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摘要：本发明公开了一种基于锚节点差分时间同步与“Taylor”协同的定位系统，其特点是采用基站与交换机、同步节点和服务器架构的定位系统，所述基站将标签和同步节点发送的定位包封装成数据包，通过交换机转发至服务器；所述服务器将计算的移动标签到达各从基站的伪距差和各从基站间的伪距差，通过求解线性方程组得到移动标签的初始坐标，并利用“Taylor”递归算法求取移动标签的精确坐标。本发明与现有技术相比具有较高和较稳定的定位精度，降低移动端计算负荷、生产成本和体积，无需额外铺设大量的硬件设备，也无需对现有硬件设备做出更改，完全依赖软件形式实现，易于推广，在以管理者应用为主对多用户进行管理的室内定位应用环境中具有较大优势和商业前景。

主权项：1.一种基于锚节点差分时间同步和“Taylor”协同的定位系统，其特征在于采用定位基站与交换机、同步节点和服务器架构的定位系统，所述定位基站由主时钟基站与多个从基站组成，定位基站将移动标签和同步节点发送的定位包封装成数据包，通过交换机转发至服务器，且由服务器计算移动标签到达各从基站的伪距差和各从基站间的伪距差，利用观测值的协方差矩阵及不少于四个从基站的已知位置坐标和伪距改正值，求解线性方程组得到移动标签的初始坐标，然后利用“Taylor”递归算法求取移动标签的定位坐标；所述各从基站间的伪距差由下述2式计算： 所述移动标签到达各从基站的伪距差由下述4式计算： 其中，为未作改正的锚节点Ai和A1接收标签T信号的时间差对应的伪距差，为直接观测量；为锚节点Ai和A1光纤传播和硬件延迟对应的伪距改正，已事先标定；等号右侧第一项包含待求的未知标签T的坐标；所述协方差矩阵由下述6式表示： 所述线性方程组为下述8式表示： 所述“Taylor”递归算法为下述11式表示：

全文数据：一种基于锚节点差分时间同步和“Taylor”协同的定位系统技术领域本发明涉及无线通信的室内定位技术领域，尤其是一种基于锚节点差分时间同步和“Taylor”协同的定位系统。背景技术室内定位的关键技术研究和产业化以及伴之而来的位置服务行业越来越受到社会的关注，空间技术的发展使得以GNSSGlobalNavigationSatelliteSystem为基础的室外卫星导航定位技术蓬勃发展，达到了厘米级甚至毫米级的定位精度，并且带动了位置服务的大众化应用，极大地方便了人们的日常生活。室外定位技术发展成熟，而占人类生活80％的室内定位技术及相应的位置服务的发展却滞后于室外定位。室内定位由于用途差异大，环境复杂度高，误差源干扰严重，设备成本限制等原因，难以简单地移植现有的比较成熟的室外定位技术。目前，室内定位尚未有一项占压倒性优势的公认的成熟的关键技术，各种技术方案分别研发竞争。这些技术大致上可分为根据信号强度衰减定位，如Wi-Fi的指纹分析，红外、视觉光学、地磁、蓝牙、ZigBee等；根据信号到时定位，如A-GPS、伪卫星、超声、UWB等，以及根据积分或航迹推算，如惯性传感器和RFID等自主定位三大类。在高精度室内定位领域，强度衰减定位和自主定位都在米级精度上遇到了瓶颈，难以突破。其中强度衰减和距离经验关系的不确定度及易受室内环境影响、自主定位需要对时间积分造成的误差随时间累积的非线性增长是造成瓶颈的主要原因之一，这是定位技术本身的弱点。多源融合定位是一个发展趋势，定位精度能得到进一步提升，但它的基础来自各项定位技术本身的精度提高及稳定性加强。另一方面，对信号到时室内定位技术的深入研究也能够为突破此瓶颈提供单项技术的支撑。GNSS定位的高精度就基于卫星信号到达时刻的精确测定，时间是七大基本物理量之一，时间单位的测量精度可达到10-15秒水平，以至于另一基本物理量长度的单位米改为光在真空中1299792458秒的时间间隔内行进的距离定义。信号发射端和各接收端的时间同步是实现高精度定位的关键，对于无线电波到时观测的时间同步必须达到3纳秒以内才能实现米级以内的定位精度。发明内容本发明的目的是针对现有技术的不足而设计的一种基于锚节点差分时间同步和“Taylor”协同的定位系统，采用基组与后台服务器架构的协同定位系统，利用同步节点实现标定固定节点之间的光纤传播和机械时延之差并将其保存在后台服务器，降低了移动端标签计算负荷、生产成本和体积，无需额外铺设大量的硬件设备，也无需对现有硬件设备做出更改，完全依赖软件形式实现，易于推广，在以管理者应用为主对多用户进行管理的室内定位应用环境中具有较大优势和商业前景。本发明的目的是这样实现的：一种基于锚节点差分时间同步与“Taylor”协同的定位系统，其特点是采用定位基站与交换机、同步节点和服务器架构的定位系统，所述定位基站由主时钟基站与多个从基站组成，定位基站将移动标签和同步节点发送的定位包封装成数据包，通过交换机转发至服务器，且由服务器计算移动标签到达各从基站的伪距差和各从基站间的伪距差，利用观测值的协方差矩阵及不少于四个从基站的已知位置坐标和伪距改正值，求解线性方程组得到移动标签的初始坐标，然后利用“Taylor”递归算法求取移动标签的定位坐标；所述各从基站间的伪距差由下述2式计算：所述移动标签到达各从基站的伪距差由下述4式计算：所述协方差矩阵由下述6式表示：所述线性方程组为下述8式表示：所述定位基站将接收的同定位包以用户数据报协议UserDatagramProtocol：UDP的格式封装成数据包。所述移动标签采用超宽带脉冲无线信号为定位信号的载波，发射含有时间戳和标签识别号标签ID信息的定位包到各从基站，用于测量移动标签到各从基站间的到达时间。所述同步节点利用已知位置且多次发的定位包来标定固定节点之间的光纤传播和机械时延之差，并将其和各从基站的位置存储至服务器用于改正伪距误差。所述交换机由光纤连接定位基站和服务器，用于各从基站与服务器的数据转发。所述同步节点的坐标采用激光测距仪测定。所述服务器包括：数据解析模块、存储模块、同步基站模块、运算模块和输出模块。所述移动标签和同步节点发送的定位包包括：固定字符串、网络ID、基站ID、标签ID，以及基站接收时间和序号。本发明与现有技术相比具有较高和较稳定的定位精度，降低移动端标签计算负荷、生产成本和体积，无需额外铺设大量的硬件设备，也无需对现有硬件设备做出更改，完全依赖软件形式实现，易于推广，在以管理者应用为主对多用户进行管理的室内定位应用环境中具有较大优势和商业前景。附图说明图1为本发明结构示意图；图2为本发明具体运用示意图；图3为本发明与传统定位算法和实验平台运算结果对比图。具体实施方式参阅附图1，本发明由服务器1、交换机2、基站3、同步节点4以及移动标签5架构的定位系统，所述基站3将移动标签5和同步节点4发送的定位包封装成数据包，通过交换机2转发至服务器1，且由服务器1将计算的移动标签5到达各基站3的伪距差和各基站3间的伪距差采用观测值的协方差矩阵，利用不少于四个基站3的已知位置坐标和伪距改正值，通过求解线性方程组得到移动标签5的初始坐标，并利用“Taylor”递归算法求取移动标签5的精确坐标。所述服务器1包括：数据解析模块11、存储模块12、同步基站模块13、运算模块14和输出模块15；所述基站3将接收的同定位包以用户数据报协议UserDatagramProtocol：UDP的格式封装成数据包，定位基站3通过光纤向服务器1回传数据并由POEPowerOverEthernet方式进行供电；所述移动标签5采用超宽带脉冲无线信号为定位信号的载波，发射含有时间戳和标签识别号标签ID信息的定位包到各基站3，用于测量移动标签5到各基站3间的到达时间，移动标签5由移动电源进行供电，保证其的移动性；所述同步节点4利用已知位置且多次发的定位包来标定固定节点之间的光纤传播和机械时延之差，并将其和各基站3的位置存储至服务器1用于改正伪距误差；所述交换机2用于将定位基站3接收到的标签定位包和主时钟基站31的同步包发送至服务器1，交换机2由光纤连接各从基站32和服务器1，用于各从基站32与服务器1的数据转发；所述服务器1承担定位基站3同步、解析数据包、存储伪距改正值以及各从基站32信息和解算移动标签5位置等功能；所述同步节点4的坐标采用激光测距仪测定；所述移动标签5和同步节点4发送的定位包包括：固定字符串、网络ID、基站ID、标签ID，以及基站接收时间和序号。以下通过具体实施例对本发明作进一步的详细说明。实施例1参阅附图2，本发明在定位过程前，同步节点4放置在位置固定已知的测试位置上，长时间且多次发送定位信号，利用解算坐标和真实坐标的误差值，标定固定节点之间的光纤传播和机械时延之差，并保存在后台的服务器1，用于改正定位过程中的伪距误差。定位基站3固定端或锚节点，每个从基站32仅有服务器1的分配IP地址，并接收移动标签5发送的定位包和主时钟基站31的同步包，将其以用户数据报协议UserDatagramProtocol：UDP的格式封装成数据包。交换机2利用光纤与定位基站3和后台的服务器1连接，主要用于定位基站3与服务器1的数据转发。设置在后台的服务器1具有存储实现标定的固定节点之间的光纤传播和机械时延之差、解析交换机2转发的数据报，计算移动标签5到各从基站32与主时钟基站31间的到达时间差TDOA，并进行相应的伪距改正，以及利用不少于四个从基站32的已知位置坐标，通过求解线性方程组得到待移动标签5的初始估计坐标，随后利用“Taylor”递归算法，求取移动标签5的最终精确坐标，其具体定位过程如下：a、利用已知位置的同步节点4来标定固定节点之间的光纤传播和机械时延之差，并将其和各从基站32的位置存储至后台的服务器1。b、在本地建立坐标系，其中同步节点4的相对坐标采用激光测距仪测定。c、移动标签5定时发送定位包，测量其到各从基站32间信号传输的相对时间差。定位包包括：固定字符串、网络ID、基站ID、标签ID、基站接收时间和序号。固定字符串为$TAG；网络ID为固定的网络ID，在本系统中为2000；基站ID为收到此定位包的基站ID；标签ID为发送定位包的标签的ID；基站接收时间是基站接受的时间的TICK；序号上电后从1开始计数，每次加1，最大到128后从1再次计数。基站接收时间是一个24位的数字计数器。每符号占位为7比特，所以时间分辨率为1.0500×106×27秒，其对应距离约为4.68毫米。d、主时钟基站31将同步包发送至各从基站32，用于初步同步各个基站的时钟。同步包包括：固定字符串、网络ID、本基站ID、来源主基站ID、主基站发送TICK、从基站接收TICK和序号。固定字符串为$SYNC；网络ID为固定的网络ID，在本系统中为2000；本基站ID为收到的基站ID；来源主基站ID为发送同步包的主基站的ID；主基站发送TICK是主基站发送的时间；从基站接收TICK是送基站接收到的时间；序号上电后从1开始计数，每次加1，最大到128后从1再次计数。e、定位基站3接收移动标签5的定位包和主时钟基站31的同步包后，通过交换机2将数据报转发到后台的服务器1。f、服务器1由数据解析模块11和运算模块14，利用下述1式解算得锚节点Ai与同步节点S之间测定的时间差其中：为锚节点Ai与同步节点S之间的距离；为锚节点Ai到本地引擎的光纤长度包括折合成长度的硬件延迟；τS为同步节点S的时钟在其发射信号时刻的钟差；为锚节点Ai在其接收到信号时刻自身的钟差。对同一发射信号两个锚节点A2和A1测定的走时之间的差分由下述2式表示的伪距差：其中，锚节点A2和A1测定时的差分是针对同步节点S发出的同一帧信号，因此发射端钟差项得以消除；为锚节点A2和A1在接收同步节点S信号时自身的钟差的差。由于各个锚节点共用本地引擎的同一个时钟，所以锚节点的钟差项实际上是本地引擎钟在两个锚节点接收时间差通常小于1000纳秒的钟差量。在这样短的时间间隔内，本地引擎的钟差可近似地表示为钟差漂移率视为常数和传播时间的乘积，本地引擎的钟差漂移率通常小于100ppm，可以忽略。因此上述2式可化简为下述3式：其中，定义表示要测定的锚节点A2和A1光纤和硬件传播延迟的差分对应的伪距差；等号右侧第一项为观测量，第二项为已知量。通常选择多个已知位置的同步节点4观测以削弱随机误差影响，由最小二乘拟合估计出锚节点间的传播延迟差，并将其保存至后台服务器中。g、在定位过程中，未知位置的移动标签5发送定位信号，定位基站3接收移动标签5的定位信号和主时钟基站31的同步包后，通过交换机2将数据包转发到后台的服务器1。h、服务器1完成对数据包的数据解析，计算移动标签5到达各从基站32的到达时间差，从而计算移动标签5和定位基站3间的相对几何距离，并进行伪距误差的改正。1解析数据包，以1号基站为基准，计算移动标签5到各从基站32的到达时间与到达1号基站的时间差，并将其转化为伪距差；2改正移动标签5标到各从基站32与主时钟基站31之间伪距误差，将上述3式变换，得下述4式：其中，为未作改正的锚节点Ai和A1接收标签T信号的时间差对应的伪距差，为直接观测量；为锚节点Ai和A1光纤传播和硬件延迟对应的伪距改正，已事先标定；等号右侧第一项包含待求的未知标签T的坐标。3观测值权值的确定：移动标签5到各从基站32走时误差的方差未知，观测方程并不是严格意义上的同步观测，各从基站32的时钟漂移程度也不相等，故为了求出待估参数，必须选择合理的观测值的协方差矩阵。假定各个锚节点观测到的伪距的误差是相互独立的，其误差和伪距的距离成正比，则可用下述5式表示：其中，ρ0为一参考距离；σ0为参考距离对应的观测误差。单差的伪距观测量是相关的，其协方差矩阵可由下述6式表示：i、利用不少于四个从基站32的已知位置坐标和伪距改正值，通过求解线性方程组得到移动标签5的初始估计坐标，并将其代入改进后的“Taylor”递归算法，最终求取标签的精确坐标。1在伪距误差改正值的基础上，利用线性方程组计算标签的初始坐标；锚节点Ai和同步节点S之间的几何距离由下述7式表示：设锚节点A1为参考节点，对上述7式进行变换，并将上述4式代入下述8式：在不影响结论的前提下，将所有的锚节点都设在同样高度，即并如下定义：将上述8式写成下述9式表示的矩阵形式：PT＝AC-1A-1ATC-1Δρ+λ；9其中：A、λ均为已知量；Δρ为传播延迟改正后的观测矩阵，可计算出移动标签5的坐标和并将其代入上述7式，可得2将计算结果代入改进的“Taylor”算法以求取更精确稳定的定位结果。将上述7式得到的锚节点Ai和锚节点A1与移动标签T之间的几何距离的差采用下述10式计算：并将上述10式在移动标签5的估计位置处进行一阶泰勒展开忽略二阶及以上分量，得到下述11式，即微分形式表示的10式：并定义：和将上述11式写成下述12式表示的矩阵形式：ΔPT＝HTC-1H-1HTC-1ΔρT；12重复上述步骤进行递归，当上述12式中的值小于预置阈值时,用锚节点算法的初步定位结果加上，即为“Taylor”改正后的坐标值。至此，基于锚节点差分时间同步和“Taylor”协同定位的算法得到了移动标签5最终的精确定位坐标值。参阅附图3，本发明通过与传统定位算法和实验平台运算结果对比，可以看出基于锚节点差分时间同步和“Taylor”协同的定位效果较好，具有较高和较稳定的定位精度的特点。利用同步锚节点事先标定固定节点之间的光纤传播和机械时延之差并将其保存在后台的服务器1后，对未知定位标签的伪距计算结果进行误差改正，简单有效地考虑了时间误差的情况下于室内定位提升了定位精度和稳定性，优于现有技术。以上只是对本发明作进一步的说明，并非用以限制本专利，凡为本发明等效实施，均应包含于本专利的权利要求范围之内。

权利要求：1.一种基于锚节点差分时间同步与“Taylor”协同的定位系统，其特征在于采用定位基站与交换机、同步节点和服务器架构的定位系统，所述定位基站由主时钟基站与多个从基站组成，定位基站将移动标签和同步节点发送的定位包封装成数据包，通过交换机转发至服务器，且由服务器计算移动标签到达各从基站的伪距差和各从基站间的伪距差，利用观测值的协方差矩阵及不少于四个从基站的已知位置坐标和伪距改正值，求解线性方程组得到移动标签的初始坐标，然后利用“Taylor”递归算法求取移动标签的定位坐标；所述各从基站间的伪距差由下述2式计算：所述移动标签到达各从基站的伪距差由下述4式计算：所述协方差矩阵由下述6式表示：所述线性方程组为下述8式表示：2.根据权利要求1所述基于锚节点差分时间同步与“Taylor”协同的定位系统，其特征在于所述定位基站将接收的同定位包以用户数据报协议的格式封装成数据包。3.根据权利要求1所述基于锚节点差分时间同步与“Taylor”协同的定位系统，其特征在于所述移动标签采用超宽带脉冲无线信号为定位信号的载波，发射含有时间戳和标签识别号信息的定位包到各从基站，用于测量移动标签到各从基站的到达时间。4.根据权利要求1所述基于锚节点差分时间同步与“Taylor”协同的定位系统，其特征在于所述同步节点利用已知位置且多次发的定位包来标定固定节点之间的光纤传播和机械时延之差，并将其和各从基站的位置存储至服务器用于改正伪距误差。5.根据权利要求1所述基于锚节点差分时间同步与“Taylor”协同的定位系统，其特征在于所述交换机由光纤连接定位基站和服务器，用于各从基站与服务器的数据转发。6.根据权利要求1所述基于锚节点差分时间同步与“Taylor”协同的定位系统，其特征在于所述同步节点4的坐标采用激光测距仪测定。7.根据权利要求1所述基于锚节点差分时间同步与“Taylor”协同的定位系统，其特征在于所述服务器包括：数据解析模块、存储模块、同步基站模块、运算模块和输出模块。8.根据权利要求1所述基于锚节点差分时间同步与“Taylor”协同的定位系统，其特征在于所述定位包包括：固定字符串、网络ID、基站ID、标签ID，以及基站接收时间和序号。

百度查询： 华东师范大学 一种基于锚节点差分时间同步和“Taylor”协同的定位系统