CN116299171A - 一种基于码分多址的uwb tdoa定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于码分多址的UWBTDOA定位方法，S1、基站时钟校准；S2、定位配置；S3、时钟跟踪；S4、定位帧发送；S5、定位帧接收；S6、首径位置检测；S7、达到时间差计算；S8、定位计算。本发明采用上述的一种基于码分多址的UWBTDOA定位方法，不会受到标签容量的限制，为服务区内的所有标签提供定位服务；该定位方式属于标签被动接收完成定位服务，不需要标签与基站进行相互通信，保证了标签的信息安全；基站之间通过无线通信的方式完成时钟同步，降低了实现成本。

Description

一种基于码分多址的UWB TDOA定位方法

技术领域

本发明涉及超宽带通信定位技术领域，尤其是涉及一种基于码分多址的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。然而都有各自的缺陷，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定位技术的优点是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。

基于到达时间差(Time Difference Of Arrival，TDOA)作为UWB一种主要的定位方法，具有可操作性高，定位实时性高、隐私性好等众多优点。但是受限于基站侧高要求的时间同步，以及接收侧复杂的数据处理，使得TDOA未能得到广泛应用。因此，如何解决基站侧的时钟同步问题和接收侧的数据处理问题是当前UWB定位技术主要的研究方向之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于码分多址的UWB TDOA定位方法，不会受到标签容量的限制，为服务区内的所有标签提供定位服务；该定位方式属于标签被动接收完成定位服务，不需要标签与基站进行相互通信，保证了标签的信息安全；基站之间通过无线通信的方式完成时钟同步，降低了实现成本。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于码分多址的UWB TDOA定位方法，包括以下步骤：

S1、基站时钟校准，基站包括主站和若干从站，系统上电后，从站通过接收主站发送的时钟同步广播帧，完成从站时钟与主站时钟的频率同步；

S2、定位配置，完成校准后开始定位服务，定位会以三个时隙为一个定位周期，第一个时隙，主站通过蓝牙的通信方式进行定期广播，将主站及从站的配置信息传递给标签；

S3、时钟跟踪，第二个时隙，主站会发送时钟同步帧，用于从站时钟对主站时钟进行跟踪；

S4、定位帧发送，第三个时隙，主站和从站会按照设定的周期同时发送定位帧；

S5、定位帧接收，标签同时接收各个基站的定位帧，通过每个基站独特的扩频码，将每个基站的定位帧进行分离解析，得到相对应的信道冲击响应；

S6、首径位置检测，利用每个基站信号对应的信道冲击响应，进行首径搜索，得到各自对应的首径位置；

S7、达到时间差计算，每个从站信号的首径位置与主站信号的首径位置做差，得到每个从站信号相对于主站信号到达标签的时间差；

S8、定位计算，利用得到到达时间差，进行定位，得到标签的位置坐标。

2.根据权利要求1所述的一种基于码分多址的UWB TDOA定位方法，其特征在于：所述步骤S1中，从站时钟与主站时钟完成时钟频率同步，操作如下：

S21、通过接收时钟同步帧，计算出从站相对于主站的时钟偏差δ_ppm，将计算的时钟偏差δ_ppm输入到一个IIR滤波器对时钟偏差进行滤波，得到需要调整的时钟频率偏差δ_adj，求解δ_adj的传递函数为

其中，k_G为比例增益，k_I为积分增益，z^-1为延时因子；

S22、利用得到时钟频率偏差δ_adj对从站的本地时钟进行调整，保证从站的时钟频率与主站的时钟频率保持高度一致；

S23、时钟校准完成后，从站会通过蓝牙的通信方式通知主站校准完成。

3.根据权利要求1所述的一种基于码分多址的UWB TDOA定位方法，其特征在于：所述步骤S3中，主站会发送时钟同步帧，用于从站时钟对主站时钟进行跟踪；对主站时钟的跟踪分为两部分：

S31、对主站的时钟频率进行跟踪，方法与步骤S1一致；

S32、将从站的时间戳与主站的时间戳对齐，对齐方式如下：

t_MS＝t_M+t_MTx+t_SRx+t_D+t_proc

其中，t_MS为从站当前时钟对应主站的时间戳，t_M是主站的送的时间戳，t_MTx是主站发送天线的天线延迟，t_SRx是从站接收天线的天线延迟，t_D是基站因为传输距离引起的延迟，t_proc是从站接收信号的处理延迟；

经过两步调整后，主站和从站的时钟基本达到完全一致。

4.根据权利要求1所述的一种基于码分多址的UWB TDOA定位方法，其特征在于：所述步骤S5中，标签同时接收各个基站的定位帧，通过每个基站独特的扩频码，将每个基站的定位帧进行分离解析，得到相对于的信道冲击响应的具体方法为：

标签处理完通用前导码和帧起始分界符后，在同一起始时刻，多路并行对每个基站数据进行分离，分离方法为使用每个基站对应的扩频码与接收的信号进行互相关运算，并对互相关运算结果按照符号长度为周期进行周期性累加；

其中，互相关具体方法如下：

其中，S_{corr_m}为第m个基站信号的互相关结果，其中m＝0为主站，s_sig为接收的复合信号，S_{loc_m}为第m个基站信号的扩频码，N_smp为一个符号周期包含的采样点数，I为S_{corr_m}的索引值，τ为以I为起点，之后一个符号内s_sig的索引值；

对互相关运算结果按照符号长度为周期进行周期性累加，得到相对于的信道冲击响应，具体方法如下：

其中，s_{CIR_m}为第m个基站信号的信道冲击响应，N_symb为信号中含有专用扩频码的符号数，n为S_{CIR_m}的一个符号周期中采样点的索引，c为当前符号之前的符号数。

5.根据权利要求1所述的一种基于码分多址的UWB TDOA定位方法，其特征在于：所述步骤S7中，每个从站信号的首径位置与主站信号的首径位置做差，得到每个从站信号相对于主站信号到达标签的时间差，其方法如下：

Δt_m＝t_smp*(P_{FP_m}-P_{FP_0})

其中，Δt_m为第m个基站信号相对于主站的到达时间差，t_smp为信道冲击响应的采样间隔时间，P_{FP_n}为第m个基站信号对应的信道冲击响应中首径的位置，P_{FP_0}主站信号对应的信道冲击响应中首径的位置。

因此，本发明采用上述一种基于码分多址的UWB TDOA定位方法，其技术效果如下：

(1)该方法不会受到标签容量的限制，为服务区内的所有标签提供定位服务；

(2)该定位方式属于标签被动接收完成定位服务，不需要标签与基站进行相互通信，保证了标签的信息安全；

(3)基站之间通过无线通信的方式完成时钟同步，降低了实现成本；

(4)只需要一帧数据就可以完成定位服务，可以提供高动态高频率的定位输出。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明用于基于码分多址的UWB TDOA定位方法的系统架构示意图；

图2是本发明用于基于码分多址的UWB TDOA定位方法的校准过程处理流程图；

图3是本发明用于基于码分多址的UWB TDOA定位方法的时钟同步帧的帧结构示意图；

图4是本发明用于基于码分多址的UWB TDOA定位方法的时钟频率同步方法示意图；

图5是本发明用于基于码分多址的UWB TDOA定位方法的时隙工作示意图；

图6是本发明用于基于码分多址的UWB TDOA定位方法的定位过程处理流程图；

图7是本发明用于基于码分多址的UWB TDOA定位方法的定位帧的帧结构示意图；

图8是本发明用于基于码分多址的UWB TDOA定位方法的互相关累加过程示意图；

图9是本发明用于基于码分多址的UWB TDOA定位方法的信号分离结果展示图。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的主旨或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其它实施方式。这些其它实施方式也涵盖在本发明的保护范围内。

还应当理解，以上所述的具体实施例仅用于解释本发明，本发明的保护范围并不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明/发明的保护范围之内。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作为详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

本发明说明书中引用的现有技术文献所公开的内容整体均通过引用并入本发明中，并且因此是本发明公开内容的一部分。

实施例一

一种基于码分多址的UWB TDOA定位方法。图1为一种基于码分多址的UWB TDOA定位方法的系统架构示意图。整个系统包含主站101、多个从站(102、103、104、105)和待定位的移动标签106。该方法的实施分为两个阶段：基站校准阶段，标签定位阶段。其中，基站校准阶段在每次上电后校准一次。标签定位阶段包含基站间的时钟跟踪和对标签的定位服务。

基站校准阶段，在上电之后，由主站101通过蓝牙发送配置信息帧对从站(102、103、104、105)完成配置。然后主站101开始定期的发送时钟同步帧，从站通过接收时钟同步帧完成与主站的绝对时钟同步(包括起始时间和时钟频率)。完成时钟同步后，从站(102、103、104、105)通过蓝牙对主站101进行反馈。当主站收到所有从站的反馈后，主站通过蓝牙发送通知所有从站(102、103、104、105)开始定位服务。

标签定位阶段，在定位阶段开始后，主站101会通过蓝牙周期性的发送广播帧，用于标签完成定位的相关配置。每次定位帧发送前，主站101都会发送时钟同步帧，用于从站(102、103、104、105)对主站101的时钟进行跟踪。在主站101发送完时钟同步帧后，在接一下来的一个时隙，所有基站(101、102、103、104、105)会同时发送定位帧。移动标签106接收到所有基站(101、102、103、104、105)的复合信号后，通过不同基站(101、102、103、104、105)信号对应的独特的扩频码，对不同基站(101、102、103、104、105)发送的信号进行解析分离，并利用分离的信号检测每个基站(101、102、103、104、105)信号达到标签的首径位置。根据每个基站(101、102、103、104、105)信号的首径位置得到，从站(102、103、104、105)信号相对于主站101信号到达的时间差完成定位。

具体如下：

系统上电后，开始执行时钟校准过程，时钟校准过程的流程图如图2所示。

S201：主站101通过蓝牙发送信息帧完成对所有从站(102、103、104、105)的配置。该配置主要是UWB接收机的相关配置，保证每个从站(102、103、104、105)都能正常接收并解调主站101接下来要发送的时钟同步帧。

S202：主站101通过定期发送时钟同步帧，使从站(102、103、104、105)与主站101完成时钟同步。时钟同步帧的帧格式如图3所示，包含通用前导字段、帧起始分界符字段、专用扩频码字段、消息字段。从站通过通用前导字段完成信号检测、增益调节等基础功能，通过帧起始分界符字段确定专用扩频码的起始位置，通过专用扩频码进行时钟偏差估计以及帧到达时间戳的提取，通过消息字段解析主站101发送的时间戳以及天线延迟等相关信息。

从站(102、103、104、105)与主站101完成时钟同步，首先要完成主站、从站时钟的频率同步。

主站、从站时钟的频率同步方法原理图如图4所示。利用现有方法计算出从站(102、103、104、105)与主站101的时钟偏差，该方法可以通过估计载波频偏计算出主站、从站之间的时钟偏差，也可以通过接收两次时钟同步帧的时间间隔与理论时间间隔之间的差异，计算出主站、从站之间的时钟偏差。

以从站102为例，计算出与主站101的时钟偏差为δ_{ppm_1}，经过如下传递函数：

其中，k_G为比例增益，k_I为积分增益，z^-1为延时因子。

根据如上方法可以得到时钟频率偏差调整值δ_{adj_1}，通过δ_{adj_1}对基站102的晶振频率进行调整，达到从站102时钟频率与主站101同步。

完成主站、从站之间的时钟频率后，时钟校准完成。

S203：从站(102、103、104、105)完成时钟同步后，会通过蓝牙的方法对主站101进行反馈，同时会反馈该从站的坐标信息等相关信息；

S204：主站101收到所有从站(102、103、104、105)的反馈后，整个校准阶段结束。在设定的时间内，某个从站未反馈校准结果，表示该基站时钟校准失败，该基站不参与定位过程。

校准阶段结束后，主站101对校准成功的从站(102、103、104、105)，进行定位阶段的相关配置，包括每个从站的ID、所使用的扩频码序列、发送定位帧的时刻、所使用定位帧的帧格式等等。

校准完成后，系统开始进入定位过程。在定位过程中，如图5所示，以三个时隙为一个定位周期：第一个时隙，主站101通过蓝牙的方式广播主站、从站的配置信息；第二个时隙，主站101发送时钟同步帧；第三个时隙，主站、从站(101、102、103、104、105)同时发送定位帧。

系统定位过程的流程图如图6所示：

S601：第一个时隙，主站101通过蓝牙的方式进行定期广播，将主站、从站(101、102、103、104、105)的配置信息传递给标签106；

主站101广播的消息帧包含：每个基站的ID、对应的位置坐标、天线延迟、定位帧发送频率、每个基站对应使用的扩频码编号、定位帧的帧格式等。

S602：第二个时隙，主站101会发送时钟同步帧，用于从站对主站的时钟进行跟踪；

从站(101、102、103、104、105)对主站101的时钟跟踪包含两部分：

1)与校准过程的方法一致，对主站101的时钟频率进行跟踪，其中k_G和k_I参数的设置会与校准过程不同；

2)将从站(101、102、103、104、105)的时间戳与主站101的时间戳对齐，对齐方式如下：

t_MS＝t_M+t_MTx+t_SRx+t_D+t_proc

其中，t_MS为从站当前时钟对应主站的时间戳，t_M是主站的送的时间戳，t_MTx是主站发送天线的天线延迟，t_SRx是从站接收天线的天线延迟，t_D是主站、从站因为传输距离引起的延迟，t_proc是从站接收信号的处理延迟。

经过两步调整后，主站、从站的时钟基本达到完全一致。

S603：第三个时隙，主站101和从站(101、102、103、104、105)会按照设定的周期同时发送定位帧；

其中，定位帧的帧格式如图7所示，包含：通用前导字段、帧起始分界符字段、专用扩频码字段。

S604：标签同时接收各个基站的定位帧，并对其进行解析分离得到相对应的信道冲击响应；

标签通过通用前导码对定位帧信号进行捕获，捕获的信号为所有基站的复合信号。通过对接收到的信号搜索帧起始分界符确定专用扩频码字段的起始位置。

在得到专用扩频码字段的起始位置后，在同一起始时刻，多路并行通过使用每个基站对用的扩频码于接收的信号进行互相关运算，将每个基站的发送信号从接收到的符合信号中进行分析，方法如下：

其中，S_{corr_m}为第m个基站信号的互相关结果，其中m＝0为主站，s_sig为接收的复合信号(所有基站信号的合并)，s_{loc_m}为第m个基站信号的扩频码，N_smp为一个符号周期包含的采样点数，i为S_{corr_m}的索引值，τ为以i为起点，之后一个符号内S_sig的索引值；

在得到每个基站(101、102、103、104、105)信号对应的互相关结果后，对互相关结果按照符号长度为周期进行周期性累加(如图8所示)，得到每个基站信号对应的信道冲击响应，具体方法如下：

其中，S_{CIR_m}为第m个基站信号的信道冲击响应，N_symb为信号中含有专用扩频码的符号数，n表示一个符号周期中采样点的索引，c为当前符号之前的符号数。

在白噪声信道下，经过上述方法分离出的每个基站的信道冲击响应如图9所示。

S605：用每个基站信号对应的信道冲击响应，进行首径搜索，得到各自对应的首径位置；

利用现有方法完成首径检测算法，并输出首径位置。例如，前沿检测方法，通过该检测到的首径前沿点与首径顶点，通过插值的方法可以得到精确的首径位置。

S606：每个从站信号的首径位置与主站信号的首径位置做差，得到每个从站信号相对于主站信号到达标签的时间差。

利用每个基站信号对应的首径位置得到每个从站(102、103、104、105)相对于主站101信号到达标签106的时间差方法如下：

Δt_m＝t_smp*(P_{FP_m}-P_{FP_0})

其中，Δt_m为第m个基站信号相对于主站的到达时间差，t_smp为信道冲击响应的采样间隔时间，P_{FP_m}为第m个基站信号对应的信道冲击响应中首径的位置，P_{FP_0}主站信号对应的信道冲击响应中首径的位置。

现将Δt₁、Δt₂、Δt₃、Δt₄即为从站102、从站103、从站104、从站105信号相对于主站101信号到达标签106的时间差。

S607：利用得到到达时间差，进行定位，得到标签的位置坐标。

利用得到的每个从站(102、103、104、105)信号相对于主站101信号达到时间差Δt₁、Δt₂、Δt₃、Δt₄，利用现有方法即可完成对标签106的定位，得到标签的位置坐标(x_tag,y_tag,z_tag)。

因此，本发明采用上述一种基于码分多址的UWB TDOA定位方法，该方法不会受到标签容量的限制，为服务区内的所有标签提供定位服务；该定位方式属于标签被动接收完成定位服务，不需要标签与基站进行相互通信，保证了标签的信息安全；基站之间通过无线通信的方式完成时钟同步，降低了实现成本；只需要一帧数据就可以完成定位服务，可以提供高动态高频率的定位输出。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳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：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种基于码分多址的UWBTDOA定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、基站时钟校准，基站包括主站和若干从站，系统上电后，从站通过接收主站发送的时钟同步广播帧，完成从站时钟与主站时钟的频率同步；

S2、定位配置，完成校准后开始定位服务，定位会以三个时隙为一个定位周期，第一个时隙，主站通过蓝牙的通信方式进行定期广播，将主站及从站的配置信息传递给标签；

S3、时钟跟踪，第二个时隙，主站会发送时钟同步帧，用于从站时钟对主站时钟进行跟踪；

S4、定位帧发送，第三个时隙，主站和从站会按照设定的周期同时发送定位帧；

S5、定位帧接收，标签同时接收各个基站的定位帧，通过每个基站独特的扩频码，将每个基站的定位帧进行分离解析，得到相对应的信道冲击响应；

S6、首径位置检测，利用每个基站信号对应的信道冲击响应，进行首径搜索，得到各自对应的首径位置；

S7、达到时间差计算，每个从站信号的首径位置与主站信号的首径位置做差，得到每个从站信号相对于主站信号到达标签的时间差；

S8、定位计算，利用得到到达时间差，进行定位，得到标签的位置坐标。

2.根据权利要求1所述的一种基于码分多址的UWBTDOA定位方法，其特征在于：所述步骤S1中，从站时钟与主站时钟完成时钟频率同步，操作如下：

S21、通过接收时钟同步帧，计算出从站相对于主站的时钟偏差δ_ppm，将计算的时钟偏差δ_ppm输入到一个IIR滤波器对时钟偏差进行滤波，得到需要调整的时钟频率偏差δ_adj，求解δ_adj的传递函数为

其中，k_G为比例增益，k_I为积分增益，z^-1为延时因子；

S22、利用得到时钟频率偏差δ_adj对从站的本地时钟进行调整，保证从站的时钟频率与主站的时钟频率保持高度一致；

S23、时钟校准完成后，从站会通过蓝牙的通信方式通知主站校准完成。

3.根据权利要求1所述的一种基于码分多址的UWB TDOA定位方法，其特征在于：所述步骤S3中，主站会发送时钟同步帧，用于从站时钟对主站时钟进行跟踪；对主站时钟的跟踪分为两部分：

S31、对主站的时钟频率进行跟踪，方法与步骤S1一致；

S32、将从站的时间戳与主站的时间戳对齐，对齐方式如下：

t_MS＝t_M+t_MTx+t_SRx+t_D+t_proc

其中，t_MS为从站当前时钟对应主站的时间戳，t_M是主站的送的时间戳，t_MTx是主站发送天线的天线延迟，t_SRx是从站接收天线的天线延迟，t_D是基站因为传输距离引起的延迟，t_proc是从站接收信号的处理延迟；

经过两步调整后，主站和从站的时钟基本达到完全一致。

4.根据权利要求1所述的一种基于码分多址的UWB TDOA定位方法，其特征在于：所述步骤S5中，标签同时接收各个基站的定位帧，通过每个基站独特的扩频码，将每个基站的定位帧进行分离解析，得到相对于的信道冲击响应的具体方法为：

标签处理完通用前导码和帧起始分界符后，在同一起始时刻，多路并行对每个基站数据进行分离，分离方法为使用每个基站对应的扩频码与接收的信号进行互相关运算，并对互相关运算结果按照符号长度为周期进行周期性累加；

其中，互相关具体方法如下：

其中，S_{corr_m}为第m个基站信号的互相关结果，其中m＝0为主站，s_sig为接收的复合信号，S_{loc_m}为第m个基站信号的扩频码，N_smp为一个符号周期包含的采样点数，i为S_{corr_m}的索引值，τ为以i为起点，之后一个符号内S_sig的索引值；

对互相关运算结果按照符号长度为周期进行周期性累加，得到相对于的信道冲击响应，具体方法如下：

其中，S_{CIR_m}为第m个基站信号的信道冲击响应，N_symb为信号中含有专用扩频码的符号数，n为S_{CIR_m}的一个符号周期中采样点的索引，c为当前符号之前的符号数。

5.根据权利要求1所述的一种基于码分多址的UWB TDOA定位方法，其特征在于：所述步骤S7中，每个从站信号的首径位置与主站信号的首径位置做差，得到每个从站信号相对于主站信号到达标签的时间差，其方法如下：

Δt_m＝t_smp*(P_{FP_m}-P_{FP_0})

其中，Δt_m为第m个基站信号相对于主站的到达时间差，t_smp为信道冲击响应的采样间隔时间，P_{FP_m}为第m个基站信号对应的信道冲击响应中首径的位置，P_{FP_0}主站信号对应的信道冲击响应中首径的位置。

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