CN109005584B - 基于tdoa技术的定位系统的无线时钟同步方案 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案。定位系统包括标签、接收机、时间基准站及定位引擎。接收机、时间基准站的位置已知，时间基准站周期性发送时钟参考数据包，记下数据包发射时间传给定位引擎；接收机接收到时钟参考数据包，记下接收时间传给定位引擎。定位引擎根据时钟参考数据包的发送时间、接收时间以及时间基准站与接收机间的距离得到接收机和时间基准站的测量时间偏差。通过多次时钟参考数据包的传输得到一组时间偏差，以此作为观测值引入卡尔曼滤波算法，最优估计出接收机和时间基准站之间的最优时间偏差、频率偏差以及漂移量之差。最后利用该信息将接收机时间基准统一到时间基准站的时间基准上，实现接收机的时钟同步。

Description

基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案

技术领域：

本发明涉及一种时钟同步方案，尤其是基于TDOA技术的定位系统中的一种无线时钟同步方案。

背景技术：

常用的无线定位方式有：基于到达信号强度定位法(RSS)、基于到达角度定位法(AOA)、基于到达时间定位法(TOA)以及基于到达时间差定位法(TDOA)。AOA通过获取被测点到两个接收机的信号到达角度进行定位，需要配置复杂的天线系统，且角度误差对定位精度的影响远比测距误差大。RSS则根据信号的传输模型，利用接收信号的强度与信号传播距离的关系，对目标进行定位。这种方法对信道传输模型的依赖性非常大，多径以及环境条件的变化都会使其精度严重恶化。所以，RSS和AOA一般不单独用于定位，只能作为辅助手段进行初级粗定位。而TOA定位方法要求参考节点与被测点保持严格的时间同步，这在多数应用场合下是无法满足这一要求的。与TOA类似，但TDOA只是测量时间差而非绝对时间，这种方法只需参考节点之间保持同步，不要求参考节点与被测点之间的严格时间同步，相对容易实现，最适合用于无线定位系统。

基于TDOA技术的定位系统设计，定位解算是定位系统的根本任务，而接收机时钟同步是最直接的实现方法与技术手段，没有精确的接收机同步就不可能进行精密的定位功能。

目前，移动网络中时钟同步较多采用GPS(Global Positioning System，全球定位系统)授时的方法，但GPS授时存在成本高，安装困难(需要120度净空要求等)，且存在不可用的风险。在2002年出现了IEEE(Institute of Electrical and ElectronicsEngineers，美国电气和电子工程师协会)1588标准，即网络化测试和控制系统的精确时钟同步协议(Precision Time Protocol,简称为PTP)，提供了网络内时钟同步的方案，可以实现网络内其他时钟与网络内最精准时钟保持同步。PTP协议主要通过主时钟设备和从时钟设备之间PTP报文交互来实现时间同步。

IEEE1588 PTP需要收集往返于主时钟和从属时钟之间的全部时间戳，该时间戳是由存在于主时钟侧和从属时钟侧的时间戳引擎印上的。时间戳主要包括同步信息包(Sync信息包)、跟随信息(Follow-Up信息)、延迟请求信息包(Delay-Req)以及延迟响应信息包(Delay-Resp)等信息的发送时间和接收时间，只有收集了往返于主时钟和从属时钟之间的足够的时间戳信息，才可以对主时钟和从属时钟进行频率同步调整和时间同步调整。

上述的方法存在以下缺点：处理过程会占用过多的链路带宽资源，尤其是当网络传输条件恶化，需要提高发送信息包的频率进行频率同步时，时钟同步占用过多的链路带宽资源的这一缺点更加明显。

国内外研究人员从不同的侧重点考虑，提出了许多时间同步算法和协议。无论是有线还是无线领域的时钟同步算法，虽然基本原理大致相同，但针对不同的应用采用不同的同步策略，并没有一种算法可以满足所有的应用需求，时钟同步算法的复杂度、精度和对硬件设施的要求在不同的应用中都要进行重新考量，因此对时钟同步的研究随着仪器应用范围的广泛以及对时钟同步高精度的需求一直在继续。

本发明在IEEE1588协议的基础上，结合无线定位系统的特点进行简化改进，随后引入卡尔曼滤波算法，提出了一种适用于TDOA定位系统的时钟同步方案。该方案采用独立的时钟基准站周期性的发送无线时钟参考数据包来调整接收机标签信息到达时间的时基，不需要更改接收机的结构，同时采用无线同步，安装简单，操作简便，无需另外铺设线路，成本较低。

发明内容：

本发明是针对基于TDOA技术的定位系统要求接收机同步的问题，提出了一种简单实用的无线时钟同步方案。

本发明的技术方案为：基于TDOA技术的定位系统包括标签、接收机、时间基准站及定位引擎。接收机及时间基准站的位置已知，时间基准站周期性的发送时钟参考数据包，记录时钟参考数据包发射时间，将其传给定位引擎；接收机接收到时钟参考数据包，记录下接收时间，将其传给定位引擎。定位引擎根据时钟参考数据包的发送时间、接收时间以及时间基准站与接收机间的距离得到接收机和时间基准站的测量时间偏差。通过多次时钟参考数据包的传输，能够得到一组N个测量时间偏差，以此作为观测值引入卡尔曼滤波算法，建立滤波模型，从而，估计出接收机和时间基准站之间的最优时间偏差、频率偏差以及漂移量之差。最后利用这些信息将相应接收机的时间基准统一到时间基准站的时间基准上，实现接收机的时钟同步。

所述的基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案，时间基准站以组播的方式周期性的发送时钟参考数据包；所述的标签周期性的发送标签定位信息；所述的接收机用于接收时钟参考数据包和标签定位信息；所述的定位引擎用于接收时间戳信息，进行相应的运算，得到标签的位置信息。

所述的基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案，时间基准站仅用于发送时钟参考数据包，而不进行标签定位信息的接收。

所述的基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案，接收机和时间基准站之间的时间偏差计算如下：

设定时间基准站的发送时钟参考数据包的时间为t₁，接收机的接收时间为t₂，时间基准站与该接收机的距离为d，可计算得到时间基准站和接收机的测量时间偏差Δθ：

Δθ＝t₂-(t₁+d/c)

其中，c为电磁波的传播速度。

所述的基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案，时间基准站和接收机之间的传输时间可以通过它们之间的距离以及电磁波的传播速度理论计算得到。

所述的基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案，接收机和时间基准站之间的时间偏差，可由卡尔曼滤波算法得到。

所述的基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案，时钟参考数据包的发送时间和接收时间信息直接传送给定位引擎。

所述的基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案，时钟参考数据包的发送时间和接收时间信息可先发送给一个中间设备-时钟同步器完成时间基准的变换，之后再传送给定位引擎完成定位。

所述的基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案，时间基准站和接收机的内部晶振采用性能比较稳定的温补晶振。

所述的基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案，多个接收机独立运行于各自的时间基准下，时钟同步仅仅是调整标签定位信息到达各接收机的时间，使其能够统一在相同的时间基准下，完成每个所述的接收机标签定位信息到达时间差TDOA的计算。

本发明的有益结果：基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案采用简化的IEEE1588 PTP协议减少了报文的传递次数，更适合于实时的定位系统。通过设置独立的时间基准站而不是将某个接收机设置为时间参考基准，避免了接收机进行发射接收的切换问题。通过引入卡尔曼滤波算法对时间偏差、频差及时钟漂移量之差进行估计，在优化时钟模型的同时，消除网络不确定性对时间偏差测量的干扰，从而提高接收机和时间基准站之间的时钟同步精度。

附图说明：

图1为本发明的无线同步方案的一种实施方案图。

图2为本发明的无线同步方案的另一种实施方案图。

图3为本发明的无线同步方案的流程图。

图4为基于本发明无线同步方案的定位系统流程图。

具体实施方案：

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

如图1所示，基于本发明的无线同步方案的一种实施方案，其定位系统包含需要定位标签(11)、分布于定位区域内的接收机(12)(13)(14)(15)、时间基准站(16)及定位引擎(17)。接收机(12)(13)(14)(15)及时间基准站(16)的位置已知，时间基准站(16)周期性的发送时钟参考数据包，记录下时钟参考数据包发射时间，将其传给定位引擎(17)；每个接收机接收到时钟参考数据包，以其中一个接收机(12)为例进行详细说明，接收机(12)接收到时钟参考数据包，记录下接收时间，将其传给定位引擎(17)。定位引擎(17)根据时钟参考数据包的发送时间、接收时间以及时间基准站(16)与接收机(12)间的距离得到接收机(12)和时间基准站(17)的测量时间偏差。通过多次时钟参考数据包的传输，能够得到一组时间偏差，以此作为观测值引入卡尔曼滤波算法，最优估计出接收机(12)和时间基准站(17)之间的估计时间偏差、频率偏差以及漂移量之差。最后利用这些信息将相应接收机(12)的时间基准统一到时间基准站(17)的时间基准上。接收机(13)、(14)、(15)按照同样的方式进行时基变换，最终实现接收机(12)、(13)、(14)、(15)的时钟同步。

如图2所示是基于本发明的无线同步方案的另一种实施方案，在该方案中定位系统包含需要定位标签(21)、分布于定位区域内的接收机(22)(23)(24)(25)、时间基准站(26)、时钟同步器(27)及定位引擎(28)。其中，接收机和时间基准站的处理流程和实施方案(一)类似，不同的是，时钟参考数据包的发送时间和接收时间传送给同步器(27)，由同步器(27)来完成接收机时基到时间基准站时间的变换，变换后的标签信息到达时间再传送给定位引擎(28)来完成标签的定位。

如图3所示，本发明的无线时钟同步方案的具体流程为：时间基准站和接收机将时钟参考数据包的发送时间和接收时间信息传送给定位引擎或同步器后，首先进行步骤101将这些时间信息提取出来。假设时间基准站的发送时间为t₁，接收机的接收时间为t₂，时间基准站与该接收机的距离为d，在步骤102中可计算得到时间基准站和接收机的时间偏差Δθ＝t₂-(t₁+d/c)，经过多次时间参考数据包的传输可得到一组时间偏差Δθ[i]，其中i＝1,2,3……,n。在步骤103中建立卡尔曼滤波时钟模型，利用得到的时间偏差进行卡尔曼滤波，得到接收机和时间基准站之间的最优时间偏差、频差及漂移量之差。卡尔曼滤波完成后，在步骤104等待标签定位信息的到来，若接收机接收到标签数据的时间为TOA_tag，而接收机最近一次接收到时钟参考数据包的时间为TOA(n)，时基转换后的标签到达时间：

其中，TOA_tag'为时基转换到时间参考站的标签到达时间，Δθ(n)为卡尔曼滤波所得的时间偏差，Δα(n)为卡尔曼滤波所得的频率偏差，Δβ(n)为卡尔曼滤波所得的漂移量之差。

如图4所示，基于本发明的无线时钟同步方案的定位系统流程为：在需要定位的区域内布设好接收机和时间基准站，设备上电，首先进行时钟同步，在步骤401由时间基准站以小的间隔t周期性的多次发送时间参考数据包，在定位引擎或者时钟同步器内完成卡尔曼滤波得到各个接收机和时间基准站的时间偏差、频差及漂移量之差。设定一个较大的时间间隔T(T>>t)为同步周期，在步骤402判断同步周期是否到达，若到达，则返回步骤401重新进行时钟同步；若同步周期没有到达，则进行步骤403，各个接收机接收标签发送的定位信息，由接收机记录各自的标签信息到达时间，将其发送给定位引擎或时钟同步器。利用定位引擎或时钟同步器得到的时间信息及卡尔曼滤波得到的偏差信息，在步骤404完成各个接收机标签信息到达时间时基的统一。步骤405由定位引擎计算出各个接收机标签信息到达时间的时间差，最后在步骤406利用到达时间差信息采用合适的定位算法完成标签位置的定位。在整个系统的工作中，时钟同步周期性的进行，避免由于晶振长时间工作产生的时钟漂移量的变化，从而提高时钟同步的精度，进而提高定位的精度。

以上所述的是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，若依本发明的构想所作的改变，其所产生的功能作用仍未超出说明书附图所涵盖的精神时，仍应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案，其特征在于，所述的定位系统包括标签、接收机、时间基准站及定位引擎； 接收机及时间基准站的位置已知，时间基准站周期性的发送时钟参考数据包，记录时钟参考数据包发射时间，将其传给定位引擎；接收机接收到时钟参考数据包，记录下接收时间，将其传给定位引擎； 定位引擎根据时钟参考数据包的发送时间、接收时间以及时间基准站与接收机间的距离得到接收机和时间基准站的测量时间偏差； 通过多次时钟参考数据包的传输，能够得到一组N个测量时间偏差，以此作为观测值引入卡尔曼滤波算法，建立滤波模型，从而，估计出接收机和时间基准站之间的最优时间偏差、频率偏差以及漂移量之差； 最后利用这些信息将相应接收机的时间基准统一到时间基准站的时间基准上，实现接收机的时钟同步。

2.根据权利要求1所述的基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案，其特征在于，所述的时间基准站以组播的方式周期性的发送所述的时钟参考数据包；所述的标签周期性的发送标签定位信息；所述的接收机用于接收所述的时钟参考数据包和标签定位信息；所述的定位引擎用于接收时间戳信息，进行相应的运算，得到标签的位置信息。

3.根据权利要求1所述的基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案，其特征在于所述的时间基准站仅用于发送时钟参考数据包，而不进行标签定位信息的接收。

4.根据权利要求1所述的基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案，其特征在于所述的接收机和时间基准站之间的测量时间偏差计算如下：

设定时间基准站的发送时钟参考数据包的时间为t₁，接收机的接收时间为t₂，时间基准站与该接收机的距离为d，可计算得到时间基准站和接收机的测量时间偏差Δθ：

Δθ＝t₂-(t₁+d/c)

其中，c为电磁波的传播速度。

5.根据权利要求4所述的基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案，其特征在于时间基准站和接收机之间的传输时间可以通过它们之间的距离以及电磁波的传播速度理论计算得到。

6.根据权利要求1所述的基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案，其特征在于接收机和时间基准站之间的时间偏差可由卡尔曼滤波算法得到。

7.根据权利要求1所述的基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案，其特征在于所述的时钟参考数据包的发送时间和接收时间信息直接传送给定位引擎。

8.根据权利要求1所述的基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案，其特征在于所述的时钟参考数据包的发送时间和接收时间信息可先发送给一个中间设备-时钟同步器完成时间基准的变换，之后再传送给定位引擎完成定位。

9.根据权利要求1所述的基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案，其特征在于所述的时间基准站和所述的接收机的内部晶振采用性能比较稳定的温补晶振。

10.根据权利要求1所述的基于TDOA技术的定位系统的无线时钟同步方案，其特征在于多个所述的接收机独立运行于各自的时间基准下，时钟同步仅仅是调整标签定位信息到达各接收机的时间，使其能够统一在相同的时间基准下，完成所述接收机之间标签定位信息到达时间差TDOA的计算。

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