CN114513747A - 一种uwb定位网络跨区域时钟同步的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种UWB定位网络跨区域时钟同步的方法，包括：主基站以T为周期发送CCP广播消息，第j轮的广播时刻为T1,j；从基站接收CCP广播消息，根据本地时间记录到达时刻为T2,j；跟踪主基站发送CCP广播消息的第j轮的广播时刻T1,j以及从基站接收到CCP广播消息的到达时刻T2,j获得时钟跟踪结果；比较CCP广播消息实际飞行时间和时钟跟踪结果，获取相对时钟偏差和最佳估计时钟偏差；将相对时钟偏差和最佳估计时钟偏差输入Kalman滤波器，进行时钟同步校准；当偏离指数超过预设阈值时，Kalman滤波器不更新当前状态并丢弃当前数据，偏离指数表示当前输入不可信的门限值。本发明提供的UWB定位网络跨区域时钟同步的方法，具有更强的鲁棒性，且能扩展到大型复杂的室内空间中。

Description

一种UWB定位网络跨区域时钟同步的方法
技术领域
本发明实施例涉及超宽带技术领域，特别是涉及一种UWB定位网络跨区域时钟同步的方法。
背景技术
将超宽带(UWBUltra-Wideband，简称UWB)技术应用于大型复杂的室内环境进行定位时，需要布设大量的UWB基站，来获取室内空间的位置数据，以及待定位目标的位置数据，进而实现室内定位和导航等功能。考虑到UWB技术基于到达时间差(Time Difference OfArrival,简称TDOA)的定位算法，要求各基站保持时钟同步才可能实现有效且高精度的定位，因此保持UWB基站间的时钟同步成为了实现TDOA定位算法的瓶颈。
现有技术中，对于UWB基站之间时钟同步的最简单方式是使用导线将所有相关的基站连接一起，由中央控制器生成一个时钟，然后分配给所有基站，以此来实现基站间的时钟同步。但是，有线同步方法的缺点在于，安装成本过高和线路延时过长。
因此需要提供一种UWB基站之间的时钟同步方法，能够解决上述问题。
发明内容
本发明提供一种UWB定位网络跨区域时钟同步的方法，具有更强的鲁棒性，且能扩展到大型复杂的室内空间中。
本发明实施例提供一种UWB定位网络跨区域时钟同步的方法，包括以下步骤：
主基站以T为周期发送CCP广播消息，第j轮的广播时刻为T1,j；
从基站接收所述CCP广播消息，并根据本地时间记录到达时刻为T2,j；
跟踪所述主基站发送所述CCP广播消息的第j轮的广播时刻T1,j以及从基站接收到所述CCP广播消息的到达时刻T2,j获得时钟跟踪结果；
比较所述CCP广播消息实际飞行时间和所述时钟跟踪结果，获取相对时钟偏差和最佳估计时钟偏差；
将所述相对时钟偏差和最佳估计时钟偏差输入Kalman滤波器，进行时钟同步校准；
当偏离指数超过预设阈值时，所述Kalman滤波器不更新当前状态并丢弃当前数据，所述偏离指数表示当前输入不可信的门限值。
优选地，所述CCP广播消息实际飞行时间根据所述主基站的位置坐标、从基站的位置坐标以及所述CCP广播消息的飞行速度计算得到。
优选地，所述根据本地时间记录到达时刻为T2,j通过以下公式计算：
T2,j＝γ*T1,j+θ+ψj
其中，γ表示信道的影响因子，θ表示信号脉冲的相位，ψj表示数据分组传播过程中产生的随机延时。
优选地，所述偏离指数通过以下公式计算：
Figure BDA0003511909410000021
其中，xk+1表示待估状态，X表示信息矩阵。
优选地，所述信息矩阵X通过以下公式计算：
X＝(Rk+1+Hk+1Pk+1|k(Hk+1 T))-1
其中，Pk+1|k表示最小均方误差矩阵估计，Rk+1表示观测噪声的协方差矩阵，Hk+1表示测量矩阵，所述Hk+1为单位矩阵。
优选地，每个区域设置一个所述主基站，所述主基站以广播形式向区域内的所述从基站发送所述CCP广播消息，其中位于相邻区域交叠区的基站被设置为中继基站，所述中继基站作为所述相邻区域的其中一个区域的主基站和另一个区域的从基站，当所述从基站收到所述主基站发送的所述CCP广播消息之后，记录所述主基站的ID并忽略后续到达的CCP广播消息，所述从基站默认所述主基站为簇头并向所述簇头转发消息以获取所述簇头的许可。
优选地，比较所述主基站的机会概率值和所述从基站的机会概率值，如果所述从基站的机会概率值大于等于所述主基站的机会概率值，则将所述从基站作为中继基站，转发所述CCP广播消息给相邻区域的簇头，执行跨簇同步，同时也根据本地时钟和所述CCP广播消息，执行主从时钟同步，以此类推，从而实现所有簇间的时钟同步。
优选地，比较所述主基站的机会概率值和所述从基站的机会概率值，如果所述从基站的机会概率值小于所述主基站的机会概率值，则仅执行主从时钟同步。
优选地，所述机会概率值通过以下公式计算：
Figure BDA0003511909410000031
其中，Er_i是所述从基站的剩余能量,β是一个常数，tji的值受节点j和i之间的距离和延时影响。
优选地，每个簇头在簇内将其机会概率值添加到所述CCP广播消息的包头上，并在簇内进行广播，以维持簇内的时钟同步。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：
本发明实施例的UWB定位网络跨区域时钟同步的方法，通过将所述相对时钟偏差和最佳估计时钟偏差输入Kalman滤波器，进行时钟同步校准，当偏离指数超过预设阈值时，所述Kalman滤波器不更新当前状态并丢弃当前数据，所述偏离指数表示当前输入不可信的门限值，从而使其具有更强的鲁棒性；
进一步地，位于相邻区域交叠区的基站被设置为中继基站，所述从基站默认所述主基站为簇头并向所述簇头转发消息以获取所述簇头的许可，并通过比较所述主基站和所述从基站的机会概率值来执行时钟同步，从而能够扩展到大型复杂的室内空间中，对UWB标签的定位消息进行处理，并提供可靠的位置信息。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一个实施例提供的UWB定位网络跨区域时钟同步的方法的流程图；
图2为本发明的一个实施例提供的UWB定位网络跨区域时钟同步的方法的主从基站时钟同步示意图；
图3为本发明的一个实施例提供的UWB定位网络跨区域时钟同步的方法的主从基站时空关系示意图；
图4为本发明的一个实施例提供的UWB定位网络跨区域时钟同步的方法的相对时间偏移跟踪示意图；
图5为本发明的一个实施例提供的UWB定位网络跨区域时钟同步的方法的相邻区域相对时钟同步示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面以具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
基于现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种UWB定位网络跨区域时钟同步的方法，具有更强的鲁棒性，且能扩展到大型复杂的室内空间中。
图1为本发明的一个实施例提供的UWB定位网络跨区域时钟同步的方法的流程图。图2为本发明的一个实施例提供的UWB定位网络跨区域时钟同步的方法的主从基站时钟同步示意图。图3为本发明的一个实施例提供的UWB定位网络跨区域时钟同步的方法的主从基站时空关系示意图。现在参看图1至图3，本发明公开了一种UWB定位网络跨区域时钟同步的方法，包括以下步骤：
步骤S101：主基站以T为周期发送CCP广播消息，第j轮的广播时刻为T1,j；
步骤S102：从基站接收所述CCP广播消息，并根据本地时间记录到达时刻为T2,j；
步骤S103：跟踪所述主基站发送所述CCP广播消息的第j轮的广播时刻T1,j以及从基站接收到所述CCP广播消息的到达时刻T2,j获得时钟跟踪结果；
步骤S104：比较所述CCP广播消息实际飞行时间和所述时钟跟踪结果，获取相对时钟偏差和最佳估计时钟偏差；
步骤S105：将所述相对时钟偏差和最佳估计时钟偏差输入Kalman滤波器，进行时钟同步校准；
步骤S106：当偏离指数超过预设阈值时，所述Kalman滤波器不更新当前状态并丢弃当前数据，所述偏离指数表示当前输入不可信的门限值。
本发明提供的UWB定位网络跨区域时钟同步的方法，包括4个基站，其中1个主基站，3个从基站，1个标签以及1个服务器主机。主机包含中央位置处理引擎(Central LocalEngine，CLE)，所述中央位置处理引擎可以解算出目标标签(Tag)的相对坐标位置。所有基站都可以发送或接收带有时间戳的时钟同步校验数据分组包(Clock Check Packet,CCP)，即CCP广播消息。
在具体实施中，CCP的发送者和接收者都会有一个用于标定时间的定时器timer。理想情况下，发送者和接收者的工作时钟都是同步的，所以它们的timer标定的时间不会有误差。但是实际情况是，两者的本地时钟并不会严格的保持同步。
CCP发送时会被标上发出时刻t0，接收者会据此可以预估CCP的飞行时间Δt。接收者对该CCP进行反馈应答CCP，同时在反馈应答CCP上标上反馈发送时刻t1,和预期接收时刻t2，t2＝t1+Δt。
发送者接收到反馈应答CCP时，会根据本地时钟得到一个接收时刻t3，其与反馈应答CCP中的预期接收时刻t2之间的差值，即为相对时钟偏差。
最佳估计时钟偏差，是多次统计相对时钟误差，获得的最优结果。
在具体实施中，所述CCP广播消息实际飞行时间根据所述主基站的位置坐标、从基站的位置坐标以及所述CCP广播消息的飞行速度计算得到。
在具体实施中，所述根据本地时间记录到达时刻为T2,j通过以下公式计算：
T2,j＝γ*T1,j+θ+ψj
其中，γ表示信道的影响因子，θ表示信号脉冲的相位，ψj表示数据分组传播过程中产生的随机延时。
Δj表示接收信号与下一个时钟点的时间间隔，此间隔正是由时钟相位漂移产生。
在具体实施中，所述偏离指数通过以下公式计算：
Figure BDA0003511909410000061
其中，xk+1表示待估状态，X表示信息矩阵。
在具体实施中，所述信息矩阵X通过以下公式计算：
X＝(Rk+1+Hk+1Pk+1|k(Hk+1 T))-1
其中，Pk+1|k表示最小均方误差矩阵估计，Rk+1表示观测噪声的协方差矩阵，Hk+1表示测量矩阵，所述Hk+1为单位矩阵。信息矩阵X表示估计时钟误差和实际时钟误差的差值，体现了滤波器当前输入与当前状态的匹配程度。
图4为本发明的一个实施例提供的UWB定位网络跨区域时钟同步的方法的相对时间偏移跟踪示意图。现在参看图4，时钟同步过程采用主基站的CCP发射时间，从基站的CCP接收时间，以及主从基站的接收时间估计值。假设主从基站的位置坐标己知，则CCP的传输时间可通过距离除以速度获得。卡尔曼滤波(Kalman Filter)被用于时钟同步跟踪和时钟校正方案，通过时钟跟踪得出CCP发射周期内主从基站的CCP接收时间偏差和CCP估计时间偏差。也就是说，通过比较所述CCP广播消息实际飞行时间和所述时钟跟踪结果，可以获取到相对时钟偏差和最佳估计时钟偏差。
图5为本发明的一个实施例提供的UWB定位网络跨区域时钟同步的方法的相邻区域相对时钟同步示意图。现在参考图5，在具体实施中，每个区域设置一个所述主基站，所述主基站以广播形式向区域内的所述从基站发送所述CCP广播消息，其中位于相邻区域交叠区的基站被设置为中继基站，所述中继基站作为所述相邻区域的其中一个区域的主基站和另一个区域的从基站，当所述从基站收到所述主基站发送的所述CCP广播消息之后，记录所述主基站的ID(Identity，身份)并忽略后续到达的CCP广播消息，所述从基站默认所述主基站为簇头并向所述簇头转发消息以获取所述簇头的许可。
在具体实施中，所述从基站记录所述主基站的ID是用于锁定本从基站的主基站，用于主从基站通信和分簇。
如图5所示，示意了基于MA1的参考广播和基于MA2的参考广播，其中MA1为所述相邻区域的其中一个区域的主基站，MA2为所述相邻区域的另一个区域的主基站，R位于相邻区域交叠区的基站被设置为中继基站，所述中继基站R作为所述相邻区域的其中一个区域的主基站和另一个区域的从基站。
在具体实施中，比较所述主基站的机会概率值和所述从基站的机会概率值，如果所述从基站的机会概率值大于等于所述主基站的机会概率值，则将所述从基站作为中继基站，转发所述CCP广播消息给相邻区域的簇头，执行跨簇同步，同时也根据本地时钟和所述CCP广播消息，执行主从时钟同步，以此类推，从而实现所有簇间的时钟同步。
在具体实施中，比较所述主基站的机会概率值和所述从基站的机会概率值，如果所述从基站的机会概率值小于所述主基站的机会概率值，则仅执行主从时钟同步。
在具体实施中，所述机会概率值通过以下公式计算：
Figure BDA0003511909410000081
其中，Er_i是所述从基站的剩余能量,β是一个常数，tji的值受节点j和i之间的距离和延时影响。
在具体实施中，每个簇头在簇内将其机会概率值添加到所述CCP广播消息的包头上，并在簇内进行广播，以维持簇内的时钟同步。
综上所述，本发明实施例的UWB定位网络跨区域时钟同步的方法，通过将所述相对时钟偏差和最佳估计时钟偏差输入Kalman滤波器，进行时钟同步校准，当偏离指数超过预设阈值时，所述Kalman滤波器不更新当前状态并丢弃当前数据，所述偏离指数表示当前输入不可信的门限值，从而使其具有更强的鲁棒性；
进一步地，位于相邻区域交叠区的基站被设置为中继基站，所述从基站默认所述主基站为簇头并向所述簇头转发消息以获取所述簇头的许可，并通过比较所述主基站和所述从基站的机会概率值来执行时钟同步，从而能够扩展到大型复杂的室内空间中，对UWB标签的定位消息进行处理，并提供可靠的位置信息。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种UWB定位网络跨区域时钟同步的方法，其特征在于，包括以下步骤：
主基站以T为周期发送CCP广播消息，第j轮的广播时刻为T1,j；
从基站接收所述CCP广播消息，并根据本地时间记录到达时刻为T2,j；
跟踪所述主基站发送所述CCP广播消息的第j轮的广播时刻T1,j以及从基站接收到所述CCP广播消息的到达时刻T2,j获得时钟跟踪结果；
比较所述CCP广播消息实际飞行时间和所述时钟跟踪结果，获取相对时钟偏差和最佳估计时钟偏差；
将所述相对时钟偏差和最佳估计时钟偏差输入Kalman滤波器，进行时钟同步校准；
当偏离指数超过预设阈值时，所述Kalman滤波器不更新当前状态并丢弃当前数据，所述偏离指数表示当前输入不可信的门限值。
2.根据权利要求1所述的UWB定位网络跨区域时钟同步的方法，其特征在于，所述CCP广播消息实际飞行时间根据所述主基站的位置坐标、从基站的位置坐标以及所述CCP广播消息的飞行速度计算得到。
3.根据权利要求1所述的UWB定位网络跨区域时钟同步的方法，其特征在于，所述根据本地时间记录到达时刻为T2,j通过以下公式计算：
T2,j＝γ*T1,j+θ+ψj
其中，γ表示信道的影响因子，θ表示信号脉冲的相位，ψj表示数据分组传播过程中产生的随机延时。
4.根据权利要求1所述的UWB定位网络跨区域时钟同步的方法，其特征在于，所述偏离指数通过以下公式计算：
Figure FDA0003511909400000011
其中，xk+1表示待估状态，X表示信息矩阵。
5.根据权利要求4所述的UWB定位网络跨区域时钟同步的方法，其特征在于，所述信息矩阵X通过以下公式计算：
X＝(Rk+1+Hk+1Pk+1|k(Hk+1 T))-1
其中，Pk+1|k表示最小均方误差矩阵估计，Rk+1表示观测噪声的协方差矩阵，Hk+1表示测量矩阵，所述Hk+1为单位矩阵。
6.根据权利要求1所述的UWB定位网络跨区域时钟同步的方法，其特征在于，每个区域设置一个所述主基站，所述主基站以广播形式向区域内的所述从基站发送所述CCP广播消息，其中位于相邻区域交叠区的基站被设置为中继基站，所述中继基站作为所述相邻区域的其中一个区域的主基站和另一个区域的从基站，当所述从基站收到所述主基站发送的所述CCP广播消息之后，记录所述主基站的ID并忽略后续到达的CCP广播消息，所述从基站默认所述主基站为簇头并向所述簇头转发消息以获取所述簇头的许可。
7.根据权利要求6所述的UWB定位网络跨区域时钟同步的方法，其特征在于，比较所述主基站的机会概率值和所述从基站的机会概率值，如果所述从基站的机会概率值大于等于所述主基站的机会概率值，则将所述从基站作为中继基站，转发所述CCP广播消息给相邻区域的簇头，执行跨簇同步，同时也根据本地时钟和所述CCP广播消息，执行主从时钟同步，以此类推，从而实现所有簇间的时钟同步。
8.根据权利要求6所述的UWB定位网络跨区域时钟同步的方法，其特征在于，比较所述主基站的机会概率值和所述从基站的机会概率值，如果所述从基站的机会概率值小于所述主基站的机会概率值，则仅执行主从时钟同步。
9.根据权利要求7或8所述的UWB定位网络跨区域时钟同步的方法，其特征在于，所述机会概率值通过以下公式计算：
Figure FDA0003511909400000021
其中，Er_i是所述从基站的剩余能量,β是一个常数，tji的值受节点j和i之间的距离和延时影响。
10.根据权利要求7或8所述的UWB定位网络跨区域时钟同步的方法，其特征在于，每个簇头在簇内将其机会概率值添加到所述CCP广播消息的包头上，并在簇内进行广播，以维持簇内的时钟同步。
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