CN104717747A - 移动坐标精确定位系统 - Google Patents

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Abstract

移动坐标精确定位系统，由控制器、水平基站组、垂直基站组和若干待定位标签组成，所述控制器由同步控制模块和信号处理模块组成，所述水平基站组包括至少两个位于同一水平高度的基站，所述垂直基站组包括至少两个在竖直方向投影重合的基站，所述标签能够在接收到基站发射的信号后向室内空间发射调频连续波，所述控制器与同一基站组内的各个基站之间的同步信号传输延时相等。本发明通过数字信号处理算法，能够消除基站与标签间存在的粗同步误差对定位精度的影响；在进行数字信号处理时，将计算得到的标签与各个基站之间距离两两作差，消除即时误差，实现对标签的精确定位。

Description

移动坐标精确定位系统
技术领域
本发明属于电子通信领域，涉及一种移动坐标精确定位系统。
背景技术
随着信息技术与无线通信技术的发展与普及，人们对定位和导航的需求日益增大。全球定位系统（GPS）是目前应用最为广泛的定位技术，能够满足人们在室外定位的需求。但是当GPS接收机在室内工作时，信号强度受建筑物的影响而大大降低，接收机无法进行定位。然而随着现代社会的不断发展，城镇化进程加快，大型建筑日益增多，人们80%以上的时间处于室内环境（含地下、矿井、隧道等），在复杂的室内环境，人们对室内位置服务的需求正迅速增加。而公共安全、生产安全、应急救援、物联网、特殊人群监护、大型场馆管理、智慧城市建设等领域都需要使用准确的室内定位信息。
在利用GPS进行定位时，会受到各种各样因素的影响。影响GPS定位精度的因素包括与GPS卫星自身有关的因素、电离层和平流层等大气层造成的误差延迟、GPS接收机时钟误差及其他软硬件误差等。
发明内容
为克服现有GPS 定位方法精度不足的技术缺陷，本发明公开了一种移动坐标精确定位系统。
本发明所述移动坐标精确定位系统，由控制器、水平基站组、垂直基站组和若干待定位标签组成，所述控制器由同步控制模块和信号处理模块组成，所述水平基站组包括至少两个位于同一水平高度的基站，所述垂直基站组包括至少两个在竖直方向投影重合的基站，所述标签能够在接收到基站发射的信号后向室内空间发射调频连续波，所述控制器与同一基站组内的各个基站之间的同步信号传输延时相等。
优选的，所述基站由基站通信模块、基站天线、基站放大器、混频器、滤波放大器、AD转换器组成，信号流向依次为基站天线-基站放大器-混频器-滤波放大器-AD转换器-基站通信模块。
进一步的，所述基站还包括与混频器连接的本振。
优选的，所述标签由标签通信模块、调频连续波发生器、标签放大器和标签天线组成，信号流向为标签通信模块-调频连续波发生器-标签放大器-标签天线。
优选的，所述控制器与各个基站之间通过有线方式传输信号，且控制器到各个基站的同步信号传输线传输延时相等。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用调频连续波方法进行测距，通过数字信号处理算法，能够消除基站与标签间存在的粗同步误差对定位精度的影响，在系统设计时设计同步控制器，每隔一定时间向各个基站发出一个同步信号，该同步信号可以使用相同延时的传输线传输给各个基站，以保证各个基站精确同步；在进行数字信号处理时，将计算得到的标签与各个基站之间距离两两作差，消除即时误差，实现对标签的精确定位。
附图说明
图1是本发明所述移动坐标精确定位系统一种具体实施方式的连接关系图；
图2是本发明所述标签、基站、控制器的各自一种具体实施方式示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
如图1至2所示，给出了本发明所述移动坐标精确定位系统的信号连接方式和各部件内部结构的一个具体实施方式。
所述移动坐标精确定位系统，由控制器、水平基站组、垂直基站组和若干待定位标签组成，所述控制器由同步控制模块和信号处理模块组成，所述水平基站组包括至少两个位于同一水平高度的基站，所述垂直基站组包括至少两个在竖直方向投影重合的基站，所述标签能够在接收到基站发射的信号后向室内空间发射调频连续波，所述控制器与同一基站组内的各个基站之间的同步信号传输延时相等。
根据空间大小和形状确定基站数量，每个基站的结构相同，都包括通信模块和调频信号接收机，其结构包括通信模块、基站天线、基站放大器、混频器、本振、滤波放大器、模数转换器（ADC）。基站的作用包含两个部分。一是通信模块与该基站的定位区域中的所有标签通信，确定标签的总数与各个标签的标签编码，并发送至控制器进行汇总，由控制器对标签进行管理。定位过程中，控制器每次向基站发送一个位于定位区域中的标签编码，由基站的通信模块转发该标签编码，通知对应标签开始发射定位信号。基站的另一个作用是调频信号接收机接收标签发射的定位信号，具体包括：基站天线接收标签所发射的信号，该信号经过基站放大器放大，然后进入混频器与本振产生的本振信号混频得到中频信号（射频信号经混频器降低频率后的信号），中频信号经过滤波放大器进行滤波和放大处理以后经过ADC转换成数字信号，输出给控制器中的信号处理器。
水平基站组的各个基站的测量数据相减后，将GPS定位的即时误差消除，得到水平方向距离差值的真实值，作为后续计算分析的依据；同理，利用垂直基站组的各个基站，可以得到垂直方向距离差值的真实值。
 控制器中包含两个部分：同步控制模块和信号处理模块。同步控制模块每隔一定时间对所有不同位置的基站进行同步控制，控制方式有两种，一种是同步控制模块产生同步信号，通过等延时的传输线传输给各个基站，对各个基站中的本振信号同步；另一种方式是同步控制器直接产生本振信号，然后分成多路，通过等延时的传输线传输给各个基站，作为混频器的本振信号，此时基站中可以不再需要本振。对基站进行同步控制的同时，同步控制模块向基站发送位于定位区域中的标签编码，并由基站中的通信模块转发，从而控制定位区域中的标签发射定位信号。信号处理模块的功能是将接收到的各个基站的数字中频信号进行处理，并输出定位结果，即标签的位置或坐标。
待定位标签发射的信号通常为高频射频信号，为满足现有技术的ADC芯片输入信号采样要求，基站将待定位标签发射的信号降频至中频频段。
所谓精确定位，是指坐标误差降低到1米以下或更低，为了保证发明装置高精度的定位，各基站中混频器输入端的本振信号要求严格同步，因此需要控制器到各个基站的同步信号传播延时相同，采用无线方式传递信号时，要求控制器到各个基站的空间距离相同，当采用有线方式传递信号时，可以要求控制器到各个基站的信号传输线类型和长度都相同，显然，采用有线方式更容易在不同结构形状的定位区域内获得相等的同步信号传递延时。
基于如上所述的移动坐标精确定位系统，本发明公开了一种移动坐标精确定位方法，包括若干个独立标签定位步骤，每一独立标签定位步骤对一个待定位的标签进行一次定位，所述独立标签定位步骤包括如下步骤：
SS1.控制器向各个基站发送标签编码，基站收到标签编码后转发至相应标签，以实现基站与标签间的粗同步；控制器发射标签编码的同时，发射同步信号至各个基站，以保证基站间的严格同步；
SS2.标签收到基站转发的标签编码后，发射定位信号，各个基站接收定位信号，利用混频技术将输入信号转化为数字中频信号，并发射至控制器；所述定位信号为调频连续波；
控制器发射的同步信号用于在转化为数字中频信号的过程中对本振信号进行同步或直接作为本振信号；
SS3.控制器根据数字中频信号计算同一基站组中各基站与待定位标签之间的伪距，
SS32待定位标签与同一基站组中各基站之间的伪距两两作差得到标签与各基站之间的距离差；
SS33根据距离差的正负号解模糊得到待定位标签的位置。
实际操作过程中，定位区域内通常包括多个待定位标签，此时可以对各个标签编号依次循环定位，具体为：控制器确定定位区域内所有标签，计算总数N并对每一标签从1到N编号，从第一个标签开始，重复所述独立标签定位步骤，直至遍历定位区域内全部标签。
待定位标签发射的信号波形为调频连续波，可以是线性调频连续波信号，也可以是步进频率连续波信号，它们的频率可以按周期性三角形波或周期性锯齿形波变化，二者不同在于锯齿波在频率下降阶段采用突变方式，三角波则为连续缓变方式，例如频率控制字变化规律为1-2-3-4-5-4-3-2-1-2-3-4-5…此时DDS输出波形为三角形波；如果变化规律为1-2-3-4-5-1-2-3-4-5-1-2-…此时DDS输出波形为锯齿形波。采用不同形式的调频连续波时，控制器中的数字信号处理模块中对应的处理方法也不同。
以下给出一 个具体实施例。
发射波形采用对称三角线性调频连续波（STLFMCW）。定位装置包括标签、基站、控制器，其中控制器中的同步控制模块采用直接产生本振信号通过等长传输线传输至各基站的方式来进行基站同步。标签与基站中的通信模块采用ZigBee模块，标签中的调频连续波发生器采用单片机（MCU）直接产生频率控制字来控制DDS产生线性调频信号的工作方式。以标签1与基站1为例，标签包括标签天线、标签放大器、上变频器、DDS（Direct Digital Synthesizer,直接数字式频率合成器）、MCU 、ZigBee模块；基站包括基站天线、基站放大器、混频器、滤波放大器、ADC 、ZigBee模块；控制器结构包括同步控制模块和信号处理模块。以上基站中的ZigBee模块为基站通信模块，标签中的ZigBee模块为标签通信模块，ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，是一种短距离、低功耗的无线通信技术，为本领域技术人员公知。
假定定位区域是一个边长为25米的正方形房间，本实施例中设置3个基站分别为基站1、基站2、基站3，以房间两条边为X、Y轴建立直角坐标系。假定定位区域中存在两个标签，即标签1与标签2，位置分别在（5.5，15.6）、（16.5，7.2）。
在该实现方式中，控制器中的同步控制模块首先向基站1发出标签1的标签地址码，由基站中的ZigBee模块向定位区域转发，标签1中的ZigBee模块收到后控制标签1中的MCU开始工作。MCU 与DDS （直接频率合成器）构成调频连续波发生器，MCU产生频率控制字输入到DDS ，DDS 合成所需线性调频波形，再经上变频器将信号频率调制到所需频率上，经过放大器放大后输入天线转换成电磁波辐射到空间中。
设定标签的地址码为24位，基站中的ZigBee模块转发该地址码时，数据帧的长度为64位，数据传输率为250kbps，数据传输所消耗的时间约为2.2毫秒，加上数据传输的应答帧（ACK）传输时间以及协议栈在处理器中的处理时间，从基站转发地址码到标签做出响应，共耗时约4毫秒；
控制器中的同步控制模块还需要产生本振信号，分三路经相同长度的传输线输入基站1、基站2、基站3，作为对应基站混频器的本振信号。由于ZigBee模块通信耗时大约4毫秒，为了使基站中的本振信号与标签的发射信号尽可能同步，所以同步控制模块应在向基站1发送标签1的地址码的同时延迟4毫秒产生本振信号并向各基站传输；
三个基站的天线均接收到标签1发射的LFMCW信号，经过放大器放大后输入混频器与本振信号混频，输出中频信号，经过滤波放大器处理后被模数转换器ADC 转换成数字中频信号，分别传输至控制器。
控制器接收各基站的输出信号，分别计算三个基站和标签1的伪距，然后两两作差，得到标签1到基站1与标签1到基站2的距离差、标签1到基站1与标签1到基站3的距离差、标签1到基站2与标签1到基站3的距离差，作差过程中，粗同步误差被消除，得到真实的距离差，再通过双曲定位原理得到标签1的精确位置。
在完成标签1定位以后，控制器中的同步控制模块再向基站1发出标签2的地址码，由基站中的ZigBee模块向定位区域转发，标签2中的ZigBee模块收到本标签的地址码后开始工作，具体定位的工作流程与上述标签1的定位工作流程相同。
设发射信号的调制周期T r =1ms，载波中心频率f 0 =10.525GHz，调频带宽B=1.2GHz，中频信号采样率f s =1MHz，FFT点数通过补零增加为N=216，信噪比10dB，考虑多径影响。定位结果如下：
标签1到基站1与标签1到基站2的距离差为-8.4496（米）
标签1到基站1与标签1到基站3的距离差为5.6248（米）
标签1的坐标为（5.4877,15.5847），定位误差为0.0196（米）；
标签2到基站1与标签1到基站2的距离差为6.9485（米）
标签2到基站1与标签1到基站3的距离差为-6.1760（米）
标签2的坐标为（16.5613,7.2691），定位误差为0.0924（米）。
本发明中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.移动坐标精确定位系统，其特征在于，由控制器、水平基站组、垂直基站组和若干待定位标签组成，所述控制器由同步控制模块和信号处理模块组成，所述水平基站组包括至少两个位于同一水平高度的基站，所述垂直基站组包括至少两个在竖直方向投影重合的基站，所述标签能够在接收到基站发射的信号后向室内空间发射调频连续波，所述控制器与同一基站组内的各个基站之间的同步信号传输延时相等。
2. 如权利要求1所述的移动坐标精确定位系统，其特征在于，所述基站由基站通信模块、基站天线、基站放大器、混频器、滤波放大器、AD转换器组成，信号流向依次为基站天线-基站放大器-混频器-滤波放大器-AD转换器-基站通信模块。
3. 如权利要求2所述的移动坐标精确定位系统，其特征在于，所述基站还包括与混频器连接的本振。
4. 如权利要求1所述的移动坐标精确定位系统，其特征在于，所述标签由标签通信模块、调频连续波发生器、标签放大器和标签天线组成，信号流向为标签通信模块-调频连续波发生器-标签放大器-标签天线。
5. 如权利要求1所述的移动坐标精确定位系统，其特征在于，所述控制器与各个基站之间通过有线方式传输信号，且控制器到各个基站的同步信号传输线传输延时相等。
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