CN108683987A - 一种基于uwb的超宽带室内定位系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于UWB的超宽带室内定位系统，包括射频部分、基带部分和Tag标签，所述射频部分包括低噪声放大器LNA、自动发电控制器ACG、模数转换器A/D、数模转换器D/A、放大器Q和天线B；使用该方法设计的系统结构简单、同时具有通信系统灵活性和可扩展性，全数字结构的UWB系统的功耗低、成本低，易维修、易升级，而且很容易向单片COMS芯片集成，便于应用于便捷式设备中；保密性好，精度高，抗干扰性强，功率低，省电，可定位0～3维空间的Tag标签的位置。

Description

一种基于UWB的超宽带室内定位系统及方法
技术领域
本发明涉及超宽带室内定位系统技术领域，尤其是一种基于UWB的超宽带室内定位系统及方法。
背景技术
UWB(UltraWideband)是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，UWB能在10米左右的范围内实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率，其电磁波辐射对人体的影响也会很小，应用面就广，与蓝牙和WI-FI等带宽相对较窄的传统无线系统不同，UWB能在宽频上发送一系列非常窄的低功率脉冲，而常用的蓝牙和WI-FI局限性比较大，蓝牙传输距离短，蓝牙和Wi-Fi技术通过测量发射信号的强度变化来计算距离，容易受空气流动等影响，因而定位不准确，抗干扰能力弱，精度低，结构也较复杂、同时灵活性和可扩展性都较差，后期不易维修和升级，对于便捷式设备的应用也不广泛；因而需要一种精度高，抗干扰能力强的一种室内定位系统以解决目前面临的问题。
本发明就是为了解决以上问题而进行的改进。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种结构简单、同时具有通信系统灵活性和可扩展性，功耗低、成本低，易维修、易升级，便于应用于便捷式设备中，保密性好，精度高，抗干扰性强，功率低，省电，可定位0～3维空间的Tag标签位置的一种基于UWB的超宽带室内定位系统及方法。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于UWB的超宽带室内定位系统，包括射频部分、基带部分和Tag标签，所述射频部分包括低噪声放大器LNA、自动发电控制器ACG、模数转换器A/D、数模转换器D/A、放大器Q和天线B；
所述基带部分包括RAKE接受机、均衡器J和数字信号处理器S；
所述天线B接收Tag标签发出的脉冲信号，过滤后经低噪声放大器LNA处理后发送给自动发电控制器ACG，所述自动发电控制器ACG将处理后的信号传输给模数转换器A/D；
所述RAKE接受机接收基带部分传输的信号，经均衡器J处理后发送给数字信号处理器S，所述数字信号处理器S处理后产生数字信号，所述该数字信号被发送给数模转换器D/A，经过数模转换器D/A转换后脉冲成型M，再经过放大器Q放大后通过天线B发射出去；
进一步的，所述RAKE接受机接收的基带部分传输的信号为模数转换器A/D经脉冲匹配滤波C处理后的信号；
所述数字信号处理器S可对均衡器J发送过来的信号进行解交织、卷积译码和CRC译码处理后发送到MAC层处理，经MAC层处理后再进行CRC编码、卷积编码和交织处理产生数字信号；
所述数字信号处理器中还设置有功率控制器G，所述MAC层处理后的信号可直接通过功率控制器G发送给自动射频部分的发电控制器AGC或放大器Q；
所述基带部分有对信号的同步和信道估计T的过程，通过信道估计T，RAKE接收机可以得到信道的冲激响应。
进一步的，基于UWB的超宽带室内定位系统的方法，所述该方法利用YS-IPS(YouSheng-Indoor Positioning System)软件实现Anchor的位置设定，Anchor固定点接收Tag标签发出的脉冲信号，Anchor固定点可设置0～4个，其实施步骤为：
(1)在YS-IPS软件中设置原点位置；
(2)以原点位置为基准点，测量每个Anchor固定点与原点的距离；
(3)在YS-IPS中输入每个Anchor固定点与原点的距离；
(4)Tag标签发出的脉冲信号被Anchor固定点接收并传送给Coordinator服务器；
(5)Coordinator服务器计算Anchor与Tag的距离d；
所述每个Anchor固定点与Coordinator服务器之间无遮挡；
所述每个Anchor固定点与Tag的距离d组成一个球半径；
所述每个Anchor固定点与Tag之间无遮挡；
进一步的，所述Coordinator服务器设置一个；
更进一步的，所述Anchor固定点设置一个，可计算0维空间Tag标签的位置；
具体的，所述Anchor固定点设置二个，可计算一维空间Tag标签的位置；
其中，所述Anchor固定点设置三个，可计算二维空间Tag标签的位置；
所述Anchor固定点设置四个，可计算三维空间Tag标签的位置；
所述步骤(2)中使用测距仪测量每个Anchor固定点与原点的距离；
所述距离d＝c*(t-ta)，其中c＝3*108m/s，t为Anchor固定点接收Tag标签的时间，ta是Anchor内部处理Tag标签数据使用的时间，t精确到ns级；
所述YS-IPS(YouSheng-Indoor Positioning System)是虚拟实时室内定位系统，是基于DeaWAVE实时定位系统(RTLS)芯片组的UWB设备，该装置将ARM处理器、UWB收发器和MEMS集成到一个电路板中，它提供了具有精确的室内和室外定位系统的解决方案。
工作原理为：UWB系统直接通过脉冲调制发送信号，无需中频处理单元，可以采用软件无线电的全数字硬件接收结构，数字信号处理器可以通过软件动态加载实现传输速率、编码方式、功耗的配置；
每个Anchor固定点与Tag的距离d组成一个圆半径，几个圆相交的一点就是Tag的位置。
本发明的优点在于：使用该方法设计的系统结构简单、同时具有通信系统灵活性和可扩展性，全数字结构的UWB系统的功耗低、成本低，易维修、易升级，而且很容易向单片COMS芯片集成，便于应用于便捷式设备中；保密性好，精度高，抗干扰性强，功率低，省电，可定位0～3维空间的Tag标签的位置。
附图说明
图1是本发明提出的一种基于UWB的超宽带室内定位系统的结构框图。
图2是本发明提出的一种设计基于UWB的超宽带室内定位系统的方法中Tag标签位置确定示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示与具体实施例，进一步阐述本发明。
参照图1，该一种基于UWB的超宽带室内定位系统，包括射频部分、基带部分和Tag标签，所述射频部分包括低噪声放大器LNA、自动发电控制器ACG、模数转换器A/D、数模转换器D/A、放大器Q和天线B；
所述基带部分包括RAKE接受机、均衡器J和数字信号处理器S；
所述天线B接收Tag标签发出的脉冲信号，过滤后经低噪声放大器LNA处理后发送给自动发电控制器ACG，所述自动发电控制器ACG将处理后的信号传输给模数转换器A/D；
所述RAKE接受机接收基带部分传输的信号，经均衡器J处理后发送给数字信号处理器S，所述数字信号处理器S处理后产生数字信号，所述该数字信号被发送给数模转换器D/A，经过数模转换器D/A转换后脉冲成型M，再经过放大器Q放大后通过天线B发射出去；
进一步的，所述RAKE接受机接收的基带部分传输的信号为模数转换器A/D经脉冲匹配滤波C处理后的信号；
所述数字信号处理器S可对均衡器J发送过来的信号进行解交织、卷积译码和CRC译码处理后发送到MAC层处理，经MAC层处理后再进行CRC编码、卷积编码和交织处理产生数字信号；
所述数字信号处理器中还设置有功率控制器G，所述MAC层处理后的信号可直接通过功率控制器G发送给自动射频部分的发电控制器AGC或放大器Q；
所述基带部分有对信号的同步和信道估计T的过程，通过信道估计T，RAKE接收机可以得到信道的冲激响应；
参照图2，基于UWB的超宽带室内定位系统的方法，所述该方法利用YS-IPS(YouSheng-Indoor Positioning System)软件实现Anchor的位置设定，Anchor固定点接收Tag标签发出的脉冲信号，Anchor固定点可设置0～4个，其实施步骤为：
(1)在YS-IPS软件中设置原点位置；
(2)以原点位置为基准点，测量每个Anchor固定点与原点的距离；
(3)在YS-IPS中输入每个Anchor固定点与原点的距离；
(4)Tag标签发出的脉冲信号被Anchor固定点接收并传送给Coordinator服务器；
(5)Coordinator服务器计算Anchor与Tag的距离d；
所述每个Anchor固定点与Coordinator服务器之间无遮挡；
所述每个Anchor固定点与Tag的距离d组成一个球半径；
所述每个Anchor固定点与Tag之间无遮挡；
进一步的，所述Coordinator服务器设置一个；
更进一步的，所述Anchor固定点设置一个，可计算0维空间Tag标签的位置；
具体的，所述Anchor固定点设置二个，可计算一维空间Tag标签的位置；
其中，所述Anchor固定点设置三个，可计算二维空间Tag标签的位置；
所述Anchor固定点设置四个，可计算三维空间Tag标签的位置；
所述步骤(2)中使用测距仪测量每个Anchor固定点与原点的距离；
所述距离d＝c*(t-ta)，其中c＝3*108m/s，t为Anchor固定点接收Tag标签的时间，ta是Anchor内部处理Tag标签数据使用的时间，t精确到ns级；
所述YS-IPS(YouSheng-Indoor Positioning System)是虚拟实时室内定位系统，是基于DeaWAVE实时定位系统(RTLS)芯片组的UWB设备，该装置将ARM处理器、UWB收发器和MEMS集成到一个电路板中，它提供了具有精确的室内和室外定位系统的解决方案。
UWB系统直接通过脉冲调制发送信号，无需中频处理单元，可以采用软件无线电的全数字硬件接收结构，数字信号处理器可以通过软件动态加载实现传输速率、编码方式、功耗的配置；
每个Anchor固定点与Tag的距离d组成一个圆半径，几个圆相交的一点就是Tag的位置。
使用该方法设计的系统结构简单、同时具有通信系统灵活性和可扩展性，全数字结构的UWB系统的功耗低、成本低，易维修、易升级，而且很容易向单片COMS芯片集成，便于应用于便捷式设备中；保密性好，精度高，抗干扰性强，功率低，省电，可定位0～3维空间的Tag标签的位置。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (8)

1.一种基于UWB的超宽带室内定位系统，包括射频部分、基带部分和Tag标签，其特征在于：
所述射频部分包括低噪声放大器LNA、自动发电控制器ACG、模数转换器A/D、数模转换器D/A、放大器Q和天线B；
所述基带部分包括RAKE接受机、均衡器J和数字信号处理器S；
所述天线B接收Tag标签发出的脉冲信号，过滤后经低噪声放大器LNA处理后发送给自动发电控制器ACG，所述自动发电控制器ACG将处理后的信号传输给模数转换器A/D；
所述RAKE接受机接收基带部分传输的信号，经均衡器J处理后发送给数字信号处理器S，所述数字信号处理器S处理后产生数字信号，所述该数字信号被发送给数模转换器D/A，经过数模转换器D/A转换后脉冲成型M，再经过放大器Q放大后通过天线B发射出去；
所述RAKE接受机接收的基带部分传输的信号为模数转换器A/D经脉冲匹配滤波C处理后的信号；
所述基带部分有对信号的同步和信道估计T的过程，通过信道估计T，RAKE接收机可以得到信道的冲激响应。
2.如权利要求1所述的一种基于UWB的超宽带室内定位系统，其特征在于，所述数字信号处理器S可对均衡器J发送过来的信号进行解交织、卷积译码和CRC译码处理后发送到MAC层处理，经MAC层处理后再进行CRC编码、卷积编码和交织处理产生数字信号；
所述数字信号处理器S中还设置有功率控制器G，所述MAC层处理后的信号可直接通过功率控制器G发送给自动射频部分的发电控制器AGC或放大器Q。
3.一种设计根据权利要求1所述的基于UWB的超宽带室内定位系统的方法，其特征在于，所述该方法利用YS-IPS软件实现Anchor的位置设定，Anchor固定点接收Tag标签发出的脉冲信号，Anchor固定点可设置0～4个，其实施步骤为：
(1)在YS-IPS软件中设置原点位置；
(2)以原点位置为基准点，测量每个Anchor固定点与原点的距离；
(3)在YS-IPS中输入每个Anchor固定点与原点的距离；
(4)Tag标签发出的脉冲信号被Anchor固定点接收并传送给Coordinator服务器；
(5)Coordinator服务器计算Anchor与Tag的距离d；
所述每个Anchor固定点与Coordinator服务器之间无遮挡；
所述每个Anchor固定点与Tag之间无遮挡；
所述每个Anchor固定点与Tag的距离d组成一个球半径。
4.如权利要求3所述的基于UWB的超宽带室内定位系统的方法，其特征在于，所述Coordinator服务器设置一个。
5.如权利要求4所述的基于UWB的超宽带室内定位系统的方法，其特征在于，所述Anchor固定点设置一个，可计算0维空间Tag标签的位置。
6.如权利要求4所述的基于UWB的超宽带室内定位系统的方法，其特征在于，所述Anchor固定点设置二个，可计算一维空间Tag标签的位置。
7.如权利要求4所述的基于UWB的超宽带室内定位系统的方法，其特征在于，所述Anchor固定点设置三个，可计算二维空间Tag标签的位置。
8.如权利要求4所述的基于UWB的超宽带室内定位系统的方法，其特征在于，所述Anchor固定点设置四个，可计算三维空间Tag标签的位置。
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