CN103558598A - 一种基于线性调频连续波技术的精确定位方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于线性调频连续波技术的精确定位方法及设备。本发明提供了一种基于线性调频连续波技术的精确定位方法，包括以下步骤：在一次测距过程中，设备B发射线性调频连续波信号，设备A进行接收，设备A、设备B都周期性的产生线性调频连续波信号，假设设备A、设备B两端的本振有固定偏差t₀，且设备A的本振在设备B的本振之前，而线性调频连续波信号在空气中的飞行时间为τ，则设备A收到的信号是设备B在空气中延时了时间τ。本发明还提供了一种基于线性调频连续波技术的精确定位设备。本发明的有益效果是：基于线性调频连续波（FMCW）技术的精确定位技术，通过测量无线电波在空中的飞行时间实现两点之间的精确测距。

Description

一种基于线性调频连续波技术的精确定位方法及设备

技术领域

本发明涉及定位方法，尤其涉及一种基于线性调频连续波技术的精确定位方法及设备。

背景技术

常见的定位系统，如美国全球定位系统(GPS)只能在大尺度开阔空间的环境下工作，而在室内定位领域，如矿山，楼宇，隧道，森林等复杂环境下无法发挥作用。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种基于线性调频连续波技术的精确定位方法及设备。

本发明提供了一种基于线性调频连续波技术的精确定位方法，采用线性调频连续波作为测距信号，一个上扫频形式的线性调频连续波x(t)描述为：

$x\left(t\right)=A\cos (2\mathrm{\π}{f}_{l}t+\mathrm{\π}\frac{B}{T}{t}^2+\mathrm{\θ}),$

其中，f_l为扫频的初始频率；T为扫频周期；B为扫频带宽；θ为初始相位；t为时间；π为圆周率；

线性调频连续波的瞬时频率f(t)表示为：

f(t)=f_l+kt，

其中，为扫频波的斜率；f_l为扫频的初始频率；t为时间；

当两个线性调频连续波信号相混合时，得到一个低频单频信号，其频率和两线性调频连续波信号的时间差Δt之间的关系为：

$\mathrm{\Δt}=\frac{f_{\mathrm{mix}}}{k},$

其中，f_mix为单频信号频率；

为扫频波的斜率。

本发明提供了一种基于线性调频连续波技术的精确定位方法，包括以下步骤：

S1、在一次测距过程中，设备B发射线性调频连续波信号，设备A进行接收，设备A、设备B都周期性的产生线性调频连续波信号，假设设备A、设备B两端的本振有固定偏差t₀，且设备A的本振在设备B的本振之前，而线性调频连续波信号在空气中的飞行时间为τ，则设备A收到的信号是设备B在空气中延时了时间τ，则有：

其中，k为扫频波的斜率；

S2、当设备A发出线性调频连续波信号，设备B进行接收时，得到的时间为：

其中，k为扫频波的斜率；

S3、假设晶振之间的时间差异为线性变化模型，初始两端的时钟差异为t₀，经过时间T后双方时钟差异为t₁，可表示为：

t₁=t₀+μ*T，

其中，μ为线性参数，用于衡量两个晶振源随时间变化的程度；

S4、采用至少往返三次测距，其中，中间有两次预留的处理时间，分别表示为T_reply1和T_reply2，其中，

由步骤S3得到公式：

t₁=t₀+μ*T_reply1

t₂=t₀+μ*(T_reply1+T_reply2)；

由步骤S1、S2得到公式：

$t_0-\mathrm{\τ}=\frac{f_{\mathrm{mix}0}}{k}$

$t_1+\mathrm{\τ}=\frac{f_{\mathrm{mix}1}}{k}$

$t_2-\mathrm{\τ}=\frac{f_{\mathrm{mix}2}}{k}$

其中，τ、t₀、t₁、t₂、μ为五个未知数，共有五个方程，通过解线性方程即可解出τ、t₀、t₁、t₂、μ为五个未知数，从而得到晶振偏移误差μ和信号飞行时间τ；

S5、设备A和设备B之间的距离D表示为：

D=C*τ

其中，C为光速，τ为信号飞行时间，通过公式D=C*τ计算得到设备A和设备B之间的距离D。

作为本发明的进一步改进，步骤S4采用往返三次测距。

本发明还提供了一种基于线性调频连续波技术的精确定位设备，包括扫频信号产生模块、功率放大器、天线、低噪声放大器、混频器、模数转换器、定时检测模块、处理模块和无线信号模块，其中，所述扫频信号产生模块的输出端与所述功率放大器的输入端连接，所述天线与所述低噪声放大器连接，所述低噪声放大器的输出端与所述混频器的输入端连接，所述混频器的输出端与所述模数转换器连接，所述模数转换器的输出端与所述定时检测模块的输出端连接，所述定时检测模块的输出端与所述处理模块的输入端连接，所述处理模块与所述无线信号模块连接，所述扫频信号产生模块产生线性调频连续波信号输出到功率放大器进行信号放大，所述天线用于发送和接收线性调频信号，所述低噪声放大器用于放大接收信号及降低放大噪声，所述混频器用于接收信号与本地信号混合求差频，所述模数转换器采样混频器的模拟信号转换为后端处理的数字信号，所述定时检测模块将自己的本振信号和来波信号进行混频后，测量两个信号之间的差频f_mix，进而估计出信号在空气中的飞行时间，所述处理模块用于数字信号的处理、计算。

作为本发明的进一步改进，所述扫频信号产生模块通过第一开关与所述功率放大器连接，所述第一开关用于切换信号的收发状态。

作为本发明的进一步改进，所述第一开关为高速开关。

作为本发明的进一步改进，所述功率放大器连接有第二开关，所述天线通过所述第二开关与所述低噪声放大器连接。

作为本发明的进一步改进，所述第一开关与所述混频器连接。

作为本发明的进一步改进，所述无线信号模块为2.4G频段的无线收发模块。

作为本发明的进一步改进，所述处理模块连接有人机交互模块。

作为本发明的进一步改进，所述人机交互模块包括按键模块和屏幕显示模块。

本发明的有益效果是：通过上述方案，基于线性调频连续波（FMCW）技术的精确定位技术，通过测量无线电波在空中的飞行时间实现两点之间的的精确测距，可广泛应用于多种军用和民用场合，采用线性调频连续波的方式进行频谱扩展，可以有效的利用信号带宽，提高测距精度，通过构造发射波波形，并通过往返双程测距的方式，可以有效的抵消收发两端接收机的硬件定时差异，从而降低了测距系统对设备器件，以及收发两端的同步要求，有效提高了测距精度。

附图说明

图1是本发明一种基于线性调频连续波技术的精确定位设备的原理框图；

图2是本发明一种基于线性调频连续波技术的精确定位方法的测距示意图；

图3是本发明一种基于线性调频连续波技术的精确定位方法的三角波扫频信号的波形图；

图4是本发明一种基于线性调频连续波技术的精确定位方法的信号传输延时示意图；

图5是本发明一种基于线性调频连续波技术的精确定位方法的往返三次测距的示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

图1中的附图标号为：扫频信号产生模块1；第一开关2；功率放大器3；天线4；低噪声放大器5；混频器6；模数转换器7；定时检测模块8；处理模块9；无线信号模块10；人机交互模块11；第二开关12。

本发明采用线性调频连续波（FMCW）作为测距信号。线性调频连续波（FMCW）是一种频率随时间线性连续变化的信号，通常FMCW的扫频持续时间远大于信号的飞行时间。

一种基于线性调频连续波技术的精确定位方法，采用线性调频连续波作为测距信号，一个上扫频形式的线性调频连续波x(t)描述为：

$x\left(t\right)=A\cos (2\mathrm{\π}{f}_{l}t+\mathrm{\π}\frac{B}{T}{t}^2+\mathrm{\θ}),$

其中，f_l为扫频的初始频率；T为扫频周期；B为扫频带宽；θ为初始相位；t为时间；π为圆周率；

线性调频连续波的瞬时频率f(t)表示为：

f(t)=f_l+kt，

其中，为扫频波的斜率；f_l为扫频的初始频率；t为时间；一个典型的三角波扫频信号的时频表示如图3所示；

当两个线性调频连续波信号相混合时，系统会得到一个低频单频信号，其频率和两线性调频连续波信号的时间差Δt之间的关系为：

$\mathrm{\Δt}=\frac{f_{\mathrm{mix}}}{k},$

其中，f_mix为单频信号频率；

为扫频波的斜率；即信号之间的时间差Δt可以用两个信号混频低通之后的单频信号频率f_mix来表示，这样测距问题就转化为频率测量问题；

一种基于线性调频连续波技术的精确定位方法，包括以下步骤：

S1、在一次测距过程中，设备B发射线性调频连续波信号，设备A进行接收，设备A、设备B都周期性的产生线性调频连续波信号，假设设备A、设备B两端的本振有固定偏差t₀，且设备A的本振在设备B的本振之前，而线性调频连续波信号在空气中的飞行时间为τ，则设备A收到的信号是设备B在空气中延时了时间τ，如图4所示，则有：

其中，k为扫频波的斜率；

S2、当设备A发出线性调频连续波信号，设备B进行接收时，得到的时间为：

其中，k为扫频波的斜率；

S3、无线电波在空气中的传播速度为光速C，在空气中1纳秒时间的传播距离是0.3m，因此要精确衡量无线电波在空气中的飞行距离，对于定时器件的准确度要求是非常高的，因此对收发两端的器件一致性，以及收发两端的同步有很高的要求。超高精度的晶振源价格非常昂贵，无法适用于民用行业；实际上晶振之间一般存在一定的制造公差，这个差异可能会导致测距算法的失准，一般来说，两个不同的晶振源在短时间内可以认为是短稳的，假设晶振之间的时间差异为线性变化模型，初始两端的时钟差异为t₀，经过时间T后双方时钟差异为t₁，可表示为：

t₁=t₀+μ*T，

其中，μ为线性参数，用于衡量两个晶振源随时间变化的程度；

S4、采用至少往返三次测距，其中，中间有两次预留的处理时间，分别表示为T_reply1和T_reply2，这个时间可以由芯片器件TIMER测量得到，如图5所示，其中，

考虑本振差异时考虑信号处理时间带来的线性差异，由步骤S3得到公式：

t₁=t₀+μ*T_reply1

t₂=t₀+μ*(T_reply1+T_reply2)；

由步骤S1、S2得到公式：

$t_0-\mathrm{\τ}=\frac{f_{\mathrm{mix}0}}{k}$

$t_1+\mathrm{\τ}=\frac{f_{\mathrm{mix}1}}{k}$

$t_2-\mathrm{\τ}=\frac{f_{\mathrm{mix}2}}{k}$

其中，τ、t₀、t₁、t₂、μ为五个未知数，共有五个方程，通过解线性方程即可解出τ、t₀、t₁、t₂、μ为五个未知数，从而得到晶振偏移误差μ和信号飞行时间τ；

S5、设备A和设备B之间的距离D表示为：

D=C*τ

其中，C为光速，τ为信号飞行时间，通过公式D=C*τ计算得到设备A和设备B之间的距离D。

步骤S4采用往返三次测距。

即：

1.A端发射，B端接收；

2.B端发射，A端接收；

3.A端发射，B端接收。

由于在本方法中对晶振偏移误差做了相应建模，并通过三次往返测距方法对建模参数μ进行了估计，所以可以排除晶振相对误差影响，使得信号飞行时间τ估计更加精确，从而极大的提高了测距的精确度。

如图1所示，一种基于线性调频连续波技术的精确定位设备，包括扫频信号产生模块1、功率放大器3、天线4、低噪声放大器5、混频器6、模数转换器7（简称ADC）、定时检测模块8、处理模块9和无线信号模块10，其中，所述扫频信号产生模块1的输出端与所述功率放大器3的输入端连接，所述天线4与所述低噪声放大器5连接，所述低噪声放大器5的输出端与所述混频器3的输入端连接，所述混频器3的输出端与所述模数转换器7连接，所述模数转换器7的输出端与所述定时检测模块8的输出端连接，所述定时检测模块8的输出端与所述处理模块9的输入端连接，所述处理模块9与所述无线信号模块10连接，所述扫频信号产生模块1产生线性调频连续波信号输出到功率放大器3进行信号放大，所述天线4用于发送和接收线性调频信号，所述低噪声放大器5用于放大接收信号及降低放大噪声，所述混频器6用于接收信号与本地信号混合求差频，所述模数转换器7采样混频器6的模拟信号转换为后端处理的数字信号，所述定时检测模块8将自己的本振信号和来波信号进行混频后，测量两个信号之间的差频f_mix，进而估计出信号在空气中的飞行时间，所述处理模块9用于数字信号的处理、计算。

如图1所示，所述扫频信号产生模块1通过第一开关2与所述功率放大器3连接，所述第一开关2用于切换信号的收发状态。

如图1所示，所述第一开关2为高速开关。

如图1所示，所述功率放大器3连接有第二开关12，所述天线4通过所述第二开关12与所述低噪声放大器5连接。

如图1所示，所述第一开关2与所述混频器6连接。

如图1所示，所述无线信号模块10为2.4G频段的无线收发模块。

如图1所示，所述处理模块9连接有人机交互模块11。

如图1所示，所述人机交互模块11包括按键模块和屏幕显示模块。

扫频信号产生模块1为扫频信号源，其作用是产生线性调频连续波（FMCW）。扫频信号产生模块包括DDS（直接数字式频率合成器），PLL（锁相回路或锁相环）和VCO（压控振荡器）等器件，DDS作为PLL的激励源，PLL作为跟踪倍频锁相环，通过VCO输出线性调频波信号。本发明中使用的扫频信号为三角波信号，包括一个上扫波形和一个下扫波形。

第一开关2的主要作用是切换系统的收发状态。

功率放大器3的主要作用是信号功率的放大。

天线4用于发送和接收线性调频信号。

低噪声放大器5用于放大接收信号，同时尽量小的放大噪声。

混频器6用于接收信号与本地信号混合求差频。

模数转换器7为ADC采样，采样混频后模拟信号，转换为后端可处理的数字信号。

定时检测模块8是系统的核心器件，根据扫频波的特点，设备将自己的本振信号和来波信号进行混频后，测量两个信号之间的差频f_mix，进而估计出信号在空气中的飞行时间。

处理模块9包括DSP（数字信号处理器）、FPGA（现场可编程门阵列）等，用于数字信号的处理，计算，是系统后端的核心。处理模块9是系统的核心模块，负责所有设备的配置和调度。

无线信令模块10主要处理信号的交互，系统定位的开始，结束信号等，该模块是一个工作在2.4G频段的无线收发模块

人机交互模块11主要包括按键模块，屏幕显示模块，用于系统显示及输入控制。

测距在对等的两个设备之间进行，假设为设备A和设备B，如图2所示。

本发明提供的一种基于线性调频连续波技术的精确定位方法及设备，无线测距系统的空间分辨率和带宽存在反比关系，本发明提出的方法采用线性调频连续波的方式进行频谱扩展，可以有效的利用信号带宽，提高测距精度；本发明通过构造发射波波形，并通过往返双程测距的方式，可以有效的抵消收发两端接收机的器件定时差异，从而有效提高了测距精度，并且同时降低了测距系统对设备器件，以及收发两端的同步要求，为产品的低成本化提供了条件。经过试验证明，本发明在典型应用下，测距精度可以达到15cm左右。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于线性调频连续波技术的精确定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在一次测距过程中，设备B发射线性调频连续波信号，设备A进行接收，设备A、设备B都周期性的产生线性调频连续波信号，假设设备A、设备B两端的本振有固定偏差t₀，且设备A的本振在设备B的本振之前，而线性调频连续波信号在空气中的飞行时间为τ，则设备A收到的信号是设备B在空气中延时了时间τ，则有：

其中，k为扫频波的斜率；

S2、当设备A发出线性调频连续波信号，设备B进行接收时，得到的时间为：

其中，k为扫频波的斜率；

S3、假设晶振之间的时间差异为线性变化模型，初始两端的时钟差异为t₀，经过时间T后双方时钟差异为t₁，可表示为：

t₁=t₀+μ*T，

其中，μ为线性参数，用于衡量两个晶振源随时间变化的程度；

S4、采用至少往返三次测距，其中，中间有两次预留的处理时间，分别表示为T_reply1和T_reply2，其中，

由步骤S3得到公式：

t₁=t₀+μ*T_reply1

t₂=t₀+μ*(T_reply1+T_reply2)；

由步骤S1、S2得到公式：

$t_0-\mathrm{\τ}=\frac{f_{\mathrm{mix}0}}{k}$

$t_1+\mathrm{\τ}=\frac{f_{\mathrm{mix}1}}{k}$

$t_2-\mathrm{\τ}=\frac{f_{\mathrm{mix}2}}{k}$

其中，τ、t₀、t₁、t₂、μ为五个未知数，共有五个方程，通过解线性方程即可解出τ、t₀、t₁、t₂、μ为五个未知数，从而得到晶振偏移误差μ和信号飞行时间τ；

S5、设备A和设备B之间的距离D表示为：

D=C*τ

其中，C为光速，τ为信号飞行时间，通过公式D=C*τ计算得到设备A和设备B之间的距离D。

2.根据权利要求1所述的基于线性调频连续波技术的精确定位方法，其特征在于：步骤S4采用往返三次测距。

3.一种基于线性调频连续波技术的精确定位设备，其特征在于：包括扫频信号产生模块、功率放大器、天线、低噪声放大器、混频器、模数转换器、定时检测模块、处理模块和无线信号模块，其中，所述扫频信号产生模块的输出端与所述功率放大器的输入端连接，所述天线与所述低噪声放大器连接，所述低噪声放大器的输出端与所述混频器的输入端连接，所述混频器的输出端与所述模数转换器连接，所述模数转换器的输出端与所述定时检测模块的输出端连接，所述定时检测模块的输出端与所述处理模块的输入端连接，所述处理模块与所述无线信号模块连接，所述扫频信号产生模块产生线性调频连续波信号输出到功率放大器进行信号放大，所述天线用于发送和接收线性调频信号，所述低噪声放大器用于放大接收信号及降低放大噪声，所述混频器用于接收信号与本地信号混合求差频，所述模数转换器采样混频器的模拟信号转换为后端处理的数字信号，所述定时检测模块将自己的本振信号和来波信号进行混频后，测量两个信号之间的差频f_mix，进而估计出信号在空气中的飞行时间，所述处理模块用于数字信号的处理、计算。

4.根据权利要求3所述的基于线性调频连续波技术的精确定位设备，其特征在于：所述扫频信号产生模块通过第一开关与所述功率放大器连接，所述第一开关用于切换信号的收发状态。

5.根据权利要求4所述的基于线性调频连续波技术的精确定位设备，其特征在于：所述第一开关为高速开关。

6.根据权利要求4所述的基于线性调频连续波技术的精确定位设备，其特征在于：所述功率放大器连接有第二开关，所述天线通过所述第二开关与所述低噪声放大器连接。

7.根据权利要求4所述的基于线性调频连续波技术的精确定位设备，其特征在于：所述第一开关与所述混频器连接。

8.根据权利要求3所述的基于线性调频连续波技术的精确定位设备，其特征在于：所述无线信号模块为2.4G频段的无线收发模块。

9.根据权利要求3所述的基于线性调频连续波技术的精确定位设备，其特征在于：所述处理模块连接有人机交互模块。

10.根据权利要求9所述的基于线性调频连续波技术的精确定位设备，其特征在于：所述人机交互模块包括按键模块和屏幕显示模块。

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