[发明专利]一种基于TDOA的多单元协同定位系统

说明书

本发明提供了一种基于TDOA的多单元协同定位系统。该定位系统包括上位机、POE交换机、若干基站和待定位标签。若干基站被划分为至少两个定位单元，每个单元使用各自单元内的一个基站作为时钟基准，该基站将自己的坐标、时间、频率等定位信息以报文的方式传送给从基站，每个从基站完成k值计算以及时钟同步的过程，从基站单独上传同步后的接收到标签的时间给上位机，在上位机中利用LM算法将多单元超定方程组进行联立求解定位坐标。本发明利用LM算法求解整合后的TDOA超定方程组得到唯一的位置估计，解决了多单元定位中的定位冲突问题，同时求解得到的结果具有更高的精度。

技术领域

本发明涉及室内定位技术领域，具体地说是一种基于TDOA的多单元协同定位系统。

背景技术

近年来，室内定位不断发展，在现有的无线通信技术中，超宽带(ultra-wideband，UWB)信号具有高传输率、低功耗、抗干扰性强、穿透能力强的优点，使其在定位精度方面比其他定位技术更有优势，在短距离定位方面更加可靠。在定位系统中，需要将与位置相关的信息通过有线或者无线的方式在标签与基站、基站与基站间进行传输，并实时解算定位标签的位置信息。目前应用最广泛的定位方法有基于信号强度指示(RSSI)、基于到达时间(TOA)、基于到达时间差(TDOA)、基于到达方向(AOA)、基于双向测距(TOF)等。

RSSI定位方法是通过测得UWB脉冲信号的信号场强，依照信道衰落模型及得到的发射信号的信号强度值，计算标签与基站之间的距离。RSSI是一种低功率、低成本的测距技术，在实际应用中，该方法易受阴影衰落、多径效应的影响造成较大的误差，故被广泛应用于定位精度要求不高的场景中。

AOA定位方法是基站通过天线阵列测出UWB信号的入射方位，以此来计算基站与标签的角度，最后利用三角测量法得出标签的位置坐标。该方法对UWB信号的方向和角度计算要求较高，易受非视距、环境噪声等的影响，导致精度降低。

TOA定位方法是根据UWB信号在基站与标签之间的传播速度和时间来计算两者之间的距离进而实现定位。每个基站与标签都可以得到一组以基站为圆心的方程，TOA定位估计问题就转换为了求解一组非线性圆方程的问题。但由于测得的时间受环境因素或者硬件影响，会使TOA测量值出现较大偏差，使得方程组无法求解，造成定位算法的性能显著下降。

TOF定位方法是一种双向测距技术，它通过测量UWB信号在基站与标签之间往返的飞行时间来计算距离。TOF定位方法与TOA定位方法在本质上是相同的，而TOF测距不依赖基站与标签的时间同步，故没有时钟同步偏差带来的误差，但TOF测距方法的时间取决于时钟精度，时间偏移会带来误差。

TDOA定位方法是通过测量UWB信号从标签到两个基站之间传播时间的差值，得到标签到两个基站之间的固定距离差。相比TOA定位方法不需要加入专门的时间戳来进行标签与基站间时钟同步，定位精度更高。

以上方法都是基于UWB的定位方法，UWB系统采用极窄脉冲进行信息传输，多径情况下的时间分辨率极高，采用TOA、TDOA、TOF等方法无须对超宽带信号进行预处理。为了得到更为准确的定位精度，UWB定位系统一般采用TDOA方法进行位置信息的获取。

根据TDOA定位技术的原理，测量参数主要是从基站上获得的，因此基站与基站之间必须保持严格的时钟同步，如果没有足够精确的时钟同步，定位测量结果将会产生很大的误差。时钟同步一般通过高稳定精度的原子钟产生的时间和频率基准，校正其他时钟的频率，使处于各个位置的时钟保持频率和时间的同步。进行时钟同步可以选用有线或者无线两种方式，但有线时钟同步布线繁琐，成本较高，而且不易扩展，适用范围比较小，故多采用无线的方式进行时钟同步。