，定位单元二(主基站B、从基站C、从基站E、从基站F)，每个基站中都存在数据采集单元和数据处理单元。对基站采用POE交换机进行供电，在每个基站上分别留一个RJ45接口，通过以太网接到POE交换机的接口上即可实现对基站供电；标签采用电池直接供电。当标签和基站供电之后即可开始进行定位工作，定位单元一中主基站A不断向从基站B、D、E发送时钟同步信息(包含自身时钟信号)，定位单元二中基站B又作为主基站不断向从基站C、E、F发送时钟同步信息，同时标签通过射频信号发射探头向外发射定位信号，每个从基站完成k值计算以及时钟同步的过程并通过网络传输的方式将各自的时间信息单独上传给上位机，利用定位参数构建TDOA定位方程组，将所有参与定位计算的信息进行整合，并利用LM算法完成解算过程，最终得到标签的唯一坐标。这样，就可以完成两个定位单元的协同定位，消除了两个定位单元存在两个定位解的问题，并且方程联立增加约束条件，理论定位精度提高，并在上位机中准确显示实时标签位置。

因此，本发明利用多单元协同定位系统进行定位时，每个定位单元单独进行时钟同步，同时每个基站单独上传标签定位信息给上位机，上位机完成所有参与定位信息的整合得到唯一的TDOA超定方程组，利用LM算法进行求解。这样，既消除了多单元定位多解问题，又在理论上提高了系统定位精度，增强了系统鲁棒性。

本发明基于UWB技术，利用TDOA定位原理，设计了多单元协同定位系统。实际应用中，存在不可确定的环境干扰及噪声，造成时间的延迟，测量误差增大导致定位误差增大，传统TDOA定位系统由于以上原因容易出现多单元定位冲突的情况，无法对目标的位置做出准确判断。利用本发明可以进行多单元协同定位，将多个单元构成的定位方程进行整合，并利用LM算法进行求解，消除了多单元定位冲突问题，并且定位方程数量的增多使得约束条件增多，理论定位精度提高，这为室内多单元定位提供了一种新方法、新思路，并且提高了定位的扩展性。

Claims (5)

1.一种基于TDOA的多单元协同定位系统，其特征是，包括上位机、POE交换机、若干基站和待定位标签；若干基站被划分为至少两个定位单元，每一定位单元中包含至少三个基站，且在每一定位单元中，存在一个基站为主基站，其余基站为从基站；相邻两个定位单元交叉包含至少一个相同的基站，这些被交叉包含的基站，在其中一个定位单元中均作为从基站，而在另一定位单元中，选择其中之一作为主基站；每个定位单元单独进行时钟同步，主基站用于发射时钟同步信号，且在发射时钟同步信号的同时携带自身的时钟计数；从基站用于完成k值计算以及时钟同步过程，并将同步后的接收到标签信号的时间上传至上位机；k值为主基站和从基站的时钟频率比值；上位机用于将所得到的所有定位信息进行整合得到唯一的TDOA超定方程组，并利用LM算法进行求解，得到标签位置；

所述若干基站具体是六个基站，分别为基站A、B、C、D、E、F；这六个基站被划分为两个定位单元，其中，定位单元一包括基站A、B、D、E，定位单元二包括基站B、C、E、F；在定位单元一中，基站A为主基站，基站B、D、E为从基站；在定位单元二中，基站B为主基站，基站C、E、F为从基站；各基站的坐标分别为A（x ₁，y ₁）、B（x ₂，y ₂）、C（x ₃，y ₃）、D（x ₄，y ₄）、E（x ₅，y ₅）、F（x ₆，y ₆），标签的坐标为（x，y）；基站B、C、D、E、F同步后的接收到标签信号的时间分别记为T ₂、T ₃、T ₄、T ₅、T ₆；上位机利用LM算法对如下方程组进行求解，得到标签位置，

式中，c为光速。

2.根据权利要求1所述的基于TDOA的多单元协同定位系统，其特征是，从基站完成k值计算是依据卡尔曼滤波算法预估得到的。

3.根据权利要求1所述的基于TDOA的多单元协同定位系统，其特征是，在各基站上均设有RJ45接口，各基站通过以太网接到POE交换机的接口上，由POE交换机对各基站进行供电。

4.根据权利要求1所述的基于TDOA的多单元协同定位系统，其特征是，所述标签采用电池进行供电。

5.根据权利要求1所述的基于TDOA的多单元协同定位系统，其特征是，各基站均包括数据采集单元和数据处理单元；在各基站上均设有射频信号接收探头和射频信号发射探头，在所述标签上设有射频信号发射探头。

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