CN103281281A - 一种基于超宽带室内导航定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超宽带室内导航定位系统，在固定发射端，发射机采用PRN序列产生输入信号，输入信号信源编码和信道编码后，再由快速傅立叶反变换产生基带调制信号，基带调制信号加上补零后缀经数模变换形成基带模拟信号，最后将基带模拟信号调制中心频率为3.432GHz的载波上去，形成超宽带信号，并通过该发射机的发射天线发送出去；在移动接收端，移动接收机的接收天线接收到该超宽带信号经过带通滤波器和低噪声放大器后，进行下变频处理，经模数变换得到基带数字信号，对基带数字信号进行同步和信道均衡处理，采用与固定发射端相反的处理程序最终得到发射端原始信息。

Description

一种基于超宽带室内导航定位系统

技术领域

本发明涉及一种定位系统，尤其涉及一种基于超宽带室内导航定位系统。

背景技术

超宽带(UWB-Ultra Wideband)技术是近年来发展起来的一种无线电技术，因其特有的性能，能够提供精确到1ns以下的测距信息，非常适用于室内定位系统的应用。基于超宽带的导航定位技术是集通信、导航定位为一体的电子信息类集成与处理技术。

对室内定位系统的研究，已经有近30年的历史，总结起来，室内定位系统依赖的技术主要有超声波、红外线等。超宽带（Ultra Wide Band，UWB）技术以其传输速率高、发射信号功率小、信号功率谱密度低、抗多径干扰性能强等特点，将超宽带技术应用于室内定位系统中，能够使系统在标识大小、功耗、造价、精度、实时性、通信能力以及可扩充性能等方面得到大幅度提升。美国、加拿大、英国等发达国家近年来投入了大量的人力和物力来对相关技术和产品进行研究和开发，相继研发出了很多超宽带室内定位产品，具有代表性的有美国Multispectral公司生产的PAL650超宽带无线定位系统、美国AETHER WIRE&LOCATION开发的Localizers室内定位系统、英国Ubisense公司研发的超宽带室内定位系统。在国内，许多高校与科研机构在超宽带通信系统方面已经开展了阶段性的研究工作，基于UWB的室内导航定位系统尚属首创，许多研究还处于起步阶段，相关技术与国外还有一定的差距。上述系统均采用脉冲调制方式，脉冲成形难度大，抗室内多径能力弱，实际应用时存在一定的局限性。

发明内容

本发明提出一种基于超宽带室内导航定位系统，其适用于基于UWB的导航定位系统的建立与实施，尤其适用于超宽带的室内导航定位系统的建立与实施。

本发明是这样实现的，一种基于超宽带室内导航定位系统，其包括移动接收机以及三个以上的发射机，每个发射机作为基站并具有一个固定发射端，该移动接收机包括移动接收端和系统控制模块，三个以上的固定发射端通过各自的发射天线发射超宽带信号，该移动接收端的接收天线捕获和跟踪该超宽带信号，该系统控制模块根据该超宽带信号进行相关、解调模块运算，最终解算出该移动接收机的接收点位置；其中，在固定发射端，该发射机采用PRN序列产生输入信号，输入信号信源编码和信道编码后，再由快速傅立叶反变换（Inverse FastFourier Transform，IFFT）产生基带调制信号，基带调制信号加上补零后缀（ZPS）经数模变换(Digital-to Analog Conversion，DAC)形成基带模拟信号，最后将基带模拟信号调制中心频率为3.432GHz的载波上去，形成该超宽带信号，并通过该发射机的发射天线发送出去；在移动接收端，该移动接收机的接收天线接收到该超宽带信号经过带通滤波器和低噪声放大器（LNA）后，进行下变频处理，经模数变换（ADC）得到基带数字信号，对基带数字信号进行同步和信道均衡处理，采用与固定发射端相反的处理程序最终得到发射端原始信息。

作为上述方案的进一步改进，用户在t_U,i时刻接收到基站i在t_S,i时刻发射的信号，t_U,j时刻接收到基站j在t_S,j时刻发出的信号，其中Δt_GPS,Si、Δt_GPS,Sj、Δt_GPS,U分别表示基站i、基站j、用户的时间与外部标准时间的偏差，则

基站i所发射信号到达用户的时间为TOA：(t_U,i+Δt_GPS,U)-(t_S,i+Δt_GPS,S,j)；

基站j所发射信号到达用户的时间为TOA：(t_U,j+Δt_GPS,U,j)-(t_S,j+Δt_GPS,S,j)；

则基站i、基站j所发射信号到达用户的时间差（TDOA）表示为：(t_i-t_j)=((t_U,i+Δt_GPS,U)-(t_S,i+Δt_GPS,S,j))-((t_U,i+Δt_GPS,U)-(t_S,j+Δt_GPS,S,j))   （1）式；

若基站i与基站j发射信号采用等间隔发射，即t_s,i-t_s,j为常数T，则（1）式又可表示为：(t_i-t_j)=(t_U,j-t_U,i)+T+(Δt_GPS,S,i-Δt_GPS,S,j)   （2）式；

又因为 $c(t_i-t_j)=\sqrt{{(X_i-x)}^2+{(Y_i-y)}^2+{(Z_i-z)}^2}-\sqrt{{(X_j-x)}^2+{(Y_j-y)}^2+{(Z_j-z)}^2}---\left(3\right)$ 式；其中(X_i,Y_i,Z_i)和(X_j,Y_j,Z_j)是基站i和基站j的位置坐标，（x，y，z）是用户位置坐标，联立（1）式、（2）式、（3）式三个方程组即可解算出用户（x，y，z）位置。

作为上述方案的进一步改进，该超宽带信号的形成包括以下步骤：

利用生成多项式G(x)=1+x³+x¹⁰生成伪随机码；

对所产生的数据进行扰码，生成多项式为

；

经扰码后的数据进行卷积编码，卷积编码使用码速率R=1/3的多项式产生器；

经卷积编码后的数据进行交织处理以提高信号的抗干扰性；

交织后的数据通过调制将实数域的数据映射到复数域；

经过调制的数据生成OFDM符号，并添加补零后缀以提高符号抗多径能力，形成一个OFDM符号；

所产生的OFDM符号通过数模转换为模拟信号，模拟信号调制到中心频率为3432MHz的射频载波上，最后通过发射天线发送出去。

优选地，利用生成多项式G(x)=1+x³+x¹⁰生成伪随机码时，选用数据速率为53.3Mbps。

优选地，各发射站之间同步，则Δt_GPS,S,i-Δt_GPS,S,j为常数。

优选地，发射机采用统一基准源，以基准源的标准1PPS信号去校准每个基站的时钟，采用时分体制发射该超宽带信号。

作为上述方案的进一步改进，该移动接收机还包括前置滤波器、低噪声放大器、下变频器、同步器；接收天线接收到固定发射端发出的信号，经前置滤波器滤除杂波信号，再送往低噪声放大器进行放大，经放大后的信号送入下变频器进行处理得到模拟基带信号；经过接收射频前端处理后得到的模拟基带信号送入同步器进行处理，得到移动接收机同步时延，恢复固定发射端所发射信号。

优选地，接收同步器包括帧检测器、载波同步器、符号同步器；帧检测器检测信号帧的起始位置；载波同步器用来补偿符号的载波频率偏差，载波同步器利用帧检测器的结果来实现对接收信号的载波同步的；符号同步器是为了实现每个符号的同步。

再优选地，该移动接收机还包括信道均衡器，信道均衡器通过将频域的接收通道乘以信道估计响应的复共轭来补偿信道响应误差。

本发明采用多频带正交频分复用调制方式，克服了现有超宽带室内定位系统的存在的局限，具有抗多径能力强、定位精度高、标准统一以及多厂商支持等显著优点。

附图说明

图1为本发明较佳实施方式提供的基于超宽带室内导航定位系统的发射机结构设计框图。

图2为本发明的基站间时分控制示意图。

图3为本发明较佳实施方式提供的基于超宽带室内导航定位系统的移动接收机结构设计框图。

图4为图3中移动接收机的帧检测器和载波同步器的实现框图。

图5为图3中移动接收机的符号同步器的实现框图。

图6为图3中移动接收机的均衡器的实现框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的基于超宽带室内导航定位系统包括移动接收机以及三个以上的发射机，每个发射机作为基站并具有一个固定发射端，该移动接收机包括移动接收端和系统控制模块，三个以上的固定发射端通过各自的发射天线发射超宽带信号（即导航信号），该移动接收端的接收天线捕获和跟踪该超宽带信号，该系统控制模块根据该超宽带信号进行相关、解调模块运算，最终解算出该移动接收机的接收点位置。

具体为，在固定发射端，该发射机采用PRN序列产生输入信号，输入信号信源编码和信道编码后，再由快速傅立叶反变换（Inverse FastFourier Transform，IFFT）产生基带调制信号，基带调制信号加上补零后缀（ZPS）经数模变换(Digital-to Analog Conversion，DAC)形成基带模拟信号，最后将基带模拟信号调制中心频率为3.432GHz的载波上去，形成该超宽带信号，并通过该发射机的发射天线发送出去；在移动接收端，该移动接收机的接收天线接收到该超宽带信号经过带通滤波器和低噪声放大器（LNA）后，进行下变频处理，经模数变换（ADC）得到基带数字信号，对基带数字信号进行同步和信道均衡处理，采用与固定发射端相反的处理程序最终得到发射端原始信息。

本发明的基于超宽带室内导航定位系统采用发射机固定，接收机移动的模式。系统由三个以上的固定发射端发射超宽带信号，移动接收机进行捕获和跟踪发射端所发射的信号，在移动接收机内部进行相关、解调等模块运算，最终解算出接收点的位置。

本发明的系统参数确定，由于多频带正交频分复用调制方式在频谱灵活性、抗干扰性以及传输速率等方面具与其他调制方式相比有明显的优势，故系统发射信号采用基于MB-OFDM调制方式实现。采用到达时间差（TDOA）定位算法，频带宽度为264M。具体参数表1所示。

表1 系统参数

参数	描述	值
			fs	采样频率	264MHz
NFFT	FFT的数目	128
			Δf	子载波间隔	2.0625MHz
TFFT	IFFT和FFT周期	484.84ns
			NZPS	补零后缀数目	37
TZPS	补零后缀持续时间	140.16ns
			Tsym	符号间隔	625ns
Fsym	符号速率	1.6MHz
			Nsym	每个符号的采样数	165

收发系统结构即移动接收机与发射机的结构，在固定发射端，由于伪随机（PRN）序列具有良好的相关性，因此系统采用PRN序列产生输入信号，输入信号信源编码和信道编码后，再由快速傅立叶反变换（Inverse Fast Fourier Transform，IFFT）产生基带调制信号。基带调制信号加上补零后缀（ZPS）经数模变换(Digital-to Analog Conversion，DAC)形成基带模拟信号，最后将这些基带模拟信号调制中心频率为3.432GHz的载波上去，并通过天线发送出去。

在接收端，接收天线接收到发射信号经过带通滤波器和低噪声放大器（LNA）后，进行下变频处理，经模数变换（ADC）得到基带数字信号，对基带数字信号进行同步和信道均衡处理，采用与发射端相反的处理程序最终得到发射端原始信息。

假设用户在t_U,i时刻接收到基站i在t_S,i时刻发射的信号，t_U,j时刻接收到基站j在t_S,j时刻发出的信号。其中Δt_GPS,Si，Δt_GPS,Sj，Δt_GPS,U分别表示基站i、基站j、用户User的时间与外部标准时间的偏差（与GPS标准时的偏差）。则

基站i所发射信号到达用户的时间为TOA：(+Δt_GPS,U)-(t_S,i+Δt_GPS,S,j)；

基站j所发射信号到达用户的时间为TOA：(t_U,j+Δt_GPS,U,j)-( +Δt_GPS,S,j)；

则基站i、基站j所发射信号到达用户的时间差（TDOA）可表示为：

(t_i-t_j)=((t_U,i+Δt_GPS,U)-(t_S,i+Δt_GPS,S,j))-((t_U,i+Δt_GPS,U)-(t_S,j+Δt_GPS,S,j))   （1）式；

若基站i与基站j发射信号采用等间隔发射，即t_s,i-t_s,j为常数T，则（1）式又可表示为：

(t_i-t_j)=( +T+(Δt_GPS,S,i-Δt_GPS,S,j)   （2）式；

又因为 $c(t_i-t_j)=\sqrt{{(X_i-x)}^2+{(Y_i-y)}^2+{(Z_i-z)}^2}-\sqrt{{(X_j-x)}^2+{(Y_j-y)}^2+{(Z_j-z)}^2}---\left(3\right)$ 式；

其中(X_i,Y_i,Z_i)和(X_j,Y_j,Z_j)是基站i和基站j的位置坐标，（x，y，z）是用户位置坐标。联立三个以上的方程组即可解算出用户（x，y，z）位置。

本发明的结构实现

（一）发射机实现

发射机实现框图如图1所示，主要由码产生器、扰码器、编码器、交织器、调制器、OFDM调制器、数模转换器、上边频器、发射同步器以及天线等部分组成。具体实施过程如下：

1.导航信号的产生

1)利用生成多项式G(x)=1+x³+x¹⁰生成伪随机码，考虑到硬件实现复杂度，选用数据速率为53.3Mbps；

2)对所产生的数据送入扰码器扰码，扰码器生成多项式为 $x[n=x[n-14]\⊕x[n-15],n=\mathrm{0,1,2},...$ ；

3)经扰码器扰码后的数据送入卷积编码器，卷积编码使用码速率R=1/3的多项式产生器；

4)经卷积编码后的数据送往交织器处理以提高信号的抗干扰性；

5)交织后的数据通过调制器（QPSK调制器）将实数域的数据映射到复数域；

6)经过QPSK调制器的数据送入OFDM调制器生成OFDM符号，并添加补零后缀以提高符号抗多径能力，形成一个OFDM符号；

7)所产生的OFDM符号通过数模转换器将其转换为模拟信号，模拟信号通过上变频器调制到中心频率为3432MHz的射频载波上，最后通过发射天线发送出去。

2.发射同步器

从公式（2）可知，要精确测得TDOA值，必须精确测定(t_S,i+Δt_GPS,S,i)-(t_S,j+Δt_GPS,S,j)。各发射站之间采用时分体制，t_s,i+t_s,j为常数，因此需精确测得Δt_GPS,S,i-Δt_GPS,S,j，若各发射站之间严格同步，则Δt_GPS,S,i-Δt_GPS,S,j为常数。

本系统发射同步器采用统一基准源，以基准源的标准1PPS信号去校准4个基站的时钟。整个室内定位系统采用时分体制发射导航信号，具体实现框图如图2所示，四个基站分别发射4组不同的OFDM调制信号，每个基站一次可连续发射2帧数据，每帧12个OFDM符号，两帧信息内容不相同。各站之间的发射时间错开，即S1站发射后延迟20us，S2开始发射，S2站发射后延迟20us S3开始发射，S3发射后20us S4开始发射。

每个基站的发射控制必须通过两个计数器JI1、JI2来实现：

（1）对基站S1，在参考时刻T₀（或1PPS）到来时即开始发送信号，T_A=T₀+0us=T₀；对基站S2，在参考时刻T₀到来时通过计数器计数延时20us后（即T_B=T₀+20us）开始发送信号；对基站S3，在参考时刻T₀到来时通过计数器计数延时40us后（即T_C= +40us）开始发送信号；对基站S4，在参考时刻T₀到来时通过计数器计数延时60us后（即T_A=T₀+60us）开始发送信号；

（2）计数器JI2在各基站每次发送数据的开始时刻打开计数，80us为一个计数周期，每次发送两帧数据（24个符号），然后清零再循环计数80us后再重复发送，一直循环下去。一直等到当下一个参考时刻T0（1PPS）出现时，将计数器1清零，计数器1重新开始计数并延时各站规定的延时之后开始发送数据，之后通过计数器2计数延时80us之后又循环发送。如此循环反复。

（二）接收机处理

接收机实现结构如图3所示，主要由接收天线、前置滤波器、低噪声放大器、下变频器、同步器、均衡器、QPSK解调器、解交织器、译码器以及解扰器等部分组成。具体实施过程如下：

1．接收天线接收到发射端信号，经前置滤波器滤除杂波信号，再送往低噪声放大器进行放大，经放大后的信号送入下变频器进行处理得到模拟基带信号；

2．经过接收射频前端处理后得到的模拟基带信号送入同步器进行处理，得到接收机同步时延，恢复发射端所发射信号；

接收同步器主要由帧检测器、载波同步器、符号同步器等部分组成。同步器具体实施过程如下：

(1) 帧检测器。

系统信号传输是基于帧结构的，因此同步器的第一步是检测到信号帧的起始位置。帧检测器是实现这一步骤的设备，帧检测器通常利用接收信号的延迟相关，检测门限判决输出。

（2）载波同步器。

载波同步器用来补偿符号的载波频率偏差。载波同步器利用帧检测器的结果来实现对接收信号的载波同步的。帧检测器与载波同步器具体实现框图如图4所示。

（3）符号同步器

符号同步器是为了实现每个OFDM符号的同步；具体实现是通过接收信号与本地信号进行互相关，检测峰值输出，即当互相关值达到最大值为检测到符号的起始位置，其实现框图如图5所示。

3. 均衡器的实现

信号在信道中易引起损耗，需要在对信号进行补偿，均衡器，信道均衡器通过将频域的接收通道乘以信道估计响应的复共轭来补偿信道响应误差。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于超宽带室内导航定位系统，其包括移动接收机以及三个以上的发射机，每个发射机作为基站并具有一个固定发射端，该移动接收机包括移动接收端和系统控制模块，三个以上的固定发射端通过各自的发射天线发射超宽带信号，该移动接收端的接收天线捕获和跟踪该超宽带信号，该系统控制模块根据该超宽带信号进行相关、解调模块运算，最终解算出该移动接收机的接收点位置；其特征在于，在固定发射端，该发射机采用PRN序列产生输入信号，输入信号信源编码和信道编码后，再由快速傅立叶反变换产生基带调制信号，基带调制信号加上补零后缀经数模变换形成基带模拟信号，最后将基带模拟信号调制中心频率为3.432GHz的载波上去，形成该超宽带信号，并通过该发射机的发射天线发送出去；在移动接收端，该移动接收机的接收天线接收到该超宽带信号经过带通滤波器和低噪声放大器后，进行下变频处理，经模数变换得到基带数字信号，对基带数字信号进行同步和信道均衡处理，采用与固定发射端相反的处理程序最终得到发射端原始信息。

2.根据权利要求1所述的基于超宽带室内导航定位系统，其特征在于：用户在t_U,i时刻接收到基站i在t_S,i时刻发射的信号，t_U,j时刻接收到基站j在t_S,j时刻发出的信号，其中Δt_GPS,Si,Δt_GPS,Sj,Δt_GPS,U分别表示基站i、基站j、用户的时间与外部标准时间的偏差，则

基站i所发射信号到达用户的时间为TOA：(t_U,i+Δt_GPS,U)-(t_S,i+Δt_GPS,S,j)；

基站j所发射信号到达用户的时间为TOA：(t_U,j+Δt_GPS,U,j)-(t_S,j+Δt_GPS,S,j)；

则基站i、基站j所发射信号到达用户的时间差（TDOA）表示为：(t_i+t_j)=((t_U,i+Δt_GPS,U)-(t_S,i+Δt_GPS,S,i))-(t_U,i+Δt_GPS,U)-(t_S,i+Δt_GPS,S,j))   （1）式；

若基站i与基站j发射信号采用等间隔发射，即t_s,i-t_s,j为常数T，则（1）式又可表示为：(t_i+t_j)=((t_U,j+Δt_U,i)+T (Δt_GPS,S,i-Δt_GPS,S,j)   （2）式；

又因为 $c(t_i-t_j)=\sqrt{{(X_i-x)}^2+{(Y_i-y)}^2+{(Z_i-z)}^2}-\sqrt{{(X_j-x)}^2+{(Y_j-y)}^2+{(Z_j-z)}^2}---\left(3\right)$ 式；其中(X_i,Y_i,Z_i)和(X_j,Y_j,Z_j)是基站i和基站j的位置坐标，（x，y，z）是用户位置坐标，联立（1）式、（2）式、（3）式三个方程组即可解算出用户（x，y，z）位置。

3.根据权利要求1所述的基于超宽带室内导航定位系统，其特征在于：该超宽带信号的形成包括以下步骤：

利用生成多项式G(x)=1+x³+x¹⁰生成伪随机码；

对所产生的数据进行扰码，生成多项式为

；

经扰码后的数据进行卷积编码，卷积编码使用码速率R=1/3的多项式产生器；

经卷积编码后的数据进行交织处理以提高信号的抗干扰性；

交织后的数据通过调制将实数域的数据映射到复数域；

经过调制的数据生成OFDM符号，并添加补零后缀以提高符号抗多径能力，形成一个OFDM符号；

所产生的OFDM符号通过数模转换为模拟信号，模拟信号调制到中心频率为3432MHz的射频载波上，最后通过发射天线发送出去。

4.根据权利要求3所述的基于超宽带室内导航定位系统，其特征在于：利用生成多项式G(x)=1+x³+x¹⁰生成伪随机码时，选用数据速率为53.3Mbps。

5.根据权利要求2所述的基于超宽带室内导航定位系统，其特征在于：各发射站之间同步，则Δt_GPS,S,i-Δt_GPS,S,j为常数。

6.根据权利要求2所述的基于超宽带室内导航定位系统，其特征在于：发射机采用统一基准源，以基准源的标准1PPS信号去校准每个基站的时钟，采用时分体制发射该超宽带信号。

7.根据权利要求1所述的基于超宽带室内导航定位系统，其特征在于：该移动接收机还包括前置滤波器、低噪声放大器、下变频器、同步器；接收天线接收到固定发射端发出的信号，经前置滤波器滤除杂波信号，再送往低噪声放大器进行放大，经放大后的信号送入下变频器进行处理得到模拟基带信号；经过接收射频前端处理后得到的模拟基带信号送入同步器进行处理，得到移动接收机同步时延，恢复固定发射端所发射信号。

8.根据权利要求7所述的基于超宽带室内导航定位系统，其特征在于：接收同步器包括帧检测器、载波同步器、符号同步器；帧检测器检测信号帧的起始位置；载波同步器用来补偿符号的载波频率偏差，载波同步器利用帧检测器的结果来实现对接收信号的载波同步的；符号同步器是为了实现每个符号的同步。

9.根据权利要求8所述的基于超宽带室内导航定位系统，其特征在于：该移动接收机还包括信道均衡器，信道均衡器通过将频域的接收通道乘以信道估计响应的复共轭来补偿信道响应误差。

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