一种基于TDOA的定位系统、方法及存储介质与流程

本发明涉及时钟同步，尤其涉及一种基于tdoa的定位系统、方法及存储介质。

背景技术：

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。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明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。

本发明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。

本发明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。

本发明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)、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：

进一步地，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。

进一步地，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、标签的tdoa量测、主基站位置和每个从基站位置进行三维定位得出标签的位置。

本发明的目的之二采用如下技术方案实现：

一种基于tdoa的定位方法，应用于如本发明目的之一采用的一种基于tdoa的定位系统，所述定位方法包括：

步骤s1：当标签接收到主基站发送的定位发起信号时，启动定位功能；

步骤s2：当标签接收到主基站发送的第一主基站广播信号、第二主基站广播信号时，分别记录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；其中，所述第一主基站广播信号包括主基站位置、每个从基站位置、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；所述第二主基站广播信号包括主基站位置、每个从基站位置、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，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；

步骤s3：通过标签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；

步骤s4：当标签接收到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标签的时间，并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的距离得出主基站时钟基准下对应从基站的从基站广播信号发送时间，以及根据主基站时钟和标签时钟之间的关联关系将主基站时钟基准下每个从基站的从基站广播信号的发送时间转换为标签时钟基准下每个从基站的从基站广播信号发送时间，并结合每个从基站的从基站广播信号到达标签时间计算得出标签的tdoa量测；其中，tdoa量测为标签时钟基准下第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为从基站的数目；

步骤s5：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，所述步骤s3包括：

步骤s31：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；

步骤s32：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)；

步骤s33：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；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；

所述步骤s4包括：

步骤s41：根据第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、光速为c、主基站与第i个从基站的距离为di计算得出主基站时钟基准下的第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，以及根据第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j个从基站的距离为dj计算得出主基站时钟基准下的第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；

步骤s42：根据主基站时钟基准下的第i个从基站的从基站广播信号发送时间、主基站时钟基准下的第j个从基站的从基站广播信号发送时间、标签时钟基准下的第i个从基站的从基站广播信号发送时间以及标签时钟基准下的第j个从基站的从基站广播信号发送时间代入公式(1)分别得出公式(4)和公式(5)：

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)；

步骤s43：根据公式(4)、公式(5)以及k得出标签的tdoa量测；其中，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；

进一步地，每个从基站接收到所述发起定位信号后，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从基站广播信号，n为固定时延。

本发明的目的之三采用如下技术方案实现：

一种存储介质，所述存储介质为计算机可读存储介质，其上存储有定位程序，所述定位程序为计算机程序，所述定位程序被处理器执行时实现如本发明目的之二采用的一种基于tdoa的定位方法的步骤。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明通过基于tdoa的定位系统来实现标签的定位，同时在定位过程中，通过主基站的两次广播信号来实现标签与主基站的时钟同步，进而将主基站时间基准下的从基站信号发送时间转换为标签时间基准下从基站信号的发送时间，实现了标签的tdoa量测的计算，进而根据tdoa定位解算算法以及从基站的位置实现标签的定位，本发明中的时钟同步计算简单，操作简单，解决了现有技术中标签定位的计算复杂度，同时本发明只需要设置相应的主从基站即可实现标签的定位，大大降低了定位系统的设计成本；另外，本发明的定位是由标签自身独立完成，不需要借助服务器等其他设备，并且标签自身不发射信号，不会出现信号冲突的问题，理论上可实现无限个标签的同时定位。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于tdoa的定位系统的模块图；

图2为本发明提供的一种基于tdoa的定位系统的方法流程图；

图3为本发明提供的一种基于tdoa的定位装置的模块图。

图中：11、处理器；12、存储器；13、通信总线；14、网络接口。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

实施例一

本发明提供了一种基于tdoa的定位系统，该定位系统理论上可同时实现多个设备的定位，尤其是针对室内定位，其定位精度高，同时还可以降低定位成本。其中，本发明中的定位系统，也即是基于tdoa实现的，具体是由基站广播信号、待定位设备接收信号并在本地待定位设备上进行定位解算，进而可完成待定位设备的定位。

由于定位解算在待定位设备自身进行解算，因此相对将定位解算在服务器中完成来说，可减轻了服务器的负担；理论上可以支持无限个标签的同时定位。同样地，在定位的过程中，待定位设备在定位解算之前需要保证基站与待定位设备之间的时钟同步，然后再进行定位解算。因此，本发明提供的基于tdoa的定位系统，包括两个部分：时钟同步部分和定位解算部分。

其中，本发明的定位系统包括主基站、从基站和待定位设备。

主基站，用于通过广播的方式向外发送定位发起信号。其中，从基站、待定位设备均可接收该定位发起信号。

从基站，用于接收主基站发送的定位发起信号，并通过广播的方式向外发送广播信号。其中，主基站、待定位设备均可以接收从基站发送的广播信号。

一般来说，tdoa系统包括上行系统和下行系统，本发明是基于tdoa系统中的下行系统来实现定位。本发明首先实现待定位设备与主基站之间的时钟同步，然后再计算得出待定位设备的tdoa量测，最终结合定位解算算法实现待定位设备的定位。

其中，一个tdoa量测可以确定一条以两个从基站为焦点，待定位设备与两个从基站间的距离差为常数的双曲线。而两个tdoa量测可以确定两条双曲线，因此，两条双曲线的交点也即为本发明中的待定位设备的定位位置。

因此，在进行待定位设备定位时，本实施例中的从基站的数量至少有三个，则待定位设备的tdoa量测有两个。

另外，在定位过程中，主基站、每个从基站的位置均为已知的，主基站与每个从基站之间的距离均为已知的。

另外，当从基站有多个时，由于每个从基站在接收到定位发起信号后，均向外发送广播信号，使得待定位设备、主基站接收该广播信号。而为了保证从基站的信号不发生碰撞问题，本发明还通过时隙划分的方式来解决基站信号的碰撞问题。

也即是说，当所有接收到定位发起信号的每个从基站均根据自身id号延迟一定时间后再向外发送广播信号。具体为：对于所有的从基站设定id号，每个从基站接收到主基站发送的定位发起信号后，均延迟自身id号*n秒后发送广播信号。例如，id号为1的延迟n秒发送广播信号、从基站的id号为2的延迟2*n秒后发送广播信号，以此类推，从基站的id号为m的延迟m*n秒发送广播信号。其中，n为固定时延。通过这种时隙划分的方式可以解决从基站的信号碰撞问题。

为了计算基站与待定位设备的信号同步问题，本发明中设定主基站和标签均以自身的时钟基准记录每个从基站的广播信号到达时间。

同时，当主基站接收到每个从基站的广播信号后，还将每个从基站的广播信号到达时间以及主基站、从基站的坐标分两次广播发送出去，并同时在每次广播时记录主基站时钟基准下的主基站广播信号发送时间。

当待定位设备接收到主基站发送的主基站广播信号时，记录主基站广播信号到达待定位设备的时间。由于主基站广播信号是分两次发送，因此，当待定位设备每次接收到主基站广播信号时，均记录相应的时间。

本发明根据待定位设备所记录的两次主基站广播信号到达待定位设备时间、以及主基站坐标、从基站坐标以及时间戳，从基站广播信号到达待定位设备时间等可计算得出tdoa量测，进而根据定位解算方法实现定位标签的定位。另外，由于主基站和待定位设备的时钟不一定同步，因此，对于上述主基站所记录的时间均已主基站时钟为基准，而待定位设备所记录的时间均已标签时钟为基准。

由于本发明中的定位解算是在每个待定位设备中进行，因此，理论上本发明可实现无限个待定位设备的同时定位。在定位解算时，可根据需求采用不同的解算方法实现待定位设备的定位。其中，解算方法包括二维定位解算方法和三维定位解算方法。

当采用二位定位解算方法时，从基站的数目至少为3个以上才能实现标签的定位。当采用三维定位解算方法时，从基站的数目至少为4个以上才能实现标签定位。

如图1所示，本实施例以二维定位为例来说明，基于tdoa系统的定位系统，包括主基站、多个从基站和标签。通过主基站、每个从基站向外广播信号来实现标签的定位。其中，从基站的数目至少有三个。

本发明中的主基站、从基站均采用广播的方式向外发送信号。

当系统启动后，通过主基站以广播的方式向每个从基站和标签发送发起定位信号。

当每个从基站接收到主基站发送的发起定位信号后，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。为了方便区分从基站，本发明还对多个从基站进行依次编号，每个从基站根据自身的编号，相应延迟编号*n秒后再通过广播向主基站和标签发送对应的从基站广播信号，这样既可以区分从基站，还可以避免多个从基站的从基站广播信号同时到达主基站或标签而导致信号碰撞的问题。假设，多个从基站依次编号为：第1个从基站、第2个从基站、第3个从基站、…、第n个从基站。其中，n为大于或等于3的自然数，表示定位系统中从基站的数目。

当主基站接收到每个从基站的从基站广播信号后，还根据主基站位置、每个从基站位置、主基站时钟基准下每个从基站的从基站广播信号到达主基站时间来生成主基站广播信号，并将主基站广播信号分两次广播依次发送给标签；同时，在发送过程中，还一并将主基站时钟基准下主基站广播信号发送时间发送给标签。优选地，由于标签与主基站的时钟不同步，因此，本实施例中将以标签的时钟为基准的时间记为标签时钟基准，将以主基站的时钟为基准的时间记为主基站时钟基准。也即是说，当主基站接收到每个从基站的从基站广播信信号后，会记录每个从基站的从基站广播信号到达主基站时间。由于该时间以主基站的时钟为基准，因此，该时间记录为：主基站时钟基准下每个从基站的从基站广播信号到达主基站时间。同理，主基站向外发送主基站广播信号的时间为：主基站时钟基准下主基站广播信号发送时间。

也即是说，标签所接收到的主基站发送的主基站广播信号，包括主基站位置、每个从基站位置、主基站时钟基准下主基站接收到每个从基站的从基站广播信号到达主基站时间、以及主基站时钟基准下主基站广播信号发送时间。

假设主基站发送的两次广播信号分别记为第一主基站广播信号、第二主基站广播信号。因此，第一主基站广播信号、第二主基站广播信号均包括主基站位置、每个从基站位置、主基站时钟基准下主基站接收到每个从基站的从基站广播信号到达主基站时间；并且第一主基站广播信号包括主基站时钟基准下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时钟基准下第二主基站广播信号发送时间。

其中，由于主基站与标签的时钟不同步，因此，每个从基站的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。

当标签接收到主基站发送的第一主基站广播信号、第二主基站广播信号时，记录第一主基站广播信号到达标签时间、第二主基站广播信号到达标签时间。其中，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是由标签记录，为标签时钟基准下的时间。

设定：主基站时钟基准下每个从基站的从基站广播信号到达主基站时间为t。由于主基站与每个从基站的距离均为已知的，因此，可得出在主基站时钟基准下每个从基站的广播信号发送时间为：

t′＝t-d/c(1)。

其中，c为光速，d主基站与对应从基站的距离。

本发明在定位解算是基于tdoa的定位，因此首先需要计算得出标签的tdoa量测，也即是两个从基站之间的从基站广播信号到标签的传播时间差。由于tdoa量测是由标签计算的，因此，这里的从基站广播信号到标签的传播时间差是指在标签时钟基准下两个从基站之间的从基站广播信号到标签的传播时间的差值。

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达到主基站时间为t主基站时钟,r,j。

则根据公式(1)可得出在主基站时钟基准下：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。其中，di，dj分别为主基站与第i个从基站的距离、主基站与j个从基站的距离。

同时，设定在标签时钟基准下：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。其中，i，j∈[1，n]且i≠j。

则标签的tdoa量测为：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差ti,j：

ti,j＝(t标签时钟,r,i-t标签时钟,r,j)-(t标签时钟,s,i-t标签时钟,s,j)(2)。

假设主基站和标签的时钟完全同步时，也即是：主基站时钟基准下的从基站的从基站广播信号发送时间等于标签时钟基准下从基站的从基站广播信号发送时间，也即是：t主基站时钟,s,i＝t标签时钟,s,i、t主基站时钟,s,i＝t标签时钟,s,j。

因此，公式(2)可变换为：

其中，标签时钟基准下从基站广播信号到达标签时间可通过标签记录得到，主基站与每个从基站的距离(比如：di、dj)均为已知的，光速c为已知的。因此，只需要得知主基站时钟基准下主基站接收到的每个从基站的从基站广播信号到达主基站时间即可。

因此，本发明中的主基站在接收到每个从基站的从基站广播信号后，将每个从基站的从基站广播信号到达主基站时间、主基站的位置坐标、从基站的位置坐标生成主基站广播信号，并分两次广播发送给标签，同时在每次发送主基站广播信号时将主基站时钟基准下的主基站广播信号发送时间一并发送。

从上可知，主基站将每个从基站的从基站广播信号达到主基站时间通过广播发送给了标签，因此，在标签时钟与主基站时钟同步时：通过公式(3)即可计算得出第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，也即是计算得出标签的tdoa量测，以便后续进行定位解算。

但是，在实际的应用过程中，由于标签与主基站所处的位置不同，其标签时钟与主基站时钟并不完全同步，也即是主基站时钟基准下的从基站广播信号发送时间不等于标签时钟基准下从基站的从基站广播信号发送时间：t主基站时钟,s,1≠t标签时钟,s,1、t主基站时钟,s,2≠t标签时钟,s,2。则公式(2)也就不能够得出公式(3)。

为了计算标签的tdoa量测，也即是两个从基站的从基站广播信号到标签的传播时间差，首先需要确定主基站时钟与标签时钟之间的关联关系，以便将主基站时钟基准下的从基站广播信号发送时间转换为标签时钟基准下的从基站广播信号发送时间。

优选地，本发明根据线性时钟模型得出主基站时钟和标签时钟之间存在如下关系：

t标签时钟＝kt主基站时钟+b+e(4)。

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。

其中，本发明中的线性时钟模型，又称为仿射时钟模型(affineclockmodel)，是一种比较常用的时钟模型。本领域技术人员可根据本领域技术人员所熟知的内容得出上述线性时钟模型，即公式(4)。

为了计算得出公式(4)中的k值，也即是主基站时钟与标签时钟的线性关系，本发明通过在主基站广播信号时实现，也即是在接收到每个从基站的从基站广播信号后，向标签发送的两次广播来实现。另外，主基站接收完所有的从基站发送的从基站广播信号以后，再通过两次广播向标签发送主基站广播信号。

假设：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分别记为：t主基站时钟,1、t主基站时钟,2，由主基站记录并通过广播发送给标签，也即是主基站时钟基准下的时间。而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分别记为：t标签时钟,1、t标签时钟,2，由标签记录得到，也即是标签基准下的时间。

将上述时间代入公式(4)中可分别得出：

t标签时钟,1＝kt主基站时钟，1+b+e(5)，

t标签时钟,2＝kt主基站时钟，2+b+e(6)，

由公式(5)和公式(6)得出：k＝(t标签时钟,2-t标签时钟,1)/(t主基站时钟,2-t主基站时钟,1)(7)。

由公式(7)代入公式(4)可得出标签时钟与主基站时钟的线性关系模型。

因此，tdoa量测，也即是第i个从基站的从基站广播信号到达标签时间与第j个从基站的从基站广播信号到标签的传播时间的差值ti,j：ti,j＝(t标签时钟,r,i-t标签时钟,r,j)-(t标签时钟,s,i-t标签时钟,s,j)(8)。

将主基站时钟基准下：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、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t标签时钟,s,j代入公式(4)可得出：

t标签时钟,s,i＝kt主基站时钟,s,i+b+e(9)，

t标签时钟,s,j＝kt主基站时钟,s,j+b+e(10)。

因此，由公式(9)、公式(10)以及公式(8)可得出：

其中，t标签时钟,r,i、t标签时钟,r,j分别为标签时钟基准下：第i个从基站的从基站广播信号到达标签时间、第j个从基站的从基站广播信号到达标签时间，由标签接收到从基站广播信号时记录得到。

由公式(1)可知：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：t主基站时钟,s,i＝t主基站时钟,r,i-di/c；

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,i：t主基站时钟,s,j＝t主基站时钟,r,j-dj/c。

其中，t主基站时钟,r,i、t主基站时钟,r,j分别为主基站时钟基准下：第i个从基站的从基站广播信号到达主基站时间、第j个从基站的从基站广播信号到达主基站时间，由主基站记录并通过主基站广播信号发送给标签；di、dj分别为主基站与第i个从基站的距离、主基站与第j个从基站的距离，均为已知的；c为光速。

根据公式(7)、公式(9)以及上个各个参数可计算得出标签的tdoa量测ti,j：

当计算得出标签的tdoa量测后，可根据tdoa定位解算方法、从基站位置计算得出标签的位置，实现标签的定位。

由前述可知，tdoa量测为两个从基站之间的从基站广播信号到标签的传播时间差；同时，本发明中的从基站的数目至少为3个，标签的tdoa量测会有多个。比如，当从基站的数目为3个时，则tdoa量测至少有2个。比如：第1个从基站的从基站广播信号到达标签与第2个从基站的从基站广播信号到达标签的传播时间差、第2个从基站的从基站广播信号到达标签与第3个从基站的从基站广播信号到达标签的传播时间差；同时，tdoa量测还可以是：第1个从基站的从基站广播信号到达标签与第3个从基站的从基站广播信号到达标签的传播时间差。

也即是，当系统中存在n个从基站时，可根据上述计算方法针对标签可计算出多个tdoa量测。但是，本发明中为了简便计算，对于标签的tdoa量测中只需计算n-1个独立的tdoa量测即可。

这里的独立是指tdoa量测之间无线性关系，即任意的tdoa量测不能由其余的tdoa量测线性表示，可以将其理解为坐标系的轴(x,y,z)。对于独立tdoa以外的tdoa量测都可以由独立tdoa量测线性表示。因此，对于定位只需要获得一组独立tdoa量测即可，其余tdoa量测都是冗余的。

其中，对于独立tdoa量测的计算可将n个从基站中的任意一个从基站选做参考，其余基站都和它相减获得。

例如：有四个从基站信号到达标签时，可以选从基站的编号最小的作为参考，这样对于一个标签来说，可以得到三个独立的tdoa量测：t2,1、t3,1、t4,1。

而对于其余的tdoa量测，比如t3,4可以由t3,1与t4,1相减来获得，因此t3,4是冗余的tdoa量测，没有提供额外的信息。

因此，在对标签进行定位时，在选择第1个从基站作为参考时，只需要计算tdoa量测：t2,1、t3,1、t4,1即可。

在实际中，可根据每个从基站独有的基站id号来区分每个从基站，并选择其中一个从基站作为参考，来计算tdoa量测，实现标签的定位。

优选地，当标签计算得出每个tdoa量测后，将每个tdoa量测与光速c相乘可得到达距离差(rangedifferenceofarrival,rdoa)，即标签到对应两个从基站的距离差，因此可以得到下边方程：

||u-si||-||u-sj||＝c·ti，j(12)。

其中，u表示标签位置，si表示从基站i的位置，si-1表示从基站j的位置，ti,j为tdoa量测，||·||表示欧式距离。

当获得一组独立的tdoa量测后，可以得到由公式(12)组成的方程组，例如标签接到从基站1，2，3，4的信号，可以得到一组独立的tdoa量测：t2,1、t3,1、t4,1。则方程组为：

求解上述方程组(13)可以得到标签的位置，实现标签的定位。

其中，对于方程组(13)的求解方法，包括但不限于以下方法实现：两步加权最小二乘法，泰勒级数法，约束加权最小二乘法，mds算法。

另外，由于本发明中的标签定位的解算是在由标签自身进行计算得到的，不需要通过服务器等进行解算，因此，在定位时不会因为信号冲突或服务器承载力不够而出现定位失败的问题。理论上来说，本发明可实现无限个标签的同时定位。

优选地，本发明的定位解算是由标签自身完成，也即是由待定位设备来完成，在发送广播信号时，每个待定位设备不需要发送信号，只需要接收广播信号，因此，理论上本发明实现对无限个标签的同时定位。

实施例二

基于实施例一，本发明还提供了一种基于tdoa的定位方法，应用于tdoa的定位系统，如图2所示，包括以下步骤：

步骤s1：当标签接收到主基站发送的定位发起信号时，启动定位功能；

步骤s2：当标签接收到主基站发送的第一主基站广播信号、第二主基站广播信号时，分别记录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；其中，所述第一主基站广播信号包括主基站位置、每个从基站位置、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；所述第二主基站广播信号包括主基站位置、每个从基站位置、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，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；

步骤s3：通过标签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；

步骤s4：当标签接收到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标签的时间，并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的距离得出主基站时钟基准下对应从基站的从基站广播信号发送时间，以及根据主基站时钟和标签时钟之间的关联关系将主基站时钟基准下每个从基站的从基站广播信号的发送时间转换为标签时钟基准下每个从基站的从基站广播信号发送时间，并结合每个从基站的从基站广播信号到达标签时间计算得出标签的tdoa量测；其中，tdoa量测为标签时钟基准下第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为从基站的数目；

步骤s5：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，所述步骤s3包括：

步骤s31：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；

步骤s32：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)；

步骤s33：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；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；

所述步骤s4包括：

步骤s41：根据第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、光速为c、主基站与第i个从基站的距离为di计算得出主基站时钟基准下的第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，以及根据第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j个从基站的距离为dj计算得出主基站时钟基准下的第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；

步骤s42：根据主基站时钟基准下的第i个从基站的从基站广播信号发送时间、主基站时钟基准下的第j个从基站的从基站广播信号发送时间、标签时钟基准下的第i个从基站的从基站广播信号发送时间以及标签时钟基准下的第j个从基站的从基站广播信号发送时间代入公式(1)分别得出公式(4)和公式(5)：

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)；

步骤s43：根据公式(4)、公式(5)以及k得出标签的tdoa量测；其中，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标签的传播时间的差ti,j；

进一步地，每个从基站接收到所述发起定位信号后，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从基站广播信号，n为固定时延。

实施例三

本发明提供了一种基于tdoa的定位装置。如图3所示，本发明一实施例提供的基于tdoa的定位装置的内部结构示意图。

在本实施例中，基于tdoa的定位装置可以是pc(personalcomputer，个人电脑)，也可以是智能手机、平板电脑、便携计算机等终端设备。该基于tdoa的定位装置至少包括：处理器12、通信总线13、网络接口14以及存储器11。

其中，存储器11至少包括一种类型的可读存储介质，所述可读存储介质包括闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器(例如，sd或dx存储器等)、磁性存储器、磁盘、光盘等。存储器11在一些实施例中可以是基于tdoa的定位装置的内部存储单元，例如该基于tdoa的定位装置的硬盘。存储器11在另一些实施例中也可以是基于tdoa的定位装置的外部存储设备，例如基于tdoa的定位装置上配备的插接式硬盘，智能存储卡(smartmediacard，smc)，安全数字(securedigital，sd)卡，闪存卡(flashcard)等。进一步地，存储器11还可以既包括基于tdoa的定位装置的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器11不仅可以用于存储安装于基于tdoa的定位装置的应用软件及各类数据，例如定位程序的代码等，还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

处理器12在一些实施例中可以是一中央处理器(centralprocessingunit，cpu)、控制器、微控制器、微处理器或其他数据处理芯片，用于运行存储器11中存储的程序代码或处理数据，例如执行定位程序等。

通信总线13用于实现这些组件之间的连接通信。

网络接口14可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如wi-fi接口)，通常用于在该基于tdoa的定位装置与其他电子设备之间建立通信连接。

可选地，该基于tdoa的定位装置还可以包括用户接口，用户接口可以包括显示器(display)、输入单元比如键盘(keyboard)，可选的用户接口还可以包括标准的有线接口、无线接口。可选地，在一些实施例中，显示器可以是led显示器、液晶显示器、触控式液晶显示器以及oled(organiclight-emittingdiode，有机发光二极管)触摸器等。其中，显示器也可以适当的称为显示屏或显示单元，用于显示在基于tdoa的定位装置中处理的信息以及用于显示可视化的用户界面。

图3仅示出了具有组件11-14以及定位程序的基于tdoa的定位装置，本领域技术人员可以理解的是，图3示出的结构并不构成对基于tdoa的定位装置的限定，可以包括比图示更少或者更多的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。

在图3所示的基于tdoa的定位装置实施例中，存储器11中存储有定位程序；处理器12执行存储器11中存储的定位程序时实现如下步骤：

步骤s1：当标签接收到主基站发送的定位发起信号时，启动定位功能；

步骤s2：当标签接收到主基站发送的第一主基站广播信号、第二主基站广播信号时，分别记录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；其中，所述第一主基站广播信号包括主基站位置、每个从基站位置、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；所述第二主基站广播信号包括主基站位置、每个从基站位置、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，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；

步骤s3：通过标签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；

步骤s4：当标签接收到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标签的时间，并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的距离得出主基站时钟基准下对应从基站的从基站广播信号发送时间，以及根据主基站时钟和标签时钟之间的关联关系将主基站时钟基准下每个从基站的从基站广播信号的发送时间转换为标签时钟基准下每个从基站的从基站广播信号发送时间，并结合每个从基站的从基站广播信号到达标签时间计算得出标签的tdoa量测；其中，tdoa量测为标签时钟基准下第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差；其中，i，j∈[1，n]且i≠j，n为从基站的数目；

步骤s5：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。

实施例四

一种存储介质，所述存储介质为计算机可读存储介质，其上存储有定位程序，所述定位程序为计算机程序，所述定位程序被处理器执行时实现如本发明提供的实施例二的一种基于tdoa的定位方法的步骤。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。