CN110446156B - 一种uwb分布式计算实现大规模定位的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种UWB分布式计算实现大规模定位的方法，其特征在于，包括计算卫星与主卫星的时钟漂移系数；计算卫星与主卫星的起始时间差；校准到主卫星时钟域上的发射时间戳；卫星将包含卫星与主卫星的时钟漂移系数、卫星与主卫星的起始时间差、校准卫星的发射时间戳、邻区卫星编号的信息广播至全部卫星或者局部相关联的卫星；终端根据卫星广播的信息和自身的接收时间戳，用定位算法计算出定位点,这样消除了小区的界限，也保证了定位质量，还可以降低成本，减少卫星数量，实现UWB分布式计算实现大规模定位。

Description

一种UWB分布式计算实现大规模定位的方法
技术领域
本发明涉及一种UWB定位技术，尤其是跨小区的UWB定位。
背景技术
现在室内定位的小区切换是通过切换两个独立小区来实现的，即进入另一个小区后，原小区不再提供服务。这会导致切换频繁，小区交界处定位质量下降，所需卫星数量增多等问题。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种UWB分布式计算实现大规模定位的方法，它在一个定位区域中消除了小区的界限；
为实现上述目的，本发明提出的UWB分布式计算实现大规模定位的方法，其特征在于，包括
计算卫星与主卫星的时钟漂移系数；
计算卫星与主卫星的起始时间差；
校准到主卫星时钟域上的发射时间戳；
卫星将包含卫星与主卫星的时钟漂移系数、卫星与主卫星的起始时间差、校准卫星的发射时间戳、邻区卫星编号的信息广播至全部卫星或者局部相关联的卫星；
终端根据卫星广播的信息和自身的接收时间戳，用定位算法计算出定位点；
优选地，卫星向卫星广播的信息的帧内容还包括轮次号、卫星的发射时间、主卫星的发射时间、卫星的x坐标、卫星的y坐标、卫星的z坐标和卫星的状态；
进一步，卫星向卫星广播的信息的帧内容依次包括轮次号、anchor编号、卫星的发射时间、校准到主卫星时钟域上的发射时间戳、卫星与主卫星的时钟漂移系数、卫星与主卫星的起始时间差、主卫星的发射时间、邻区卫星编号、卫星的x坐标、卫星的y坐标、卫星的z坐标和卫星的状态；
优选地，相邻两个小区的卫星组网时，其中的一个小区至少有一个卫星以另一小区的一个卫星为父卫星；小区内的或跨小区的卫星与父卫星之间采用不同的时序；
优选地，计算卫星与主卫星的时钟漂移系数时，普通卫星根据其父卫星的发射时间戳和接收到父卫星信号的接收时间戳计算出自身与父卫星的时钟漂移系数，再根据父卫星广播的父卫星与主卫星的时钟漂移系数，计算出该卫星与主卫星的时钟漂移系数；计算卫星与主卫星的起始时间差时，通过父卫星广播的父卫星的坐标，可得该卫星与父卫星的距离，将距离转换为计数值即可参与计算，再根据父卫星广播的父卫星与主卫星的起始时间差以及与主卫星的时钟漂移系数，计算出该卫星与主卫星的起始时间差；校准到主卫星时钟域上的发射时间戳时，根据卫星与主卫星的时钟漂移系数、卫星与主卫星的起始时间差以及父卫星携带的主卫星的发射时间戳，该卫星能将自身的发射时间戳同步到主卫星的时钟域上；
优选地，终端根据卫星广播的信息和自身的接收时间戳，用最小二乘法计算出定位点；
优选地，小区内卫星的传递方式包括相同小区卫星均为在同步链上，按照时序，上一时序的卫星是下一时序卫星的父卫星；相同小区只有一个父卫星，其它卫星都是普通卫星；相同小区内的部分卫星以第一时序的卫星为父卫星，部分卫星分别以某个不同时序为父卫星；
综上所述，通过本发明的方法，终端接收到任意的4个卫星信号均可实现定位，这样，消除了小区之间频繁切换问题，也保证了定位质量，还可以降低成本，减少卫星数量，实现UWB分布式计算实现大规模定位。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图；
图1为同一小区卫星间组网和信号传递的方式之一；
图2为同一小区卫星间组网和信号传递的方式之二；
图3为同一小区卫星间组网和信号传递的方式之三；
图4为相邻小区之间卫星间组网和信号传递的方式；
图5为卫星之间以及与终端广播信息的示意图；
图6为卫星之间广播信息的帧内容和帧格式；
图7某应用实施示例中卫星间组网以及与终端间信号传递示意图；
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围；
参考图1至3，同一小区的卫星组网和信号传递的方式有三种。一个小区中，假设共有n个时序(图3中的m+2<n-3)，第一种是一个小区均为在同步链上(除了最后一个卫星)，按照时序，上一时序的卫星是下一时序卫星的父卫星；第二种是一个小区只有一个父卫星，其它卫星都是普通卫星；第三种是第一，第二种的混合方式，一部分卫星以第一时序的卫星为父卫星，一部分卫星以第m个时序为父卫星，以此类推，卫星最多增加到一个小区的时序全部用完。图1中，定位网络中包含一个主卫星A1，其余卫星是普通卫星。图2中，每一个卫星都有父卫星(主卫星除外)，父卫星可以是主卫星也可以是普通卫星。同一小区的卫星组网和信号传递时，每个网络都有一条同步链，由所有卫星的父卫星组成。卫星的字母编号用于决定小区号，数字编号用于决定时序。在每个小区内，卫星的发射是时分的。每个小区内的时序在布网时已经设置完毕；
参考图4，小区与小区之间的传递方式如图中所示，其中m+3<n，B小区的第m时序以A小区的某一卫星为父卫星。B小区的时序设置的原则是，避免在定位终端处有撞帧现象(即终端收到两个同一时序的卫星信号)出现；在设计多小区的时序时，小区中的卫星(除主卫星外)要避免其父卫星发生撞帧现象(即收到与自身父卫星相同时序的信号)。定位卫星网络以符合时序设计要求为前提，每个小区的时序不要求全部用完；
参考图6，为卫星之间广播信息的帧内容和帧格式。优选中，帧内容和帧格式按顺序依次包括轮次号、anchor编号、卫星的发射时间、校准到主卫星时钟域上的发射时间戳、卫星与主卫星的时钟漂移系数、卫星与主卫星的起始时间差、主卫星的发射时间、邻区卫星编号、卫星的x坐标、卫星的y坐标、卫星的z坐标和卫星的状态等字段构成；
定位时，先计算卫星与主卫星的时钟漂移系数；计算卫星与主卫星的起始时间差；校准到主卫星时钟域上的发射时间戳；卫星将包含卫星与主卫星的时钟漂移系数、卫星与主卫星的起始时间差、校准卫星的发射时间戳、邻区卫星编号的信息广播至全部卫星或者局部相关联的卫星(参考图5所示)；终端根据卫星广播的信息和自身的接收时间戳，用定位算法计算出定位点。其中，计算卫星与主卫星的时钟漂移系数时，普通卫星根据其父卫星的发射时间戳和接收到父卫星信号的接收时间戳计算出自身与父卫星的时钟漂移系数，再根据父卫星广播的父卫星与主卫星的时钟漂移系数，计算出该卫星与主卫星的时钟漂移系数；计算卫星与主卫星的起始时间差时，通过父卫星广播的父卫星的坐标，可得该卫星与父卫星的距离，将距离转换为计数值即可参与计算，再根据父卫星广播的父卫星与主卫星的起始时间差以及与主卫星的时钟漂移系数，计算出该卫星与主卫星的起始时间差；校准到主卫星时钟域上的发射时间戳时，根据卫星与主卫星的时钟漂移系数、卫星与主卫星的起始时间差以及父卫星携带的主卫星的发射时间戳，该卫星能将自身的发射时间戳同步到主卫星的时钟域上。优选地，终端根据卫星广播的信息和自身的接收时间戳，用最小二乘法计算出定位点；
优选中，邻区卫星编号是指收到的卫星之间的联通关系。如果是二维的，默认无邻区信息；如果是一维的，就要求定位点在联通卫星形成的直线上；
下面结合某应用场景，对本发明方法做进一步描述：
参考图7所示，网络设计为每个小区有9个时序。其中，A1为主卫星，A2,A3,A4,A6,A8,A9的父卫星为A1，A5,A7,B9的父卫星为A6，B2父卫星为A5，B3,B8父卫星为B9，B6父卫星为B8，B5父卫星B6。A1,A6,A5/A1,A6,B9,B8,B6为同步链，其余均为普通卫星；
在B小区中，B9的父卫星时序为6，在整个网络中，只有A6的时序为6，所以不会发生父卫星撞帧现象。同理，B2的父卫星时序为5，网络中，还有B5的时序为5，需要确保B2处不会收到B5的信号。以此类推，B3，B8收不到A9的信号，B6收不到A8的信号，B5收不到A6的信号，B2收不到B5的信号；
在上述条件下，A1向A2,A3,A4,A6,A8,A9广播图6内容的帧，A2,A3,A4,A6,A8,A9接收A1的广播帧，根据父卫星的信息和自身的信息按照定位方法的步骤完成与A1同步；
同步链第二级中，同理，B2,B9,A7接收各自父卫星的信息，完成与A1同步。同步链中每一级都完成同步后，卫星就实现了全网同步；
其中，B8带有邻区信息(B8,B6)，B6带有邻区信息(B8,B6),(B6,B5)，B5带有邻区信息(B6,B5)，其余卫星的邻区信息为空；
综上所述，完成了卫星同步过程，卫星可向终端发送图6内容的帧，开始定位；
终端在网络中的每一处，都不会发生撞帧现象，如Tag1处，A1,A4,A5,A6的广播信息，不会收到相同时序的B5,B6，即布网正确；
假设终端(Tag1)在如图所示处，可收到A1,A4,A5,A6的广播信息。所有卫星无邻区信息，即二维定位，用最小二乘法等定位算法即可计算出定位点；
假设终端(Tag2)在如图所示处，收到B8,B6的广播信息，都含有邻区信息，即一维定位，最终结果定位于B8,B6所连的直线上。根据广播的信息计算出相对于B8,B6的位置，即可完成一维定位；
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种UWB分布式计算实现大规模定位的方法，其特征在于，包括
计算卫星与主卫星的时钟漂移系数；
计算卫星与主卫星的起始时间差；
校准到主卫星时钟域上的发射时间戳；
卫星将包含卫星与主卫星的时钟漂移系数、卫星与主卫星的起始时间差、校准卫星的发射时间戳、邻区卫星编号的信息广播至全部卫星或者局部相关联的卫星，其中计算卫星与主卫星的时钟漂移系数时，普通卫星根据其父卫星的发射时间戳和接收到父卫星信号的接收时间戳计算出自身与父卫星的时钟漂移系数，再根据父卫星广播的父卫星与主卫星的时钟漂移系数，计算出该卫星与主卫星的时钟漂移系数；计算卫星与主卫星的起始时间差时，通过父卫星广播的父卫星的坐标，可得该卫星与父卫星的距离，将距离转换为计数值即可参与计算，再根据父卫星广播的父卫星与主卫星的起始时间差以及与主卫星的时钟漂移系数，计算出该卫星与主卫星的起始时间差；校准到主卫星时钟域上的发射时间戳时，根据卫星与主卫星的时钟漂移系数、卫星与主卫星的起始时间差以及父卫星携带的主卫星的发射时间戳，该卫星能将自身的发射时间戳同步到主卫星的时钟域上；所述邻区卫星编号是指收到的卫星之间的联通关系，如果是二维的，默认无邻区信息；如果是一维的，就要求定位点在联通卫星形成的直线上；
终端根据卫星广播的信息和自身的接收时间戳，用定位算法计算出定位点；
其中相邻两个小区的卫星组网时，其中的一个小区至少有一个卫星以另一小区的一个卫星为父卫星；小区内的或跨小区的卫星与父卫星之间采用不同的时序。
2.如权利要求1所述的UWB分布式计算实现大规模定位的方法，其特征在于，
卫星向卫星广播的信息的帧内容还包括轮次号、卫星的发射时间、主卫星的发射时间、卫星的x坐标、卫星的y坐标、卫星的z坐标和卫星的状态。
3.如权利要求2所述的UWB分布式计算实现大规模定位的方法，其特征在于，
卫星向卫星广播的信息的帧内容依次包括轮次号、anchor编号、卫星的发射时间、校准到主卫星时钟域上的发射时间戳、卫星与主卫星的时钟漂移系数、卫星与主卫星的起始时间差、主卫星的发射时间、邻区卫星编号、卫星的x坐标、卫星的y坐标、卫星的z坐标和卫星的状态。
4.如权利要求1或2所述的UWB分布式计算实现大规模定位的方法，其特征在于，
相邻两个小区的卫星组网时，其中的一个小区至少有一个卫星以另一小区的一个卫星为父卫星；小区内的或跨小区的卫星与父卫星之间采用不同的时序。
5.如权利要求4所述的UWB分布式计算实现大规模定位的方法，其特征在于，终端根据卫星广播的信息和自身的接收时间戳，用最小二乘法计算出定位点。
6.如权利要求5所述的UWB分布式计算实现大规模定位的方法，其特征在于，小区内卫星的传递方式包括相同小区卫星均为在同步链上，按照时序，上一时序的卫星是下一时序卫星的父卫星；相同小区只有一个父卫星，其它卫星都是普通卫星；相同小区内的部分卫星以第一时序的卫星为父卫星，部分卫星分别以某个不同时序为父卫星。
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