定位系统及方法
技术领域
本公开涉及通信技术领域，尤其涉及一种定位系统及方法。
背景技术
随着无线通信技术和互联网技术的发展，定位服务在生产生活中起着重要作用。
相关技术中的定位服务方案包括基于RFID(Radio Frequency Identification，射频识别)、红外线、蓝牙以及UWB(Ultra Wide Band，超宽带)进行定位。其中，基于UWB的定位方案主要通过两种方式实现：TOF(Time of Flight，飞行时间)定位以及TDOA(TimeDifference of Arrival，到达时间差)定位。而现有的基于TDOA的定位方案需要基站之间进行多次通信，限制了标签的数量并且不利于进行大规模网络拓展。
发明内容
有鉴于此，本公开提出了一种定位系统，所述系统包括服务器、第一参考基站以及多个第一系统基站，
所述第一参考基站，用于向所述多个第一系统基站发送同步时钟信号；
所述第一系统基站，用于：
根据所述第一参考基站的同步时钟信号，确定所述第一系统基站相对于所述第一参考基站的时钟误差；
根据接收到待定位目标的定位请求信息的第一时刻，向所述服务器发送所述第一时刻以及所述时钟误差；
所述服务器，用于根据各个第一系统基站的第一时刻以及所述时钟误差，确定所述待定位目标的定位结果。
在一种可能的实现方式中，所述第一系统基站根据所述第一参考基站的同步时钟信号，确定所述第一系统基站相对于所述第一参考基站的时钟误差，包括：
根据所述同步时钟信号、所述第一系统基站接收到所述同步时钟信号的第二时刻、以及预先确定的所述第一参考基站与所述第一系统基站的位置信息，确定所述第一系统基站相对于所述第一参考基站的时钟误差。
在一种可能的实现方式中，所述第一系统基站还用于：
根据所述时钟误差，通过时钟同步算法调整所述第一系统基站的时钟信息，以使所述第一系统基站与所述第一参考基站实现时钟同步。
在一种可能的实现方式中，所述系统还包括第二参考基站，以及在所述第二参考基站所在局域网内的多个第二系统基站，所述第二参考基站用于向所述多个第二系统基站发送同步时钟信号，所述第二参考基站与所述第一参考基站处于不同的局域网，
其中，所述第一参考基站还用于：
向所述第二参考基站发送同步时钟信号，以使所述第二参考基站与所述第一参考基站时钟同步。
在一种可能的实现方式中，所述服务器根据各个第一系统基站的第一时刻以及时钟误差，确定所述待定位目标的定位结果，包括：
根据所述各个系统基站的第一时刻以及时钟误差，通过到达时间差定位法确定所述待定位目标的定位结果。
在一种可能的实现方式中，所述待定位目标与所述服务器、所述第一参考基站以及所述多个第一系统基站之间通过超宽带UWB方式进行通信，所述待定位目标包括UWB标签。
根据本公开的另一方面，提供了一种定位方法，所述定位方法应用于定位系统的系统基站，所述定位系统包括服务器、参考基站以及多个系统基站，所述方法包括：
根据所述参考基站发送的同步时钟信号，确定所述系统基站相对于所述参考基站的时钟误差；
确定接收到待定位目标的定位请求信息的第一时刻，向所述服务器发送所述第一时刻以及所述时钟误差，以使所述服务器根据各个系统基站的第一时刻以及所述时钟误差，确定所述待定位目标的定位结果。
在一种可能的实现方式中，所述根据所述参考基站发送的同步时钟信号，确定所述系统基站相对于所述参考基站的时钟误差，包括：
根据所述同步时钟信号、所述系统基站接收到所述同步时钟信号的第二时刻、以及预先确定的所述参考基站与所述系统基站的位置信息，确定所述系统基站相对于所述参考基站的时钟误差。
在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：
根据所述时钟误差，通过时钟同步算法调整所述系统基站的时钟信息，以使所述系统基站与所述参考基站实现时钟同步。
在一种可能的实现方式中，所述待定位目标与所述服务器、所述参考基站以及所述多个系统基站之间通过超宽带UWB方式进行通信，所述待定位目标包括UWB标签。
根据本公开的实施例，定位系统中的各系统基站能够通过参考基站的同步时钟信号确定自身的时钟误差，系统基站能够将接收到目标的定位请求的时刻及时钟误差发送到服务器，以使服务器确定定位结果，从而降低时钟误差，提高定位精度，并且降低基站之间的通信次数，有利于提高待定位目标的并发能力。
根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。
图1示出TOF飞行时间定位原理示意图。
图2示出基于UWB超宽带的TDOA到达时间差定位方案的架构示意图。
图3示出根据本公开实施例的定位系统的架构示意图。
图4示出根据本公开实施例的待定位目标的结构示意图。
图5示出根据本公开实施例的系统基站的结构示意图。
图6示出根据本公开实施例的网络扩展架构示意图。
图7示出根据本公开实施例的定位方法的流程示意图。
图8示出根据本公开实施例的定位方法的架构示意图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
图1示出TOF飞行时间定位原理示意图，如图1所示，MS表示待定位目标，BS1、BS2、BS3分别表示3个不同的基站，t1、t2、t3分别表示从待定位目标发送定位请求信息到该定位请求信息到达BS1、BS2、BS3的传输时间，d1、d2、d3分别表示BS1、BS2、BS3与待定位目标的距离。
待定位目标可以向多个基站发送定位请求信息(例如广播信息帧(broadcastmessage))，分别确定从待定位目标发送定位请求信息到该定位请求信息到达各个基站的传输时间，定位请求信息以光速进行传播，根据定位请求信息到达各个基站的传输时间，能够确定待定位目标与各个基站的距离，以各个基站所在位置为圆心，待定位目标与各个基站的距离为半径画圆，根据各个圆的交点可以确定待定位目标的位置。
现有的基于TOF飞行时间的定位方法因为不同基站接收到定位请求信息的时间误差较大，导致定位精度不高。
图2示出基于UWB超宽带系统的TDOA到达时间差定位方案的架构示意图。如图2所示，UWB系统包括待定位目标、参考基站、系统基站1、系统基站2，其中，参考基站、系统基站1和系统基站2的位置信息是已知的。现有的基于UWB的TDOA定位方案的定位流程如下：
待定位目标发送定位请求信息R，其中，定位请求信息可以包括任意的广播信息；
参考基站、系统基站1和系统基站2均处于信息接收状态，参考基站、系统基站1和系统基站2接收到定位请求信息后，会触发产生一个接收定位请求信息的时间戳tp1、tp2、tp3；
参考基站接收到定位请求信息后，按照固定周期TD1向系统基站1和系统基站2发送第一参考信息R1，其中，R1的内容与定位请求信息不同；
系统基站1和系统基站2接收到R1后，会触发产生一个接收第一参考信息的时间戳t2、t3；
参考基站发送第一参考信息后，按照固定周期Tref向系统基站1和系统基站2发送第二参考信息R2，其中，R2的内容与R1以及定位请求信息的内容均不相同；
其中，因为参考基站、系统基站1和系统基站2的位置信息是已知的，在第一参考信息和第二参考信息都是以光速传播的基础上，系统基站1和系统基站2接收到R1和R2的时间也是确定的，根据系统基站1和系统基站2接收第一参考信息和第二参考信息的时间差，通过TDOA定位方法确定待定位目标的位置。
现有的基于UWB的TDOA定位方案需要参考基站发送两次参考信息才能确定待定位目标的位置，不同基站时间需要多次通信，占用了较多的无线通信资源，在同一单位时间内，减少了能够定位标签的数量，降低了标签并发能力。
图3示出根据本公开实施例的定位系统的架构示意图。如图3所示，所述定位系统包括服务器31、第一参考基站32以及多个第一系统基站33，
所述第一参考基站32，用于向所述多个第一系统基站33发送同步时钟信号；
所述第一系统基站33，用于：
根据所述第一参考基站32的同步时钟信号，确定所述第一系统基站33相对于所述第一参考基站32的时钟误差；
根据接收到待定位目标的定位请求信息的第一时刻，向所述服务器31发送所述第一时刻以及所述时钟误差；
所述服务器31，用于根据各个第一系统基站33的第一时刻以及所述时钟误差，确定所述待定位目标的定位结果。
根据本公开的实施例，定位系统中的各系统基站能够通过参考基站的同步时钟信号确定自身的时钟误差，系统基站能够将接收到目标的定位请求的时刻及时钟误差发送到服务器，以使服务器确定定位结果，从而降低时钟误差，提高定位精度，并且降低基站之间的通信次数，有利于提高待定位目标的并发能力。
在一种可能的实现方式中，待定位目标可以包括定位标签，其中，定位标签可以包括UWB标签。本公开实施例对待定位目标的类型不作限定。
图4示出根据本公开实施例的待定位目标的结构示意图。如图4所示，待定位目标可以包括微控制组件、定位射频收发组件、射频功率放大组件以及值守电路。其中，定位射频收发组件和值守电路连接到微控制组件，定位射频收发组件连接到射频功率放大组件。
其中，待定位目标的微控制组件用于向其他组件发送控制信号，以使各个组件实现相应的功能；定位射频收发组件用于实现双边双向测距；射频功率放大组件用于放大射频信号；值守电路用于将待定位目标从睡眠状态唤醒。
示例性地，待定位目标只需向第一系统基站发送一次定位请求信息，将计算压力和能源消耗转移至第一系统基站和服务器，能够有效降低待定位目标的电量消耗，延长待定位目标的续航时间。
在一种可能的实现方式中，图5示出根据本公开实施例的系统基站的结构示意图。如图5所示，系统基站可以包括微控制组件、定位射频组件、射频功放组件、5G通信组件、RS485通信组件以及电源组件。其中，定位射频组件、射频功放组件、5G通信组件、RS485通信组件均连接到微控制组件，电源组件为各个组件提供电源。
其中，系统基站的微控制组件用于根据各个组件发送的数据确定待定位目标的位置以及进行时钟同步算法解算等；定位射频组件和射频功放组件用于获取时间戳，完成射频数据收发；5G通信组件用于接收服务器的控制指令，并将控制指令发送至微控制组件；RS485通信组件用于发送待定位目标的位置。
在一种可能的实现方式中，所述待定位目标与所述服务器、所述第一参考基站以及所述多个第一系统基站之间通过超宽带UWB方式进行通信，本公开实施例对待定位目标与所述服务器、所述第一参考基站以及所述多个第一系统基站之间的通信方式不作限定。
在一种可能的实现方式中，第一参考基站可以是根据用户需求或者实际应用场景需要，从多个第一系统基站中选定的，具有与第一系统基站相同功能的基站。在实际应用中，多个第一系统基站可以独立工作，经过较长时间后，不同第一系统基站之间可能存在时间误差，而不同第一系统基站之间存在的时间误差，将导致待定位目标的定位结果的精度降低。第一参考基站可以是根据用户需求所选定的基站，可以将第一参考基站的时钟信息作为标准，以此确定各个第一系统基站与第一参考基站之间的时间误差，进而弥补该时间误差，提高定位精度。
在一种可能的实现方式中，第一参考基站可以向多个第一系统基站发送同步时钟信号，第一系统基站根据同步时钟信号，确定第一系统基站相对于第一参考基站的时钟误差。
示例性地，第一参考基站可以按预设周期发送同步时钟信号，同步时钟信号可以包括时钟同步帧(CCP，clock calibration packets)，通过同步时钟信号，可以确定各个第一系统基站相对于第一参考基站的时钟误差，进而根据时钟误差，调整各个第一系统基站的时钟信息，以使各个第一系统基站与第一参考基站实现时钟同步，从而提高定位精度。
在一种可能的实现方式中，所述第一系统基站根据所述第一参考基站的同步时钟信号，确定所述第一系统基站相对于所述第一参考基站的时钟误差，包括：
根据所述同步时钟信号、所述第一系统基站接收到所述同步时钟信号的第二时刻、以及预先确定的所述第一参考基站与所述第一系统基站的位置信息，确定所述第一系统基站相对于所述第一参考基站的时钟误差。
示例性地，由于第一系统基站和第一参考基站的位置是固定的，因此，第一系统基站和第一参考基站的位置信息是可以预先确定的。同步时钟信号可以指示第一参考基站当前的时钟信息，第二时刻可以指示第一系统基站接收到同步时钟信号的时刻，因为第一系统基站与第一参考基站的距离是确定的，同步时钟信号以光速传播，因此，同步时钟信号从第一参考基站传输到第一系统基站的时长也是确定的。
示例性地，以第一参考基站当前时钟信息为0：001ns、第二时刻为0:003ns、同步时钟信号从第一参考基站传输到第一系统基站的时长为1ns为例，若第一系统基站与第一参考基站之间不存在时钟误差，则从第一参考基站发送同步时钟信号到第一系统基站接收到该同步时钟信号，第一系统基站当前的时钟信息应为0:002ns，但是第二时刻实际为0:003ns，由此可见，第一系统基站相对于第一参考基站的时钟误差为1ns。
通过确定时钟误差，能够避免定位误差，提高定位精度。
在一种可能的实现方式中，所述第一系统基站还用于：
根据所述时钟误差，通过时钟同步算法调整所述第一系统基站的时钟信息，以使所述第一系统基站与所述第一参考基站实现时钟同步。
示例性地，时钟同步算法可以包括卡尔曼滤波算法，本公开实施例对时钟同步算法不进行限定。以第一系统基站的数量为两个为例，若第一参考基站当前时钟信息为0：001ns、第一系统基站A当前时钟信息为0：002ns，第一系统基站B当前时钟信息为0:003ns为例，假定待定位目标与第一系统基站A和第一系统基站B的距离相同，则定位请求信息到达两个系统基站的时间也是相同的，但是因为两个系统基站的当前时钟信息不同步，也就将导致最终对待定位目标的定位结果存在误差。
通过调整第一系统基站的时钟信息，以使所述第一系统基站与所述第一参考基站实现时钟同步，能够有效降低定位误差，提升定位精度。
在一种可能的实现方式中，待定位目标可向第一系统基站发送定位请求信息，以便确定自身的位置，其中，定位请求信息可以包括广播信息帧(broadcast message)等用于确定位置的信息，本公开实施例对定位请求信息的类型不作限定。
在一种可能的实现方式中，对于任意一个第一系统基站，在接收到待定位请求信息后，可以触发产生接收到定位请求信息的时间戳，也即该时间戳为接收到待定位目标的定位请求信息的第一时刻。第一系统基站可以将第一时刻和时钟误差发送至服务器，以使服务器根据第一时刻和时钟误差确定待定位目标的定位结果。
在一种可能的实现方式中，所述服务器，用于根据各个第一系统基站的第一时刻以及所述时钟误差，确定所述待定位目标的定位结果。
示例性地，第一参考基站可以按照预设周期(例如500ms)通过超宽带UWB模块发送同步时钟信号(例如时钟同步帧(CCP，clock calibration packets))，服务器即可根据各个第一系统基站的第一时刻以及所述时钟误差，确定所述待定位目标的定位结果。减少了基站之间、待定位目标与基站之间的通信次数，减少了对空间无线通信资源的占用。
在相关技术中，第一参考基站需要发送两次广播信息，而本申请的第一参考基站只需要发送一次同步时钟信号。在相同的单位时间里，相关技术只能实现对一个待定位目标进行定位，而本申请可以实现对两个待定位目标进行定位，能够提高待定位目标的并发能力，提升定位效率。
在一种可能的实现方式中，所述服务器根据各个第一系统基站的第一时刻以及时钟误差，确定所述待定位目标的定位结果，包括：
根据所述各个系统基站的第一时刻以及时钟误差，通过到达时间差定位法确定所述待定位目标的定位结果。
到达时间差定位法是通过利用多个第一系统基站接收到定位请求信息的第一时刻的时间差，来确定待定位目标的定位结果。示例性地，各个第一系统基站的位置是确定的，待定位目标所发送的定位请求信息到达各个第一系统基站的时间差也是确定的，根据各个第一系统基站之间的时间差确定距离差，根据各个第一系统基站之间的距离差确定双曲线，通过至少两条双曲线的交点确定待定位目标的定位结果。
通过到达时间差定位法确定待定位目标的定位结果，不受各个第一系统基站天线长度的限制，不存在相位模糊的问题，定位精度高。
应当理解，服务器也可采用TOF定位等其他定位方式确定待定位目标的定位结果，本公开对此不作限制。
在一种可能的实现方式中，确定待定位目标的定位结果后，可以将该定位结果发送至待定位目标，以使待定位目标确定自身位置；也可以将待定位结果发送至终端，以使用户确定待定位目标的位置，并根据待定位目标的位置进行进一步处理，本公开实施例对待定位目标的定位结果的处理方式不作限定。
在一种可能的实现方式中，所述系统还包括第二参考基站，以及在所述第二参考基站所在局域网内的多个第二系统基站，所述第二参考基站用于向所述多个第二系统基站发送同步时钟信号，所述第二参考基站与所述第一参考基站处于不同的局域网，
其中，所述第一参考基站还用于：
向所述第二参考基站发送同步时钟信号，以使所述第二参考基站与所述第一参考基站时钟同步。
图6示出根据本公开实施例的网络扩展架构示意图。如图6所示，本公开实施例的系统包括多个第二参考基站，其中，第二参考基站与第一参考基站处于不同局域网。
第一参考基站可以向第二参考基站发送同步时钟信号，其中，同步时钟信号可以包括区域时钟同步帧，所述区域时钟同步帧可以包括第一参考基站所在局域网的编号以及第一参考基站当前的时钟信息。
示例性地，可以根据第一参考基站的同步时钟信号，确定第一参考基站和第二参考基站的时钟误差；
根据所述同步时钟信号、第二参考基站接收到同步时钟信号的第三时刻，预先确定的第一参考基站和第二参考基站的位置信息，可以确定第一参考基站和第二参考基站的时钟误差；根据第一参考基站和第二参考基站的时钟误差，通过时钟同步算法调整第二参考基站的时钟信息，以使第一参考基站和第二参考基站实现时钟同步。
进一步地，第二参考基站可以向多个第二系统基站发送同步时钟信号，以使第二参考基站与多个第二系统基站实现时钟同步，具体内容可以参考上述实现时钟同步的内容，在此不再赘述。
通过第一参考基站向第二参考基站发送同步时钟信号，以使第二参考基站与第一参考基站时钟同步，进而使得第二参考基站所在局域网内的多个第二系统基站与第二参考基站实现时钟同步，以此实现不同局域网内的多个系统基站实现时钟同步，从而使得待定位目标在任意局域网内均可实现快速准确定位，在保证定位精度的同时，提升定位系统的网络扩展性。
待定位目标只需向第一系统基站发送一次定位请求信息，能够有效降低待定位目标的电量消耗，延长待定位目标的续航时间。定位系统中的各系统基站能够通过参考基站的同步时钟信号确定自身的时钟误差，系统基站能够将接收到目标的定位请求的时刻及时钟误差发送到服务器，以使服务器确定定位结果，从而降低时钟误差，提高定位精度，并且降低基站之间的通信次数，有利于提高待定位目标的并发能力。通过第一参考基站向第二参考基站发送同步时钟信号，以此实现不同局域网内的多个系统基站实现时钟同步，从而使得待定位目标在任意局域网内均可实现快速准确定位，在保证定位精度的同时，提升定位系统的网络扩展性。
图7示出根据本公开实施例的定位方法的流程示意图。如图7所示，所述定位方法应用于定位系统的系统基站，所述定位系统包括服务器、参考基站以及多个系统基站，所述方法包括：
步骤S701，根据所述参考基站发送的同步时钟信号，确定所述系统基站相对于所述参考基站的时钟误差；
步骤S702，确定接收到待定位目标的定位请求信息的第一时刻，向所述服务器发送所述第一时刻以及所述时钟误差。
在一种可能的实现方式中，所述根据所述参考基站发送的同步时钟信号，确定所述系统基站相对于所述参考基站的时钟误差，包括：
根据所述同步时钟信号、所述系统基站接收到所述同步时钟信号的第二时刻、以及预先确定的所述参考基站与所述系统基站的位置信息，确定所述系统基站相对于所述参考基站的时钟误差。
在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：
根据所述时钟误差，通过时钟同步算法调整所述系统基站的时钟信息，以使所述系统基站与所述参考基站实现时钟同步。
在一种可能的实现方式中，所述待定位目标与所述服务器、所述第一参考基站以及所述多个第一系统基站之间通过超宽带UWB方式进行通信，所述待定位目标包括UWB标签。
图8示出根据本公开实施例的定位方法的架构示意图。如图8所示，第一参考基站向第一系统基站1和第一系统基站2发送同步时钟信息CCP；
第一系统基站1和第一系统基站2接收该同步时钟信息，并分别触发产生一个接收同步时钟信息的时间戳Tr1和Tr2；
第一系统基站1和第一系统基站2分别根据其与第一参考基站的距离，通过时钟同步算法确定与第一参考基站的时钟误差，分别记为Dt1和Dt2；
待定位目标发送定位请求信息，其中定位请求信息可以包括广播信息；
第一系统基站1和第一系统基站2分别接收定位请求信息，并且分别触发产生一个接收定位请求信息的时间戳Ta1和Ta2；
第一系统基站1将时钟误差Dt1和接收定位请求信息的时间戳Ta1发送至服务器，同样地，第一系统基站2将时钟误差Dt2和接收定位请求信息的时间戳Ta2发送至服务器，以使服务器确定待定位目标的位置。
通过第一参考基站向多个第一系统基站发送同步时钟信号，能够确定第一系统基站相对于第一参考基站的时钟误差，从而使得第一系统基站根据时钟误差实现与参考基站时钟同步，降低时钟误差，提高定位精度，并且降低基站之间的通信次数，有利于提高待定位目标的并发能力。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
