CN113163485B - 一种大范围复杂室内环境中精确定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于室内定位技术领域，具体为一种大范围复杂室内环境中精确定位的方法本发明在基于UWB的大规模无线网络的定位系统中，用传感器网络定时同步协议(TPSN)创建网络的生成树进行全局网络时钟同步，然后对每个定位基站的累积时钟误差进行校正，从而实现高精度的定位。利用到达时间差测距原理进行定位，需要通过无线同步的方式，构建分层结构(生成树)扩展时钟同步网络的范围，使接收定位帧的基站间的时钟高精度同步。通过时钟误差校正方法，对每个待定位点的时钟同步累积误差进行校正，有效地降低了每个待定位点由于时钟同步引入的累积误差，进而提高系统的定位精度。

Description

一种大范围复杂室内环境中精确定位的方法

技术领域

本发明属于室内定位技术领域，具体为一种大范围复杂室内环境中精确定位的方法。

背景技术

随着我国经济的发展，物联网技术的进步，人们面临的环境越来越复杂、室内空间越来 越庞大、出行方式越来越多样化。这就意味着基于位置的服务深入到生活的方方面面，有着 极大的市场与机遇。现有的基于Bluetooth，WiFi、红外线、惯导、地磁等室内定位技术，定 位精度不是很高。而超宽带(UWB)定位技术，采用无载波通信，利用超窄脉冲的方式发送 数据，具有很高的传输速率、多径分辨率、时间分辨率和定位精度，利用其独特的通信机制 和特点，可为室内位置服务提供很好的解决方案，实现更精确的定位。

基于TDOA的UWB定位方法中，时钟同步是与定位技术的准确性直接相关的关键因素。 在绝对时间同步方案中指出，时钟同步既要做到脉冲的同步，也要实现频率的一致。为无线 传感器网络领域开发的现有时间同步协议有两种，分别为文献“Elson J.Fine-Grained Network Time Synchronization using Reference Broadcasts[J].Acm SigopsOperating Systems Review, 2002,36.”提出的参考广播同步(RBS)算法和文献“Ganeriwawal,S.&Kumar,R.&Srivastava, M..(2003).Timing-Sync Protocol forSensor Networks.He FirstACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems(SenSys).138-149”提出的传感器网络定时同步协议(TPSN)。在 RBS中，参考消息被广播，接收机在接收参考广播时记录其本地时间，并相互交换记录的时 间。RBS的主要优点是它消除了发送方不确定性。该方法的缺点在于，需要额外的消息交换 来在节点之间传递本地时间戳。该算法尚未扩展到大型多跳网络。TPSN算法首先创建网络 的生成树，然后沿边缘执行成对同步。每个节点通过与层次结构中较高一级的时钟参考节点 交换两个同步消息来进行同步。TPSN可以实现比RBS好两倍的性能。TPSN的缺点是它不 估计节点的时钟漂移，这限制了它的准确性，并且不处理动态拓扑变化。

发明内容

本发明的目的是，在基于UWB的大规模无线网络的定位系统中，用TPSN算法创建网络的生成树进行全局网络时钟同步，然后对每个定位基站的累积时钟误差进行校正，从而提 高定位的准确性，实现高精度的定位。如图1所示，通过构建分层结构(生成树)可以直接扩展到网络范围的时钟同步，并在相邻级之间执行成对的同步。如图2所示，使用校正方法进行时钟累积误差的校正，在传统TDOA定位方法基础上，增加一个已知自身实际位置坐标的参考点，该参考点可以是定位基站也可以是标签。参考点与待定位标签都可以通过发送定 位信息进行定位。在各定位基站得到参考点和待定位标签发送的定位信息后，通过TDOA算 法(如CHAN算法、FANG算法等)即可解得目标位置。

本发明的技术方案是：首先用TPSN算法创建网络的时钟生成树进行全局网络时钟同步； 然后对同步时钟的累积误差进行分析，通过引入校正方法，在收到待定位标签发送的定位信 息时，先对参考点进行定位测量，然后对参考点的真实位置进行处理得到定位基站的累积时 钟误差校正值，再对待定位标签用修正补偿后的定位基站数据进行定位，包括以下步骤(参 考点设为定位基站)：

S1、将定位基站按照其规定的通信距离进行布置，将室内环境完全覆盖，且保证该环境 下任意位置能收到待定位标签信息的基站数量不少于4个。然后用TPSN规划实现基站的全 局网络时钟的同步。

进一步地，步骤S1实现基站的全局网络的时钟的同步的具体步骤为：

S11、构建时钟模型，如图3所示。网络中的每个基站都有自己的时钟，理想情况下，基 站的时钟应配置为C(t)＝t，t代表理想或参考时间，但是由于时钟振荡器的不完善，即使时 钟偏移最初已经完美调整，它也将偏离理想时间。通常，将第i个基站的时钟函数建模为

C_i(t)＝θ_i+f_i·t

其中参数θ_i和f_i分别称为时钟偏移(相位差)和时钟偏斜(频率比值)。t为参考时间。

S12、每对基站时钟同步方式与数据测量。对于任意两个基站A₁与A₂，因为A₁与A₂的晶 振频率不完全相同，所以我们假设A₁的计数时钟频率为

A₂的计数时钟频率为

在相 同时间内(在此选为一个同步周期T)，独立测量基站A₁与A₂的计时时长，分别为

和

可以得到时钟频率的比值

(即时钟偏斜)，如公式：

以如图4为例分析任意时刻定位信息的到达时间表达式。在实现两个基站的时钟同步时， 基站A₁在

时刻发送第一帧同步帧，经过时间

(包含基站A₁的延时发送时间、基站A₁到 基站A₂之间的无线信号传播时间、基站A₂的延时接收时间，布置基站时就已确定，用DW1000 的延时发送技术实现)后，基站A₂接收到同步帧消息，接收到的时刻为

经过时钟同步周 期T后，重复进行该过程。对于第n次时钟同步，将

作为每次同步后A₂基站 计时起始时刻，此时基站A₁与A₂的时钟偏移

此时，我们得到了两个基站时钟的 时钟偏移和时钟偏斜，由此可以将全局网络中所有的基站的时间相对于同一时钟参考基站的 时间进行时钟同步。

基站A₁在

时刻发送同步帧，经过时间

后，从基站A₂接收到同步帧消息，接收到 的时刻为

且

作为每次同步后A₂基站计时起始时刻。基站A₁在

时刻， 基站A₂在

(A₂的本地时间)时刻收到来自定位标签的定位帧消息，则

以基站A₁时 间为参考，表示如公式：

其中，

和

分别是第n次同步A₁和A₂的时间；

是A₂第n次时钟同步后至收到定 位点的定位帧消息的时长，且有

S13、实现全局域网络时钟同步，关键在于实现同步时钟树的构建，并减少该过程中同步 时钟误差的积累。以如图5所示基站布置为例分析同步时钟误差的积累。全局网络时钟同步 基站分为主(根)基站、中继基站、从基站。主(根)基站为提供全局时钟标准时间的基站； 中继基站有两个作用，一是接收上级基站的时钟同步信息，二是向下一级基站发送时钟同步 信息；从基站是只接收上级基站时钟同步信息的基站。全局域网络中任意两基站之间的时钟 同步方式与上文S1-2同步方式相同。要注意全局域网络时钟同步中的所有基站都是相对同一 时钟参考基站进行同步，即任意基站(非时钟参考基站)的时钟模型中时钟偏斜都是相对该 时钟参考基站进行测量，而时钟偏移量是同步路径上所有时钟偏移的和。

当标签在如图5中

位置时，以图中的A₁和A₂、A₁和A₃、A₂和B₁、A₂和B₂进行时钟同 步为例分析定位信息的到达时刻表达式。

对于A₂和A₃，其实现时钟同步过程与图4相同，定位信息的到达时刻表达式分别表示为：

A₂和B₁、A₂和B₂时钟同步过程相似，以A₁→A₂→B₁同步为例，其过程如图6所示。 对于B₁和B₂，定位信息的到达时刻表达式分别表示为：

TDOA技术使用的是时间差，一般取定位信息到达时间最小的基站为定位参考基准做为 被减数得时间差，此处取为

有时间差：

由(2)、(3)、(4)、(5)式可知随着时钟同步的分级进行，各基站的tof值也是从主基站 到最后一级基站的累计量。

对于时间差，由(6)、(7)、(8)式可知其tof累积量与同步路径相关。对于主基站为M、 参与定位的两个基站A和B，可以得到推广公式：

其中C_A(t)和C_B(t)分别表示定位信息的到达时刻；tof累积量为tof_AB＝tof_MB-tof_MA，tof_MB和tof_MA分别为由主基站M到两个定位基站A和B的tof累计量；f_MB和f_MA分别为主基站与两 个定位基站A和B的时钟偏斜。

和

分别为两个定位基站A和B，在其第n个时钟 周期的计时时间转化为主基站M第n个时钟周期的时间对应的值。

对于公式(9)，全局网络时钟同步误差来源为：晶振计时误差ε_△t；时钟偏斜的误差ε_f； 时钟同步飞行时间测量累计的误差∑ε_tof。

对于晶振计时误差ε_△t，是定位信息到达基站时刻相对上一次同步时刻变化量测量值△t' 的误差，包含有真值△t，可变误差ε_△t，即△t'＝△t+ε_△t。全局网络时钟同步时，会有上级同 步但下级没同步时，定位帧消息到达的情况。而考虑到UWB定位基站的传输距离取为 30～300m。所以时钟同步路径传播时间最大为：t_max＝300m/c≈1000ns。其中c为光速。同 时，对于一个同步帧的信息，基站信息处理时间是十几微秒级。在一个时钟同步周期(T＝0.1s) 内，时钟同步花费的时间(信息处理时间与时钟同步路径传播时间的和)可以忽略，即将问 题简化为定位帧消息在不同基站的同一个同步时钟周期内接收。市场上的UWB定位芯片计 时误差在1s内时间稳定性在10ps以内，即在一个时钟同步周期内，ε_△t≤1ps。时钟偏斜与使 用芯片的频率稳定度密切相关。使用两个0.5ppm的DW1000芯片，表示为A和B，测量其 时钟偏斜f_AB随时间的变化情况，得到时钟偏斜的误差ε_f在10^-8量级。晶振计时误差与时钟 偏斜的误差可以表示为：

(△t+ε_△t)×(f+ε_f)＝△t×f+△t×ε_f+ε_△t×f+ε_△t×ε_f (10)

其中△t×ε_f、ε_△t×f、ε_△t×ε_f为产生误差的项。△t最大为0.1s，对应的△t×ε_f最大误差为十 厘米级；ε_△t×f和ε_△t×ε_f都小于10^-12s，在此可以忽略。

对于时钟同步飞行时间测量累计的误差∑ε_tof，使用对称双边双程测距的每一项tof的误 差ε_tof可以控制在厘米级，时钟同步飞行时间测量累计的误差∑ε_tof会随着同步级数的增加而 累加，能达到几十厘米的量级。所以在进行定位前，需要对参与定位的基站的累积误差进行 校正，才能实现高精度的定位。

S2、使用CHAN算法进行定位，并对同步累积误差进行校正。对一个待定位标签进行定 位前，先对能收到该待定位标签信息的N个定位基站进行时钟误差的校正。在所有接收到定 位信息的基站中，各基站位置已提前知道，我们选择接收定位信息最早的基站为定位参考基 准。我们让该定位参考基准发送校正信息，其余N-1个参与定位的基站接收信息后，通过 TDOA算法求解出定位参考基准坐标，然后与定位参考基准的准确位置坐标进行差分，形成 校正信息。

进一步地，S2解算校正信息的具体步骤为：

S21、定位参考基准发送校正信息，如果定位参考基准的实际位置坐标是(x₁,y₁)，可以计 算出定位参考基准到第i个定位基站的真实距离：

其中，(x_i,y_i)是第i个定位基站的坐标，且i＝2,3,…,N。

S22、假设通过TDOA算法得到了定位参考基准的定位坐标是

可以求得定位参 考基准与第i个定位基站之间的伪距：

S23、由于存在时钟同步误差累积量，即D_i≠d_i。假设△d_i是第i个定位基站在定位过程 中的时钟同步误差累积量的等效测距误差，则校正信息为：

△d_i＝d_i-D_i,i＝2,3,…,N (11)

S3、一般情况下，在全网时钟同步过程中，由基站间时钟同步过程引起的时钟同步累积 误差远大于系统的测量噪声引起的误差，定位精度受其影响会严重降低。然而，在定位过程 中，对待定位标签和定位参考基准而言，每个基站的△d_i均相同。

S31、对于待定位标签(x,y)，其与第i个定位基站的伪距可表示为：

S32、对于待定位标签(x,y)，其与第i个定位基站的修正后的真实距离可表示为：

S33、以第2个基站为定位参考基站，用校正信息校正定位点的伪定位坐标，最终形成更 精确的TDOA算法双曲线方程：

S4、采用校正后的双曲线方程，通过TDOA算法即可解算出更加准确的定位结果。

本发明的有益效果是：实现了在基于UWB的大规模无线网络的定位系统中对时钟同步 累积误差的校正，然后实现高精度的定位。通过在相邻级之间执行成对的同步从而构建生成 树，进一步实现网络范围的时钟同步；然后引入校正方法进行时钟累积误差的校正，有效降 低全局网络时钟同步引入的时间误差，从而实现大范围的定位系统的高精度定位。因此本发 明提出了一种在大规模全局网络时钟同步时进行时钟累积误差校正并实现高精度定位的方法。

附图说明

图1为定位基站时钟的分层同步示意图；

图2为时钟误差校正定位方法示意图；

图3为时钟模型示意图；

图4为时钟同步与定位信息时间示意图；

图5为全网同步基站布置图；

图6为A₁→A₂→B₁时钟同步与定位信息时间示意图；

图7为仿真全局网络时钟同步实现结果图；

图8为使用CHAN算法定位结果与本发明方法定位结果的均方根误差；

图9为使用CHAN算法定位结果与本发明方法定位累计误差百分比图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案：

步骤1、将定位基站按照其规定的通信距离进行布置，将室内环境完全覆盖，且保证该 环境下任意位置能收到待定位标签信息的基站数量不少于4个。然后用TPSN规划实现基站 的全局网络时钟的同步。

进一步地，步骤1实现基站的全局网络的时钟的同步的具体步骤为：

步骤11、构建时钟模型。网络中的每个基站都有自己的时钟，理想情况下，基站的时钟 应配置为C(t)＝t，代表理想或参考时间，但是由于时钟振荡器的不完善，即使时钟偏移最初 已经完美调整，它也将偏离理想时间。通常，将第i个基站的时钟函数建模为

C_i(t)＝θ_i+f_i·t

其中参数θ_i和f_i分别称为时钟偏移(相位差)和时钟偏斜(频率比值)。t为参考时间。

步骤12、全局域网络时钟同步中的所有基站都是相对同一时钟参考基站进行同步，即任 意基站(非时钟参考基站)的时钟模型中时钟偏斜都是相对该时钟参考基站进行测量，而时 钟偏移量是同步路径上所有时钟偏移的和。对于时钟参考基站(即主基站)M与任意基站A， 因为M和A的晶振频率不完全相同，所以我们假设M的计数时钟频率为f_M，A的计数时钟 频率为f_A。在相同时间内(在此选为一个同步周期T)，独立测量基站M和A的计时时长分 别为△t_M和△t_A，可以得到时钟频率的比值f_MA(即时钟偏斜)，如公式：

f_MA＝△t_A/△t_M＝f_A/f_M

时钟偏移θ_MA＝tof_MA与同步路径相关。

步骤13、实现全局域网络时钟同步，关键在于实现同步时钟树的构建，并减少该过程中 同步时钟误差的积累。全局网络时钟同步基站分为主(根)基站、中继基站、从基站。主(根) 基站为提供全局时钟标准时间的基站；中继基站有两个作用，一是接收上级基站的时钟同步 信息，二是向下一级基站发送时钟同步信息；从基站是只接收上级基站时钟同步信息的基站。 全局域网络中任意两基站之间的时钟同步方式与上文步骤1-2同步方式相同。具体实现时按 照每一级中继基站选择最少；每个中继基站同步下一级基站个数最多来进行时钟同步。

步骤2、使用CHAN算法进行定位，并对同步累积误差进行校正。对一个待定位标签进 行定位前，先对能收到该待定位标签信息的N个定位基站进行时钟误差的校正。在所有接收 到定位信息的基站中，各基站位置已提前知道，我们选择接收定位信息最早的基站为定位参 考基准。我们让该定位参考基准发送校正信息，其余N-1个参与定位的基站接收信息后，通 过TDOA算法求解出定位参考基准坐标，然后与定位参考基准的准确位置坐标进行差分，形 成校正信息。

进一步地，步骤2解算校正信息的具体步骤为：

步骤21、定位参考基准发送校正信息，如果定位参考基准的实际位置坐标是(x₁,y₁)，可 以计算出定位参考基准到第i个定位基站的真实距离：

其中，(x_i,y_i)是第i个定位基站的坐标，且i＝2,3,/,N。

步骤22、如果用TDOA算法求出的定位参考基准的坐标是

可以通过下式求得定 位参考基准与第i个定位基站之间的伪距：

步骤23、由于存在时钟同步误差累积量，即D_i≠d_i。以△d_i代表第i个定位基站在定位过 程中的时钟同步误差累积量的等效测距误差，则校正信息为：

△d_i＝d_i-D_i,i＝2,3,…,N (15)

步骤3、一般情况下，在全网时钟同步过程中，由基站间时钟同步过程引起的时钟同步 累积误差远大于系统的测量噪声引起的误差，定位精度受其影响会严重降低。然而，在定位 过程中，对待定位标签和定位参考基准而言，每个基站的△d_i均相同。

步骤31、对于待定位标签(x,y)，其与第i个定位基站的伪距可表示为：

步骤32、对于待定位标签(x,y)，其与第i个定位基站的修正后的真实距离可表示为：

步骤33、以第2个基站为定位定位参考基站，用校正信息校正定位点的伪定位坐标，最 终形成更精确的TDOA算法双曲线方程：

步骤4、采用校正后的双曲线方程，通过TDOA算法即可解算出更加准确的定位结果。

实施例

以此模型在MATLAB用仿真数据进行实验，仿真的全局网络时钟为10层，基站之间距 离设置为100m，基站的通信距离为

待定位标签的通信范围为

然后对基站 进行全局网络时钟同步，时钟同步路径规划和实现效果如图7所示。用10000点的蒙特卡洛 实验进行仿真计算定位结果，以CHAN算法求解定位结果。比较在不使用误差校正方法和使 用误差校正方法两种情况下的定位结果。实验中影响较大的因素为信道噪声和每级同步误差， 因此设置在这两种因素不同时，比较定位精度的变化，验证模型效果。

本发明设计了两组实验来验证提出算法的优越性。

第一组实验是对比在信道噪声相同情况下，随着每一级同步误差的标准差增大，不使用 误差校正方法的CHAN算法定位结果与本发明方法定位结果的均方根误差，如图8所示。可 以看到，随着每一级同步误差的标准差增大，本发明的定位误差比不使用误差校正方法的背 景CHAN方法的定位误差最大降低70％。

第二组实验是对比在信道噪声不相同情况下，使用CHAN算法定位结果与本发明方法定 位结果的均方根误差，结果如表1所示：

表1在测量信道噪声不相同情况下，使用CHAN算法定位结果与本发明方法定位结果的 均方根误差，以及对应的本发明方法精度提升比例

可以看到本发明方法在不同的信道噪声下：在每级同步误差标准差大于信道噪声时，定 位误差优化较大，定位精度提升较多，最高可提升74％；在每级同步误差标准差接近信道噪 声时，定位误差优化比例为37％间；在每级同步误差标准差小于信道噪声时，定位误差优化 比例小于35％。以表中信道噪声-12dB时数据做定位累计误差百分比图，对应于74％的定位 精度优化占比，如图5所示。在仅存在信道噪声因素影响的情况下，图9中90％样本误差在 1m以内，80％数据在0.5m以内，明显优于不使用误差校正方法的CHAN算法。

两组实验的结果证明，本发明通过在TDOA定位前加入一个校正过程，可以有效降低全 局网络时钟同步引入的时间误差，从而提高定位的精度。在每级同步误差较大(大于信道噪 声的测量误差)时，增加了对定位基站的时钟同步累积误差校正过程，可以有效降低全网同 步过程累积误差对定位结果的影响，提高定位精度，最高提升约74％。

Claims (3)

1.一种大范围复杂室内环境中精确定位的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将定位基站按照规定的通信距离进行布置，将室内环境完全覆盖，且保证该环境下任意位置能收到待定位标签信息的基站数量不少于4个，然后基于TPSN规划实现基站的全局网络时钟的同步；实现基站的全局网络时钟的同步的具体方法为：

S11、将第i个基站的时钟函数建模为：

C_i(t)＝θ_i+f_i·t

其中，参数θ_i和f_i分别称为时钟偏移和时钟偏斜，t为参考时间；

S12、对于任意两个基站A₁与A₂，假设A₁的计数时钟频率为

A₂的计数时钟频率为

在一个同步周期T内，独立测量基站A₁与A₂的计时时长，分别为

和

得到时钟频率的比值

基站A₁在

时刻发送同步帧，经过时间

后，基站A₂接收到同步帧消息，接收到的时刻为

且

作为每次同步后A₂基站计时起始时刻，基站A₁在

时刻，基站A₂在

时刻收到来自定位标签的定位帧消息，则

以基站A₁时间为参考，表示如公式：

其中，

和

分别是第n次同步A₁和A₂的时间；

是A₂第n次时钟同步后至收到定位点的定位帧消息的时长，且有

S13、将全局网络时钟同步基站分为主基站、中继基站、从基站；主基站为提供全局时钟标准时间的基站；中继基站有两个作用，一是接收上级基站的时钟同步信息，二是向下一级基站发送时钟同步信息；从基站是只接收上级基站时钟同步信息的基站；全局域网络中任意两基站之间的时钟同步方式如步骤S12所述，其中任意非时钟参考基站的时钟模型中时钟偏斜都是相对该时钟参考基站进行测量，而时钟偏移量是同步路径上所有时钟偏移的和；

S2、使用CHAN算法进行定位，并对同步累积误差进行校正；对一个待定位标签进行定位前，先对能收到该待定位标签信息的N个定位基站进行时钟误差的校正，在所有接收到定位信息的基站中，各基站位置已提前知道，选择接收定位信息最早的基站为定位参考基准，通过定位参考基准发送校正信息，其余N-1个参与定位的基站接收信息后，通过TDOA算法求解出定位参考基准坐标，然后与定位参考基准的准确位置坐标进行差分，形成校正信息；

S3、在定位过程中，对待定位标签和定位参考基准而言，假设每个基站的校正信息均相同，用校正信息校正定位点的伪定位坐标，最终形成更精确的TDOA算法双曲线方程；

S4、采用校正后的双曲线方程，通过TDOA算法解算出更加精确的定位结果。

2.根据权利要求1所述的一种大范围复杂室内环境中精确定位的方法，其特征在于，所述步骤S2的具体方法为：

S21、定位参考基准发送校正信息，如果定位参考基准的实际位置坐标是(x₁,y₁)，得到定位参考基准到第i个定位基站的真实距离：

其中，(x_i,y_i)是第i个定位基站的坐标，且i＝2,3,…,N；

S22、假设通过TDOA算法得到了定位参考基准的定位坐标是

则定位参考基准与第i个定位基站之间的伪距：

S23、假设△d_i是第i个定位基站在定位过程中的时钟同步误差累积量的等效测距误差，则校正信息为：

△d_i＝d_i-D_i,i＝2,3,…,N。

3.根据权利要求2所述的一种大范围复杂室内环境中精确定位的方法，其特征在于，所述步骤S3的具体方法为：

S31、对于待定位标签(x,y)，与第i个定位基站的伪距表示为：

S32、对于待定位标签(x,y)，与第i个定位基站的修正后的真实距离表示为：

S33、以第2个基站为定位参考基站，用校正信息校正定位点的伪定位坐标，最终形成更精确的TDOA算法双曲线方程：

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