CN105929365A - 一种uwb高精度定位***及定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种UWB高精度定位***及定位方法，所述定位***包括至少1个UWB定位信号发送器组以及用于对UWB定位信号发送器组进行同步控制的至少1个中心控制器，1个UWB定位信号发送器组包括N个UWB定位信号发送器，其中，N为等于或大于3的整数，任意两个UWB定位信号发送器之间以及任意一个UWB定位信号发送器与中心控制器之间实现无线通信；还包括至少1个定位终端，定位终端用于接收各个UWB定位信号发送器发出的UWB定位信号，定位终端与中心控制器之间实现无线通信。本发明采用上述***结构，能够实现高精度定位，降低组网难度，简化结构，降低成本。

Description

一种UWB高精度定位***及定位方法
技术领域
本发明涉及UWB高精度定位领域，具体涉及一种UWB高精度定位***及定位方法。
背景技术
现有常规的UWB定位***大多需要复杂的组网方式，尤其采用TODA算法的定位***，需要对同一定位***中各个定位信号发送器或接收器进行精确的时间同步控制，只有时间同步控制的精度极高（达到纳秒级以下的误差），各发送器或接收器的计时电路同时开启和停止，才能保证得到精确的时间差值，从而结合各个定位信号发送器或接收器的已知位置，计算出定位标签的位置。这样的***，就需要有一套复杂和精确的时间同步控制网络，将各个定位信号发送器或接收器连接入这个网络，并受到同步控制器的统一控制。这在技术上提出了很大的难度，要将各个定位信号发送器或接收器的工作同步本身就是非常困难的，加之同步信号在各种线缆中传输会带来衰减、信号畸变等，实施起来就更加困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种UWB高精度定位***及定位方法，解决目前的定位***同步方式复杂，同步难度大，且同步精度不可避免地受到影响的问题。
本发明为实现上述目的，采用以下技术方案实现：
一种UWB高精度定位***，包括至少1个UWB定位信号发送器组以及用于对UWB定位信号发送器组进行同步控制的至少1个中心控制器，1个UWB定位信号发送器组包括N个UWB定位信号发送器，其中，N为等于或大于3的整数，任意两个UWB定位信号发送器之间以及任意一个UWB定位信号发送器与中心控制器之间实现无线通信；
还包括至少1个定位终端，定位终端用于接收各个UWB定位信号发送器发出的UWB定位信号，定位终端与中心控制器之间实现无线通信；
还包括至少1个已知位置的UWB定位信号接收器，已知位置的UWB定位信号接收器用于接收各个UWB定位信号发送器发出的UWB定位信号，同时，已知位置的UWB定位信号接收器分别与定位终端、中心控制器之间实现无线通信。
进一步地，作为优选技术方案，所述的已知位置的UWB定位信号接收器至少有两个。
一种基于UWB高精度定位***的定位方法，包括以下步骤：
（a）中心控制器向UWB定位信号发送器发送指令，各个UWB定位信号发送器接收到指令后，在一定的时间间隔范围内分别发送UWB定位信号；
（b）中心控制器发送接收指令，各个定位终端与已知位置的UWB定位信号接收器同步开启接收模式，并等待UWB定位信号的到来；
（c）各个定位终端与已知位置的UWB定位信号接收器接收到不同的UWB定位信号后，记录下不同的接收时间，得到多个计时值；
（d）根据步骤（c）得到的多个计时值，计算出已知位置的UWB定位信号接收器接收到各个UWB定位信号的时间差；
（e）利用已知位置的UWB定位信号接收器的位置坐标和UWB定位信号发送器的位置坐标以及步骤（d）得到的时间差，由TDOA算法，得到定位***的时间修正值，并通过专用的无线通信信道传送至中心控制器和各定位终端；
（f）各定位终端接收到已知位置的UWB定位信号接收器传送的时间修正值，利用该时间修正值，去除掉定位终端中由于粗略同步控制及电路时间摆动所带来的偏移和误差，得到仅与本定位终端同相应的定位信号发送器之间距离相对应的计时量，通过TDOA算法计算出本定位终端的位置。
进一步地，作为优选技术方案，所述步骤（b）的具体过程为：
（b1）中心控制器发送控制指令，各个定位终端与已知位置的UWB定位信号接收器同步开启接收模式；
（b2）各个定位终端与已知位置的UWB定位信号接收器同步开启接收模式的同时，复位各自的多路高精度时钟；
（b3）各个定位终端与已知位置的UWB定位信号接收器的高精度时钟开始计时，并等待UWB定位信号的到来。
进一步地，作为优选技术方案，所述步骤（c）的具体过程为：
（c1）各个定位终端与已知位置的UWB定位信号接收器开始同步接收UWB定位信号；
（c2）已知位置的UWB定位信号接收器接收到第一个达到的UWB定位信号后，停止该UWB定位信号对应的一路高精度时钟，得到一个计时值；同理，接收到第二个达到的UWB定位信号后，停止该UWB定位信号对应的一路高精度时钟，又得到一个计时值；
（c3）以此类推，当接收到最后一个达到的UWB定位信号后，停止该UWB定位信号对应的一路高精度时钟，得到最后一个计时值。
进一步地，作为优选技术方案，所述步骤（d）中的时间差指的是任意两个不同的UWB定位信号到达同一个已知位置的UWB定位信号接收器的时刻的差值。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
（1）传统的UWB定位基站要实现UWB信号接收、控制信道接收、逻辑控制，同时还要实现网络通讯、时间同步等等，导致整个UWB定位***的网络十分庞大，而本发明省去了网络通讯、时间同步部分，大大地简化了组建UWB定位***的网络，并实现定位信号发送器与中心控制器及发送器之间无线缆连接，方便了整个***的布局、安装。
（2）本发明采用一个已知位置的UWB定位信号接收器，通过计算各个UWB定位信号发送器发出的UWB定位信号到达该已知位置的UWB定位信号接收器的时间差，巧妙地算出***通信信道传送时间以及硬件电路延时时间这些随机的摆动值，并将每次计算出的摆动值传输给定位终端，通过定位终端，对各个UWB定位信号发送器的时间值进行修正，从而实现精确的同步，而无需布局高难度的时间同步控制网络，在实现高精度定位的同时，大大降低了***的复杂性，也降低了整个定位***的成本。
（3）本发明中，定位终端通过各自内部的***进行定位计算，计算出各自的位置，而无需由***的定位引擎计算，实现了***的分布式运算，同时，也大大简化了定位信号发送器的结构，相对于现有的定位基站而言，实现了微功率、小型化。
（4）由于***内所有的定位终端均是在每一次定位时接收各个定位信号发送器发出的相同信号，各自解算出自己的位置，故没有定位终端的容量限制，可以实现任意规模的定位。
附图说明
图1为本发明的实施例1的整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
本实施例所述的一种UWB高精度定位***，包括至少1个UWB定位信号发送器组以及用于对UWB定位信号发送器组进行同步控制的至少1个中心控制器，1个UWB定位信号发送器组包括N个UWB定位信号发送器，其中，N为等于或大于3的整数，任意两个UWB定位信号发送器之间以及任意一个UWB定位信号发送器与中心控制器之间实现无线通信；
本实施例还包括至少1个定位终端，定位终端用于接收各个UWB定位信号发送器发出的UWB定位信号，定位终端与中心控制器之间实现无线通信；
本实施例还包括至少1个已知位置的UWB定位信号接收器，已知位置的UWB定位信号接收器用于接收各个UWB定位信号发送器发出的UWB定位信号，同时，已知位置的UWB定位信号接收器分别与定位终端、中心控制器之间实现无线通信。
在本实施例中，UWB定位信号发送器组的个数以及每个UWB定位信号发送器组的UWB定位信号发送器的个数均可根据需要而定，要实现二维定位，则至少需要三个UWB定位信号发送器。如图1所示，以3个UWB定位信号发送器、1个定位终端为例，对本发明的实现过程进行说明，具体如下：
假设3个UWB定位信号发送器分别为UWB定位信号发送器A、UWB定位信号发送器B和UWB定位信号发送器C，且发送的定位信号分别为：UWB定位信号A、UWB定位信号B、UWB定位信号C；
UWB定位信号发送器A在Ta时刻发射UWB信号，UWB定位信号发送器B在Tb=Ta+Tba时刻发射UWB信号，UWB定位信号发送器C在Tc=Ta+Tba+Tcb时刻发射UWB信号，其中Ta<Tb<Tc，Tba为UWB定位信号发送器A与UWB定位信号发送器B的信号发送间隔时间，Tcb为UWB定位信号发送器B与UWB定位信号发送器C的信号发送间隔时间；
定位终端与已知位置的UWB定位信号接收器同时接收UWB定位信号发送器A、B、C发射的UWB定位信号；
已知位置的UWB定位信号接收器接收到UWB定位信号发送器A、B、C发送的UWB定位信号时的时刻分别为：
1、接收到UWB定位信号A的时刻为TtimeA，其中，TtimeA包括UWB空中飞行时间、***通信信道传送时间、Ta、硬件电路延时时间；
2、接收到UWB定位信号B的时刻为TtimeB ，其中，TtimeB包括UWB空中飞行时间、***通信信道传送时间、Tb、硬件电路延时时间；
3、接收到UWB定位信号C的时刻为TtimeC ，其中，TtimeC包括UWB空中飞行时间、***通信信道传送时间、Tc、硬件电路延时时间；
注：以上提到的“***通信信道传送时间、Ta、Tb、Tc、硬件电路延时时间”是随机摆动的，即每次发送UWB定位同步信号时，这些时间值都是不一样的。
假设UWB定位信号发送器A与UWB定位信号发送器B之间由于硬件电路以及***通信信道传送造成的延时值为Txz_BA，也可叫时间修正值，则已知位置的UWB定位信号接收器接收到UWB定位信号A和UWB定位信号B的时间差值BTDOA_ba= TtimeB-TtimeA+Txz_BA；
同理，假设UWB定位信号发送器A与UWB定位信号发送器C之间由于硬件电路以及***通信信道传送造成的延时值为Txz_CA，也可叫摆动值，则已知位置的UWB定位信号接收器接收到UWB定位信号A和UWB定位信号C的时间差值TDOA_ca= TtimeC-TtimeA+Txz_CA；
由于UWB定位信号发送器A、B、C 与已知位置的UWB定位信号接收器的坐标均是已知的，所以根据TDOA算法，可以将Txz_BA，Txz_CA计算出来。
已知位置的UWB定位信号接收器将得到的Txz_BA，Txz_CA值通过***通信信道传输给定位终端，定位终端将接收到的Txz_BA，Txz_CA值作为时间修正值，对自身接收到不同UWB定位信号之间的时间差进行对应修正。
由于定位终端与已知位置的UWB定位信号接收器在一次定位中收到的UWB定位信号是一样的，所以用于修正定位终端的时间差的时间修正值，与已知位置的UWB定位信号接收器的修正值是一样的。
由于定位终端接收到的Txz_BA，Txz_CA是已知的，UWB定位信号发送器A、B、C 的位置坐标也是已知的，而且定位终端接收到UWB定位信号的时间值也是已知的，唯一的未知的是定位终端的位置坐标。因此，通过TDOA算法，即可以计算得到定位终端的位置坐标。
另外，本实施例可采用以下定位方法来实现高精度定位，具体地，包括以下步骤：
（a）中心控制器向UWB定位信号发送器发送指令，各个UWB定位信号发送器接收到指令后，在一定的时间间隔范围内分别发送UWB定位信号，各个UWB定位信号发送器的信号发送时间有先后顺序，任意两个UWB定位信号发送器的信号发送时间不同，时间间隔的范围没有很严格的要求，间隔时间以不同的UWB定位信号不出现飞行时间重叠为准，即不会存在至少两个不同的UWB定位信号同时在同一位置重叠的情况，一定是UWB定位信号接收器完全接收到一个UWB定位信号发送器发出的UWB定位信号后，另一个UWB定位信号发送器才开始发送UWB定位信号，避免不同的UWB信号之间出现相互干扰，为此，本实施例的间隔时间为微秒级，因为本发明的定位精度可达到纳秒级，因此，微秒级的间隔时间足以保证两两UWB定位信号不会在同一位置出现叠加的情况发生。UWB定位信号由于中心控制器与各个UWB定位信号发送器的距离不同以及硬件电路延时的问题，造成了各个UWB定位信号发送器并非是按照设定的间隔时间值进行定位信号发送，也就是说，发送时间点已经存在误差；
（b）中心控制器发送接收指令，各个定位终端与已知位置的UWB定位信号接收器同步开启接收模式，并等待UWB定位信号的到来，开启接收模式的同时，复位各自的多路高精度时钟，具体到定位终端来说，定位终端的多路高精度时钟的每一路高精度时钟对应一个UWB定位信号。在开启同步接受这个过程中，由于各个定位终端、已知位置的UWB定位信号接收器到中心控制器的距离不同以及***通信信道传送时间上的延时，造成各个定位终端与已知位置的UWB定位信号接收器的接收模式开启时间并非严格的同步，也就是说同步上也存在误差；
（c）各个定位终端与已知位置的UWB定位信号接收器接收到不同的UWB定位信号后，记录下不同的接收时间，得到多个计时值；具体地，对于已知位置的UWB定位信号接收器来说，当其接收到第一个达到的UWB定位信号后，停止该UWB定位信号对应的一路高精度时钟，得到第一个计时值；同理，接收到第二个达到的UWB定位信号后，停止该UWB定位信号对应的一路高精度时钟，又得到第二个计时值；以此类推，当接收到最后一个达到的UWB定位信号后，停止该UWB定位信号对应的一路高精度时钟，得到最后一个计时值。
（d）根据步骤（c）得到的多个计时值，计算出已知位置的UWB定位信号接收器接收到各个UWB定位信号的时间差，即任意两个不同的UWB定位信号到达同一个已知位置的UWB定位信号接收器的时刻的差值。
（e）为了实现各个UWB定位信号发送器之间的严格同步，假定任意两个UWB定位信号发送器之间存在一个时间修正值，因此，在做两个UWB定位信号的接收时刻差值的时候，需要加上时间修正值，从而保证精确同步，而根据已知位置的UWB定位信号接收器的位置坐标、UWB定位信号发送器的位置坐标、步骤（d）得到的时间差，通过TDOA算法，即可任意两个UWB定位信号发送器之间存在一个时间修正值的具体数值，然后通过专用的无线通信信道，将时间修正值传送至中心控制器和各定位终端；
（f）各定位终端接收到已知位置的UWB定位信号接收器传送的时间修正值，利用该时间修正值，再加上各个UWB定位信号发送器的位置坐标和任意两个UWB定位信号发送器的时间差均是已知的，从而通过TDOA算法计算出定位终端的位置坐标，实现定位。时间修正值也可以理解成定位终端中由于粗略同步控制及硬件电路时间摆动所带来的偏移和误差，也就是说，通过已知位置的UWB定位信号接收器，计算出每次从发送UWB定位信号到接收到UWB定位信号这个过程中的时间修正值，就能够得到仅与定位终端同相应的UWB定位信号发送器之间距离相对应的计时量，刨除掉所有的偏移和误差，实现高精度定位。
实施例2：
本实施例与实施例1基本相同，不同的地方是，本实施例采用至少两个已知位置的UWB定位信号接收器，每个已知位置的UWB定位信号接收器的工作原理与实施例1相同，不同的是，每个已知位置的UWB定位信号接收器计算出时间修正值并传输给定位终端后，定位终端对接收到的各个时间修正值做平均计算，取平均值，再将平均值作为本定位终端的时间修正值，然后对应反算出本定位终端的位置坐标，这种方式能够进一步提高时间修正值的精确性，从而有利于提高整个***的定位精度。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种UWB高精度定位***，其特征在于：包括至少1个UWB定位信号发送器组以及用于对UWB定位信号发送器组进行同步控制的至少1个中心控制器，1个UWB定位信号发送器组包括N个UWB定位信号发送器，其中，N为等于或大于3的整数，任意两个UWB定位信号发送器之间以及任意一个UWB定位信号发送器与中心控制器之间实现无线通信；
还包括至少1个定位终端，定位终端用于接收各个UWB定位信号发送器发出的UWB定位信号，定位终端与中心控制器之间实现无线通信；
还包括至少1个已知位置的UWB定位信号接收器，已知位置的UWB定位信号接收器用于接收各个UWB定位信号发送器发出的UWB定位信号，同时，已知位置的UWB定位信号接收器分别与定位终端、中心控制器之间实现无线通信。
2.根据权利要求1所述的一种UWB高精度定位***，其特征在于：所述的已知位置的UWB定位信号接收器至少有两个。
3.一种基于权利要求1或2所述的一种UWB高精度定位***的定位方法，其特征在于：包括以下步骤：
（a）中心控制器向UWB定位信号发送器发送指令，各个UWB定位信号发送器接收到指令后，在一定的时间间隔范围内分别发送UWB定位信号；
（b）中心控制器发送接收指令，各个定位终端与已知位置的UWB定位信号接收器同步开启接收模式，并等待UWB定位信号的到来；
（c）各个定位终端与已知位置的UWB定位信号接收器接收到不同的UWB定位信号后，记录下不同的接收时间，得到多个计时值；
（d）根据步骤（c）得到的多个计时值，计算出已知位置的UWB定位信号接收器接收到各个UWB定位信号的时间差；
（e）利用已知位置的UWB定位信号接收器的位置坐标和UWB定位信号发送器的位置坐标以及步骤（d）得到的时间差，由TDOA算法，得到定位***的时间修正值，并通过专用的无线通信信道传送至中心控制器和各定位终端；
（f）各定位终端接收到已知位置的UWB定位信号接收器传送的时间修正值，利用该时间修正值，去除掉定位终端中由于粗略同步控制及电路时间摆动所带来的偏移和误差，得到仅与本定位终端同相应的定位信号发送器之间距离相对应的计时量，通过TDOA算法计算出本定位终端的位置。
4.根据权利要求3所述的定位方法，其特征在于：所述步骤（b）的具体过程为：
（b1）中心控制器发送接收指令，各个定位终端与已知位置的UWB定位信号接收器同步开启接收模式；
（b2）各个定位终端与已知位置的UWB定位信号接收器同步开启接收模式的同时，复位各自的多路高精度时钟；
（b3）各个定位终端与已知位置的UWB定位信号接收器的高精度时钟开始计时，并等待UWB定位信号的到来。
5.根据权利要求4所述的定位方法，其特征在于：所述步骤（c）的具体过程为：
（c1）各个定位终端与已知位置的UWB定位信号接收器开始同步接收UWB定位信号；
（c2）已知位置的UWB定位信号接收器接收到第一个达到的UWB定位信号后，停止该UWB定位信号对应的一路高精度时钟，得到一个计时值；同理，接收到第二个达到的UWB定位信号后，停止该UWB定位信号对应的一路高精度时钟，又得到一个计时值；
（c3）以此类推，当接收到最后一个达到的UWB定位信号后，停止该UWB定位信号对应的一路高精度时钟，得到最后一个计时值。
6.根据权利要求4所述的定位方法，其特征在于：所述步骤（d）中的时间差指的是任意两个不同的UWB定位信号到达同一个已知位置的UWB定位信号接收器的时刻的差值。
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