CN211826463U

CN211826463U - 一种基于tdoa的分布式定位系统

Info

Publication number: CN211826463U
Application number: CN202020144022.6U
Authority: CN
Inventors: 韦子辉; 张要发; 解云龙; 方立德
Original assignee: Heibei University
Current assignee: Heibei University
Priority date: 2020-01-22
Filing date: 2020-01-22
Publication date: 2020-10-30
Anticipated expiration: 2030-01-22

Abstract

本实用新型提供了一种基于TDOA的分布式定位系统。所述分布式定位系统包括上位机、交换机以及若干定位传感器，每一定位传感器即为一个定位单元，在定位单元内包含参与定位的所有基站。本实用新型基于UWB技术，利用TDOA定位原理，将参与定位的基站作为一个传感器，设计了分布式定位系统。利用分布式定位系统进行定位时，如果存在多个定位单元，就相当于存在多个定位传感器，每个定位传感器在自己的单元内独立的完成定位工作，最终将各自定位到的坐标结果分别上传至同一个上位机中进行实时显示即可。这样，既实现了准确、高效定位，又减小了开销，优化了资源。

Description

一种基于TDOA的分布式定位系统

技术领域

本实用新型涉及室内定位技术领域，具体地说是一种基于TDOA的分布式定位系统。

背景技术

UWB(超宽带技术)是近年来新兴的无线通信技术，无需用到传统通信中的载波，利用纳秒级的极窄脉冲传输信息，具有多径分辨能力强、功耗低、穿透能力强等特点，这些优势使得超带宽技术在室内定位领域有较好的发展前景。UWB定位中常用定位算法分为三类：

1)基于角度测量的到达信号角(AOA)定位；

2)基于距离测量的到达信号时间(TOA)和飞行时间(TOF)定位；

3)基于距离差测量的到达时间差(TDOA)等。

AOA方法是一种基于角度测量定位算法，通过某些硬件设备感知发射节点信号的到达方向，计算接收节点和锚节点之间的相对方位或角度，然后再利用三角测量法或其他方式计算出未知节点的位置。在UWB定位技术中AOA定位很少单独使用，通常与其它定位算法联合使用。

TOA算法被称为“到达时间算法”，是一种基于测量基站和标签之间通信信号的到达时间计算出二者之间的距离，从而进行定位的方法，但是要求基站与标签、基站之间实现时钟同步，技术实现复杂应用较少。

TOF测距方法属于双向测距技术，它主要利用信号在两个异步收发机(Transceiver)(或被反射面)之间往返的飞行时间来测量节点间的距离，该方法的优点是不需要时钟同步，但一次测距耗时较长。

TDOA(到达时间差)是通过检测信号到达两个基站的绝对时间差(而不是到达的飞行时间)来确定移动台的位置，需要各个测量基站的实现时间同步。TDOA定位技术只需要得到时间差而非绝对的时间点，时间误差小，定位精度高。

以上方法中最主流的是TOA和TDOA定位方法，然而，TDOA方法相比TOA方法不需要目标节点与基站之间实现严格的时钟同步，因此TDOA方法应用更为广泛。传统的TDOA定位方式是将目标节点与各个基站之间的距离差信息上传至上位机，通过上位机来求解TDOA定位方程组以得到目标节点的坐标值。

如果利用传统的TDOA定位结构，一个上位机只对一个定位单元的数据进行定位计算，当存在多个定位单元同时进行定位时就需要多个上位机，这样就很麻烦，浪费资源、开销太大；如果使用一个上位机对多个定位单元的数据进行定位计算，这样就使得上位机的任务繁重，使得上位机系统开销过大。

实用新型内容

本实用新型的目的就是提供一种基于TDOA的分布式定位系统，本实用新型通过将参与定位的基站作为一个整体，设计了分布式定位系统，以减小开销，提高定位效率。

本实用新型是这样实现的：一种基于TDOA的分布式定位系统，包括上位机、交换机以及若干定位传感器，每一定位传感器内均包括至少三个基站，每一定位传感器的基站中，存在一个主基站，其余均为从基站；在一个定位传感器内，目标节点发射定位信号给各基站，主基站用于发射两个同步信号给各从基站，各从基站用于根据定位信号以及同步信号计算定位信号到达主基站与从基站的时间差，同时将计算所得时间差发送至主基站；所述主基站还用于根据TDOA方程组计算目标节点的坐标值，并将计算出的目标节点坐标值通过交换机发送至上位机，由上位机对目标节点的位置进行显示；所述主基站通过以太网连线接交换机，所述交换机通过以太网连线接上位机。

每个基站均包括DW1000芯片、STM32H750 VBT6单片机以及W5500芯片；在一个定位传感器内，主基站通过W5500芯片与各从基站以及交换机进行通信。

所述交换机为POE交换机。

针对传统的TDOA定位系统的结构中，使用一个上位机计算多个定位单元的数据或者用多个上位机分别计算每一定位单元的数据时，导致上位机任务繁重、开销太大的情况，本实用新型设计了一种基于TDOA的分布式定位系统，对于一个定位单元来说，将参与定位的基站作为一个定位传感器，在定位传感器内部实现对目标节点位置的测量，得到目标节点的坐标，定位传感器将所得到的目标节点坐标上传至上位机进行实时显示。若存在多个定位单元，则相当于存在多个定位传感器。这样，当多个定位单元同时定位时，利用一个上位机就可以完成对多个定位单元内目标节点的实时定位。本实用新型旨在实现多个定位单元同时定位的前提下达到减小开销的目的，为室内定位结构的设计提供了一种新思路。

附图说明

图1是本实用新型所提供的基于TDOA的分布式定位系统的结构框图。

图2是一个定位传感器与交换机、上位机之间的信号传输示意图。

图3是主基站、从基站与上位机之间进行通信的示意图。

图4是无线时钟同步原理示意图。

具体实施方式

本实用新型基于具有高传输率、低功耗、抗干扰性强等特点的UWB技术，利用TDOA定位方法得到定位用的参数信息并将定位求解算法植入定位单元的主基站中，通过主基站来完成定位方程的解算过程以得到目标节点的坐标值。本实用新型致力于研发一种可以将定位基站作为传感器使用的分布式定位系统，以减小开销、优化资源。

如图1所示，本实用新型所提供的基于TDOA的分布式定位系统包括上位机、交换机以及N个定位传感器。每一定位传感器作为一个独立的定位单元，定位单元内包含参与定位的所有基站。结合图2和图3，在一个定位单元内，每一个基站又作为单独的子单元，这些子单元相互配合完成定位过程。选择一个基站作为主基站，其余基站为从基站；当目标节点发射定位信号时，首先通过各个从基站来测量或者估计出定位信号中携带的定位参数；将各个从基站得到的定位参数传送到主基站，通过主基站完成定位的解算过程，得到目标节点的坐标值，这样就在定位传感器内部实现了对目标节点的位置测量。定位传感器最后将坐标值通过交换机传送至上位机，由上位机进行目标节点位置的实时显示。

如图3所示，各个基站都包括DW1000芯片、STM32H750 VBT6单片机以及W5500芯片。各基站内选用DecaWave公司开发的DW1000芯片，此芯片是一款兼容IEEE802.15.4-2011协议的超宽带无线收发芯片。DW1000 IC通过提供准确的位置感知和通信，为实时定位和室内定位系统、基于位置的服务、无线传感器网络和物联网提供了一种新的方法。DW1000 IC的无线收发模块将物体定位在室内10厘米的精度，即移动速度高达5米/秒。

定位求解算法采用迭代求解方式，完成求解过程所需的迭代次数具有不确定性，同时还要保证TDOA定位的实时性。为了满足采用分布式定位系统进行TDOA定位时的高效性和实时性，对CPU的选型提出了更高的要求。STM32H750系列单片机内置性能先进的ArmCortex-M7内核(带双精度浮点单元)，具有六个100Mb/s的SPI接口，还有四个运行速度达到12.5Mb/s的USART接口，基于适当的Flash容量和经济实惠的成本而设计，可运行在高达400MHz的主频下，完全满足分布式定位系统对CPU的高要求。STM32H750系列为STM32H7系列中的最优惠价位芯片。因此，选择使用ST公司生产的STM32H750 VBT6型号单片机作为定位单元中使用的CPU。

其次，定位单元通过交换机与上位机之间的数据传输采用网络通信的方式(图3中未示出交换机)。由于定位单元中的基站数量不定，因此选择一款性价比很高的网络通信模块非常重要。W5500芯片支持高速标准四线SPI接口与主机进行通信，该SPI速率理论上可以达到80MHz。其内部还集成了以太网数据链路层(MAC)和10BaseT/100BaseTX以太网物理层(PHY)，支持自动协商(10/100-Based全双工/半双工)、掉电模式和网络唤醒功能。与传统软件协议栈不同，W5500芯片内嵌的八个独立硬件Socket可以进行八路独立通信，该八路Socket的通信效率互不影响，可以通过W5500片上32K字节的收/发缓存灵活定义各个Socket的大小。W5500芯片内置的八路Socket可以很好的满足同时与多个基站之间的通信连接，为此本实用新型选择了W5500芯片作为分布式定位系统中定位基站的网络通信模块，主基站通过其内的W5500芯片可以同时与七路从基站进行网络连接，主基站的W5500芯片中的最后一路Socket与上位机连接，连接示意图如图3所示。

TDOA定位是通过检测发射源(记为目标节点)发射的信号到各参考节点(本实用新型中即为基站)的时间差，进一步得到距离差，来对目标节点进行定位。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，即三条双曲线，目标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。

标准的定位单元中一般都设置四个定位基站，以达到准确定位的目的。在一个定位单元中，设有四个定位基站，各自的坐标分别记为A(x₁，y₁)，B(x₂，y₂)、C(x₃，y₃)和D(x₄，y₄)；设目标节点的坐标为(x,y)，目标节点发射的信号到达四个基站A、B、C、D天线的时间分别记为t₁、t₂、t₃、t₄，c为光速，则根据此方法得到的TDOA方程组为：

要想获取到达时间差需要先测量目标节点发射的无线电到达两个基站的时间，再取差，这种方法要求基站时钟严格同步，实现难度较大。

时钟同步主要包括有线传输和无线传输两种方式。有线传输因为要在现场布缆，需要专用同步信号设备，所以成本比较高。无线传输可以弥补有线传输存在的问题，使成本大大降低以及不需要复杂的现场安装。因此，本实用新型选择了无线时钟同步方法。

如图4所示为无线时钟同步原理示意图，设主基站为A，从基站为B，目标节点为Tag。主基站A以T₁为时间间隔发送1、2两个同步信号，同步信号里包含主基站A发送信号时的时钟计数τ_A1、τ_A2，从基站B收到同步信号1、2时，测得收到1、2两个同步信号的时钟计数分别为τ_B1、τ_B2，并读取报文里的τ_A1、τ_A2。可得，发送同步信号1时刻时钟计数偏差计算如下：

△1＝τ_A1-(τ_B1-S_AB/C) (2)

式(2)中，S_AB表示主基站A与从基站B之间的距离，C表示光速。在计算时可以认为T₁时间段内主基站频率和从基站频率是不变的，A、B两个基站在τ_A1<τ<τ_A2时间段平均频率偏差计算如下：

在τ_A1<τ<τ_A2时间段内任一时间τ，A、B两个基站的时钟偏差t_AB计算如下：

t_AB(τ)＝△1+(τ-τ_A1)×△f (4)

目标节点Tag上有一个射频信号发射探头，各基站上分别有一个射频信号接收探头。在主基站A和从基站B进行时钟校准的时候，目标节点Tag发射的广播信号在和主基站A发射的同步信号不发生冲突的情况下，主基站A和从基站B均能够收到广播信号。如图4所示，目标节点Tag发射广播信号，主基站A接收广播信号时的时钟计数为τ_AT，从基站B接收广播信号时的时钟计数为τ_BT，经过时钟校准后，主基站A和从基站B收到广播信号的时间差计算如下：

△T_AB＝τ_AT-(τ_BT+t_AB(τ_AT)) (5)

将式(2)，(3)，(4)代入式(5)可得：

式(7)中，k值为主基站A时钟和从基站B时钟的频率比值，k值的测量计算最为关键。如图4所示，若采用接收目标节点Tag发射的广播信号计算k值，则定位计算会存在延时，根据Ciaran McElroy等人的研究，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。

以上过程全部都在定位传感器中完成。结合图2和图4，从基站B、C和D分别计算△T_AB、△T_AC、△T_AD(主基站A需将其所接收到的广播信号的时间τ_AT分别发送至从基站B、C和D，以便从基站B、C和D计算△T_AB、△T_AC、△T_AD)，并将△T_AB、△T_AC、△T_AD传送至主基站A，主基站A将接收到的时间差△T_AB、△T_AC、△T_AD带入式(1)，采用泰勒级数展开法求此目标节点Tag的位置，以达到定位目的。在主基站A中得到目标节点Tag的坐标后，通过POE交换机将目标节点Tag坐标值上传至上位机中，只需要在上位机中对目标节点Tag的坐标位置进行实时显示即可。

如图2所示，按照四个基站作为一个标准的定位单元，将四个基站A、B、C、D分别放置在空间的四个角上，构成一个标准的四边形。四个基站中选择基站A作为主基站，其余三个基站B、C、D均为从基站，四个基站A、B、C、D共同组成定位传感器，每个基站中都包括DW1000芯片、STM32H750 VBT6单片机以及W5500芯片，每个基站都能够实现数据采集以及数据处理。四个基站之间进行通信完成定位数据传输过程，在主基站A中完成定位求解过程。最后，上位机通过以太网线连接到POE交换机的接口，POE交换机作为主基站A与上位机之间的中间介质，主基站A将得到的目标节点的坐标值通过POE交换机以网络传输的方式上传至上位机进行实时显示。

对四个基站A、B、C、D进行供电的方式可以有两种：第一种供电方式就是通过POE交换机为基站进行供电，在四个基站上边分别留有一个RJ45接口，通过以太网线接到POE交换机的接口上即可实现对基站供电；第二种供电方式就是通过电池直接供电。目标节点Tag作为标签采用电池直接供电。当目标节点Tag和基站供电之后即可开始进行定位工作，目标节点Tag通过射频信号发射探头向外发射定位信号，三个从基站利用射频信号接收探头完成数据采集之后，在从基站内部将包含定位参数的信息进行处理并打包传送给主基站A，主基站A在完成自身定位参数的数据采集和处理后，需要接收来自其余三个从基站传送的定位数据，最终在主基站A中利用定位参数构建TDOA定位方程组，并利用泰勒级数展开算法完成TDOA定位方程组的解算过程，最终得到目标节点Tag的坐标。这样，就在基站传感器内部完成了整个定位过程，只向上位机输送最终的目标节点坐标信息，在上位机中只需要设计坐标位置显示界面，将目标节点的坐标位置进行实时显示。

本实用新型基于UWB技术，利用TDOA定位原理，将定位基站作为一个传感器，设计了分布式定位系统。利用分布式定位系统进行定位时，如果存在多个定位单元，就相当于存在多个定位传感器，每个定位传感器在自己的单元内独立的完成定位工作，最终将各自定位到的坐标结果分别上传至同一个上位机中进行实时显示即可。这样，既实现了准确、高效定位，又减小了开销，优化了资源。

Claims

1.一种基于TDOA的分布式定位系统，其特征是，包括上位机、交换机以及若干定位传感器，每一定位传感器内均包括至少三个基站，每一定位传感器的基站中，存在一个主基站，其余均为从基站；在一个定位传感器内，目标节点发射定位信号给各基站，主基站用于发射两个同步信号给各从基站，各从基站用于根据定位信号以及同步信号计算定位信号到达主基站与从基站的时间差，同时将计算所得时间差发送至主基站；所述主基站还用于根据TDOA方程组计算目标节点的坐标值，并将计算出的目标节点坐标值通过交换机发送至上位机，由上位机对目标节点的位置进行显示；所述主基站通过以太网连线接交换机，所述交换机通过以太网连线接上位机。

2.根据权利要求1所述的基于TDOA的分布式定位系统，其特征是，每个基站均包括DW1000芯片、STM32H750 VBT6单片机以及W5500芯片；在一个定位传感器内，主基站通过W5500芯片与各从基站以及交换机进行通信。

3.根据权利要求1所述的基于TDOA的分布式定位系统，其特征是，所述交换机为POE交换机。