CN102970745A - 一种基于uwb的众目标实时定位系统及实现方法 - Google Patents

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崔政
苏应敢
王彦
吴猛
曹昆南
杨晴
尹福荣
崔玉峰
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Kunming Enersun Technology Co Ltd
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Xishuangbanna Power Supply Bureau Yunnan Power Grid Corp
Yunnan Electric Power Experimental Research Institute Group Co Ltd of Electric Power Research Institute
Kunming Enersun Technology Co Ltd
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Abstract

一种基于UWB的众目标实时定位系统及实现方法，本发明包括：目标节点根据预置的节点号及时隙时间间隔，确定本目标节点使用的定位时隙；所述目标节点在所述定位时隙，对锚节点进行测距，获取测距数据；所述目标节点将所述测距数据上传至定位引擎。本发明解决了通过其它无线通信方式定位的局限性。

Description

一种基于UWB的众目标实时定位系统及实现方法
技术领域
本发明涉及移动通信领域，尤其涉及一种基于UWB的众目标实时定位系统及实现方法。 
背景技术
随着无线通信网络相关技术的发展以及用户对业务种类需求的提高，无线通信网络中的测距和定位功能显得日益重要，而UWB的测距和定位具有传统定位方式无法比拟的优势。 
UWB全称为Ultra Wide Band,即超宽带技术。UWB是指信号带宽大于1.5GHz或者是信号带宽与中心频率之比大于25%。UWB采用极窄的脉冲信号来传送信息，它不使用载波，而是利用基带技术直接传送信息。UWB通信采用调时序列，能够抗多径衰落；其发射功率谱密度非常低，有用信息完全淹没在噪声中。UWB通信系统几乎是全数字通信系统，所需射频和微波器件少，系统的复杂性大大降低。 
与现有的无线通信系统相比，超宽带具有以下特点： 
1)共享频谱。UWB不是独占新的频谱，而是与其它系统共享频谱，在7500MHz的大带宽内，通过严格限制发射功率以避免对其它系统的干扰。这样的频谱使用方式，在频谱资源日益缺稀的今天具有重要意义。 
2)速率高、成本低、功耗低。UWB通信采用冲激脉冲形式，因为是宽带传输，系统相对简单；而低占空比使系统功耗更低；UWB极宽的频谱使传输速率可达1Gbps。 
3)信号衰减较小，穿透力强。采用基带窄脉冲形式的UWB信号，它的UWB脉冲具有较强的定向性，衰减很慢。另外，由于基带窄脉冲中含有较多的低频分量，所以在室内传播可顺利地穿过墙壁等一般的障碍物。 
4)低侦听率。UWB信号的功率谱密度非常低，信号难以被检测到，再加上采用调频、直接序列扩频等多址接入技术，非授权者很难截获传输信息。 
5)抗多径能力强。由于冲击脉冲持续时间极短，而占空比很低，这一传输方式具有良好的多径分辨性，且Rake接收容易实现。 
发明内容
本发明提供了一种基于UWB的众目标实时定位系统及实现方法，解决了通过其它无线通信方式定位的局限性。 
本发明的实施例由目标节点根据预置的节点号及时隙时间间隔，确定本目标节点使用的定位时隙，并在所述定位时隙，对锚节点进行测距，获取测距数据，将所述测距数据上传至定位引擎，定位引擎在完成目标节点定位时所需要的测距数据由目标节点上报。 
一种采集方法，其特征在于，包括：目标节点根据预置的节点号及时隙时间间隔，确定本目标节点使用的定位时隙；所述目标节点在所述定位时隙，对锚节点进行测距，获取测距数据；所述目标节点将所述测距数据上传至定位引擎。 
所述的数据采集方法，其特征在于，所述目标节点根据预置的节点号及时隙时间间隔，确定本目标节点使用的定位时隙的步骤之前，还包括：定位引擎在同步时隙，向其下的锚节点发送时钟同步帧；目标节点向其下的目标节点转发所述时钟同步帧，指示目标节点进行测距。 
所述的数据采集方法，其特征在于，所述定位引擎在同步时隙，向其下的锚节点发送时钟同步帧的步骤之前，还包括：为各个目标节点分配节点号及时隙时间间隔，各个目标节点的时隙时间间隔相同；根据目标节点的数量和所述时隙时间间隔，确定数据采集周期，所述数据采集周期的第一个时隙为同步时隙。 
所述的数据采集方法，其特征在于，所述定位时隙包括搜索时隙、测距时隙和上传时隙，所述目标节点在所述定位时隙，对锚节点进行测距，获取测距数据包括：所述目标节点在所述搜索时隙发起定位节点查询广播；在所述目标节点信号范围内的锚节点接收所述定位节点查询广播，并向该目标节点发送确认消息；所述目标节点接收各个锚节点发送的确认消息，筛选至少4个锚节点；所述目标节点在测距时隙对所述至少4个锚节点进行测距，获取测距数据。 
所述的数据采集方法，其特征在于，所述定位时隙包括搜索时隙、测距时隙和上传时隙，所述目标节点将所述测距数据上传至定位引擎包括：所述目标节点在上传时隙，向归属的锚节点发送所述测距数据；所述锚节点向所述定位引擎上传所述测距数据。 
所述的数据采集方法，其特征在于，所述锚节点向所述定位引擎上传所述测距数据具体为：所述锚节点经过至少一次路由，将所述测距数据上传到所述定位引擎，且在每次路由时具有至少一次重发机会。 
一种目标节点，其特征在于，包括：时隙确定模块，用于根据预置的节点号及时隙时间间隔，确定本目标节点使用的定位时隙；测距模块，用于在所述定位时隙，对锚节点进行测距，获取测距数据；上传模块，用于将所述测距数据上传至定位引擎。 
所述的目标节点，其特征在于，所述定位时隙包括搜索时隙、测距时隙和上传时隙，所述测距模块包括：广播发起单元，用于在所述搜索时隙发起定位节点查询广播；筛选单元，用于接收各个锚节点发送的确认消息，筛选至少4个锚节点；测距单元，用于在测距时隙对所述至少4个锚节点进行测距，获取测距数据。 
一种实时定位系统，其特征在于，包括目标节点、锚节点和定位引擎，所述定位引擎下包含至少4个锚节点，每个锚节点下包含至少一个目标节点；所述目标节点，用于根据预置 的节点号及时隙时间间隔，确定本目标节点使用的定位时隙，在所述定位时隙，对锚节点进行测距，获取测距数据，并将所述测距数据经所述锚节点上传至定位引擎；所述锚节点，用于接收所述目标节点发送的定位节点查询广播，并向该目标节点发送确认消息，供所述目标节点筛选测距；所述定位引擎，用于接收所述目标节点经由所述锚节点上传的测距数据。 
所述的实时定位系统，其特征在于，所述定位引擎，还用于在同步时隙，向锚节点发送时钟同步帧；所述锚节点，还用于向其下的目标节点转发所述时钟同步帧，指示目标节点进行测距。
本发明相对于现有技术，其优点如下： 
1、共享频谱。UWB不是独占新的频谱，而是与其它系统共享频谱，在7500MHz的大带宽内，通过严格限制发射功率以避免对其它系统的干扰。这样的频谱使用方式，在频谱资源日益缺稀的今天具有重要意义。 
2、速率高、成本低、功耗低。UWB通信采用冲激脉冲形式，因为是宽带传输，系统相对简单；而低占空比使系统功耗更低；UWB极宽的频谱使传输速率可达1Gbps。 
3、信号衰减较小，穿透力强。采用基带窄脉冲形式的UWB信号，它的UWB脉冲具有较强的定向性，衰减很慢。另外，由于基带窄脉冲中含有较多的低频分量，所以在室内传播可顺利地穿过墙壁等一般的障碍物。 
4、低侦听率。UWB信号的功率谱密度非常低，信号难以被检测到，再加上采用调频、直接序列扩频等多址接入技术，非授权者很难截获传输信息。 
5、抗多径能力强。由于冲击脉冲持续时间极短，而占空比很低，这一传输方式具有良好的多径分辨性，且Rake接收容易实现。 
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步解释。 
附图说明
图1为本发明的实施例使用的网络的结构示意图 
图2为本发明的实施例提供的一种数据采集方法的流程图； 
图3为本发明的实施例使用的时隙的格式示意图； 
图4为图2中步骤205的具体流程图； 
图5为本发明的实施例提供的一种标签节点的结构示意图； 
图6为图5中测距模块502的结构示意图； 
图7为本发明的实施例提供的一种数据采集系统的结构示意图。 
具体实施方式
本发明的实施例使用的网络系统如图1所示，包括至少1个目标节点101、至少4个锚 节点102。其中，目标节点101具体为移动终端，锚节点102为固定节点。 
使用本发明的实施例提供的定位数据采集方法采集测距信息，以完成节点定位的过程如图2所示，包括： 
步骤201、为各个目标节点分配节点号及时隙时间间隔，并根据目标节点的数量确定数据采集周期；本步骤中，在系统初始化时，首先需要为各个目标节点分配节点号及时隙时间间隔，本发明实施例中，以存在n个节点为例进行说明，各个目标节点的节点号分别为1到n，每个目标节点的时隙时间间隔长度相同，各对应一个定位时隙，分别为T1，T2，...，TR。进一步的，根据目标节点的数量和时隙时间间隔，确定数据采集周期T，数据采集周期具体为全部目标节点的定位时隙长度加上一个同步时隙（TSyn），同步时隙为一个数据采集周期中的第一个时隙，T与各个目标节点的时隙时间间隔的关系如图3所示，一个定位时隙又包括搜索时隙（TSearch）、测距时隙（TLocation）和上传时隙（TData_update），而一个TSearch又包括一个广播时隙（TBrd）和应答时隙（TAck）。例如，时隙时间间隔为80ms，其中TSearch为20ms，TLocation为40ms，TData_update为20ms；TBrd为2ms，TAck为18ms。在分配完成后，在各个目标节点上存储该节点的节点号和时隙时间间隔。 
步骤202、定位引擎在同步时隙，向其下的锚节点发送时钟同步帧；本步骤中，定位引擎在TSyn向其下的各个节点发送时钟同步帧，以触发各锚节点指示其下的目标节点进行测距。 
步骤203、锚节点向其下的目标节点转发所述时钟同步帧，指示目标节点进行测距；本步骤中，各个锚节点在接收到定位引擎发送的时钟同步帧后，又向其下的各个目标节点转发该时钟同步帧，以指示目标节点进行测距。 
步骤204、目标节点根据预置的节点号及时隙时间间隔，确定本目标节点使用的定位时隙；本步骤中，目标节点在收到时钟同步帧后，开始测距。首先，根据本地存储的节点号及时隙时间间隔，确定本目标节点使用的定位时隙，各定位时隙的位置参见图3。 
步骤205、目标节点在所述定位时隙，对锚节点进行测距，获取测距数据；本步骤中，目标节点在对应的定位时隙，对锚节点进行测距，具体流程如图4所示，包括： 
步骤2051、所述目标节点在所述搜索时隙发起定位节点查询广播；本步骤中，目标节点在TBrd发送定位节点查询广播。 
步骤2052、在所述目标节点信号范围内的锚节点接收所述定位节点查询广播，并向该目标节点发送确认消息；本步骤中，在TAck时隙，在目标节点信号范围内的锚节点接收到定位 节点查询广播，并向其发出该广播的目标节点回复确认消息，在确认消息中携带本节点的节点号和数据包类型。 
步骤2053、所述目标节点接收各个锚节点发送的确认消息，筛选至少4个锚节点；本步骤中，目标节点在接收到锚节点回复的确认消息后，从中提取各个锚节点的节点号及接收信号强度。筛选信号强度较强的锚节点作为测距对象。 
步骤2054、所述目标节点在测距时隙对所述至少4个锚节点进行测距，获取测距数据；本步骤中，目标节点在TLocation对锚节点进行测距，测距过程和系统所选用的测距方法相同。以TOA测距为例，目标节点首先向锚节点发送测距数据包（包含本节点的节点号），并记录发送时刻的时间T1；锚节点收到测距数据包后，回复确认数据包（包含本节点的节点号，接收到测距数据包的时刻T2,发送确定数据包的时刻T3）；目标节点收到确认数据包后，记录收到确认数据包的时刻T4；目标节点根据T1、T2、T3、T4及以下公式计算目标节点域锚节点间的距离。 
D＝((T4-T1)-(T3-T2))*C/2 
式中D为目标节点与锚节点之间的测距距离，C为光速。 
步骤206、所述目标节点将所述测距数据上传至定位引擎；本步骤中，目标节点在TData_update，将步骤205获取的测距数据上传至锚节点，由锚节点将这些测距数据路由到定位引擎。 
可选的，可以为各个锚节点设置在转发测距数据时的重发次数，例如设置具有至少一次的重发机会。 
至此，测距数据的采集过程结束，进一步的，定位引擎可以根据这些测距数据计算出各个目标节点的三维坐标，完成节点定位。 
本发明的实施例还提供了一种目标节点，其结构如图5所示，包括： 
时隙确定模块501，用于根据预置的节点号及时隙时间间隔，确定本目标节点使用的定位时隙； 
测距模块502，用于在所述定位时隙，对锚节点进行测距，获取测距数据； 
上传模块503，用于将所述测距数据上传至定位引擎。 
进一步的，所述定位时隙包括搜索时隙、测距时隙和上传时隙，所述测距模块502的结构如图6所示，包括： 
广播发起单元5021，用于在所述搜索时隙发起定位节点查询广播； 
筛选单元5022，用于接收各个锚节点发送的确认消息，筛选至少4个锚节点； 
测距单元5023，用于在测距时隙对所述至少4个锚节点进行测距，获取测距数据。 
上述目标节点可以集成在UWB的设备上，如集成在移动终端中。 
进一步的，本发明的实施例还提供了一种数据采集系统，其结构如图7所示，包括目标节点701、锚节点702和定位引擎703，所述定位引擎703下包含至少4个锚节点702，每个信标节点702下包含至少一个目标节点701； 
所述目标节点701，用于根据预置的节点号及时隙时间间隔，确定本目标节点使用的定位时隙，在所述定位时隙，对锚节点进行测距，获取测距数据，并将所述测距数据经所述锚节点上传至定位引擎； 
所述锚节点702，用于接收所述目标节点701发送的定位节点查询广播，并向目标节点701发送确认消息，供目标节点701筛选测距； 
所述定位引擎703，用于接收所述目标节点701经由所述锚节点702上传的测距数据，计算出目标节点的三维坐标。 
进一步的，所述定位引擎703，还用于在同步时隙，向锚节点702发送时钟同步帧； 
所述锚节点702，还用于向其下的目标节点701转发所述时钟同步帧，指示目标节点701进行测距。 
所述目标节点701具体为移动终端，锚节点702具体为固定节点，定位引擎703具体为服务器。 
上述目标节点和数据采集系统，可以与本发明的实施例提供的一种数据采集方法相结合，由目标节点根据预置的节点号及时隙时间间隔，确定本目标节点使用的定位时隙，并在所述定位时隙，对锚节点进行测距，获取测距数据，将所述测距数据上传至定位引擎，定位引擎在完成目标节点定位时所需要的测距数据由目标节点上报。 
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。 
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。 
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。 
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。 

Claims (10)

1.一种基于UWB的众目标实时定位系统及实现方法，其特征在于，包括：
目标节点根据预置的节点号及时隙时间间隔，确定本目标节点使用的定位时隙；
所述目标节点在所述定位时隙，对锚节点进行测距，获取测距数据；
所述目标节点将所述测距数据上传至定位引擎。
2.根据权利要求1所述的一种基于UWB的众目标实时定位系统及实现方法，其特征在于，所述目标节点根据预置的节点号及时隙时间间隔，确定本目标节点使用的定位时隙的步骤之前，还包括：
定位引擎在同步时隙，向其下的锚节点发送时钟同步帧；
目标节点向其下的目标节点转发所述时钟同步帧，指示目标节点进行测距。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于UWB的众目标实时定位系统及实现方法，其特征在于，所述定位引擎在同步时隙，向其下的锚节点发送时钟同步帧的步骤之前，还包括：
为各个目标节点分配节点号及时隙时间间隔，各个目标节点的时隙时间间隔相同；
根据目标节点的数量和所述时隙时间间隔，确定数据采集周期，所述数据采集周期的第一个时隙为同步时隙。
4.根据权利要求1所述的一种基于UWB的众目标实时定位系统及实现方法，其特征在于，所述定位时隙包括搜索时隙、测距时隙和上传时隙，所述目标节点在所述定位时隙，对锚节点进行测距，获取测距数据包括：
所述目标节点在所述搜索时隙发起定位节点查询广播；
在所述目标节点信号范围内的锚节点接收所述定位节点查询广播，并向该目标节点发送确认消息；
所述目标节点接收各个锚节点发送的确认消息，筛选至少4个锚节点；
所述目标节点在测距时隙对所述至少4个锚节点进行测距，获取测距数据。
5.根据权利要求1所述的一种基于UWB的众目标实时定位系统及实现方法，其特征在于，所述目标节点将所述测距数据上传至定位引擎包括：
所述目标节点在上传时隙，向归属的锚节点发送所述测距数据；
所述锚节点向所述定位引擎上传所述测距数据。
6.根据权利要求1或5所述的一种基于UWB的众目标实时定位系统及实现方法，其特征在于，所述锚节点向所述定位引擎上传所述测距数据具体为：
所述锚节点经过至少一次路由，将所述测距数据上传到所述定位引擎，且在每次路由时具有至少一次重发机会。
7.根据权利要求1所述的一种基于UWB的众目标实时定位系统及实现方法,其特征在于，所述一种目标节点，包括有：
时隙确定模块，用于根据预置的节点号及时隙时间间隔，确定本目标节点使用的定位时隙；
测距模块，用于在所述定位时隙，对锚节点进行测距，获取测距数据；
上传模块，用于将所述测距数据上传至定位引擎。
8.根据权利要求7所述的一种基于UWB的众目标实时定位系统及实现方法，其特征在于，所述测距模块包括有：
广播发起单元，用于在所述搜索时隙发起定位节点查询广播；
筛选单元，用于接收各个锚节点发送的确认消息，筛选至少4个锚节点；
测距单元，用于在测距时隙对所述至少4个锚节点进行测距，获取测距数据。
9.根据权利要求7所述的一种基于UWB的众目标实时定位系统及实现方法，其特征在于，采用一种数据实时定位系统，包括目标节点、锚节点和定位引擎，所述定位引擎下包含至少4个锚节点，每个锚节点下包含至少一个目标节点；
所述目标节点，用于根据预置的节点号及时隙时间间隔，确定本目标节点使用的定位时隙，在所述定位时隙，对锚节点进行测距，获取测距数据，并将所述测距数据经所述锚节点上传至定位引擎；
所述锚节点，用于接收所述目标节点发送的定位节点查询广播，并向该目标节点发送确认消息，供所述目标节点筛选测距；
所述定位引擎，用于接收所述目标节点经由所述锚节点上传的测距数据。
10.根据权利要求9所述的一种基于UWB的众目标实时定位系统及实现方法，其特征在于:所述数据实时定位系统，
所述定位引擎，还用于在同步时隙，向锚节点发送时钟同步帧；
所述锚节点，还用于向其下的目标节点转发所述时钟同步帧，指示目标节点进行测距。
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