[發明專利]基于高精度時鐘同步技術的UWB室內定位系統

在審

• 申請號: 201710825058.3
• 申請日: 2017-09-14
• 公開（公告）號: CN107765217A
• 公開（公告）日: 2018-03-06
• 發明（設計）人: 王波;袁緒
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01S5/02
• 分類號: G01S5/02
• 代理公司: 廣州番禺容大專利代理事務所(普通合伙)44326
• 代理人: 劉新年

技術領域

本發明涉及UWB室內定位系統，具體涉及一種基于高精度時鐘同步技術的UWB室內定位系統。

背景技術

UWB信號指的是信號峰值功率下降10dB時對應帶寬大于或等于500MHz的信號，UWB信號以其頻率范圍寬、抗干擾能力強、功率低、多徑分辨能力強等特點廣泛應用于精密定位系統中。

根據定位原理的不同，UWB定位系統可以分為基于接收信號強度測量(RSS)、到達信號角度測量(AOA)、飛行時間測量(TOF)和到達時間差測量(TDOA)的定位系統。這四種方式各有優缺點，具體如下：

1、基于接收信號強度測量(RSS)的方法是在接收端測量接收信號的功率，根據信道的衰減模型，計算發射點和接收點之間的距離，通過至少三個接收點，可以實現對發射端的三位定位，但是系統容易受到多徑效應的影響，并且難以實現非視距范圍的定位。

2、基于到達信號角度測量(AOA)是利用兩個位置坐標已知的接收點，通過接收端的陣列天線，對發射端信號的角度進行測量，根據信號到達接收點的角度和接收點的坐標，即可實現定位，但是系統需要配置陣列天線，結構復雜。

3、基于飛行時間測量(TOF)的定位系統，在發射端和接收端之間建立通信，通過多次交換時間信息，計算出信號的飛行時間，再乘以速度，得到發射端和接收端的距離，通過三組接收端，確定發射端為與以三個接收端坐標為圓心的圓周上，從而實現對發射端的定位，但是這要求發射端和各個接收端通信之前，需要實現時鐘的高精度同步，需要測量絕對距離，時間同步精度和時間同步精度直接影響定位精度。

4、基于時間差測量(TDOA)的定位系統，在接收機坐標已知的情況下，接收來自發射端的信號，通過計算獲取信號到達兩個接收點的時間差，確定發射端位于以接收點為焦點的雙曲線上，通過三組雙曲線，即可獲取發射點的三維坐標，基于時間差測量的UWB定位系統不需要發射端與接收端建立通信和時鐘同步，只需要廣播信號即可，但是要求各接收端時鐘之間保持高精度的時間同步，同步精度和到達時間的測量精度直接決定發射點的定位精度。

發明內容

本發明針對現有UWB系統存在的不足，提出一種基于高精度時鐘同步技術的UWB室內定位系統。

本發明為實現上述目的，采用以下技術方案實現：

一種基于高精度時鐘同步技術的UWB定位系統，其包括：同步定位服務器、若干接收機及標簽；

所述同步定位服務器分別與各個所述接收機通過通信連接，使所述各個接收機的自身時鐘與所述同步定位服務器的時間同步；所述標簽和各所述接收機通信連接，所述標簽不斷發送包含自身編號和信號序列號的UWB信號，所述各接收機接收所述標簽發出的所述UWB信號，獲取準確的接收時間戳、標簽編號和信號序列號；所述各接收機將自身的坐標數據、標簽編號、接收時間戳和信號序列號打包發送到所述同步定位服務器；所述同步定位服務器根據接收到的所述接收時間戳數據和各接收機本身的坐標信息，計算出標簽的坐標。

具體的，所述同步定位服務器包括時鐘同步單元、定位計算單元、第一控制單元及顯示單元；所述接收機包括時間同步與數據傳輸單元、第二控制單元及UWB信號接收單元；所述標簽包括第三控制單元及UWB信號發射單元；所述時鐘同步單元為各接收機的時間同步與數據傳輸單元提供時鐘信號；所述第一控制單元用于控制定位計算單元接收來自各接收機的測量數據，定位計算單元根據所述UWB信號接收單元接收到的UWB信號的時間戳數據、各接收機本身的坐標信息、標簽編號及發射信號的序列號計算出所述標簽的坐標，所述顯示單元用于顯示所述標簽的坐標；所述接收機的時間同步與數據傳輸單元用于接收所述時鐘同步單元發送的時鐘信號，并實現自身時鐘與所述同步定位服務器的時間同步，并將同步后的時鐘信號輸出到所述UWB信號接收單元和第二控制單元，作為工作時鐘信號；所述第二控制單元用于對所述UWB信號接收單元進行配置，使其準備接收標簽發射的UWB信號，以及用于接收到所述UWB信號后，讀取該信號中的標簽編號及發射信號的序列號，然后和自身坐標數據一起打包后發送到所述同步定位服務器的所述定位計算單元；所述定位計算單元同時接收所有接收機發來的數據，獲取各接收機坐標和相同序列號信號的接收時間，根據三組雙曲面的方程