CN115065929B - 一种基于时钟伪同步的uwb tdoa定位方法 - Google Patents

一种基于时钟伪同步的uwb tdoa定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于时钟伪同步的UWB TDOA定位方法，本发明在服务端计算主从站的时钟频率偏差，并使用修正后从站的时间跨度，通过主从站的时间跨度得到定位帧到达主从站的时间差，通过到达时间差计算出标签坐标并反算出时间补偿值，并加以利用修正得到参考时间戳，为下一帧计算跨度提供参考。不需要主从站之间保证严格的时钟同步，避免了主从站为保证时钟同步而进行频繁的通信，降低了系统的复杂度以及提高了标签容量，通过主站和从站时间戳的相对变化得到时间跨度，并根据时钟频率偏差对从站时间跨度进行修正，计算出到达时间差，无需提取标签的时间戳，也无需考虑天线延迟的不同，进一步降低了复杂度和保证了定位的实时性。

Description

一种基于时钟伪同步的UWB TDOA定位方法
技术领域
本发明涉及超宽带(Ultra-wide Bandwidth，UWB)通信定位技术领域，尤其涉及一种基于时钟伪同步的UWB TDOA定位方法。
背景技术
目前基于GNSS的室外定位技术相对成熟，但在室内，由于卫星信号容易受到遮挡并无法完成正常定位服务并且定位精度不能满足服务需求。近年来人们对于高精度的定位服务的需求愈加强烈，据统计，人们70％-80％的活动发生在室内，因此开展室内定位技术有着十分重要的意义。基于各种不同的需求，许多相应的定位技术已经展现出来，并取得了不错的效果，例如红外线、射频识别、超声波、WIFI、蓝牙、Zigbee、视觉定位等技术。然而都有各自的曲线，要么定位精度低，要么对坏境的要求苛刻，无法满足人们对室内定位感知系统精度高、环境自适应好的要求。
UWB定位技术的诸多优点是的该技术能够实现高精度的室内定位，相比于其他无线定位技术，UWB具有抗干扰能力强、带宽极宽、传输速率快、功率消耗小等诸多优势。在基于UWB的室内实时定位系统中，主要是通过基于时间的测距方式来实现对未知目标源的定位，基于到达时间(Time Of Arrival，TOA)的方法和基于到达时间差(TDOA)的方法是常用的UWB室内定位方法，这两种方法都需要精准的时间测量。由于每个基站的内部都有独立的晶体振荡器，各自按照自己的时钟体系运转，不存在相互联系，从而导致不同基站之间存在初始的时间差。除了时间差外，各个基站的晶振之间还存在频率差，即使所有基站初始时间相同，即不存在初始时间差，但是因为频率差的存在，各个基站的时间读数也会在一段时间后有所不同，而引起频率差的原因有很多，如：生产工艺、温度、湿度、设备老化等。
同时，在利用无线信号实现基于时间的测距的过程中，由于无线信号的飞行速度(3×108m/s)的数量级，导致1μs钟差足够产生300m的误差，因此不管是基于TOA还是TDOA的测距方法，都需要对不同的基站进行时钟同步。对于定位基站的时钟同步，目前大体有有线和无线两种方式。有线同步利用同步控制器连接每个定位基站，通过有线通信的方式将时间信息传输到每个基站，使得每个基站都共用一个时钟系统。无线同步利用基站之间频繁的时钟信息交互，获取时钟频率偏差参数，对本地时钟进行调整实现时钟与其他基站时钟一致。在部署简易度和成本上来说，无线同步方式更有优势，然而传统的无线时钟同步频繁的时钟信息交换极大地影响了标签容量以及位置更新频率，因此基于UWB的无线时钟同步与定位有效并存的方法也成了研究的热点之一。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足和缺陷，提出了一种基于时钟伪同步的UWB TDOA定位方法，本发明不需要各个基站通过频繁的通信来保持时钟同步，而是在服务端对主从站的时钟频率偏差进行估计，并调整从站的时间跨度，到达时钟伪同步的方式来保证TDOA的估计精度。另一方面，本发明在正常定位测量过程中，主从站不需要进行任何通信，通过时间戳跨度或通过标签传递就可以计算出主从站的时钟频率偏差，从而能够保证系统有效保证系统的标签容量和位置更新频率。
为了实现上述目的，本发明的采用以下技术方案：
一种基于时钟伪同步的UWB TDOA定位方法，所述方法包括：
自校准过程：主站发送的校准帧，记录校准帧的帧起始定界符时刻对应时间戳并上传，服务端对主站时间戳进行调整并存储作为主站参考时间戳，从站根据接收主站发送校准帧的帧起始定界符时刻，提取自身时间戳，同时计算出与主从站的时钟频率偏差，服务端对从站时间戳进行调整并存储作为从站参考时间戳，并使用上传的时钟频率偏差对存储的时钟频率偏差进行调整更新；
测量过程：主从站根据标签发送定位帧的帧起始定界符时刻，提取自身时间戳同时计算出与标签的时钟频率偏差，并将时间戳与时钟频率偏差上传服务端，服务端根据上传的时间戳分别计算出主站和从站的时间跨度，根据时间跨度或与标签的时钟频率偏差计算出主从站之间的时钟频率偏差，并使用计算的时钟频率偏差对存储的主从站的时钟频率偏差进行调整更新，根据更新后主从站的时钟频率偏差对从站的时间跨度进行调整，使用从站调整后的时间跨度与主站的时间跨度计算出标签到达每个从站相对于到达主站的时间差，服务端根据标签到达主从站之间的时间差计算出标签的位置坐标；
参考时间戳调整：主站将测量过程中上传的时间戳进行存储作为下一次测量主站的参考时间戳，对于从站，服务端根据标签以及主从站的坐标重新计算出标签发送信道到达每一个从站相对于到达主站的时间差，并根据该时间差对从站测量过程中上传的时间戳进行调整并存储作为下一次测量从站的参考时间戳。
需要说明的是，所述在校准过程中，主站参考时间戳的调整，可以按照下式进行：
Tmref＝Tm+2*Tmdeoay；
其中，Tmref为调整后主站的参考时间戳，Tm为校准过程主站上传的时间戳，Tmdelay为主站的天线延迟时间；
所述在校准过程中，从站参考时间戳的调整，可以按照下式进行：
Figure BDA0003685480300000041
其中，Tsref为调整后从站的参考时间戳，Ts为从站上传的时间戳，Sms为主从站之间的距离，c为光速。
需要说明的是，所述的校准过程不仅在在系统初始化时进行，在主站超过一定时间未收到标签定位帧时，主站主动发送校准帧对系统进行校准。
需要说明的是，在所述校准过程中，从站计算主从站之间的时钟频率偏差，与所述测量过程中，从站计算从站与标签之间的时钟频率偏差一致；还包括：
从站物理层对接收信号的采样偏差进行估计，通过估计的采样偏差转化为时钟频率偏差，可以按照下式进行：
Figure BDA0003685480300000051
其中，δclk为时钟频率偏差，test为采样偏差估计周期，Noft为test对应的采样偏差点数，tsmp为采样间隔；
或
从站物理层对接收信号的载波频偏进行估计，通过估计的载波频率偏差转化为时钟频率偏差，可以按照下式进行：
Figure BDA0003685480300000052
其中，Δfc为载波频偏，fc为载波中心频率。
需要说明的是，在所述校准过程中，使用上传的时钟频率偏差对存储的时钟频率偏差进行调整更新，以及所述测量过程中，使用计算的时钟频率偏差对存储的主从站的时钟频率偏差进行调整更新；具体为：
δms(m+1)＝δms(m)+kG(m)[δ′ms(m)-δms(m)]
其中，δms(m+1)为更新后主从站时钟频率偏差，δms(m)为更新前存储的主从站时钟频率偏差，kG(m)为增益系数(第m定位帧对应的增益系数)，δ′ms(m)根据上传信息整合后的时钟频率偏差，m为定位帧的索引；
对于δup，当上传时钟频率偏差只有一个时，δ′ms＝δclk，当同时上传多个时钟频率偏差时，其按照下式进行：
Figure BDA0003685480300000061
其中，δclk[i]为上传的第i个时钟频率偏差，ωi为第i个时钟频率偏差对应的权重系数，并且
Figure BDA0003685480300000062
Nδ为上传频率偏差的总数。
需要说明的是，在所述测量过程中，根据时间跨度或与标签的时钟频率偏差计算出主从站之间的时钟频率偏差，其中根据时间跨度计算主从站时钟频率偏差的方法，同一标签连续发送两个定位帧，主从站通过接收两个定位帧并上传自身时间戳，服务端根据上传的时间戳分别计算主从站的时间跨度，并按照公式计算主从站的时钟频率偏差：
Figure BDA0003685480300000063
其中，δ′ms为主从站之间的中频率偏差，Tm(1)和Ts(1)分别为标签发送第一个定位帧，主站和从站上传的时间戳，Tm(2)和Ts(2)分别为标签发送第二个定位帧，主站和从站上传的时间戳。
需要说明的是，在所述测量过程中，根据时间跨度或与标签的时钟频率偏差计算出主从站之间的时钟频率偏差，其中根据与标签的时钟频率偏差计算主从站的时钟频率偏差方法如下：
Figure BDA0003685480300000064
其中，δst为从站与标签的时钟频率偏差，δmt为主站与标签的时钟频率偏差。
需要说明的是，在所述测量过程中，根据更新后主从站的时钟频率偏差对从站的时间跨度进行调整，使用从站调整后的时间跨度与主站的时间跨度计算出标签到达每个从站相对于到达主站的时间差，其按照下式表达：
Δtms(m)＝[Ts(m)-Tsref(m)]*(δms(m)+1)-[Tm(m)-Tmref(m)]
其中，Ts(m)为从站接收到第m个定位帧所上传的时间戳，Tsref(m)为Ts(m)参考时间戳，δms(m)主从站的时钟频率偏差；Tm(m)为主站接收到第m个定位帧所上传的时间戳，Tmref(m)为Tm(m)参考时间戳，Δtms(m)为定位帧到达从站与到达主站之间的时间差。
需要说明的是，在所述参考时间戳调整过程中，根据该时间差对从站测量过程中上传的时间戳进行调整并存储作为下一次测量从站的参考时间戳，其表达式如下：
Tsref(m+1)＝Ts(m)-Δt′ms(m)
其中，Tsref(m+1)为从站更新后的参考时间戳，Δt′ms(m)为通过标签与住从站坐标重新计算的到达时间差，其表达式如下：
Figure BDA0003685480300000071
其中，(xt，yt，zt)、(xs，ys，zs)、(xm，ym，zm)分别为标签、从站、主站坐标。
本发明与现有技术对比的有益效果是：
1、本发明不需要主从站之间保证严格的时钟同步，从而避免了主从站为保证时钟同步而进行频繁的通信，降低了系统的复杂度以及提高了标签容量；
2、在测量定位过程中，不需要提取标签的时间戳，因此也不需要对标签的数据部分进行解析，进一步降低了系统的复杂度；
3、除主站外，其他从站不需要考虑天线延迟的影响，避免了引入天线延迟的测量误差；
4、主从站的时钟频率偏差可以通过多种方式计算得到，为数据融合提供了更多的输入，从而保证主从站时钟频率偏差估计的可靠性；
5、通过系统自校准和测量过程，对主从站的时钟频率偏差随着环境的变化具有很好的跟踪特性，保证了定位的准确性。
附图说明
图1为本发明的系统示意图；
图2为本发明的实施例一自校准过程流程图；
图3为本发明的实施例校准与测量转换流程图；
图4为本发明的实施例一测量过程定位帧发送示意图；
图5为本发明的实施例一测量过程流程图；
图6为本发明的实施例参考时间戳调整流程图；
图7为本发明的实施例二自校准过程流程图；
图8为本发明的实施例二测量过程定位帧发送示意图；
图9为本发明的实施例二测量过程流程图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
参见图1，其展示出了适用于本发明实施例所阐述技术方案的系统示意图，作为解说性示例而非限定，整个系统由服务端101、主站102、多个从站(103、104、105)和标签106组成，从系统的工作模式可以分为自校准过程和测量过程。
所述自校准过程由主站102向多个从站发送校准帧，主从站将其时间戳以及解析数据上传服务端101，服务端101时钟伪同步完成系统初始化设置，同时当主站102超过1ms未接受到标签106定位帧时，也会发送校准帧对系统进行校准。
所述测量过程，需要定位的标签106会发送定位帧，系统中的主从站接收到定位帧后，将自身时间戳以及解析数据上传给服务端101，服务端101根据上传的数据，完成标签106的位置计算并更新参考时间戳，保证系统中主从站时钟的伪同步。
下面分为两个实施例，介绍一下整个系统的具体工作流程。
实施例一：
系统开始工作执行自校准过程，自校准过程的流程如图2所示：
S201：主站102向从站发送校准帧，同时提取帧起始定界符(Start of FrameDelimiter,SFD)发送时刻对应的时间戳Tm，并将时间戳Tm上传给服务端101；
S202：从站收到主站102发送的校准帧，并对校准帧进行解析，分别使用采样偏差与载波频偏计算时钟频率偏差；
在物理层，使用现存方法估计在采样周期为test时间内，采样偏差的点数为Noft，则时钟频率偏差的计算方法如下：
Figure BDA0003685480300000101
其中，tsmp为采样间隔；
同样在物理层，使用现存方法估计载波频偏为Δfc，则时钟频率偏差的计算方法如下：
Figure BDA0003685480300000102
然后，根据δclk1和δclk2进行加权平均，得到主从站的时钟频率偏差为：
δ′ms＝ωms1·δclk1+ωms2·δclk2
其中，ωms1和ωms2为权重系数，ωms1+ωms2＝1，本实施例中，ωms1＝0.5，ωms2＝0.5；
从站在解析定位帧时，提取SFD时刻对应的时间戳Ts，并将主从站时钟频率偏差δ′ms和时间戳Ts上传服务端101；
其中从站103、从站104、从站105的时间戳分别为Ts1、Ts2、Ts3，与主站的时钟频率偏差分别为δ′ms1、δ′ms2、δ′ms3
S203：服务端101将从站上传的主从站时钟频率偏差进行更新并存储，根据主从站上传的时间戳信息、存储的主站102天线延迟Tmdelay以及主从站之间的距离Sms对主从站的参考时间戳进行修正；
主从站时钟频率偏差更新方法如下：
δms＝δms+kG[δ′ms-δms]
δms为存储的主从站时钟频率偏差，δ′ms为上传的主从站时钟频率偏差，kG为更新增益系数；
其中，初次上电，δms＝0，kG＝1；
经过更新后，存储的从站103、从站104、从站105与主站102的时钟频率偏差分别为δms1、δms2、δms3；
主站102的参考时间戳，调整方法如下：
Tmref＝Tm+2*Tmdelay
从站的参考时间戳，调整方法如下：
Figure BDA0003685480300000111
其中，c为光速；
其中，从站103、从站104、从站105参考时间分别为Tsref1、Tsref2、Tsref3；
系统校准过程与测量过程切换如图3所示，
S301：主站102发送校准帧，系统完成自校准后，进入测量过程；
S302：进入测量过程后，主站102初始化计时器，并开始计时；
S303：当主站102计时器超过1ms，主站102未收到标签106的定位帧，主站102发送校准帧，系统进入校准过程，当主站102计时器未超过1ms，主站102收到测量帧，主站102计时器进行初始化，并重新计时；
如图4所示，在测量过程，主从站都处于接收状态，标签106会定期发送定位帧，主从站对接收标签106的定位帧进行解析并上传服务端101，由服务端101计算出标签106的位置，如图5所示，具体步骤如下：
S501：标签106发送第m个定位帧；
S502：主站102接收到标签106发送的第m个定位帧，主站102通过频偏估计的方法计算出主站102与标签106的时钟频率偏差δmt(m)，以及获取定位帧SFD到达的时间戳Tm(m)，并将δmt(m)和Tm(m)上传给服务端101；
其中，主站102与标签106的时钟频率偏差δmt(m)与S201中的方法一致；
S503：从站103、从站104、从站105分别接收标签106发送的定位帧，分别计算出从站103、从站104、从站105与标签106的时钟频率偏差为δs1t(m)、δs2t(m)、δs3t(m)，以及获取从站103、从站104、从站105定位帧SFD到达的时间戳Ts1(m)、Ts2(m)、Ts3(m)，从站103、从站104、从站105分别将自身时钟频率偏差δs1t(m)、δs2t(m)、δs3t(m)和时间戳Ts1(m)、Ts2(m)、Ts3(m)上传服务端101；
其中，主站102与标签106的时钟频率偏差δs1t(m)、δs2t(m)、δs3t(m)与S201中的方法一致；
S504：服务端101收到主站102的时间戳Tm(m)和时钟频率偏差δmt(m)，以及收到从站103、从站104、从站105的时间戳Ts1(m)、Ts2(m)、Ts3(m)和时钟频率偏差δs1t(m)、δs2t(m)、δs3t(m)；
S505：服务端101根据主站102、从站103、从站104、从站105对应的参考时间戳Tmref、Ts1ref(m)、Ts2ref(m)、Ts3ref(m)，分别计算主站102、从站103、从站104、从站105对应的时间跨度ΔTm(m)＝Tm(m)-Tmref(m)、ΔTs1(m)＝Ts1(m)-Ts1ref(m)、ΔTs2(m)＝Ts2(m)-Ts2ref(m)、ΔTs3(m)＝Ts3(m)-Ts3ref(m)；
S506：服务端101根据主从站上传的与标签106的时钟频率偏差，分别计算主站102与从站103、从站104、从站105的时钟频率偏差为δ′ms1(m)、δ′ms2(m)、δ′ms3(m)；
其中计算方法为：
Figure BDA0003685480300000131
其中，δmt(m)为主站与标签106的时钟频率偏差，δst(m)为从站与标签106的时钟频率偏差；
S507：服务端101根据计算的时钟频率偏差δ′ms1(m)、δ′ms2(m)、δ′ms3(m)对存储的时钟频率偏差进行更新，更新方法如下：
δms(m)＝δms(m-1)+kG(m)[δ′ms-δms(m-1)]
其中δms(m-1)为存储的时钟频率偏差，kG(m)为更新增益系数，δms(m)为更新后的时钟频率偏差；
更新后主站101与与从站103、从站104、从站105的时钟频率偏差为δms1(m)、δms2(m)、δms3(m)，并对更新后的时钟频率偏差进行存储；
S508：通过更新后的时钟频率偏差δms1(m)、δms2(m)、δms3(m)对从站103、从站104、从站105的时间跨度进行调整，调整方法如下：
ΔT′s(m)＝ΔTs(m)*(1+δms(m))
其中，ΔTs(m)为从站的时间跨度，ΔT′s(m)为调整后的时间跨度；
经过调整后，从站103、从站104、从站105的时间跨度分别为ΔT′s1(m)、ΔT′s2(m)、ΔT′s3(m)；
S509：根据主站102、从站103、从站104、从站105的时间跨度ΔTm(m)、ΔT′s1(m)、ΔT′s2(m)、ΔT′s3(m)，计算定位帧到达从站103、从站104、从站105与到达主站102的TDOA值；
定位帧到达从站103与到达主站102的TDOA为Δtms1(m)＝ΔT′s1(m)-ΔTm(m)；
定位帧到达从站104与到达主站102的TDOA为Δtms2(m)＝ΔT′s2(m)-ΔTm(m)；
定位帧到达从站105与到达主站102的TDOA为Δtms3(m)＝ΔT′s3(m)-ΔTm(m)；
S510：使用现存方法，根据定位帧到达从站103、从站104、从站105与到达主站102的TDOA值Δtms1(m)、Δtms2(m)、Δtms3(m)，计算标签106坐标值，并使用卡尔曼滤波对其修正，修正后的标签106坐标值为(xt(m)，yt(m)，zt(m))；
测量过程完成后，服务端101还需要对参考时间戳进行调整，为下一次测量做准备，如图6所示，参考时间戳的调整步骤如下：
S601：服务端101分别根据标签106坐标(xt(m)，yt(m)，zt(m))，主站102坐标(xm，ym，zm)，从站103、从站104、从站105的坐标(xs1，ys1，zs1)、(xs2，ys2，zs2)、(xs3，ys3，zs3)，求定位帧到主从站的TOF；
TOF计算方法如下：
Figure BDA0003685480300000151
其中，ΔtTOF(m)为TOF，(x，y，z)标注主从站坐标值，c为光速；
通过TOF计算方法，可以得到定位帧到达主站102、从站103、从站104、从站105的TOF分别为：ΔtTOFm(m)、ΔtTOFs1(m)、ΔtTOFs2(m)、ΔtTOFs3(m)
S602：服务端101根据主从站的TOF值，计算从站103、从站104、从站105的补偿值分别为Δt′ms1(m)＝ΔtTOFs1(m)-ΔtTOFm(m)、Δt′ms2(m)＝ΔtTOFs2(m)-ΔtTOFm(m)、Δt′ms3(m)＝ΔtTOFs3(m)-ΔtTOFm(m)；
S603：服务端101根据从站103、从站104、从站105的补偿值Δt′ms1(m)、Δt′ms2(m)、Δt′ms3(m)得到主站102、从站103、从站104、从站105新的参考时间戳；
主站102参考时间戳为Tmref(m+1)＝Tm(m)；
从站103参考时间戳为Ts1ref(m+1)＝Ts1(m)+Δt′ms1(m)；
从站104参考时间戳为Ts2ref(m+1)＝Ts2(m)+Δt′ms2(m)；
从站105参考时间戳为Ts3ref(m+1)＝Ts3(m)+Δt′ms3(m)；
完成参考时间戳后，等待标签发送下一个定位帧；
实施例二：
系统开始工作执行自校准过程，自校准过程的流程如图7所示：
S701：主站102向从站连续发送两个校准帧，同时提取SFD发送时刻对应的时间戳。
其中第一个校准帧的时间戳为Tm(1)，第二个校准帧的时间戳为Tm(2)，并将时间戳Tm(1)和Tm(2)上传给服务端101；
S702：从站103、从站104、从站105分别收到主站102发送的校准帧，通过解析第一个校准帧，提取SFD时刻对应的时间戳分别为Ts1(1)、Ts2(1)、Ts3(1)，通过解析第二个校准帧，提取SFD时刻对应的时间戳分别为Ts1(2)、Ts2(2)、Ts3(2)；
从站103、从站104、从站105分别将两个校准帧的时间戳上传服务端101；
S703：服务端101接收主从站上传的时间戳信息，计算主从站的时钟频率偏差并对存储的时钟频率偏差进行修正和存储，并根据主从站上传的时间戳信息、存储的主站102天线延迟Tmdelay以及主从站之间的距离Sms对主从站的参考时间戳进行修正：
主从站的时钟频率偏差计算方法为：
Figure BDA0003685480300000161
其中，Ts(1)为从站对应第一个校准帧的时间戳，Ts(2)为从站对应第二个校准帧的时间戳；
主从站时钟频率偏差更新方法如下：
δms＝δms+kG[δ′ms-δms]
δms为存储的主从站时钟频率偏差，δ′ms为通过主从站时间戳计算的主从站时钟频率偏差，kG为更新增益系数；
其中，初次上电，δms＝0，kG＝1；
经过更新后，主站102与从站103、从站104、从站105的时钟频率偏差为δms1、δms2、δms3，并对更新后的时钟频率偏差进行存储；
主站102的参考时间戳，调整方法如下：
Tmref＝Tm(2)+2*Tmdelay
从站的参考时间戳，调整方法如下：
Figure BDA0003685480300000171
其中，c为光速；
更新后，从站103、从站104、从站105参考时间分别为Tsref1、Tsref2、Tsref3
系统校准过程与测量过程切换如图3所示，
S301：主站102发送校准帧，系统完成自校准后，进入测量过程；
S302：进入测量过程后，主站102初始化计时器，并开始计时；
S303：当主站102计时器超过1ms，主站102未收到标签106的定位帧，主站102发送校准帧，系统进入校准过程，当主站102计时器未超过1ms，主站102收到测量帧，主站102计时器进行初始化，并重新计时；
如图8所示，在测量过程，主从站都处于接收状态，标签106定期连续发送两个定位帧，主从站对接收标签106的定位帧进行解析并上传服务端101，由服务端101计算出标签106的位置，如图9所示，具体步骤如下：
S901：标签106发送第m个定位帧(新位置定位的第一帧)；
S902：主站102、从站103、从站104、从站105接收到标签106发送的第m个定位帧，提取定位帧SFD到达的时间戳Tm(m)、Ts1(m)、Ts2(m)、Ts3(m)，并将时间戳上传给服务端101；
S903：服务端接收主站102、从站103、从站104、从站105上传的时间戳Tm(m)、Ts1(m)、Ts2(m)、Ts3(m)，并对时间戳进行缓存；
S904：服务端根据上传的时间戳Tm(m)、Ts1(m)、Ts2(m)、Ts3(m)与其对应的参考时间戳Tmref(m)、Ts1ref(m)、Ts2ref(m)、Ts3ref(m)，分别计算主站102、从站103、从站104、从站105对应的时间跨度ΔTm(m)＝Tm(m)-Tmref(m)、ΔTs1(m)＝Ts1(m)-Ts1ref(m)、ΔTs2(m)＝Ts2(m)-Ts2ref(m)、ΔTs3(m)＝Ts3(m)-Ts3ref(m)；
S905：通过存储的时钟频率偏差δms1(m-1)、δms2(m-1)、δms3(m-1)对从站103、从站104、从站105的时间跨度进行调整，调整方法如下：
ΔT′s(m)＝ΔTs(m)*(1+δms(m-1))
其中，ΔTs(m)为从站的时间跨度，ΔT′s(m)为调整后的时间跨度；
经过调整后，从站103、从站104、从站105的时间跨度分别为ΔT′s1(m)、ΔT′s2(m)、ΔT′s3(m)
S906：根据主站102、从站103、从站104、从站105的时间跨度ΔTm、ΔT′s1、ΔT′s2、ΔT′s3，计算定位帧到达从站103、从站104、从站105与到达主站102的TDOA值，并根据TDOA计算标签坐标值并进行缓存；
定位帧到达从站103与到达主站102的TDOA为Δtms1(m)＝ΔT′s1(m)-ΔTm(m)；
定位帧到达从站104与到达主站102的TDOA为Δtms2(m)＝ΔT′s2(m)-ΔTm(m)；
定位帧到达从站105与到达主站102的TDOA为Δtms3(m)＝ΔT′s3(m)-ΔTm(m)；
利用现存方法通过TDOA值Δtms1(m)、Δtms2(m)、Δtms3(m)，计算标签106坐标值为(x′t(m)，y′t(m)，z′t(m))，并对标签106坐标(x′t(m)，y′t(m)，z′t(m))进行缓存；
S907：标签106发送第m+1个定位帧(新位置定位的第二帧)；
S908：主站102、从站103、从站104、从站105接收到标签106发送的第m+1个定位帧，提取定位帧SFD到达的时间戳Tm(m+1)、Ts1(m+1)、Ts2(m+1)、Ts3(m+1)，并将时间戳上传给服务端101；
S909：服务端101接收主站102、从站103、从站104、从站105上传的时间戳Tm(m+1)、Ts1(m+1)、Ts2(m+1)、Ts3(m+1)；
S910：服务端101根据上传的时间戳Tm(m+1)、Ts1(m+1)、Ts2(m+1)、Ts3(m+1)与其对应的参考时间戳Tmref(m)、Ts1ref(m)、Ts2ref(m)、Ts3ref(m)，分别计算主站102、从站103、从站104、从站105对应的时间跨度ΔTm(m+1)＝Tm(m+1)-Tmref(m)、ΔTs1(m+1)＝Ts1(m+1)-Ts1ref(m)、ΔTs2(m+1)＝Ts2(m+1)-Ts2ref(m)、ΔTs3(m+1)＝Ts3(m+1)-Ts3ref(m)；
S911：服务端101根据主站102、从站103、从站104、从站105上传的时间戳Tm(m+1)、Ts1(m+1)、Ts2(m+1)、Ts3(m+1)与缓存的时间戳Tm(m)、Ts1(m)、Ts2(m)、Ts3(m)，计算主站102与每个从站的时钟频率偏差；
主从站之间的时钟频率偏差计算方法为：
Figure BDA0003685480300000201
其中Ts(m+1)和Ts(m)表示从站的时间戳；
经过该方法计算的从站103、从站104、从站105与主站102的时钟频率偏差为δ′ms1(m+1)、δ′ms2(m+1)、δ′ms3(m+1)；
S912：服务端101根据计算的时钟频率偏差δ′ms1(m+1)、δ′ms2(m+1)、δ′ms3(m+1)对存储的时钟频率偏差进行更新，更新方法如下：
δms(m+1)＝δms(m-1)+kG(m+1)[δ′ms(m+1)-δms(m-1)]
其中δms(m-1)为存储的时钟频率偏差，kG(m+1)为更新增益系数，δms(m+1)为更新后的时钟频率偏差；
更新后主站101与与从站103、从站104、从站105的时钟频率偏差为δms1(m+1)、δms2(m+1)、δms3(m+1)，并对更新后的时钟频率偏差进行存储；
S913：通过更新后的时钟频率偏差δms1(m+1)、δms2(m+1)、δms3(m+1)对从站103、从站104、从站105的时间跨度进行调整，调整方法如下：
ΔT′s(m+1)＝ΔTs(m+1)*(1+δms(m+1))
其中，ΔTs(m+1)为从站的时间跨度，ΔT′s(m+1)为调整后的时间跨度；
经过调整后，从站103、从站104、从站105的时间跨度分别为ΔT′s1(m+1)、ΔT′s2(m+1)、ΔT′s3(m+1)；
S914：根据主站102、从站103、从站104、从站105的时间跨度ΔTm(m+1)、ΔT′s1(m+1)、ΔT′s2(m+1)、ΔT′s3(m+1)，计算定位帧到达从站103、从站104、从站105与到达主站102的TDOA值，并根据TDOA值计算标签坐标；
定位帧到达从站103与到达主站102的TDOA为Δtms1(m+1)＝ΔT′s1(m+1)-ΔTm(m+1)；
定位帧到达从站104与到达主站102的TDOA为Δtms2(m+1)＝ΔT′s2(m+1)-ΔTm(m+1)；
定位帧到达从站105与到达主站102的TDOA为Δtms3(m+1)＝ΔT′s3(m+1)-ΔTm(m+1)；
利用现存方法通过TDOA值Δtms1(m+1)、Δtms2(m+1)、Δtms3(m+1)，计算标签106坐标值为(x′t(m+1)，y′t(m+1)，z′t(m+1))
S915：对标签106计算坐标值(x′t(m+1)，y′t(m+1)，z′t(m+1))与缓存上一帧的计算坐标值(x′t(m)，y′t(m)，z′t(m))取平均操作：
Figure BDA0003685480300000211
Figure BDA0003685480300000212
Figure BDA0003685480300000213
使用卡尔曼滤波对其修正
Figure BDA0003685480300000214
修正后的标签106坐标值为(xt(m+1)，yt(m+1)，zt(m+1))；
一组定位帧测量过程完成后，服务端101还需要对参考时间戳进行调整，为下一组定位帧测量做准备，如图6所示，参考时间戳的调整步骤如下：
S601：服务端101分别根据标签106坐标(xt(m+1)，yt(m+1)，zt(m+1))，主站102坐标(xm，ym，zm)，从站103、从站104、从站105的坐标(xs1，ys1，zs1)、(xs2，ys2，zs2)、(xs3，Ys3，zs3)，求定位帧到主从站的TOF；
TOF计算方法如下：
Figure BDA0003685480300000221
其中，ΔtTOF(m+1)为TOF，(x，y，z)标注主从站坐标值，c为光速；
通过TOF计算方法，可以得到定位帧到达主站102、从站103、从站104、从站105的TOF分别为：ΔtTOFm(m+1)、ΔtTOFs1(m+1)、ΔtTOFs2(m+1)、ΔtTOFs3(m+1)
S602：服务端101根据主从站的TOF值，计算从站103、从站104、从站105的补偿值分别为Δt′ms1(m+1)＝ΔtTOFs1(m+1)-ΔtTOFm(m+1)、Δt′ms2(m+1)＝ΔtTOFs2(m+1)-ΔtTOFm(m+1)、Δt′ms3(m+1)＝ΔtTOFs3(m+1)-ΔtTOFm(m+1)；
S603：服务端101根据从站103、从站104、从站105的补偿值Δt′ms1(m+1)、Δt′ms2(m+1)、Δt′ms3(m+1)得到主站102、从站103、从站104、从站105新的参考时间戳；
主站102参考时间戳为Tmref(m+2)＝Tm(m+1)；
从站103参考时间戳为Ts1ref(m+2)＝Ts1(m+1)+Δt′ms1(m+1)；
从站104参考时间戳为Ts2ref(m+2)＝Ts2(m+1)+Δt′ms2(m+1)；
从站105参考时间戳为Ts3ref(m+2)＝Ts3(m+1)+Δt′ms3(m+1)；
完成参考时间戳后，等待标签发送下一组定位帧。
对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变，而所有的这些改变，都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于时钟伪同步的UWB TDOA定位方法，其特性在于，所述方法包括：
自校准过程：主站发送的校准帧，记录校准帧的帧起始定界符时刻对应时间戳并上传至服务端，服务端对主站时间戳进行调整并存储作为主站参考时间戳，从站根据接收主站发送校准帧的帧起始定界符时刻，提取自身时间戳，同时计算出与主从站的时钟频率偏差，所述从站将所述时间戳和所述主从站的时钟频率偏差上传服务端，服务端对从站时间戳进行调整并存储作为从站参考时间戳，并使用上传的时钟频率偏差对存储的时钟频率偏差进行调整更新；
测量过程：主从站根据标签发送定位帧的帧起始定界符时刻，提取自身时间戳同时计算出与标签的时钟频率偏差，并将时间戳与时钟频率偏差上传服务端，服务端根据上传的时间戳分别计算出主站和从站的时间跨度，所述时间跨度为所述上传的时间戳减去对应的参考时间戳，根据时间跨度或与标签的时钟频率偏差计算出主从站之间的时钟频率偏差，并使用计算的时钟频率偏差对存储的主从站的时钟频率偏差进行调整更新，根据更新后主从站的时钟频率偏差对从站的时间跨度进行调整，使用从站调整后的时间跨度与主站的时间跨度计算出标签到达每个从站相对于到达主站的时间差，服务端根据标签到达主从站之间的时间差计算出标签的位置坐标；
参考时间戳调整：主站将测量过程中上传的时间戳进行存储作为下一次测量主站的参考时间戳，对于从站，服务端根据标签以及主从站的坐标重新计算出标签发送信道到达每一个从站相对于到达主站的时间差，并根据该时间差对从站测量过程中上传的时间戳进行调整并存储作为下一次测量从站的参考时间戳；
其中，在所述校准过程中，主站参考时间戳的调整，可以按照下式进行：
Tmref＝Tm+2*Tmdelay；
其中，Tmref为调整后主站的参考时间戳，Tm为校准过程主站上传的时间戳，Tmdelay为主站的天线延迟时间；
所述在校准过程中，从站参考时间戳的调整，可以按照下式进行：
Figure FDA0004077021960000021
其中，Tsref为调整后从站的参考时间戳，Ts为从站上传的时间戳，Sms为主从站之间的距离，c为光速。
2.根据权利要求1所述的基于时钟伪同步的UWB TDOA定位方法，其特性在于，所述的校准过程不仅在系统初始化时进行，在主站超过一定时间未收到标签定位帧时，主站主动发送校准帧对系统进行校准。
3.根据权利要求1所述的基于时钟伪同步的UWB TDOA定位方法，其特性在于，在所述校准过程中，从站计算主从站之间的时钟频率偏差，与所述测量过程中，从站计算从站与标签之间的时钟频率偏差一致；还包括：
从站物理层对接收信号的采样偏差进行估计，通过估计的采样偏差转化为时钟频率偏差，可以按照下式进行：
Figure FDA0004077021960000022
其中，δclk为时钟频率偏差，test为采样偏差估计周期，Noft为test对应的采样偏差点数，tsmp为采样间隔；
和
从站物理层对接收信号的载波频偏进行估计，通过估计的载波频率偏差转化为时钟频率偏差，可以按照下式进行：
Figure FDA0004077021960000031
其中，Δfc为载波频偏，fc为载波中心频率。
4.根据权利要求1所述的基于时钟伪同步的UWB TDOA定位方法，其特性在于，在所述校准过程中，使用上传的时钟频率偏差对存储的时钟频率偏差进行调整更新，以及所述测量过程中，使用计算的时钟频率偏差对存储的主从站的时钟频率偏差进行调整更新；具体为：
δms(m+1)＝δms(m)+kG(m)[δ'ms(m)-δms(m)]
其中，δms(m+1)为更新后主从站时钟频率偏差，δms(m)为更新前存储的主从站时钟频率偏差，kG(m)为第m定位帧对应的增益系数，δ'ms(m)根据上传信息整合后的时钟频率偏差，m为定位帧的索引；
当上传时钟频率偏差只有一个时，δ'ms＝δclk，当同时上传多个时钟频率偏差时，其按照下式进行：
Figure FDA0004077021960000032
其中，δclk[i]为上传的第i个时钟频率偏差，ωi为第i个时钟频率偏差对应的权重系数，并且
Figure FDA0004077021960000033
Nδ为上传频率偏差的总数。
5.根据权利要求1所述的基于时钟伪同步的UWB TDOA定位方法，其特性在于，在所述测量过程中，根据时间跨度或与标签的时钟频率偏差计算出主从站之间的时钟频率偏差，同一标签连续发送两个定位帧，主从站通过接收两个定位帧并上传自身时间戳，服务端根据上传的时间戳分别计算主从站的时间跨度，并按照公式计算主从站的时钟频率偏差：
Figure FDA0004077021960000041
其中，δ'ms为主从站之间的中频率偏差，Tm(1)和Ts(1)分别为标签发送第一个定位帧，主站和从站上传的时间戳，Tm(2)和Ts(2)分别为标签发送第二个定位帧，主站和从站上传的时间戳。
6.根据权利要求1所述的基于时钟伪同步的UWB TDOA定位方法，其特性在于，在所述测量过程中，根据时间跨度或与标签的时钟频率偏差计算出主从站之间的时钟频率偏差，其中根据与标签的时钟频率偏差计算主从站的时钟频率偏差方法如下：
Figure FDA0004077021960000042
其中，δst为从站与标签的时钟频率偏差，δmt为主站与标签的时钟频率偏差。
7.根据权利要求1所述的基于时钟伪同步的UWB TDOA定位方法，其特性在于，在所述测量过程中，根据更新后主从站的时钟频率偏差对从站的时间跨度进行调整，使用从站调整后的时间跨度与主站的时间跨度计算出标签到达每个从站相对于到达主站的时间差，其按照下式表达：
Δtms(m)＝[Ts(m)-Tsref(m)]*(δms(m)+1)-[Tm(m)-Tmref(m)]
其中，Ts(m)为从站接收到第m个定位帧所上传的时间戳，Tsref(m)为Ts(m)参考时间戳，δms(m)主从站的时钟频率偏差；Tm(m)为主站接收到第m个定位帧所上传的时间戳，Tmref(m)为Tm(m)参考时间戳，Δtms(m)为定位帧到达从站与到达主站之间的时间差。
8.根据权利要求1所述的基于时钟伪同步的UWB TDOA定位方法，其特性在于，在所述参考时间戳调整过程中，根据该时间差对从站测量过程中上传的时间戳进行调整并存储作为下一次测量从站的参考时间戳，其表达式如下：
Tsref(m+1)＝Ts(m)+Δt'ms(m)
其中，Tsref(m+1)为从站更新后的参考时间戳，Δt'ms(m)为通过标签与住从站坐标重新计算的到达时间差，Ts(m)为从站接收到第m个定位帧所上传的时间戳，其表达式如下：
Figure FDA0004077021960000051
其中，(xt,yt,zt)、(xs,ys,zs)、(xm,ym,zm)分别为标签、从站、主站坐标。
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