CN103488453A - 集成定位与显示解算的超宽带定位跟踪系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成定位与显示解算的超宽带定位跟踪系统及方法，属一种高精度定位领域，所述系统中包括至少一个定位标签、至少三个定位基站与定位控制器，定位控制器用于根据不同定位基站发送的相对时间信息，通过定位算法解析出定位标签的当前位置信息；通过将定位算法和视音频生成模块集成到系统自带的定位控制器上，使用时仅需将大尺寸高清LED屏幕、投影仪等外接显示设备连接到定位控制器上即可完成整个定位跟踪系统的部署，省去了系统中原本通过计算机实现的定位解算与显示解算的部分，在有效简化系统组成，降低使用成本的基础上，还增加了定位跟踪系统可部署场景的范围，从而使超宽带定位跟踪系统的应用更为广阔。

Description

集成定位与显示解算的超宽带定位跟踪系统及方法

技术领域

本发明涉及一种高精度定位领域，更具体的说，本发明主要涉及一种集成定位与显示解算的超宽带定位跟踪系统及方法。

背景技术

在计算机科学和工业领域中，超宽带技术由于功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、理论上可以达到厘米级定位精度等优点，在众多无线定位技术中脱颖而出，成为无线定位技术的热点。近些年，随着我国在973、863及核高基等科技计划项目中部署重大专项，超宽带在无线通信领域的优势越来越明显，关键技术逐渐被攻克，技术成熟度越来越高，促使人们将这一新兴技术用于定位跟踪上。

目前，国际上超宽带理论和技术都已成熟，在军事和航天等领域都出现了可以使用的超宽带定位跟踪系统，也出现了一些商用的超宽带定位产品等，如英国的Ubisense定位跟踪系统、美国Zebra公司的Sapphire DART UWB无线定位跟踪系统和美国AETHER WIRE&LOCATION公司开发的Localizers室内定位系统等。此外，国内也有部分公司推出了自有的超宽带定位跟踪系统。

在超宽带定位跟踪系统中，定位信息的解算和显示是两个重要的功能。目前已有的定位跟踪系统，其均提供配套的定位平台软件，将软件安装于与定位跟踪系统相连的计算机后，即可以在计算机上完成解算和显示定位信息的功能。此外，也可以通过计算机再将定位信息传输到其他设备上进行显示。但是，采用这种形式的部署方式，如果需要将定位信息进行非计算机上的展示（如大尺寸高清LED屏、投影仪等），就需要通过计算机作为中转并进行控制，限制了系统的部署场景，此外，额外购买一台计算机也增加了使用方的成本。

发明内容

本发明的目的之一在于针对上述不足，提供一种集成定位与显示解算的超宽带定位跟踪系统及方法，以期望解决现有技术中超宽带定位跟踪系统需要外接计算机造成使用成本高，且对系统的部署场景造成限制等技术问题。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

本发明一方面提供了一种集成定位与显示解算的超宽带定位跟踪系统，所述系统中包括：

至少一个定位标签，用于在被激活后发出超宽带同步脉冲信号；

至少三个定位基站，所述定位基站均分别接入定位控制器，用于接收定位标签发出的超宽带同步脉冲信号，并根据定位控制器发出的时钟同步信号进行时间采集，从而生成超宽带同步脉冲信号从定位标签到定位基站之间的相对时间信息，并将所述相对时间信息传输至定位控制器；

定位控制器，用于向系统中所有定位基站发送时钟同步信号，使所有的定位基站在同一时间启动并接收来自于定位标签的超宽带同步脉冲信号；且根据不同定位基站发送的相对时间信息，通过定位算法解析出定位标签的当前位置信息；

至少通过定位控制器内部的视音频生成模块根据定位标签的当前位置信息，和来自于控制端的管理控制指令，生成定位场景的二维或三维视频信号，并将其由视频输出端口输出。

作为优选，进一步的技术方案是：所述定位控制器还用于通过定位控制模块利用定位控制接口向定位标签发送定位控制信号，以激活定位标签，使其向外部发出超宽带同步脉冲信号。

更进一步的技术方案是：所述相对时间信息中包括超宽带同步脉冲信号到达定位基站的时间数据，定位基站的IP信息，定位时隙信息及相应的校验信息。

更进一步的技术方案是：所述定位控制器中包括定位控制模块，接入计算资源模块，用于由定位控制接口，通过无线信道向定位标签发送定位控制信号，激活定位标签、分配时序、与系统同步，使定位标签向外部发出超宽带同步脉冲信号；

同步控制模块，接入计算资源模块，用于通过同步控制接口向各个定位基站发送时钟同步信号；

定位算法模块，接入计算资源模块，用于将来自于多个定位基站的相对时间信息进行解码，利用解码后得到的超宽带同步脉冲信号到达各个定位基站的时间差，结合定位基站的原始坐标、电磁波的传输速度，通过定位算法解析出定位标签的当前位置信息；

管理控制模块，接入计算资源模块，用于根据来自于控制端的管理控制指令，控制系统的启动和停止，并对由视频输出端口输出的显示界面进行操作；

视音频生成模块，接入计算资源模块，用于根据定位标签的当前位置信息与管理控制模块接收到的管理控制指令，生成定位场景的二维或三维视频信号，并根据定位标签的当前位置信息及系统设置信息生成告警或提示音频信号，且将音频信号与视频信号分别由音频输出端口与视频输出端口输出；

计算资源模块，用于向定位控制模块、同步控制模块、定位算法模块、管理控制模块与视音频生成模块提供信号处理和解算所需的各类计算和存储资源。

更进一步的技术方案是：所述定位算法模块还用于根据定位标签的当前位置信息，与管理控制指令解算出定位的二维与三维场景信息，连同定位标签的当前位置信息一并作为视音频生成模块生成二维或三维视频信号的依据。

更进一步的技术方案是：所述控制端包括遥控器与定位控制器自身的控制部件，所述遥控器与定位控制器自身的控制部件均用于向管理控制模块发送管理控制指令，所述管理控制指令至少包括系统的启动与停止、二维与三维显示界面的切换、移动轨迹的显示、定位场景的角度变化与缩放。

更进一步的技术方案是：所述定位控制接口采用2.4G无线通信的方式；所述同步控制接口采用以太网通信的方式；所述定位基站与定位控制器之间的相对时间信息传输接口也采用2.4G无线通信的方式；所述计算资源模块为嵌入式中央处理器与数据缓存装置，所述嵌入式中央处理器与视音频生成模块共享数据缓存，用于缓存定位标签的位置信息与三维显示图像。

本发明另一方面还提供了一种集成定位与显示解算的超宽带定位跟踪方法，所述方法包括如下步骤：

步骤A、定位控制器向系统中所有定位基站发送时钟同步信号，同步各个定位基站的时钟，使所有的定位基站在同一时间启动并接收来自于定位标签的超宽带同步脉冲信号；

步骤B、定位控制器向定位标签发送定位控制信号，以激活定位标签，使其向外部发出超宽带同步脉冲信号；

步骤C、至少三个定位基站接收定位标签发出的超宽带同步脉冲信号，并根据定位控制器发出的时钟同步信号进行时间采集，从而生成超宽带同步脉冲信号从定位标签到定位基站之间的相对时间信息，并将所述相对时间信息传输至定位控制器；

步骤D、定位控制器根据不同定位基站发送的相对时间信息，通过定位算法解析出定位标签的当前位置信息；

步骤E、定位控制器接收控制端的管理控制指令，并通过其内部的视音频生成模块，根据定位标签的当前位置信息，和来自于控制端的管理控制指令，生成定位场景的二维或三维视频信号，并将其由视频输出端口输出。

作为优选，进一步的技术方案是：所述的方法还包括步骤F、所述视音频生成模块根据定位标签的当前位置信息与系统设置信息生成告警或提示音频信号，且将音频信号由音频输出端口输出。

更进一步的技术方案是：所述步骤C的相对时间信息中包括超宽带同步脉冲信号到达定位基站的时间数据，定位基站的IP信息，定位时隙信息及相应的校验信息；

所述步骤D定位控制器中的定位算法模块还根据定位标签的当前位置信息，与管理控制指令解算出定位的二维与三维场景信息，连同定位标签的当前位置信息一并作为视音频生成模块生成二维或三维视频信号的依据；

所述步骤E中的控制端包括遥控器与定位控制器自身的控制部件，所述遥控器与定位控制器自身的控制部件，均可分别向定位控制器内部的管理控制模块发送管理控制指令；所述管理控制指令至少包括系统的启动与停止、二维与三维显示界面的切换、移动轨迹的显示、定位场景的角度变化与缩放。

与现有技术相比，本发明的有益效果之一是：通过将定位算法和视音频生成模块集成到系统自带的定位控制器上，使用时仅需将大尺寸高清LED屏幕、投影仪等外接显示设备连接到定位控制器上即可完成整个定位跟踪系统的部署，省去了系统中原本通过计算机实现的定位解算与显示解算的部分，在有效简化系统组成，降低使用成本的基础上，还增加了定位跟踪系统可部署场景的范围，从而使超宽带定位跟踪系统的应用更为广阔。

附图说明

图1为用于说明本发明一个实施例的系统结构总成框图；

图2为用于说明本发明另一个实施例中定位控制器的结构示意框图；

图3为用于说明本发明再一个实施例中的超宽带定位跟踪方法流程图。

具体实施方式

在对本发明做进一步的阐述之前，首先对本发明中提及的超宽带做个说明，超宽带（英文全称为Ultra Wide band，简称UWB）一种不用载波，而采用时间间隔极小(纳秒级)的脉冲进行通信的方式，它通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制，使信号具有GHz量级的带宽。

下面结合附图对本发明作进一步阐述。

参考图1所示，本发明的一个实施例是一种集成定位与显示解算的超宽带定位跟踪系统，该系统中应当包括：

定位标签，用于在被激活后发出超宽带同步脉冲信号；实际应用中，可在每个定位跟踪的对象身上均固定一个定位标签；

定位基站，在本实施例中以四个为例进行说明，将四个定位基站分别接入定位控制器，用于接收定位标签发出的超宽带同步脉冲信号，并根据定位控制器发出的时钟同步信号进行时间采集，从而生成超宽带同步脉冲信号从定位标签到定位基站之间的相对时间信息，并将所述相对时间信息传输至定位控制器；

定位控制器，作为系统的核心部分，其基础功能是向系统中所有定位基站发送时钟同步信号，使所有的定位基站在同一时间启动并接收来自于定位标签的超宽带同步脉冲信号；且根据不同定位基站发送的相对时间信息，通过定位算法解析出定位标签的当前位置信息；

通过定位控制器内部的视音频生成模块根据定位标签的当前位置信息，和来自于控制端的管理控制指令，生成定位场景的二维或三维视频信号，并将其由视频输出端口输出。

在系统运行的过程中，定位控制器在任何时候均可以对定位标签的当前位置实施定位与跟踪，因此定位控制器需要与定位标签进行信号交互，即在本实施例中，定位控制器的另一个重要作用是通过定位控制模块，利用定位控制接口向定位标签发送定位控制信号，以激活定位标签、分配时序、与系统同步，使定位标签向外部发出超宽带同步脉冲信号。当定位标签处于未被激活的状态时，系统的定位跟踪功能则无法实施，前述的激活操作，可在系统进行一次初始化之后进行。且为便于定位控制器解码解析定位标签的当前位置信息，上述实施例中的相对时间信息中应当包括超宽带同步脉冲信号到达定位基站的时间数据，定位基站的IP信息，定位时隙信息及相应的校验信息。

另外，上述的定位算法可以采用TOA、TDOA及AOA等算法。

参考图2所示，在本发明用于解决技术问题更加优选的一个实施例中，作为定位跟踪系统的核心，上述定位控制器中包括：

定位控制模块，接入计算资源模块，用于由定位控制接口，通过无线信道向定位标签发送定位控制信号，激活定位标签、分配时序、与系统同步，使定位标签向外部发出超宽带同步脉冲信号；

同步控制模块，接入计算资源模块，用于通过同步控制接口向各个定位基站发送时钟同步信号；

定位算法模块，接入计算资源模块，用于将来自于多个定位基站的相对时间信息进行解码，利用解码后得到的超宽带同步脉冲信号到达各个定位基站的时间差，结合定位基站的原始坐标、电磁波的传输速度，通过定位算法解析出定位标签的当前位置信息；

管理控制模块，接入计算资源模块，用于根据来自于控制端的管理控制指令，控制系统的启动和停止，并对由视频输出端口输出的显示界面进行操作；

视音频生成模块，接入计算资源模块，用于根据定位标签的当前位置信息与管理控制模块接收到的管理控制指令，生成定位场景的二维或三维视频信号，并根据定位标签的当前位置信息及系统设置信息生成告警或提示音频信号，且将音频信号与视频信号分别由音频输出端口与视频输出端口输出；

计算资源模块，用于向定位控制模块、同步控制模块、定位算法模块、管理控制模块与视音频生成模块提供信号处理和解算所需的各类计算和存储资源。

对于上述提到视音频生成模块依据定位标签的当前位置信息与管理控制模块接收到的管理控制指令，生成定位场景的二维或三维视频信号，发明人认为较易实现的操作方式为利用定位算法，由定位算法模块根据定位标签的当前位置信息，与管理控制指令解算出定位的二维与三维场景信息，连同定位标签的当前位置信息一并作为视音频生成模块生成二维或三维视频信号的依据。

在本实施例中，正如上述提到的各个功能模块的具体作用，定位控制器上的软件可以包括同步控制软件和定位控制软件。同步控制软件为嵌入式软件，用于产生时钟同步信号，让所有定位基站在同一时间启动接收超宽带同步脉冲信号。定位控制软件运行于嵌入式操作系统（如嵌入式Linux）上，并调用嵌入式数据库，用于完成对定位基站发送的脉冲到达时间数据进行解析，从而实现定位跟踪算法，实现管理控制信号的处理，实现根据标签的当前位置信息和管理控制指令解算出定位的三维场景，并转换为视音频信号等功能。

另外，为增加系统在部署后操作的便利性，优选的技术手段为采用遥控器与定位控制器自身的控制部件作为上述实施例中的控制端，即遥控器与定位控制器自身的控制部件均用于向管理控制模块发送管理控制指令；

同时，上述的管理控制指令至少包括系统的启动与停止、二维与三维显示界面的切换、定位跟踪对象携带定位标签移动轨迹的显示、定位场景的角度变化与缩放。

发明人经过试验，认为采用多种通信方式均可实现上述实施例中系统数据的传输，例如上述定位控制接口采用2.4G无线通信（频段处于2.405GHz-2.485GHz之间）的方式；同步控制接口采用以太网通信的方式；定位基站与定位控制器之间的相对时间信息传输接口也采用2.4G无线通信的方式；遥控器与定位控制器之间的管理控制接口采用红外通信或2.4G无线通信的方式。

正如图2所示出的，上述计算资源模块为嵌入式中央处理器与数据缓存装置，所述嵌入式中央处理器与视音频生成模块共享数据缓存，用于缓存定位标签的位置信息与三维显示图像。

参考图3所示，与上述的实施例相类似，本发明的另一个实施例是一种集成定位与显示解算的超宽带定位跟踪方法，所述方法包括且优先按照如下步骤执行：

S101、定位控制器向系统中所有定位基站发送时钟同步信号，同步各个定位基站的时钟，使所有的定位基站在同一时间启动并接收来自于定位标签的超宽带同步脉冲信号；

S102、定位控制器向定位标签发送定位控制信号，以激活定位标签，分配时序，且与系统同步，使定位标签向外部发出超宽带同步脉冲信号；

S103、至少三个定位基站接收定位标签发出的超宽带同步脉冲信号，并根据定位控制器发出的时钟同步信号进行时间采集，从而生成超宽带同步脉冲信号从定位标签到定位基站之间的相对时间信息，并将所述相对时间信息传输至定位控制器；

S104、定位控制器根据不同定位基站发送的相对时间信息，解码后得到超宽带同步脉冲信号到达各个定位基站的时间差，通过定位算法解析出定位标签的当前位置信息；

S105、定位控制器接收控制端的管理控制指令，并通过其内部的视音频生成模块，根据定位标签的当前位置信息，和来自于控制端的管理控制指令，生成定位场景的二维或三维视频信号，并将其由视频输出端口输出。

根据本发明的另一实施例，在上述步骤结束后，继续进行S106、所述视音频生成模块根据定位标签的当前位置信息与系统设置信息生成告警或提示音频信号，且将音频信号由音频输出端口输出。

在本发明用于解决技术问题更加优选的另一个实施例中，上述步骤S103的相对时间信息中包括超宽带同步脉冲信号到达定位基站的时间数据，定位基站的IP信息，定位时隙信息及相应的校验信息；

上述S104定位控制器中的定位算法模块还根据定位标签的当前位置信息，与管理控制指令解算出定位的二维与三维场景信息，连同定位标签的当前位置信息一并作为视音频生成模块生成二维或三维视频信号的依据；

上述S105中的控制端包括遥控器与定位控制器自身的控制部件，所述遥控器与定位控制器自身的控制部件，均可分别向定位控制器内部的管理控制模块发送管理控制指令；所述管理控制指令至少包括系统的启动与停止、二维与三维显示界面的切换、移动轨迹的显示、定位场景的角度变化与缩放。

除上述以外，还需要说明的是在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (10)

1.一种集成定位与显示解算的超宽带定位跟踪系统，其特征在于所述系统中包括：

至少一个定位标签，用于在被激活后发出超宽带同步脉冲信号；

至少三个定位基站，所述定位基站均分别接入定位控制器，用于接收定位标签发出的超宽带同步脉冲信号，并根据定位控制器发出的时钟同步信号进行时间采集，从而生成超宽带同步脉冲信号从定位标签到定位基站之间的相对时间信息，并将所述相对时间信息传输至定位控制器；

定位控制器，用于向系统中所有定位基站发送时钟同步信号，使所有的定位基站在同一时间启动并接收来自于定位标签的超宽带同步脉冲信号；且根据不同定位基站发送的相对时间信息，通过定位算法解析出定位标签的当前位置信息；

至少通过定位控制器内部的视音频生成模块根据定位标签的当前位置信息，和来自于控制端的管理控制指令，生成定位场景的二维或三维视频信号，并将其由视频输出端口输出。

2.根据权利要求1所述的集成定位与显示解算的超宽带定位跟踪系统，其特征在于：所述定位控制器还用于通过定位控制模块利用定位控制接口向定位标签发送定位控制信号，以激活定位标签，使其向外部发出超宽带同步脉冲信号。

3.根据权利要求2所述的集成定位与显示解算的超宽带定位跟踪系统，其特征在于：所述相对时间信息中包括超宽带同步脉冲信号到达定位基站的时间数据，定位基站的IP信息，定位时隙信息及相应的校验信息。

4.根据权利要求1或3所述的集成定位与显示解算的超宽带定位跟踪系统，其特征在于所述定位控制器中包括：

定位控制模块，接入计算资源模块，用于由定位控制接口，通过无线信道向定位标签发送定位控制信号，以激活定位标签、分配时序、与系统同步，使定位标签向外部发出超宽带同步脉冲信号；

同步控制模块，接入计算资源模块，用于通过同步控制接口向各个定位基站发送时钟同步信号；

定位算法模块，接入计算资源模块，用于将来自于多个定位基站的相对时间信息进行解码，利用解码后得到的超宽带同步脉冲信号到达各个定位基站的时间差，结合定位基站的原始坐标、电磁波的传输速度，通过定位算法解析出定位标签的当前位置信息；

管理控制模块，接入计算资源模块，用于根据来自于控制端的管理控制指令，控制系统的启动和停止，并对由视频输出端口输出的显示界面进行操作；

视音频生成模块，接入计算资源模块，用于根据定位标签的当前位置信息与管理控制模块接收到的管理控制指令，生成定位场景的二维或三维视频信号，并根据定位标签的当前位置信息及系统设置信息生成告警或提示音频信号，且将音频信号与视频信号分别由音频输出端口与视频输出端口输出；

计算资源模块，用于向定位控制模块、同步控制模块、定位算法模块、管理控制模块与视音频生成模块提供信号处理和解算所需的各类计算和存储资源。

5.根据权利要求4所述的集成定位与显示解算的超宽带定位跟踪系统，其特征在于：所述定位算法模块还用于根据定位标签的当前位置信息，与管理控制指令解算出定位的二维与三维场景信息，连同定位标签的当前位置信息一并作为视音频生成模块生成二维或三维视频信号的依据。

6.根据权利要求4所述的集成定位与显示解算的超宽带定位跟踪系统，其特征在于：所述控制端包括遥控器与定位控制器自身的控制部件，所述遥控器与定位控制器自身的控制部件均用于向管理控制模块发送管理控制指令，所述管理控制指令至少包括系统的启动与停止、二维与三维显示界面的切换、移动轨迹的显示、定位场景的角度变化与缩放。

7.根据权利要求4所述的集成定位与显示解算的超宽带定位跟踪系统，其特征在于：所述定位控制接口采用2.4G无线通信的方式；所述同步控制接口采用以太网通信的方式；所述定位基站与定位控制器之间的相对时间信息传输接口也采用2.4G无线通信的方式；所述计算资源模块为嵌入式中央处理器与数据缓存装置，所述嵌入式中央处理器与视音频生成模块共享数据缓存，用于缓存定位标签的位置信息与三维显示图像。

8.一种集成定位与显示解算的超宽带定位跟踪方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤A、定位控制器向系统中所有定位基站发送时钟同步信号，同步各个定位基站的时钟，使所有的定位基站在同一时间启动并接收来自于定位标签的超宽带同步脉冲信号；

步骤B、定位控制器向定位标签发送定位控制信号，以激活定位标签，使其向外部发出超宽带同步脉冲信号；

步骤C、至少三个定位基站接收定位标签发出的超宽带同步脉冲信号，并根据定位控制器发出的时钟同步信号进行时间采集，从而生成超宽带同步脉冲信号从定位标签到定位基站之间的相对时间信息，并将所述相对时间信息传输至定位控制器；

步骤D、定位控制器根据不同定位基站发送的相对时间信息，通过定位算法解析出定位标签的当前位置信息；

步骤E、定位控制器接收控制端的管理控制指令，并通过其内部的视音频生成模块，根据定位标签的当前位置信息，和来自于控制端的管理控制指令，生成定位场景的二维或三维视频信号，并将其由视频输出端口输出。

9.根据权利要求8所述的集成定位与显示解算的超宽带定位跟踪方法，其特征在于所述的方法还包括：步骤F、所述视音频生成模块根据定位标签的当前位置信息与系统设置信息生成告警或提示音频信号，且将音频信号由音频输出端口输出。

10.根据权利要求8或9所述的集成定位与显示解算的超宽带定位跟踪方法，其特征在于：所述步骤C的相对时间信息中包括超宽带同步脉冲信号到达定位基站的时间数据，定位基站的IP信息，定位时隙信息及相应的校验信息；

所述步骤D定位控制器中的定位算法模块还根据定位标签的当前位置信息，与管理控制指令解算出定位的二维与三维场景信息，连同定位标签的当前位置信息一并作为视音频生成模块生成二维或三维视频信号的依据；

所述步骤E中的控制端包括遥控器与定位控制器自身的控制部件，所述遥控器与定位控制器自身的控制部件，均可分别向定位控制器内部的管理控制模块发送管理控制指令；所述管理控制指令至少包括系统的启动与停止、二维与三维显示界面的切换、移动轨迹的显示、定位场景的角度变化与缩放。

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