CN103491629A - 一种基于Chirp扩频超宽带信号的实时定位系统及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Chirp扩频超宽带信号的实时定位系统，它包括主控中心，主控中心与接收终端通过电缆通信，接收终端接收移动终端上传的Chirp信号；所述主控中心包括授时模块和信息处理模块，授时模块向接收端发送统一的时钟，信息处理模块对移动终端到达时间信息进行解算，得出移动终端的位置信息。并公开了一种定位方法，本发明与原有的RSSI实时定位系统相比，测量精度高，测量范围广，适配协议优，抗干扰性强。

Description

一种基于Chirp扩频超宽带信号的实时定位系统及定位方法

技术领域

本发明涉及一种实时定位系统及定位方法，尤其涉及一种基于Chirp扩频超宽带信号的实时定位系统及定位方法。

背景技术

Chirp信号时间带宽积较大，上升频信号与下降频信号相互正交，在雷达定位、无线通信等领域得到广泛应用。

在实际信号调制过程中，一般利用SAW器件（声表面波滤波器），通过激励脉冲触发出具有脉冲特性的CSS信号,这些信号在信道中传输，并被接收端收到后，经过滤波器处理，获取脉冲压缩。由于接收端检测到的脉冲压缩信号中的噪音成分，解扩时已经在时域上被匹配滤波器展宽削弱或滤掉，这样就等于把宽带干扰转变成窄带干扰，且因有用脉冲幅值很大，很容易被检测到脉冲。由于接收端可以运用脉冲压缩技术直接捕获高能量、高幅值脉冲，且抗频率偏移特性较好，实际通讯过程中能够不需要频率同步或者时间同步；这种检测时间精准的特性，为精确的距离测量提供了保证。在测距与定位系统中，接收机总是能够准确而快速的检测到脉冲到达的时间。

目前定位方法大都是采用RSSI方法，RSSI方法会由于空间环境结构的变化而产生较大误差，造成定位不准确。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种基于Chirp扩频超宽带信号的实时定位系统及定位方法，它具有有效提高实时定位系统的测量范围与定位精度的优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于Chirp扩频超宽带信号的实时定位系统，它包括主控中心，主控中心与接收终端通过电缆通信，接收终端接收移动终端上传的Chirp信号；所述主控中心包括授时模块和信息处理模块，授时模块向接收终端发送统一的时钟，信息处理模块对移动终端到达时间信息进行解算，得出移动终端的位置信息；

所述移动终端包括Chirp扩频信号生成模块，Chirp扩频信号生成模块与控制模块连接，控制模块与直接数字频率合成器连接，控制模块控制直接数字频率合成器将Chirp扩频信号变成低频段Chirp信号，并送入混频器将其变频为射频频段，然后将处理后的Chirp信号送入接收终端；

所述接收终端包括射频模块和时钟模块，射频模块还与解调模块连接；射频模块将从移动终端接收到的Chirp信号进行滤波和放大，然后送入解调模块，解调模块完成对接收信号的匹配滤波和数据解调与到达时刻的提取，以得出移动终端的ID信息与到达时刻的信息，并将该信息送入主控中心；所述时钟模块还与解调模块连接，时钟模块用于接收主控中心的授时模块发出的时钟，并对接收信号进行时钟标定。

所述接收终端还与供电模块连接，供电模块用于对接收终端的供电。

所述射频模块包括信号滤波模块和信号放大模块。

所述解调模块包括匹配滤波模块和提取模块。

一种基于Chirp扩频超宽带信号的实时定位系统的定位方法，具体步骤为：

步骤一：主控中心的授时模块向接收终端发送统一时钟，使各接收终端工作在统一的时钟下；

步骤二：接收终端接收移动终端发射的Chirp信号；

步骤三：接收终端对接收信号进行匹配滤波和数据解调与到达时刻的提取，以得出移动终端的ID信息与到达时刻的信息，并将该信息上传给主控中心，主控中心根据接收到的信息确定移动终端的位置。

所述步骤一的具体步骤为：

（1-1）选择n条相同的均匀电缆；

（1-2）利用电缆将主控中心与接收终端连接在一起；

（1-2）布置完成电缆后，利用授时模块产生一个正弦波，经放大后同时输入到各个电缆中，在输出端利用示波器进行相位校正，将该校正量输入至接收终端，完成对各接收终端的时钟统一。

所述步骤二的具体步骤为：

（2-1）移动终端发射的Chirp信号经滤波和放大后，被送入接收终端；

（2-2）接收终端接收到经过信号调制模块调制后的信息，经解调模块完成对接收信号的滤波和信息解调，解调出各移动终端的ID信息和到达时刻信息，并将该信息上传给主控中心。

所述步骤三的具体步骤为：

（3-1）设t_j是第j个接收终端得到的移动终端信号的到达时刻，移动终端的二维位置u＝(x_u,y_u)，设移动终端信号的发送时刻为t_u，n个接收终端对移动终端进行到达时刻测量，产生方程组：

||s_j-u||＝c(t_j-t_u),j＝1,2,···,n  (1)

其中，s_j＝(x_j,y_j)是第j个接收终端的位置，为已知量，c为常数；

（3-2）将公式（1）展成以x_u,y_u,t_u为未知数的联立方程：

$\sqrt{{(x_j-x_u)}^2+{(y_j-y_u)}^2}=c(t_j-t_u),j=\mathrm{1,2},\·\·\·,n---\left(2\right)$

根据公式（2）完成对移动终端位置的确定。

本发明的有益效果：本发明与原有的RSSI实时定位系统相比：

（1）测量精度高。RSSI方法会由于空间环境结构的变化而产生较大误差；而CSS为测量接收信号的到达时间，相比于RSSI，受空间环境结构影响相对较小。

（2）测量范围广。CSS系统在采用功率放大器及合适的天线后，可达到千米级范围；而RSSI方式一般为百米级，且需经过复杂的现场校正，灵活性较差。

（3）适配协议优。CSS更适合无线定位，而RSSI协议栈适合小数据量的工业通讯。

（4）抗干扰性强。CSS解调时可获得较高的处理增益而有效提高信噪比，而RSSI极易受到外界干扰。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为本发明的移动终端的系统框图；

图3为本发明接收终端的系统框图。

其中，1.主控中心，2.接收终端，3.移动终端，4.射频模块，5.解调模块，6.时钟模块，7.信号滤波模块，8.信号放大模块，9.匹配滤波模块，10.提取模块，11.控制模块，12.直接数字频率合成器，13.混频器，14.CSS调制模块，15.Chirp扩频信号生成模块。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

一种基于Chirp扩频超宽带信号的实时定位系统，它包括主控中心1，主控中心1与接收终端2通过电缆通信，接收终端2接收移动终端3上传的Chirp信号；所述主控中心1包括授时模块和信息处理模块，授时模块向接收终端2发送统一的时钟，信息处理模块对移动终端3到达时间信息进行解算，得出移动终端3的位置信息；

所述移动终端3包括Chirp扩频信号生成模块15，Chirp扩频信号生成模块15与控制模块11连接，控制模块11与直接数字频率合成器12连接，控制模块11控制直接数字频率合成器12将Chirp扩频信号变成低频段Chirp信号，并送入混频器13将其变频为射频频段，并将处理后的Chirp信号送入接收终端2；

所述接收终端2包括射频模块4和时钟模块6，射频模块4还与解调模块5连接；射频模块4将从移动终端3接收到的Chirp信号进行滤波和放大，然后送入解调模块5，解调模块5完成对接收信号的匹配滤波和数据解调与到达时刻的提取，以得出移动终端3的ID信息与到达时刻的信息，并将该信息送入主控中心1；所述时钟模块6还与解调模块5连接，时钟模块6用于接收主控中心1的授时模块发出的时钟，并对接收信号进行时钟标定。

所述接收终端2还与供电模块连接，供电模块用于对接收终端2的供电。

所述射频模块4包括信号滤波模块7和信号放大模块8。

所述解调模块5包括匹配滤波模块9和提取模块10。

一种基于Chirp扩频超宽带信号的实时定位系统的定位方法，具体步骤为：

步骤一：主控中心1的授时模块向接收终端2发送统一时钟，使各接收终端2工作在统一的时钟下；

步骤二：接收终端2接收移动终端3的发射的Chirp信号；

步骤三：接收终端2对接收信号进行匹配滤波和数据解调与到达时刻的提取，以得出移动终端的ID信息与到达时刻的信息，并将该信息上传给主控中心1，主控中心1根据接收到的信息确定移动终端3的位置。

所述步骤一的具体步骤为：

（1-1）选择n条相同的均匀电缆；

（1-2）利用电缆将主控中心1与接收终端2连接在一起；

（1-2）布置完成电缆后，利用授时模块产生一个正弦波，经放大后同时输入到各个电缆中，在输出端利用示波器进行相位校正，将该校正量输入至接收终端2，完成对各接收终端2的时钟统一。

所述步骤二的具体步骤为：

（2-1）移动终端3的发射的Chirp信号经滤波和放大后，被送入接收终端2；

（2-2）接收终端2接收到移动终端3上传的Chirp信号后，经解调模块5完成对接收信号的滤波和信息解调，解调出各移动终端3的ID信息和到达时刻信息，并将该信息上传给主控中心1。

所述步骤三的具体步骤为：

（3-1）设t_j是第j个接收终端2得到的移动终端3信号的到达时刻，移动终端的3二维位置u＝(x_u,y_u)，设移动终端3信号的发送时刻为t_u，n个接收终端2对移动终端3进行到达时刻测量，产生方程组：

||s_j-u||＝c(t_j-t_u),j＝1,2,···,n  (1)

其中，s_j＝(x_j,y_j)是第j个接收终端2的位置，为已知量，c为常数；

（3-2）将公式（1）展成以x_u,y_u,t_u为未知数的联立方程：

$\sqrt{{(x_j-x_u)}^2+{(y_j-y_u)}^2}=c(t_j-t_u),j=\mathrm{1,2},\·\·\·,n---\left(2\right)$

根据公式（2）完成对移动终端3位置的确定。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种基于Chirp扩频超宽带信号的实时定位系统，其特征是，它包括主控中心，主控中心与接收终端通过电缆通信，接收终端接收移动终端上传的Chirp信号；所述主控中心包括授时模块和信息处理模块，授时模块向接收端发送统一的时钟，信息处理模块对移动终端到达时间信息进行解算，得出移动终端的位置信息； 

所述移动终端包括Chirp扩频信号生成模块，Chirp扩频信号生成模块与控制模块连接，控制模块与直接数字频率合成器连接，控制模块控制直接数字频率合成器将Chirp扩频信号变成低频段Chirp信号，并送入混频器将其变频为射频频段，然后将处理后的Chirp信号送入接收终端； 

所述接收终端包括射频模块和时钟模块，射频模块还与解调模块连接；射频模块将从移动终端接收到的Chirp信号进行滤波和放大，然后送入解调模块，解调模块完成对接收信号的匹配滤波和数据解调与到达时刻的提取，以得出移动终端的ID信息与到达时刻的信息，并将该信息送入主控中心；所述时钟模块还与解调模块连接，时钟模块用于接收主控中心的授时模块发出的时钟，并对接收信号进行时钟标定。 

2.如权利要求1所述一种基于Chirp扩频超宽带信号的实时定位系统，其特征是，所述接收终端还与供电模块连接，供电模块用于对接收终端的供电。 

3.如权利要求1所述一种基于Chirp扩频超宽带信号的实时定位系统，其特征是，所述射频模块包括信号滤波模块和信号放大模块，所述解调模块包括匹配滤波模块和提取模块。 

4.利用权利要求1所述的定位系统的定位方法，其特征是，具体步骤为： 

步骤一：主控中心的授时模块向接收终端发送统一时钟，使各接收终端工作在统一的时钟下； 

步骤二：接收终端接收移动终端发射的Chirp信号； 

步骤三：接收终端对接收信号进行匹配滤波和数据解调与到达时刻的提取，以得出移动终端的ID信息与到达时刻的信息，并将该信息上传给主控中心，主控中心根据接收到的信息确定移动终端的位置。 

5.如权利要求4所述的一种定位方法，其特征是，所述步骤一的具体步骤为： 

（1-1）选择n条相同的均匀电缆； 

（1-2）利用电缆将主控中心与接收终端连接在一起； 

（1-2）布置完成电缆后，利用授时模块产生一个正弦波，经放大后同时输入到各个电缆中，在输出端利用示波器进行相位校正，将该校正量输入至接收终端，完成对各接收终端的时钟统一。 

6.如权利要求4所述的一种定位方法，其特征是，所述步骤二的具体步骤为： 

（2-1）移动终端发射的Chirp信号经滤波和放大后，被送入接收终端； 

（2-2）接收终端接收到经过信号调制模块调制后的信息，经解调模块完成对接收信号的滤波和信息解调，解调出各移动终端的ID信息和到达时刻信息，并将该信息上传给主控中心。 

7.如权利要求4所述的一种定位方法，其特征是，所述步骤三的具体步骤为： 

（3-1）设t_j是第j个接收终端得到的移动终端信号的到达时刻，移动终端的二维位置u＝(x_u,y_u)，设移动终端信号的发送时刻为t_u，n个接收终端对移动终端进行到达时刻测量，产生方程组： 

||s_j-u||＝c(t_j-t_u),j＝1,2,···,n 

(1) 

其中，s_j＝(x_j,y_j)是第j个接收终端的位置，为已知量，c为常数； 

（3-2）将公式（1）展成以x_u,y_u,t_u为未知数的联立方程： 

根据公式（2）完成对移动终端位置的确定。 

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