tdoa時鐘同步解決方案

1、tdoa時鐘同步解決方案篇一：移動通信網(wǎng)定位技術(shù)發(fā)展及應用移動通信網(wǎng)定位技術(shù)發(fā)展及應用目錄1移動通信網(wǎng)定位技術(shù)綜述1定位基本概念.1物理位置和抽象位置1定位性能指標2定位技術(shù)分類.2基于三角/雙曲線關(guān)系的定位技基于場景（信號指紋）分析的.3基于臨近關(guān)2移動通信網(wǎng)CellID5UTOA/UTDOA定位技術(shù)7E-OTD定位技術(shù)7智能天線AOA7信號衰減8AGPS9基于數(shù)據(jù)融合的混合定位9模式匹配無線局域網(wǎng)于1996年下達指示要求移動運營商為移動電話用戶提供E-911服務(wù)，這就要求對所有移動電話用戶實現(xiàn)定位功能，同時，F(xiàn)CC又于1999年對定位精度做由新的要求。FCC的這些舉措大大促進了關(guān)于定位技術(shù)

2、及其服務(wù)業(yè)務(wù)研究的發(fā)展，很多國家開始致力于研究商用定位技術(shù)并推由了各具特色的商用定位服務(wù)。近幾年，全球移動用戶的數(shù)量迅猛發(fā)展，為商用位置服務(wù)提供了極其誘人的市場前景。相關(guān)的位置服務(wù)業(yè)務(wù)可包括：緊急求救電話服務(wù)、物流管理、商業(yè)求助電話服務(wù)、個人問詢服務(wù)、車輛導航服務(wù)、特定跟蹤服務(wù)等等。移動定位涉及移動無線通信、數(shù)學、地理信息和計算機科學等多個學科的知識，莫些有關(guān)移動定位的基本概念比較容易混淆，因此有必要首先澄清一些基本概念。定位基本概念物理位置和抽象位置定位系統(tǒng)提供的位置信息可以分為兩類：物理意義上的位置信息和抽象意義上的位置信息。所謂物理意義上的位置信息，就是指被定位物體具體的物理或數(shù)學層面上

3、的位置數(shù)據(jù)。例如，GPS可以測得一幢建筑物位于北緯，東經(jīng)，海拔50米處。相對而言，抽象的位置信息可以表達為：這棟建筑物位于公園的樹林中或校園的主教學樓附近等。從應用程序的角度1講，不同的應用程序需要的位置信息抽象層次也不盡相同，有些只需要物理位置信息；而有些則需要抽象意義上的位置信息，單純的物理位置信息對它們來說是透明的，或是沒有意義的。當然，物理位置信息可以在附加信息庫的幫助下，轉(zhuǎn)換并映射為抽象層次的位置信息。定位性能指標定位精度和定位準確度是兩個緊密聯(lián)系的概念，它們之間的關(guān)系類似于數(shù)理統(tǒng)計學中置信區(qū)間和置信水平之間的關(guān)系。嚴格說來，如果孤立的指由莫個定位系統(tǒng)的定位精度或定位準確度，都是沒有

4、意義的。典型的正確描述應該是：A定位系統(tǒng)可以在95%勺概率（置信水平）下達到10m的定位精度。其中，“95%描述的是定位準確度。定位精度越高，相應的定位準確度就越低，反之亦然。通過增加定位設(shè)備的密度或綜合使用多種不同的定位技術(shù)，可以同時提高定位系統(tǒng)的精度和準確度。一般說來，室內(nèi)應用所需定位精度要比室外應用高。定位技術(shù)分類無線定位技術(shù)通過對無線電波的一些參數(shù)進行測量，根據(jù)特定的算法來判斷被測物體的位置。測量參數(shù)一般包括無線電波的傳輸時間、幅度、相位和到達角等。定位精度取決于測量的方法。從定位原理的角度來看，定位技術(shù)大致可以分為三種類型：基于三角關(guān)系和運算的定位技術(shù)、基于場景分析的定位技術(shù)和基于臨

5、近關(guān)系的定位技術(shù)。基于三角/雙曲線關(guān)系的定位技術(shù)這種定位技術(shù)根據(jù)測量得由的數(shù)據(jù)，利用幾何三角或雙曲線關(guān)系計算被測物體的位置，它是最主要的、也是應用最為廣泛的一種定位技術(shù)?；谌腔螂p曲線關(guān)系的定位技術(shù)可以細分為兩種：基于距離測量的定位技術(shù)和基于角度測量的定位技術(shù)。基于距離測量的定位技術(shù)先要測量已知位置的參考點（A,B,C三點）與被測物體之間的距離，然后利用三角知識計算被測物體的位置。具體說來，距離測量的方法有直接測量、傳播時間、無線電波能量衰減三種方法。直接測量通過物理動作和移動來測量參考點與被測物體之間的距離。例如，機器人移動自己的探針，直到觸到障礙物，并把探針移動的距離作為自己與障礙物之間

6、的一個距離參數(shù)。傳播時間測量法是在已知傳播速度的情況下，無線電波傳播的距離與它傳播的時間成正比。2篇二：聯(lián)合TDOAa進算法和卡爾曼濾波的UWB1內(nèi)定位研究關(guān)鍵詞：到達時間差；卡爾曼濾波；超寬帶；室內(nèi)定位中圖分類號：tn911?34文獻標識碼：a文章編號：1004?373x(20XX)13?0001?050引言全球定位系統(tǒng)(globalpositioningsystem,gps)是室外定位的通用解決方案，在無輔助的情況下定位精度一般為10m以上。在室內(nèi)，基于傳統(tǒng)無線電技術(shù)的各類定位解決方案仍然是一個未解決的問題，因為室內(nèi)信號傳播環(huán)境相比室外更加復雜，很難精確分析信號到達時間或到達角度等參數(shù)1。

7、射頻識別及藍牙定位具有低功耗、時延小、低成本等特點，但是較低的傳輸速率使其并不適合大數(shù)據(jù)傳輸場景；此技術(shù)的另一局限性在于它的定位精度是米級，且易受噪聲信號的干擾，傳輸距離較短。ghz無線網(wǎng)絡(luò)頻帶與藍牙類似，定位方法同樣受環(huán)境影響較大，遇到障礙物或者電磁波干擾就會造成數(shù)據(jù)的不準確。各種定位技術(shù)的特性比較，如圖1所示。如圖2所示，各個基站的信號在到達標簽的過程中，要經(jīng)過室內(nèi)各種復雜的信道，而這種信道是多徑的且具有非視距誤差，因此信號從基站到達標簽的時間經(jīng)常要比一個基站的信號脈沖時間要大很多，如果不加入保護時隙，那么前一個基站的信號會與后一個發(fā)生碰撞重疊，導致標簽無法對基站進行區(qū)分4otdoa算法通

8、過比較信號到達時間差，就能作由一組雙曲線，如圖3所示，雙曲線的交點是標簽的位置，而雙曲線的焦點是基站的位置5。式中：是基站的坐標；是標簽的坐標；是第個基站到達標簽的時間；是電磁波的速度為tdoa標準算法可以通過方程組（1）推導由標簽的坐標。tdoa標準算法需要基站間保持時鐘同步，基站發(fā)信號，標簽接收。由于基站的絕對完全同步，可以通過數(shù)學方法得到最優(yōu)解，如最小二乘法、線性約束等6o標簽將根據(jù)到達時差、保護時隙和基站的坐標計算自己的位置。然而，對于tdoa標準算法基站完全同步的高要求，因為晶振頻率的不精確，環(huán)境溫度的影響等，導致基站在初始時間是不可能完全同步的。此外，即使實現(xiàn)初始狀態(tài)的時鐘同步，由

9、于晶振的頻率是不同的，隨著時間的推移，將會產(chǎn)生時鐘漂移，變得又不同步了7o標準tdoa傳統(tǒng)的實現(xiàn)同步方式是采用網(wǎng)線或其他導線避免不同步，有局限性，容易受限于地理因素，無法大規(guī)模部署，也做不到無線時鐘同步，方便性很差，無法商業(yè)應用，針對這一問題，采用tdoa改進算法實現(xiàn)無線時鐘同步。3 tdoa改進算法tdoa改進算法不同于標準tdoa算法之處在于，可以采用比標準算法更容易、更方便的方式對基站做初始時鐘同步。這就意味著，新算法進一步降低了時鐘同步的難度且容易實現(xiàn)無線。如圖4所示，是四個基站和標簽1的距離，是基站1和其他基站的距離?；?發(fā)送一個信號到整個網(wǎng)絡(luò)，其他基站在收到基站1的信號后立即發(fā)射

10、信號給標簽1。標簽1在接收到基站1的信號后，記錄下該信號的到達時間，然后一直等待，直到來自基站2,基站3,基站4的信號到達，記錄從所有基站到達標簽1的到達時間，計算基站2,基站3,基站4,，基站的到達時間差，。結(jié)合它們的坐標計算自己的坐標。由于標簽1通過本地時鐘記錄下了基站1的到達時間，對于新算法來說，它等價于同一信號從隨機選取的基站1生發(fā)后經(jīng)過不同的路徑到達標簽1,它們的開始時間本質(zhì)上是一致的，這樣就實現(xiàn)了基站的時鐘初始化同步。tdoa改進算法在算法層實現(xiàn)了同步，故不需要部署網(wǎng)線或?qū)Ь€實現(xiàn)時鐘同步，可以無線方式部署，故而采用此改進tdoa算法做室內(nèi)定位。式中：是基站抵達標簽1的時間；是標簽1

11、的矩估計量；是基站的坐標；是基站與標簽的距離的矩估計。由于基站1和基站之間的距離可以通過場地測量，因此不需要用矩估計總小。在tdoa定位過程中，標簽接收到信號，但是它不發(fā)送信號，不會產(chǎn)生碰撞干擾，標簽1和標簽2是相對獨立的，故而可以實現(xiàn)多標簽的擴展。在本小節(jié)，已經(jīng)在初始時刻實現(xiàn)了基站的時鐘同步，面對室內(nèi)復雜的環(huán)境，信號在傳輸過程中，不可避免地遇到非視距的障礙物阻擋產(chǎn)生誤差，對于這一問題，采用卡爾曼濾波錯誤檢測算法來消除傳輸誤差。4卡爾曼濾波消除信號傳遞過程的干擾無線時鐘同步運用卡爾曼濾波消除信號傳遞過程中的干擾。把基站分為主基站和從基站，通過一個同步周期的時鐘信息去估計下一個同步周期的主從基站

12、時鐘間的漂移。從圖5中可以推斷，當所有的基站完全同步（均方差為m以下），其定位結(jié)果準確，標準tdoa和改進tdoa的定位方法的性能非常接近。當均方差較大時，兩種定位方法的均方根誤差均高于1m事實上，由于tdoa改進算法需要發(fā)送信號到其他基站最后回到標簽，在中轉(zhuǎn)的基站上，由于硬件要實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)過程，使得它比標準算法性能稍差。但是，改進tdoa算法實現(xiàn)初始時刻時鐘同步更容易，也可以實現(xiàn)無線，且標準和改進tdoa算法的rmse值變化趨勢基本是相同的。從這個意義上講，與標準tdoa算法相比，tdoa的改進算法具有一定的優(yōu)勢。聯(lián)合算法的多標簽性能仿真tdoa算法的最大優(yōu)點是，它不限制標簽的數(shù)量，標簽是相互獨

13、立的。在此，通過matlab仿真，分析多標簽下的改進tdoa算法的性能，橫坐標代表加入標簽的數(shù)量，縱坐標代表定位精度。在標準tdoa算法和改進tdoa算法中加入卡爾曼濾波算法，逐漸增加標簽數(shù)量，測試其定位精度并作比較。如圖6所示，作為一種理想狀態(tài)，標準tdoa定位聯(lián)合卡爾曼濾波算法精度可以達到20cm這是因為標準tdoa算法使所有的基站做到絕對同步。與標準tdoa聯(lián)合卡爾曼濾波算法相比，改進的tdoa聯(lián)合卡爾曼濾波算法的定位精度有一定的波動，但是波動幅度小于5cm,是可以接受的?？紤]到測試的隨機性，進行獨立重復試驗。此前的rmse比較表明單純的tdoa算法改進并不能達到厘米級的定位精度，加入卡

14、爾曼濾波算法后，如圖7所示，matlab仿真結(jié)果表明測距精度基本穩(wěn)定在1525cm,這個結(jié)果證明tdoa改進算法聯(lián)合卡爾曼濾波算法是有效的。本硬件系統(tǒng)hainan是由團隊自主研發(fā)，目前這套初期的系統(tǒng)已經(jīng)做到了單標簽10cm的定位精度。圖9(a)是超寬帶系統(tǒng)的天線模塊，使用市面上成熟的全向天線設(shè)計；圖9(b)是定位模塊和stm32最小系統(tǒng)模塊，stm32通過spi總線控制定位芯片；圖9(c)是pc端的上位機，上位機和客戶端采用sockettcp進行可靠通信；圖9(d)是多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)圖，中間的標簽通過周圍的四個基站定位；圖9(e)由移動電源給板子供電；圖9(f)是ipad客戶端實時顯示室內(nèi)的人或者物

15、體的運動軌跡7結(jié)語篇三：無線網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)無線網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)標簽：應用LBS20XX-03-2417:30閻嘯天于蓉蓉武威（中國移動通信有限公司研究院業(yè)務(wù)所）摘要介紹了位置信息和定位性能分析指標等基本概念，根據(jù)定位原理與策略的差異對各種定位方法進行分類，概要闡述和比較說明了蜂窩網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)絡(luò)，然后利用三角知識計算被測物體的位置。具體說來，距離測量的方法有三種：直接測量這種方法通過物理動作和移動來測量參考點與被測物體之間的距離。例如，機器人移動自己的探針，直到觸到障礙物，并把探針移動的距離作為自己與障礙物之間的一個距離參數(shù)。傳播時間在已知傳播速度的情況下，無線電波傳播的距離與它傳播的時間成正比。

16、這種測量方法需要注意的問題有如下幾個：無線電波（在非視距NLOS環(huán)境中）的傳播特性。一般的解決方法是增加測量次數(shù)，求生統(tǒng)計意義上的測量值。時鐘精度。時鐘同步。參與同一個定位過程的參考點之間必須保證時鐘的同。無線電波能量衰減已知發(fā)射電波的強度，在接收方測量收到的電波強度，以此估計由發(fā)射端距離接收端之間的距離。例如，在理想傳播環(huán)境下，無線電波的衰減與1/r2成正比（r為傳播距離）實際上，無線電波在空間傳播時能量的衰減受多種因素影響，相比傳播時間測量方法沒有優(yōu)勢。基于角度測量的定位技術(shù)基于角度的定位技術(shù)與基于距離測量的定位技術(shù)在原理上是相似的。兩者主要的不同在于前者測量的主要是角度，而后者測量的是距

17、離。一般來說，如果要計算被測物體的平面位置（即二維位置），那么則需要測量兩個角度和一個距離。同理，如果要計算被測物體的立體位置（即三維位置），那么則需要測量三個角度和一個距離?；诮嵌葴y量的定位技術(shù)需要使用方向性天線，如智能天線陣列等?；趫鼍埃ㄐ盘栔讣y）分析的定位技術(shù)這種定位技術(shù)對定位的特定環(huán)境進行抽象和形式化，用一些具體的、量化的參數(shù)描述定位環(huán)境中的各個位置，并用一個數(shù)據(jù)庫把這些信息集成在一起。業(yè)界習慣上將上述形式化和量化后的位置特征信息形象地稱為信號“指紋”。觀察者根據(jù)待定位物體所在位置的“指紋”特征查詢數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)特定的匹配規(guī)則確定物體的位置。由此可以看由，這種定位技術(shù)的核心是位置特

18、征數(shù)據(jù)庫和匹配規(guī)則，它本質(zhì)上是一種模式識別方法。Microsoft的RADARS線局域網(wǎng)定位系統(tǒng)就是一個典型的基于場景分析的定位系統(tǒng)?；谂R近關(guān)系的定位技術(shù)基于臨近關(guān)系進行定位的技術(shù)原理是：根據(jù)待定位物體與一個或多個已知位置參考點的臨近關(guān)系來定位。這種定位技術(shù)通常需要標識系統(tǒng)的輔助，以唯一的標識來確定已知的各個位置。這種定位技術(shù)最常見的例子是移動蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)中的CellID。假設(shè)待定位物體分別位于三個Cell中。由于各個Cell中參考點的位置已知，所以根據(jù)待定位物體所在Cell可以粗略確定其位置（即Cell中參考點的位置）。除了CellID以外，其他的例子還有XeroxPareTABSystem、CarnegieMellonAndrew、ActiveBadge等。定位策略從定位策略的角度來看，定位技術(shù)/系統(tǒng)可以分為基于移動終端的定位和基于網(wǎng)絡(luò)的定位兩種。基于移動終端的定位是指定位計算由移動終端自主完成，移動終端能夠自行確定自身當前的位置。基于網(wǎng)絡(luò)的定位主要由網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)收集待定位移動終端的信息并計算移動終端的當前位置。如果再對以上兩種定位策略進行細分，前一種定位策略又可以分為基于移動終端的定位和網(wǎng)絡(luò)輔助定位兩種；而后一種定位策略又可以分為基于網(wǎng)絡(luò)的定位和移動終端輔助定位兩種。4 .無線網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)不同的無線移動網(wǎng)絡(luò)對定位有著不同的業(yè)務(wù)需求和定義，不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲、物理層和MAC1設(shè)計