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专利号: 2019103271845
申请人: 重庆邮电大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-04-30
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种免时钟同步的TDOA无线定位方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:步骤1)初始化定位子系统,测量出各个定位基站之间的距离;

步骤2)在一个TDOA定位周期内,待测目标节点首先向各个定位基站广播一次测距数据包,然后每两个定位基站之间进行一次单向通信,从而获得待测目标节点到各个定位基站之间的信号到达时间差;

步骤3)每两个定位基站之间再分别进行一次双向通信,根据相关时间关系,从而实现定位基站在当前TDOA定位周期内的时钟偏移量估计;

测量出定位基站A和定位基站B之间的信号飞行所需要的时间TOFAB;

待测目标节点向定位基站A和定位基站B广播一个测距数据包Packet1,定位基站A在收到待测目标节点广播的数据包Packet1后,间隔时间TA1向定位基站B发送一个新的数据包Packet2;得到时间关系:TOFA+TA1=TOFB+TB1‑TOFAB;

待测目标节点所发出的信号到达定位基站A和定位基站B的时间差为:DISAB=TOFA‑TOFB=TB1‑TA1‑TOFAB;其中,TA1与TB1为真实时间基准下的计时,TB1为定位基站B收到数据包Packet1与Packet2的时间差;TOFA表示待测目标节点与定位基站A之间的信号飞行所需要的时间;TOFB表示待测目标节点与定位基站B之间的信号飞行所需要的时间;

在考虑设备时钟偏移的情况下满足等式TA1=a(To‑eA),TB1=b(To‑eB),定位基站A和定位基站B之间的飞行时间差满足关系:DISAB=a(To‑eA)‑b(To‑eB)‑TOFAB;其中,a和b分别表示定位基站A与定位基站B在TA1与TB1时间内设备高精度计时单元计数次数;T0为基站定位基站A和定位基站B标准时钟周期,eA和eB为设备相对于真实时钟的时钟偏移量,即为定位基站A和定位基站B时钟偏移量;

定位基站A发送Packet2后间隔时间TA2再次向定位基站B发送数据包Packet3,定位基站B收到数据包Packet3与上次收到的数据包Packet2间隔时间为TB2,在此过程中定位基站A发送时间差等于定位基站B接收时间差,即:TA2=TB2,其中TA2=n(To‑eA),TB2=m(To‑eB),n和m分别为定位基站A和定位基站B在TA2与TB2时间内设备高精度计时单元计数次数;则满足关系:n(To‑eA)=m(To‑eB);

当定位基站B收到Packet3后间隔时间TB3向定位基站A回复数据包Packet4,定位基站A接收数据包Packet4与上次发送Packet3的时间间隔为TA3;经过两次飞行后满足条件:TB3+

2TOFAB=TA3;其中,TA3=k(To‑eA),TB3=l(To‑eB),k,l分别为定位基站A和定位基站B在TA3与TB3时间内设备高精度计时单元计数次数,则满足关系:l(To‑eB)+2TOFAB=k(To‑eA);

计算出在此定位周期过程中定位基站A和定位基站B时钟偏移量eA和eB;

步骤4)通过步骤3)中所估计出的时钟偏移量对步骤2)中所测得信号到达时间差进行时间补偿,从而获得精准的到达时间差测量值;

步骤5)将步骤4)所得到的精准到达时间差测量值通过TDOA定位算法估计出待测目标节点的坐标;

步骤6)返回步骤2),进行下一个TDOA定位周期定位,直至定位结束。

2.根据权利要求1所述的一种免时钟同步的TDOA无线定位方法,其特征在于,所述定位子系统包括若干定位基站与若干定位标签,所述定位基站部署于定位现场,待测目标节点与至少一个定位标签绑定;通过获取定位标签的位置信息从而实现对待测目标节点的定位。

3.根据权利要求1所述的一种免时钟同步的TDOA无线定位方法,其特征在于,所述待测目标节点到各个定位基站之间的信号到达时间差测量包括在一个TDOA定位周期中,待测目标节点向各个定位基站广播一个测距数据包,定位基站收到待测目标节点广播的测距数据包后,每两个定位基站之间再进行一次单向通信;根据两个定位基站单向通信过程中发送和接收数据包的时间,以及接收待测目标节点广播数据包的时间,并结合定位基站之间的距离信息,计算出每一个定位基站在本地时钟条件下与其他定位基站接收到待测目标节点广播的测距数据包的到达时间差。

4.根据权利要求1所述的一种免时钟同步的TDOA无线定位方法,其特征在于,所述时间偏移估计还包括在一个时钟偏移估计周期内其时钟偏移量保持不变,到达该时钟偏移估计周期后再进行时间偏移估计并更新各个基站的时钟偏移量;所述时钟偏移估计周期为5~

15个TDOA定位周期。

5.一种免时钟同步的TDOA无线定位系统,其特征在于,所述无线定位系统包括定位子系统以及上位机系统;所述定位子系统包括若干定位基站与若干定位标签,所述定位标签与待测目标节点绑定;

所述上位机系统用于实现对整个系统的功能管理与数据处理,并通过跟踪定位标签实现对待测目标节点的跟踪与定位;

所述定位基站与定位标签均包括时钟偏移估计模块与时间差测量模块;

所述时间差测量模块用于测量待测目标节点到各个定位基站之间的信号到达时间差;

所述时钟偏移估计模块用于估计在一个TDOA定位周期内各个定位基站相对于标准时钟周期的时钟偏移量;

所述时钟偏移估计模块包括第二高精度计时单元以及第二处理单元,在第一处理单元计算出的到达时间差后,每两个定位基站之间进行一次双向通信,第二高精度计时单元检测到两个定位基站双向通信过程中发送和接收数据包的时间;第二处理单元根据相关时间关系估计出当前TDOA定位周期中定位基站相对于标准时间周期的时钟偏移量;

测量出定位基站A和定位基站B之间的信号飞行所需要的时间TOFAB;

待测目标节点向定位基站A和定位基站B广播一个测距数据包Packet1,定位基站A在收到待测目标节点广播的数据包Packet1后,间隔时间TA1向定位基站B发送一个新的数据包Packet2;得到时间关系:TOFA+TA1=TOFB+TB1‑TOFAB;

待测目标节点所发出的信号到达定位基站A和定位基站B的时间差为:DISAB=TOFA‑TOFB=TB1‑TA1‑TOFAB;其中,TA1与TB1为真实时间基准下的计时,TB1为定位基站B收到数据包Packet1与Packet2的时间差;TOFA表示待测目标节点与定位基站A之间的信号飞行所需要的时间;TOFB表示待测目标节点与定位基站B之间的信号飞行所需要的时间;

在考虑设备时钟偏移的情况下满足等式TA1=a(To‑eA),TB1=b(To‑eB),定位基站A和定位基站B之间的飞行时间差满足关系:DISAB=a(To‑eA)‑b(To‑eB)‑TOFAB;其中,a和b分别表示定位基站A与定位基站B在TA1与TB1时间内设备高精度计时单元计数次数;T0为基站定位基站A和定位基站B标准时钟周期,eA和eB为设备相对于真实时钟的时钟偏移量,即为定位基站A和定位基站B时钟偏移量;

定位基站A发送Packet2后间隔时间TA2再次向定位基站B发送数据包Packet3,定位基站B收到数据包Packet3与上次收到的数据包Packet2间隔时间为TB2,在此过程中定位基站A发送时间差等于定位基站B接收时间差,即:TA2=TB2,其中TA2=n(To‑eA),TB2=m(To‑eB),n和m分别为定位基站A和定位基站B在TA2与TB2时间内设备高精度计时单元计数次数;则满足关系:n(To‑eA)=m(To‑eB);

当定位基站B收到Packet3后间隔时间TB3向定位基站A回复数据包Packet4,定位基站A接收数据包Packet4与上次发送Packet3的时间间隔为TA3;经过两次飞行后满足条件:TB3+

2TOFAB=TA3;其中,TA3=k(To‑eA),TB3=l(To‑eB),k,l分别为定位基站A和定位基站B在TA3与TB3时间内设备高精度计时单元计数次数,则满足关系:l(To‑eB)+2TOFAB=k(To‑eA);

计算出在此定位周期过程中定位基站A和定位基站B时钟偏移量eA和eB。

6.根据权利要求5所述的一种免时钟同步的TDOA无线定位系统,其特征在于,所述定位基站部署于定位现场,待测目标节点与至少一个定位标签绑定;通过获取定位标签的位置信息从而实现对待测目标节点的定位。

7.根据权利要求5所述的一种免时钟同步的TDOA无线定位系统,其特征在于,所述时间差测量模块包括第一高精度计时单元以及第一处理单元;在一个TDOA定位周期中,定位基站收到待测目标节点广播的测距数据包后,每两个定位基站之间再进行一次单向通信;第一高精度计时单元检测到两个定位基站单向通信过程中发送和接收数据包的时间,以及接收待测目标节点广播数据包的时间;第一处理单元根据定位基站之间的距离信息,计算出每一个定位基站在本地时钟条件下与其他定位基站接收到待测目标节点广播数据包的到达时间差。

8.根据权利要求5所述的一种免时钟同步的TDOA无线定位系统,其特征在于,所述时间偏移估计模块还包括时钟唤醒装置,所述时钟唤醒装置用于在一个时钟偏移估计周期内保证时钟偏移量保持不变,到达该时钟偏移估计周期后唤醒时钟偏移估计模块,再进行时间偏移估计并更新各个基站的时钟偏移量。