一种基于TDOA的定位系统、方法及存储介质技术方案

本发明专利技术公开了一种基于TDOA的定位系统，其包括主基站、从基站和标签，标签为待定位的设备；通过主基站、从基站以广播的方式向外发送信号，进而实现标签与主基站的时钟同步，并计算得出标签的TDOA量测，然后结合TDOA定位算法实现标签的快速定位，大大降低了标签定位的计算复杂度；同时，将标签定位在自身本地执行，避免由于服务器的承载能力不够而导致标签容量受限等问题。本发明专利技术通过基于下行TDOA系统来实现标签的室内定位，可大大降低TDOA量测的计算复杂度，提高室内定位的效率。本发明专利技术还公开了一种基于TDOA的定位方法和存储介质。

【技术实现步骤摘要】
一种基于TDOA的定位系统、方法及存储介质
本专利技术涉及时钟同步，尤其涉及一种基于TDOA的定位系统、方法及存储介质。
技术介绍
在当今快节奏的现代社会中，人们越来越依赖精确位置服务所带来的便利性。据统计，人类活动的80％至90％发生在室内，因此，在不影响隐私的前提下，人群的室内位置信息具有很高的商业价值。目前，主流的室内定位技术包括超声波、蓝牙、WIFI以及超带宽(UltraWideBand，简称UWB)。其中，超声波、蓝牙以及WIFI来说，其用于室内定位时，功率较大、定位距离较短、功耗较大等缺陷。而脉冲无线电超带宽(IR-UWB)是超带宽中比较新的技术，其通过在低频下发射持续时间非常短的脉冲，UWB系统可以穿透障碍，有效地抵抗多径效应，实现良好的测距精度。这些特性可使得UWB定位技术在室内定位中具有广泛的应用。其中，基于UWB技术的定位方案一般包括基于到达角定位、基于到达时间定位以及基于到达时间差定位。其中，对于基于到达角定位，需要设置天线阵列，在实际的应用中将带来较高的成本。对于基于到达时间定位，需要在标签和基站之间进行严格的时钟同步，这在多数场景中很难满足上述条件。其中，这里的标签一般指需要定位的设备。对于基于到达时间差(TimeDifferenceofArrival,TDOA)的定位系统，传统的定位方式是由待定位的标签(也即是待定位的设备)广播信号，经过时钟同步后的基站记录标签信号的到达时间，TDOA则通过标签的广播信号到达两个不同基站的时间相减来获得。这种形式的TDOA定位系统需要基站间的时钟同步，同时其定位解算一般由服务器完成，而服务器受其运算能力的限制和多标签定位时，可能会出现信号冲突等问题，仅能支持有限数量标签的同时定位。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的之一在于提供一种基于TDOA的定位系统，其能够解决现有计算中设备定位的计算复杂、操作不便等问题。本专利技术的目的之二在于提供一种基于TDOA的定位方法，其能够解决现有计算中设备定位的计算复杂、操作不便等问题。本专利技术的目的之三在于提供一种存储介质，其能够解决现有计算中设备定位的计算复杂、操作不便等问题。本专利技术的目的之一采用如下技术方案实现：一种基于TDOA的定位系统，所述定位系统包括主基站、标签和多个从基站；其中，标签表示待定位设备；主基站，用于通过广播向每个从基站和标签发送发起定位信号；其中，多个从基站依次顺序编号，记为第1个从基站、第2个从基站、…、第i个从基站、…、第n个从基站；n为大于或等于3的自然数，n表示从基站的数量；每个从基站，用于当接收到所述发起定位信号时，延迟预设秒后通过广播向主基站和标签发送从基站广播信号；主基站与每个从基站的位置均已知；主基站，用于当接收每个从基站发送的从基站广播信号时记录每个从基站的从基站广播信号到达主基站时间，以及用于向标签依次发送第一主基站广播信号、第二主基站广播信号；其中，第一主基站广播信号包括主基站位置、从基站位置、每个从基站的从基站广播信号到达主基站时间和第一主基站广播信号发送时间；第二主基站广播信号包括主基站位置、从基站位置、每个从基站的从基站广播信号到达主基站时间和第二主基站广播信号发送时间；其中，从基站广播信号到达主基站时间、第一主基站广播信号发送时间、第二主基站广播信号发送时间均为主基站时钟基准下的时间；标签，用于当接收到每个从基站的从基站广播信号时记录每个从基站的从基站广播信号到达标签时间，当接收到第一主基站广播信号时记录第一主基站广播信号到达标签时间，以及当接收到第二主基站广播信号时记录第二主基站广播信号到达标签时间；其中，从基站广播信号到达标签时间、第一主基站广播信号到达标签时间、第二主基站广播信号到达标签时间均为标签时钟基准下的时间；标签，用于根据第一主基站广播信号发送时间、第二主基站广播信号发送时间、第一主基站广播信号到达标签时间和第二主基站广播信号到达标签时间以及预设时钟线性模型得出主基站时钟和标签时钟之间的关联关系，根据每个从基站的从基站广播信号到达主基站时间、光速和主基站与对应从基站之间的距离得出对应从基站在主基站时钟基准下的从基站广播信号发送时间，并结合主基站时钟和标签时钟之间的关联关系以及标签时钟基准下的从基站广播信号到达标签时间得出标签的TDOA量测；其中，TDOA量测为标签时钟基准下的第i个从基站与第j个从基站的从基站广播信号到标签的传播时间的差；其中，i，j∈[1，n]且i≠j；标签，还用于根据TDOA定位解算算法、标签的TDOA量测和每个从基站位置计算得出标签的位置。进一步地，所述标签，还用于：首先根据预设线性时钟模型得出主基站时钟与标签时钟之间的关联公式(1)：t标签时钟＝kt主基站时钟+b+e(1)；其中，k表示主基站时钟相对于标签时钟的频偏，b表示主基站时钟和标签时钟的相偏，e表示主基站与标签之间的距离，t标签时钟表示标签时钟，t主基站时钟表示主基站时钟；然后将第一主基站广播信号发送时间T主基站时钟,1、第二主基站广播信号发送时间T主基站时钟,2、第一主基站广播信号到达标签时间T标签时钟,1和第二主基站广播信号到达标签时间T标签时钟,2代入公式(1)得出公式(2)和公式(3)；其中，T标签时钟,1＝kT主基站时钟，1+b+e(2)，T标签时钟,2＝kT主基站时钟，2+b+e(3)；并根据公式(2)和公式(3)得出k＝(T主基站时钟,2-T主基站时钟,1)/(T标签时钟,2-T标签时钟,1)，进而得出主基站时钟与标签时钟之间的线性关系。进一步地，假设：在主基站时钟基准下：第i个从基站的从基站广播信号到达主基站时间为t主基站时钟,r,i、第j个从基站的从基站广播信号到达主基站时间为t主基站时钟,r,j、光速为c、主基站与第i个从基站的距离为di、主基站与第j个从基站的距离为dj，则第i个从基站的从基站广播信号发送时间为t主基站时钟,s,i＝t主基站时钟,r,i-di/c、第j个从基站的从基站广播信号发送时间为t主基站时钟,s,j＝t主基站时钟,r,j-dj/c；在标签时钟基准下：第i个从基站的从基站广播信号到达标签时间为t标签时钟,r,i、第j个从基站的从基站广播信号到达标签时间为t标签时钟,r,j、第i个从基站的从基站广播信号发送时间为t标签时钟,s,i、第j个从基站的从基站广播信号发送时间为t标签时钟,s,j；所述标签，用于根据主基站时钟基准下第i个从基站的从基站广播信号发送时间t主基站时钟,s,i、主基站时钟基准下第j个从基站的从基站广播信号发送时间t主基站时钟,s,j、标签时钟基准下第i个从基站的从基站广播信号发送时间为t标签时钟,s,i、标签时钟基准下第j个从基站的从基站广播信号发送时间为t标签时钟,s,j代入公式(1)分别得出公式(4)和公式(5)，具体为：t标签时钟,s,i＝kt主基站时钟,s,i+b+e(4)，t标签时钟,s,j＝kt主基站时钟,s,j+b+e(5)；根据公式(4)、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于TDOA的定位系统，其特征在于，所述定位系统包括主基站、标签和多个从基站；其中，标签表示待定位设备；主基站，用于通过广播向每个从基站和标签发送发起定位信号；其中，多个从基站依次顺序编号，记为第1个从基站、第2个从基站、…、第i个从基站、…、第n个从基站；n为大于或等于3的自然数，n表示从基站的数量；每个从基站，用于当接收到所述发起定位信号时，延迟预设秒后通过广播向主基站和标签发送从基站广播信号；主基站与每个从基站的位置均已知；/n主基站，用于当接收每个从基站发送的从基站广播信号时记录每个从基站的从基站广播信号到达主基站时间，以及用于向标签依次发送第一主基站广播信号、第二主基站广播信号；其中，第一主基站广播信号包括主基站位置、从基站位置、每个从基站的从基站广播信号到达主基站时间和第一主基站广播信号发送时间；第二主基站广播信号包括主基站位置、从基站位置、每个从基站的从基站广播信号到达主基站时间和第二主基站广播信号发送时间；其中，从基站广播信号到达主基站时间、第一主基站广播信号发送时间、第二主基站广播信号发送时间均为主基站时钟基准下的时间；/n标签，用于当接收到每个从基站的从基站广播信号时记录每个从基站的从基站广播信号到达标签时间，当接收到第一主基站广播信号时记录第一主基站广播信号到达标签时间，以及当接收到第二主基站广播信号时记录第二主基站广播信号到达标签时间；其中，从基站广播信号到达标签时间、第一主基站广播信号到达标签时间、第二主基站广播信号到达标签时间均为标签时钟基准下的时间；/n标签，用于根据第一主基站广播信号发送时间、第二主基站广播信号发送时间、第一主基站广播信号到达标签时间和第二主基站广播信号到达标签时间以及预设时钟线性模型得出主基站时钟和标签时钟之间的关联关系，/n根据每个从基站的从基站广播信号到达主基站时间、光速和主基站与对应从基站之间的距离得出对应从基站在主基站时钟基准下的从基站广播信号发送时间，并结合主基站时钟和标签时钟之间的关联关系以及标签时钟基准下的从基站广播信号到达标签时间得出标签的TDOA量测；其中，TDOA量测为标签时钟基准下的第i个从基站与第j个从基站的从基站广播信号到标签的传播时间的差；其中，i，j∈[1，n]且i≠j；/n标签，还用于根据TDOA定位解算算法、标签的TDOA量测和每个从基站位置计算得出标签的位置。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于TDOA的定位系统，其特征在于，所述定位系统包括主基站、标签和多个从基站；其中，标签表示待定位设备；主基站，用于通过广播向每个从基站和标签发送发起定位信号；其中，多个从基站依次顺序编号，记为第1个从基站、第2个从基站、…、第i个从基站、…、第n个从基站；n为大于或等于3的自然数，n表示从基站的数量；每个从基站，用于当接收到所述发起定位信号时，延迟预设秒后通过广播向主基站和标签发送从基站广播信号；主基站与每个从基站的位置均已知；
主基站，用于当接收每个从基站发送的从基站广播信号时记录每个从基站的从基站广播信号到达主基站时间，以及用于向标签依次发送第一主基站广播信号、第二主基站广播信号；其中，第一主基站广播信号包括主基站位置、从基站位置、每个从基站的从基站广播信号到达主基站时间和第一主基站广播信号发送时间；第二主基站广播信号包括主基站位置、从基站位置、每个从基站的从基站广播信号到达主基站时间和第二主基站广播信号发送时间；其中，从基站广播信号到达主基站时间、第一主基站广播信号发送时间、第二主基站广播信号发送时间均为主基站时钟基准下的时间；
标签，用于当接收到每个从基站的从基站广播信号时记录每个从基站的从基站广播信号到达标签时间，当接收到第一主基站广播信号时记录第一主基站广播信号到达标签时间，以及当接收到第二主基站广播信号时记录第二主基站广播信号到达标签时间；其中，从基站广播信号到达标签时间、第一主基站广播信号到达标签时间、第二主基站广播信号到达标签时间均为标签时钟基准下的时间；
标签，用于根据第一主基站广播信号发送时间、第二主基站广播信号发送时间、第一主基站广播信号到达标签时间和第二主基站广播信号到达标签时间以及预设时钟线性模型得出主基站时钟和标签时钟之间的关联关系，
根据每个从基站的从基站广播信号到达主基站时间、光速和主基站与对应从基站之间的距离得出对应从基站在主基站时钟基准下的从基站广播信号发送时间，并结合主基站时钟和标签时钟之间的关联关系以及标签时钟基准下的从基站广播信号到达标签时间得出标签的TDOA量测；其中，TDOA量测为标签时钟基准下的第i个从基站与第j个从基站的从基站广播信号到标签的传播时间的差；其中，i，j∈[1，n]且i≠j；
标签，还用于根据TDOA定位解算算法、标签的TDOA量测和每个从基站位置计算得出标签的位置。


2.根据权利要求1所述的一种基于TDOA的定位系统，其特征在于，所述标签，还用于：
首先根据预设线性时钟模型得出主基站时钟与标签时钟之间的关联公式(1)：t标签时钟＝kt主基站时钟+b+e(1)；其中，k表示主基站时钟相对于标签时钟的频偏，b表示主基站时钟和标签时钟的相偏，e表示主基站与标签之间的距离，t标签时钟表示标签时钟，t主基站时钟表示主基站时钟；
然后将第一主基站广播信号发送时间T主基站时钟,1、第二主基站广播信号发送时间T主基站时钟,2、第一主基站广播信号到达标签时间T标签时钟,1和第二主基站广播信号到达标签时间T标签时钟,2代入公式(1)得出公式(2)和公式(3)；其中，T标签时钟,1＝kT主基站时钟，1+b+e(2)，T标签时钟,2＝kT主基站时钟，2+b+e(3)；
并根据公式(2)和公式(3)得出k＝(T主基站时钟,2-T主基站时钟,1)/(T标签时钟,2-T标签时钟,1)，进而得出主基站时钟与标签时钟之间的线性关系。


3.根据权利要求2所述的一种基于TDOA的定位系统，其特征在于，假设：在主基站时钟基准下：第i个从基站的从基站广播信号到达主基站时间为t主基站时钟,r,i、第j个从基站的从基站广播信号到达主基站时间为t主基站时钟,r,j、光速为c、主基站与第i个从基站的距离为di、主基站与第j个从基站的距离为dj，则第i个从基站的从基站广播信号发送时间为t主基站时钟,s,i＝t主基站时钟,r,i-di/c、第j个从基站的从基站广播信号发送时间为t主基站时钟,s,j＝t主基站时钟,r,j-dj/c；
在标签时钟基准下：第i个从基站的从基站广播信号到达标签时间为t标签时钟,r,i、第j个从基站的从基站广播信号到达标签时间为t标签时钟,r,j、第i个从基站的从基站广播信号发送时间为t标签时钟,s,i、第j个从基站的从基站广播信号发送时间为t标签时钟,s,j；
所述标签，用于根据主基站时钟基准下第i个从基站的从基站广播信号发送时间t主基站时钟,s,i、主基站时钟基准下第j个从基站的从基站广播信号发送时间t主基站时钟,s,j、标签时钟基准下第i个从基站的从基站广播信号发送时间为t标签时钟,s,i、标签时钟基准下第j个从基站的从基站广播信号发送时间为t标签时钟,s,j代入公式(1)分别得出公式(4)和公式(5)，具体为：
t标签时钟,s,i＝kt主基站时钟,s,i+b+e(4)，
t标签时钟,s,j＝kt主基站时钟,s,j+b+e(5)；
根据公式(4)、公式(5)以及k计算得出标签的TDOA量测；TDOA量测为第i个从基站与第j个从基站之间的从基站广播信号到达标签的传播时间差ti,j：





4.根据权利要求1所述的一种基于TDOA的定位系统，其特征在于，每个从基站，用于当接收到所述发起定位信号时，根据自身编号延迟编号*N秒后通过广播向主基站和标签发送对应的从基站广播信号；N为固定时延。


5.根据权利要求1所述的一种基于TDOA的定位系统，其特征在于，当从基站的数量大于或等于3时，所述标签，还用于根据二维定位解算方法、标签的TDOA量测、主基站位置和每个从基站位置进行二维定位得出标签的位置；
当从基站的数量大于或等于4时，所述标签，还用于根据三维定位解算方法、标签...

【专利技术属性】
技术研发人员：王江林，李宁，黄月天，文述生，周光海，肖浩威，单常垿，黄劲风，马原，徐丹龙，杨艺，马然，丁永祥，闫少霞，庄所增，潘伟锋，张珑耀，刘国光，郝志刚，赵瑞东，闫志愿，陈奕均，黄海锋，刘星，邹盛开，陈婉，冯亮，余定麟，扈秋海，
申请(专利权)人：广州南方卫星导航仪器有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44