CN103427905B - 一种光载超宽带无线定位系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光载超宽带无线定位系统，属于超宽带无线通信技术领域。本发明的定位系统中，超宽带传感器节点之间由光纤顺次连接，构成一个环形超宽带传感器网络，分布在探测区域中。通过精确控制各传感器节点之间的光纤长度来实现光时分复用，将不同传感器探测到的超宽带信号分开到超宽带信号源信号周期的不同时隙，来区分和识别各自传感器节点的信号。超宽带传感器节点接收到携带待测物位置信息的超宽带信号之后通过光纤传回中心处理单元进行定位信号处理。本发明能够在保证超宽带定位所具有的高定位精度的同时，有效降低传感器节点的软硬件复杂度，同时具有较低的传输损耗和较高的系统稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种定位系统，尤其涉及一种光载超宽带无线定位系统，属于超宽带无线通信技术领域。
背景技术
精确定位技术在航空航天、智能交通、工业生产、物流管理、家庭监控、反恐安保等领域得到了广泛应用。传统定位技术主要包括GPS定位、射频识别（RFID）定位、wifi定位、ZigBee定位、红外定位、超声波定位等定位技术。其中红外定位、超声波定位等非射频定位技术受非视距传播等因素影响较大，限制了它们在复杂环境下的应用。GPS定位系统定位范围极广，但是室内定位应用局限性较大，且终端复杂。wifi定位应用广泛、兼容性好，室内定位灵活，但是终端能耗很高。射频识别和ZigBee定位技术成本低、能耗低，然而这些射频定位技术却很容易受到外界的电磁干扰，定位稳定性一般。2002年，美国联邦通信委员会（FCC）在2002年批准了以往用于军事领域的超宽带（UWB）技术可以运用到民用领域中，超宽带技术便受到了热烈关注和广泛研究。超宽带信号（UWB）具有超窄脉冲（ps至ns级）、超宽的频谱宽度（10dB带宽最大达7.5GHz）和很低的功率谱密度（低于-41.3dBm/MHz），这些特性使得超宽带拥有极高的定位精度、极强的穿透能力和极低的能耗。因此超宽带信号非常适合高精度定位的应用。但是由于超宽带的功率谱密度较低，超宽带的大范围覆盖是一个必须解决的技术问题。光载超宽带技术是一个有效的解决方案，受到了国内外大量研究。光载超宽带技术利用光纤大带宽、低损耗、抗电磁干扰等特性，通过光纤将超宽带信号传送至多个服务区的基站，并将上行信号传回中心处理站，直接对超宽带模拟信号进行统一处理。其基站只需要对超宽带信号进行探测和光电调制，结构简单。基于光载超宽带技术的定位系统，目前研究较少，且尚无商用产品。
目前，国内外已研制成功不少面向商业应用的超宽带传感器网络定位系统，并开展了大量基于超宽带信号的应用研究。英国Ubisense公司开发的Ubisense超宽带定位系统用数据连接线将各定位传感器与定位平台连接，形成树状网络，采用TDOA和AOA定位技术相结合实现精度高达15cm的定位；美国Multispectral Solutions公司开发的Sapphire超宽带定位系统采用有线连接的链式结构，连接各超宽带接收机和处理站，室内定位精度达0.5-3英尺，室外定位精度小于0.5英尺。美国Time Domain公司的PLUS超宽带定位系统，通过同步分配器连接定位计算机和各接收机，系统的定位精度为正负15厘米。在国内，唐恩科技、成都昂迅、上海思品电子等也推出了精度达亚米级的超宽带定位系统和方案。上述系统的超宽带传感器节点均采用电缆或无线组网与计算和显示定位结果的中心处理站连接，经过两个步骤估计计算得到待测物的位置：步骤一，传感器节点接收到待测物发射的超宽带信号或者待测物反射的超宽带信号，估计出接收信号中能反映待测物位置信息的参数，比如波达时刻（TOA）、波达时差（TDOA）、波达方向角（AOA）、波达能量（RSS）等，而波达时刻和波达时差两个参数能充分利用超宽带脉冲极窄、时间分辨率极高的特性，故一般使用这两个参数。步骤二，传感器节点将估计得到的参数传送到中心处理站计算得到待测物的位置。然而，利用这种二步法也存在一定缺陷：1、为了降低系统成本，分布在探测区域的传感器节点往往比较简单，通常只能采用较简单的参数（如波达能量）或参数估计算法（如非相干算法估计波达时间），因此估计精度较低，限制了系统的定位性能；而为了提高估计精度，则必须采用复杂的算法（如相干算法估计波达时间）或较高的信号处理性能（如较高的采样率），这会大大增加参考节点复杂度和系统成本。2、绝大部分超宽带定位系统，其各传感器节点之间需要精确的时钟同步，复杂度较高，且很难准确同步。3、传感器节点由电缆或无线连接至中心处理站，信号传输损耗较大，且易受到外界电磁干扰的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有超宽带定位技术的不足，提供一种光载超宽带无线定位系统，能够在保证超宽带定位所具有的高定位精度的同时，有效降低传感器节点的软硬件复杂度，同时具有较低的传输损耗和较高的系统稳定性。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种光载超宽带无线定位系统，包括分布设置于探测区域的一个超宽带信号源和包括n个超宽带传感器节点的超宽带传感器网络，以及与所述超宽带传感器网络信号连接的中心处理单元，n为大于1的自然数；所述n个超宽带传感器节点分别探测超宽带信号源所发射的超宽带直达波信号以及定位目标所反射的超宽带回波信号，中心处理单元根据n个超宽带传感器节点所探测的超宽带直达波及回波信号，利用TDOA定位方法确定定位目标的位置；其特征在于，所述超宽带传感器节点包括超宽带信号接收模块和与其电连接的电光调制器；所述超宽带传感器网络还包括第一三端口光环形器，该三端口环形器具有沿光传输方向依次分布的第一、第二、第三端口；所述n个超宽带传感器节点的电光调制器依次通过光纤首尾相连，第1个超宽带传感器节点的电光调制器的光输入端与第一三端口光环形器的第一端口连接，第n个超宽带传感器节点的电光调制器的光输出端与第一三端口光环形器的第三端口连接，从而构成一个环形光载超宽带传感器网络；该环形光载超宽带传感器网络中各段光纤的总长度小于等于cF*tRP，且其中一段光纤的长度大于其它各段光纤的长度，cF为光在光纤中的传播速度，tRP为所述超宽带信号源所发射超宽带信号的周期；所述中心处理单元包括光源、第二三端口光环形器、光电探测器、信号处理模块，第二三端口光环形器的第一、第二、第三端口分别与光源的光输出端、第一光环形器的第二端口、光电探测器的光输入端连接，光电探测器的输出端与信号处理模块的信号输入端连接；信号处理模块将光电探测器输出的信号与超宽带信号源所发射的信号进行互相关运算，然后根据互相关运算结果获得n个超宽带传感器节点的波达时间差，最后利用TDOA定位方法确定定位目标的位置。
优选地，所述探测区域满足以下条件：
且
其中，(x,y,z)为探测区域中任意一点的坐标，(xNi,yNi,zNi)为第i个超宽带传感器节点的坐标，(xNn,yNn,zNn)为第n个传感器节点的坐标，(xS,yS,zS)为超宽带信号源的坐标，c为光在空气中的传播速度，cF为光在光纤中的传播速度，LDi为第i个传感器节点与第i+1个传感器节点之间的光纤长度，i=1,2,…,n-1。
相比现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明将传感器探测信号调制到光域并利用光纤进行数据传输，得益于光纤低损耗、大带宽、电磁干扰免疫等良好特性，系统链路损耗较小，信号失真较小，受外界电磁干扰较小，系统更稳定。
2、本发明将各传感器节点组建为一个环形传感器网络，并通过控制连接各传感器的光纤长度，将不同传感器节点接收到的超宽带脉冲在时域上分配到超宽带信号源重复周期中的不同时隙，进行光时分复用，从而有效减少了元器件的使用，降低了系统实现成本。
3、本发明中的传感器节点只负责接收和调制超宽带脉冲信号，免去了传感器节点中所有信号处理过程；而所有信号处理过程均在中心处理单元中完成，因此可采用复杂的参数估计和定位算法，从而有效降低了传感器节点的软硬件复杂度，使传感器网络更简单。
附图说明
图1为本发明的光载超宽带无线定位系统的结构原理示意图；
图2为本发明光载超宽带无线定位系统中超宽带传感器的结构示意图；
图3（a）为使用本发明进行二维定位时的数学几何模型；图3（b）为二维定位时中心处理单元中光电探测器探测得到的超宽带脉冲序列的仿真波形；
图4为本发明实施例中的光载超宽带无线定位系统结构示意图；
图5（a）为实施例中超宽带发生器产生的超宽带脉冲；图5（b）为实施例中超宽带发生器产生的超宽带脉冲经过超宽带放大器放大之后，用超宽带天线发射到自由空间的脉冲波形；
图6为实施例中光电探测器探测得到的超宽带脉冲序列，包含节点A和节点B对应的两个时隙；
图7（a）、图7（b）分别为经过互相关运算脉冲压缩之后用于波达时差（TDOA）估计的节点A、节点B波形序列，即图6中的脉冲序列与图5（b）中的单脉冲进行互相关运算得到的波形序列；
图8为本发明实施例中，分别独立测量待测物的10个不同二维位置的坐标图，包括估计位置、实际位置、超宽带信号源和两个传感器节点的坐标位置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
本发明的基本思路是利用光纤连接超宽带传感器节点形成环状超宽带传感器网络，接收携带待测目标位置信息的超宽带脉冲并将其调制到光域，并通过控制传感器节点之间的光纤长度以将不同传感器节点接收到的信号分配到超宽带信号源重复周期中的不同时隙，最后在远端的中心处理单元中提取并识别出各传感器节点的超宽带脉冲信号并利用TDOA方法进行待测目标的定位计算。
本发明的光载超宽带无线定位系统，如图1所示，包括远端的中心处理单元，以及设置于探测区域中的一个超宽带信号源和一个超宽带传感器网络。中心处理单元如图所示，包括光源、三端口光环行器1、光电探测器和信号处理模块，光源的输出端与三端口光环行器1的端口1连接，光电探测器的光输入端、电信号输出端分别与三端口光环行器1的端口3、信号处理模块的信号输入端连接。本发明中的超宽带传感器网络，如图所示，包括三端口光环行器2和传感器节点1～n，n为大于1的自然数。每个传感器节点包括由超宽带放大器和超宽带天线组成的超宽带接收模块，以及电光调制器。n个传感器节点的电光调制器通过光纤依次首尾相连，第1个超宽带传感器节点的电光调制器的光输入端与三端口光环形器2的端口1连接，第n个超宽带传感器节点的电光调制器的光输出端与三端口光环形器2的端口3连接，从而构成一个环形光载超宽带传感器网络。三端口光环行器1的端口2与三端口光环形器2的端口2之间通过长光纤相连。
超宽带信号源（例如可采用任意波形发生器或者脉冲码型发生器的差分输出）产生占空比很低的超宽带脉冲周期序列辐射向自由空间，一部分直接被传感器节点探测，称为直达波，另一部分经待测目标反射后被传感器节点探测，称为回波。直达波和回波到达某一传感器节点的波达时差（TDOA），反映了待测目标、超宽带和该传感器节点的部分相对位置关系。因此根据多个传感器节点接收的直达波和回波信号的波达时差，即可确定待测目标的位置。本发明中光源产生的光载波输入光环行器1的1口，从光环行器1的2口输出，经过长光纤传送到探测区域中光环行器2的2口，从光环行器2的3口输出，依次经过整个环形超宽带传感器网络的每一个传感器节点，并被每个传感器节点探测到的携带待测物位置信息的超宽带脉冲所调制，传送到光环行器2的1口，从光环行器2的2口输出，经过长光纤传送回中心处理单元至光环行器1的2口，从光环行器1的3口输出，输入到光电探测器，探测出调制在光载波上的超宽带脉冲序列；利用信号处理模块对光探测器输出的超宽带脉冲序列进行采样、估计（波达时差等参数）、识别（每个估计参数对应的传感器节点）、计算（待测物位置），即可得到待测目标的准确位置信息。本发明的超宽带传感器节点结构如图2所示，包括依次连接的超宽带天线、超宽带放大器、电光调制器。超宽带天线负责探测携带待测目标位置信息的超宽带脉冲序列，由超宽带放大器放大之后，送入电光调制器（如马赫增德尔调制器，MZM）。本发明通过控制环形超宽带传感器网络中每两个传感器节点之间的光纤长度，来实施光时分复用（OTDM），即把不同传感器节点接收到的超宽带信号分配到超宽带信号源重复周期中的不同时隙。为了避免不同传感器节点的接收信号发生串扰，连接各传感器的光纤需要满足条件：其中，LDi为第i个传感器节点与第i+1个传感器节点之间的光纤长度，i=1,2,…,n-1，cF为光在光纤中的传播速度，tRP为所述超宽带信号源所发射超宽带信号的周期，n为传感器节点的总个数，是大于1的自然数。为了能够准确识别后续超宽带脉冲序列中各脉冲信号与各传感器之间的对应关系，本发明设置其中一段光纤的长度大于其余各段光纤长度（其余各段光线长度可以相等也可以不等），相当于在该段光纤之后的传感器接收的脉冲信号前加入了一个较大的时隙，这样从中心处理单元所接收的超宽带脉冲序列中可以很容易的识别出该较大时隙所对应传感器的脉冲信号，从而实现了该传感器对应脉冲信号的标识，然后根据各传感器接收的脉冲信号到达中心处理单元的先后次序即可确定其余传感器的脉冲信号在超宽带脉冲序列中的位置。为了更容易识别，该段光纤的长度最好明显大于其余各段光纤长度，例如，可以比其余各段光纤中长度最大的一段长1/3、1/2或更多。此外，在确定了LDi的情况下，为了避免不同传感器节点的接收信号发生串扰，系统的定位范围（探测区域）也应受到限制，即探测区域满足以下条件：
且
其中，(x,y,z)为探测区域中任意一点的坐标，(xNi,yNi,zNi)为第i个超宽带传感器节点的坐标，(xNn,yNn,zNn)为第n个传感器节点的坐标，(xS,yS,zS)为超宽带信号源的坐标，c为光在空气中的传播速度，cF为光在光纤中的传播速度，LDi为第i个传感器节点与第i+1个传感器节点之间的光纤长度，i=1,2,…,n-1。
图3（a）显示了本发明二维定位时的数学几何模型。二维定位至少需要两个传感器节点，如图中所示节点A和节点B。图3（b）是仿真的中心处理单元中光电探测器探测得到的超宽带脉冲序列。由于有两个传感器节点，超宽带信号源的重复周期被分成了两个时隙。图3（b）中，tA是传感器节点A探测到的直达波信号波达时刻，tTA是传感器节点A探测到的回波信号波达时刻，tB是传感器节点B探测到的直达波信号波达时刻，tTB是传感器节点B探测到的回波信号波达时刻。点S为超宽带信号源的位置，点A为节点A的位置，点B为节点B的位置，点T为待测物的位置。设L|ST|,L|TA|,L|SA|,L|TB|,L|SB|分别为这几个点之间的距离。可得到椭圆方程组：
由此可得图3（a）中的椭圆A和椭圆B。设点S、A、B、T的坐标分别为(xS,yS)、(xA,yA)、(xB,yB)、(x,y)，上述椭圆方程组（3）可写成：
为了解出待测物的位置T点坐标(x,y)，只需要根据光电探测器探测得到的超宽带脉冲序列估计出两个波达时差（tTA-tA）和（tTB-tB）。解方程组（4）可得到两个解，对应图3（a）中椭圆A和椭圆B的两个交点。由于采用的超宽带天线为定向天线，因此可排除一个无效解。上述方法针对的是二维定位，采用了两个传感器节点。通过采用三个或更多的传感器节点，可实现三维定位。为了从光电探测器得到的超宽带脉冲序列中识别出各个传感器节点对应的时隙，可以控制其中一段光纤长度，例如传感器节点1和2之间的光纤长度，明显大于其余任意两个传感器节点间的光纤长度，这样传感器节点1对应的时隙会长于其它时隙。识别出了第一个时隙，其余时隙均可依次对应。
为了验证本发明技术方案的效果，进行了以下实验，利用本发明定位系统测量一块金属板待测物二维位置。
本实验中采用的定位系统结构如图4所示。中心处理单元包括激光源、光环行器1、光电探测器和实时示波器。超宽带信号源包括脉冲码型发生器、微波耦合器、超宽带放大器和超宽带天线。光载超宽带传感器网络包括光环行器2、马赫增德尔调制器、超宽带放大器、超宽带天线和光纤。激光源输出端与光环行器1的1端口相连，光环行器1的2端口通过光纤与光环行器2的2端口相连。光环行器1的3端口与光电探测器相连，光电探测器的微波输出口连至一台实时示波器。光环行器2的3端口与马赫增德尔调制器2的输入端相连，马赫增德尔调制器2的输出端通过一段光纤与马赫增德尔调制器1的输入端相连，马赫增德尔调制器1的输出端与光环行器2的1端口相连。马赫增德尔调制器1与超宽带放大器1的输入端相连，超宽带放大器1的输出端与超宽带天线1相连。马赫增德尔调制器2与超宽带放大器2的输入端相连，超宽带放大器2的输出端与超宽带天线2相连。脉冲码型发生器的正输出和负输出分别用同轴电缆与微波耦合器的两个输入端相连，负输出端的同轴电缆比正输出端的同轴电缆长2.4厘米，微波耦合器的输出端即可差分输出超宽带脉冲。微博耦合器的输出端与超宽带宽带放大器3的输出端相连，超宽带宽带放大器3的输出端与超宽带天线3相连。设置脉冲码型发生器产生半高全宽为80ps（对应重复频率12.5GHz）的类高斯信号，每3200位中仅包含一个“1”信号。经过微波耦合器正负差分之后，即可输出半高全宽为160ps的一阶超宽带脉冲序列，重复周期为256ns，占空比为1/1600。微波耦合器输出端的超宽带脉冲波形如图5（a）所示，超宽带天线3输出的经过天线整形的超宽带脉冲波形如图5（b）所示。控制传感器节点1和传感器节点2之间的光纤长度约为24米，计算得到光在这段光纤中的运动时间为120ns，小于重复周期的一半，满足前面所述的限制条件。超宽带信号源的坐标是（0，0.2349），第1个传感器节点的坐标是（14.68，0），第2个传感器节点的坐标是（63.28，0），坐标值的单位是米。此时，使不同传感器节点的接收信号避免发生串扰的定位范围限制条件为：
公式中坐标值的单位是米，且默认空气中的光速为3*108米/秒，光纤中的光速为2*108m/s。将待测物放置在探测区域中，用实时示波器（带宽16GHz，采样率80Gb/s）抓取光电探测器探测得到的超宽带脉冲序列，如图6所示。根据探测到的超宽带脉冲序列即可利用现有的TDOA方法计算得到待测物的位置，具体如下：
步骤一：将光电探测器探测得到的超宽带脉冲序列（图6所示）与超宽带天线3输出的超宽带脉冲波形（图5（b）所示）做互相关运算，得到脉冲压缩之后的波形，如图7所示。
步骤二：根据互相关运算结果的波形（图7所示）估计波达时差参数（tTA-tA）和（tTB-tB），简单地说，就是计算两个相关峰之间的时间差。如图7，波达时差估计方法为tTA-tA=(1927-1602)*12.5ps=4.06ns，tTB-tB=(1740-1601)*12.5ps=1.74ns，其中12.5ps为实时示波器的采样周期。
步骤三：根据公式（4）和超宽带天线1、2、3的位置坐标，计算得到待测物的位置坐标。
利用上述系统估算出了待测物在10个不同位置下的坐标，并与实际坐标进行对比，得到的结果如表1、图8所示。
表110个不同二维位置的估计位置、实际位置和测量误差（单位：厘米）
| 位置样本 | 估计位置坐标 | 实际位置坐标 | 误差 |
| 1 | (51.93,53.81) | (50.20,53.72) | 1.73 |
| 2 | (59.00,55.64) | (60.53,54.47) | 1.93 |
| 3 | (67.36,58.03) | (70.90,54.79) | 4.80 |
| 4 | (65.60,49.96) | (67.00,49.03) | 1.68 |
| 5 | (59.01,41.27) | (60.90,38.42) | 3.42 |
| 6 | (65.97,37.78) | (67.83,34.38) | 3.88 |
| 7 | (75.28,51.72) | (77.85,47.93) | 4.58 |
| 8 | (84.88,50.80) | (87.71,45.80) | 5.75 |
| 9 | (83.00,19.18) | (83.41,13.79) | 5.41 |
| 10 | (107.40,26.57) | (108.00,21.23) | 5.37 |
| 平均 | / | / | 3.86 |
Claims (3)
1.一种光载超宽带无线定位系统，包括分布设置于探测区域的一个超宽带信号源和包括n个超宽带传感器节点的超宽带传感器网络，以及与所述超宽带传感器网络信号连接的中心处理单元，n为大于1的自然数；所述n个超宽带传感器节点分别探测超宽带信号源所发射的超宽带直达波信号以及定位目标所反射的超宽带回波信号，中心处理单元根据n个超宽带传感器节点所探测的超宽带直达波及回波信号，利用TDOA定位方法确定定位目标的位置；其特征在于，所述超宽带传感器节点包括超宽带信号接收模块和与其电连接的电光调制器；所述超宽带传感器网络还包括第一三端口光环形器，该三端口环形器具有沿光传输方向依次分布的第一、第二、第三端口；所述n个超宽带传感器节点的电光调制器依次通过光纤首尾相连，第1个超宽带传感器节点的电光调制器的光输入端与第一三端口光环形器的第一端口连接，第n个超宽带传感器节点的电光调制器的光输出端与第一三端口光环形器的第三端口连接，从而构成一个环形光载超宽带传感器网络；该环形光载超宽带传感器网络中各段光纤的总长度小于等于c F *t RP，且其中一段光纤的长度大于其它各段光纤的长度，c F 为光在光纤中的传播速度，t RP为所述超宽带信号源所发射超宽带信号的周期；所述中心处理单元包括光源、第二三端口光环形器、光电探测器、信号处理模块，第二三端口光环形器的第一、第二、第三端口分别与光源的光输出端、第一光环形器的第二端口、光电探测器的光输入端连接，光电探测器的输出端与信号处理模块的信号输入端连接；信号处理模块将光电探测器输出的信号与超宽带信号源所发射的信号进行互相关运算，然后根据互相关运算结果获得n个超宽带传感器节点的波达时间差，最后利用TDOA定位方法确定定位目标的位置。
2.如权利要求1所述光载超宽带无线定位系统，其特征在于，所述探测区域满足以下条件：
，
且
，
其中，为探测区域中任意一点的坐标，为第i个超宽带传感器节点的坐标，为第n个传感器节点的坐标，为超宽带信号源的坐标，c为光在空气中的传播速度，c F 为光在光纤中的传播速度，L Di 为第i个传感器节点与第i+1个传感器节点之间的光纤长度，。
3.如权利要求1或2所述光载超宽带无线定位系统，其特征在于，所述电光调制器为马赫增德尔调制器。
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