[发明专利]基于高精度时钟同步技术的UWB室内定位系统

说明书

技术领域

本发明涉及UWB室内定位系统，具体涉及一种基于高精度时钟同步技术的UWB室内定位系统。

背景技术

UWB信号指的是信号峰值功率下降10dB时对应带宽大于或等于500MHz的信号，UWB信号以其频率范围宽、抗干扰能力强、功率低、多径分辨能力强等特点广泛应用于精密定位系统中。

根据定位原理的不同，UWB定位系统可以分为基于接收信号强度测量(RSS)、到达信号角度测量(AOA)、飞行时间测量(TOF)和到达时间差测量(TDOA)的定位系统。这四种方式各有优缺点，具体如下：

1、基于接收信号强度测量(RSS)的方法是在接收端测量接收信号的功率，根据信道的衰减模型，计算发射点和接收点之间的距离，通过至少三个接收点，可以实现对发射端的三位定位，但是系统容易受到多径效应的影响，并且难以实现非视距范围的定位。

2、基于到达信号角度测量(AOA)是利用两个位置坐标已知的接收点，通过接收端的阵列天线，对发射端信号的角度进行测量，根据信号到达接收点的角度和接收点的坐标，即可实现定位，但是系统需要配置阵列天线，结构复杂。

3、基于飞行时间测量(TOF)的定位系统，在发射端和接收端之间建立通信，通过多次交换时间信息，计算出信号的飞行时间，再乘以速度，得到发射端和接收端的距离，通过三组接收端，确定发射端为与以三个接收端坐标为圆心的圆周上，从而实现对发射端的定位，但是这要求发射端和各个接收端通信之前，需要实现时钟的高精度同步，需要测量绝对距离，时间同步精度和时间同步精度直接影响定位精度。

4、基于时间差测量(TDOA)的定位系统，在接收机坐标已知的情况下，接收来自发射端的信号，通过计算获取信号到达两个接收点的时间差，确定发射端位于以接收点为焦点的双曲线上，通过三组双曲线，即可获取发射点的三维坐标，基于时间差测量的UWB定位系统不需要发射端与接收端建立通信和时钟同步，只需要广播信号即可，但是要求各接收端时钟之间保持高精度的时间同步，同步精度和到达时间的测量精度直接决定发射点的定位精度。

发明内容

本发明针对现有UWB系统存在的不足，提出一种基于高精度时钟同步技术的UWB室内定位系统。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案实现：

一种基于高精度时钟同步技术的UWB定位系统，其包括：同步定位服务器、若干接收机及标签；

所述同步定位服务器分别与各个所述接收机通过通信连接，使所述各个接收机的自身时钟与所述同步定位服务器的时间同步；所述标签和各所述接收机通信连接，所述标签不断发送包含自身编号和信号序列号的UWB信号，所述各接收机接收所述标签发出的所述UWB信号，获取准确的接收时间戳、标签编号和信号序列号；所述各接收机将自身的坐标数据、标签编号、接收时间戳和信号序列号打包发送到所述同步定位服务器；所述同步定位服务器根据接收到的所述接收时间戳数据和各接收机本身的坐标信息，计算出标签的坐标。

具体的，所述同步定位服务器包括时钟同步单元、定位计算单元、第一控制单元及显示单元；所述接收机包括时间同步与数据传输单元、第二控制单元及UWB信号接收单元；所述标签包括第三控制单元及UWB信号发射单元；所述时钟同步单元为各接收机的时间同步与数据传输单元提供时钟信号；所述第一控制单元用于控制定位计算单元接收来自各接收机的测量数据，定位计算单元根据所述UWB信号接收单元接收到的UWB信号的时间戳数据、各接收机本身的坐标信息、标签编号及发射信号的序列号计算出所述标签的坐标，所述显示单元用于显示所述标签的坐标；所述接收机的时间同步与数据传输单元用于接收所述时钟同步单元发送的时钟信号，并实现自身时钟与所述同步定位服务器的时间同步，并将同步后的时钟信号输出到所述UWB信号接收单元和第二控制单元，作为工作时钟信号；所述第二控制单元用于对所述UWB信号接收单元进行配置，使其准备接收标签发射的UWB信号，以及用于接收到所述UWB信号后，读取该信号中的标签编号及发射信号的序列号，然后和自身坐标数据一起打包后发送到所述同步定位服务器的所述定位计算单元；所述定位计算单元同时接收所有接收机发来的数据，获取各接收机坐标和相同序列号信号的接收时间，根据三组双曲面的方程