CN108882147A - 一种基于超宽带定位技术的无线定位系统及快速传动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超宽带定位技术的无线定位系统及快速传动方法，包括中央处理器模块和分别与中央处理器模块相连的主动触发模块、唤醒模块、超带宽射频模块、获取模块、计算模块及电源管理模块。本发明快速传动方法，解决了包括TOA估计的精度及复杂度问题、非高斯噪声及恶劣环境下TOA估计的鲁棒性问题、多信号共存下的多址干扰问题、密集多径NLOS环境下定位的有效性和精度问题等。

Description

一种基于超宽带定位技术的无线定位系统及快速传动方法

技术领域

本发明涉及超宽带定位技术，具体是一种基于超宽带定位技术的无线定位系统及快速传动方法。

背景技术

随着人类社会的不断发展，人们对无线通信的要求也在不断提高，新兴的无线网络技术(例如，WiFi、ZigBee、蓝牙、超宽带(Ultra Wide Band，简称UWB)技术)在办公室、家庭、工厂等领域得到了广泛应用。而UWB无线定位技术由于具有功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、实时性、可扩展性等优点，具有极高的时间分辨率，以及可以达到厘米级的定位精度，已成为未来无线定位技术的热点，并被视为下一代无线通信的关键技术之一。

在现有技术中，UWB定位可通过测距和测向来完成，常用的方法包括飞行时间(TOF)方法、接收信号强度(RSS)方法、到达角度(AOA)方法、到达时间/到达时间差(TOA/TDOA)方法等。其中，通过TOF方法测距要求发送设备和接收设备必须始终同步，接收设备提供信号的传输时间长短；TOF方法采用时钟偏移量来解决同步问题；RSS方法依赖路损模型，精度与节点间距有关，对信道环境极为敏感，鲁棒性不强；AOA方法需测量UWB信号到达角度，对基站天线的要求高，从而增加了定位系统中的设备成本；相比而言,TOA/TDOA方法以多径到达时延估计理论为基础，最能体现UWB信号时间分辨率高的特点。然而使用TOA定位要求双方必须是时钟同步的，因此在实际的UWB定位系统中，TDOA是一种可行的方式，定位双方无需时钟同步，但该定位方法还存在发射信号延迟及要求基站同步的问题。

在现有技术中，发射信号延迟时间的计算难度较大，因此通常根据经验值来将其设置成固定参数，但在实际使用中由于环境因素、温度、硬件制版等影响，使发射信号延迟时间的实际值不同，导致测量精度不准，最后造成定位出现偏差；而各基站之间的时间不统一，会产生较大的时间偏差，进而也会影响定位的精度。为实现高精度的定位，基站之间需达到纳秒级的时间统一，大大增加了基站成本。

无线通信在日常生活中扮演着越来越重要的角色，无线通信和无线传感器网络技术的发展，与位置的服务显得越来越重要，目标位置信息的准确获取一直是无线定位领域研究的核心问题。目标定位具有广泛的军事和民间用途，包括战场命令和控制、消防、道路交通警戒、移动Ad hoc网络中资源定位、无线区域定位，及传感器网络中定位等诸多领域。

脉冲无线电(IR：Impulse Radio)超宽带信号采用功率谱密度极低和脉冲宽度极窄的基带脉冲来携带信息，具有传输速率、低截获概率、低功耗、低成本等特点，未来短距离无线高速数传最有潜力的信号技术。基于脉冲的超宽带信号具有非常高的时间和空间分辨率，能够提供高精度的距离测量，定位精度可以达到厘米级，具有将精确测距与定位和低速通信相结合的能力。UWB信号具有极强的穿透障碍物的能力，且采用极窄脉冲体制的UWB技术还具有对恶劣多径环境的鲁棒性，其适合在复杂环境中应用。因此，IR UWB成为高精度无线区域定位中的首选技术，能够满足未来区域定位系统对信号共存、高精度、非视距、低功耗、低成本等诸多要求。

近年来，国际上对基于UWB的无线定位技术的研究非常关注。自从美国FCC于2002年通过了UWB技术的使用规范后，UWB技术的学术研究、技术标准化和产业化得到了极大促进。在UWB无线定位研究领域，包括美国南加州大学、麻省理工学院在内的多家著名学术机构开展了卓有成效的研究工作，麻省理工学院无线通信专家Moe Z.Win为代表的众多知名学者发表了大量研究成果。在技术标准方面，2004年成立的IEEE 802.15.4a工作组制定了适用于大用户容量低速率通信和精确定位的物理层方案，于2007年正式通过了基于脉冲UWB技术和Chirp扩谱技术的两个可选物理层方案。目前关于UWB定位及其信号传播的研究仍然十分活跃。

国内近年来对UWB定位技术也开展了研究，不少研究机构和学者在国家863计划、国家自然科学基金支持下，绕信道建模、定位算法等方面进行了卓有成效的研究工作，力推进了我国在UWB定位技术领域的研究和应用。

当设计超宽带接收机时，以下一些问题应当着重考虑。

(1)信号特性

低功率、低占空比、窄脉冲的信号特点会对接收机性能产生很大的影响。首先，美国FCC及欧洲等国家对超宽带信号辐射功率的严格限制使得超宽带的发射信号和接收信号的功率都极低的信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)或信干噪比(Signal toInterference plus Noise Ratio,SINR)会直接影响到接收机的误码性能。其次，功率、低占空比的脉冲信号导致了搜索空间的增加和捕获过长，室内环境下，于多径传播，主路径的捕获易于出错，对设计同步捕获方案造成了极大的难度。此外，持续时间极短的超宽带脉冲波形会受到收、发天线的微分作用及滤波器的影响，导致接收信号的严重畸变，于实现准确的相关接收。

(2)信道特性

超宽带信道具有密集多径的特点，径数多达几十甚至上百条，之超宽带信号带宽很宽，会导致严重的频率选择性衰落，对接收机的性能提出了更高的要求。

(3)干扰抑制

出于成本和便携等因素的考虑，计高性能、低复杂度的接收机对超宽带系统尤为重要。然而由于超宽带信号和信道的特点，宽带接收机不同于传统的窄带接收机。超宽带接收机往往需要处理大量的可分辨路径，了充分收集、合并多径能量从而提高系统误码性能，就要求超宽带接收机要能很好地消除码间干扰的影响。同时，系统中存在多个用户时，宽带接收机还要能有效地抑制多用户干扰(Multi-user Interference，UI)的影响。此外，超宽带系统与其它系统的频谱重叠使用时，宽带接收机还需具有抵抗其它系统的窄带干扰及宽带干扰的能力。

(4)信道估计

在超宽带信道中，在着密集的低功率可分辨路径，每条路径的时延、幅度、相位等参数在接收端都被估计时，计算量是惊人的，也为设计低复杂度接收机带来了挑战。

发明内容

为了解决现有技术中定位系统穿透力差、功耗高、抗径效果差和现有定位系统及定位方法中出现的发射延迟及基站之间时间不统一的技术问题，本发明提供了一种基于超宽带定位技术的无线定位系统及快速传动方法。

实现本发明目的的技术方案是：

一种基于超宽带定位技术的无线定位系统，包括：

中央处理器模块和分别与中央处理器模块相连的主动触发模块、唤醒模块、超带宽射频模块、获取模块、计算模块及电源管理模块，超带宽射频模块还与天线模块相连；获取模块获取定位数据后传至中央处理器模块，中央处理器模块经唤醒模块、超宽带射频模块唤醒后处理逻辑和事件，通过计算模块计算定位信号与参考定位信号的到达时间差，天线模块接收到超宽带调制信号，将超宽带调制信号发送至超宽带射频模块，超宽带射频模块将调制信号转换成数字信号后发送到中央处理器模块，中央处理器模块发出数字信号传达到超宽带射频模块后，超宽带射频模块将数字信号转换成调制信号发送至天线模块，通过天线模块放大和发送调制信号。

所述唤醒模块包括主动唤醒模块、超宽信号唤醒模块和RTC唤醒模块，主动唤醒模块、超宽信号唤醒模块和RTC唤醒模块分别与中央处理器模块相连。

所述超宽带射频模块通过串行外设接口数据总线与中央处理器模块相连。

所述串行外设接口数据总线由实时时钟唤醒模块和中央处理器模块组成，实时时钟唤醒模块每间隔一个常量时间即把中央处理器唤醒。

所述天线模块通过超宽射频线与超宽带射频模块连接。

所述获取模块包括：

第一获取单元，用于获取定位请求数据，所述定位请求数据包括待定位节点发射的第一定位信号的到达时间及用于对接收第一定位信号的多个基站进行时间统一的第一基准信号的到达时间；

第二获取单元，用于获取定位辅助数据，所述定位辅助数据包括参考标签发射的参考定位信号的到达时间及用于对接收参考定位信号的多个基站进行时间统一的第二基准信号的到达时间；

第三获取单元，用于获取位置信息，所述位置信息包括参考标签及多个基站的坐标信息。

所述计算模块包括：

第一计算单元，用于计算第一定位信号与参考定位信号的到达时间差；

第二计算单元，用于根据计算的到达时间差，计算待定位节点与多个基站之间的距离差；

预估单元，用于根据计算得到的距离差，并运用Fang算法计算待定位节点的预估坐标。

本发明一种基于超宽带定位技术的快速传动方法，是：根据发射信号以及参考发射信号到达第K个基站的时间，分别计算出发射信号、提供发射信号到多个基站中两个基站之间的时间，该算法是：在三维坐标系中，设发射信号的位置坐标为(x,y,z)，主基站的位置坐标为(x₁,y₁,z₁)，从基站的位置坐标为(x_i,y_i,z_i)，发射信号与从基站和与主基站的距离差为R_i,1，其中i＝2,3,4，由此得到:

式中故有

R_i,1＝ct_i,1＝R_i-R₁ (3)

式中：c为电磁波传播速度，t_i,1为TDOA的测量值，又由于

令(2)中i＝1，得

式(4)～式(5)可得，

式中：x_i,1＝x_i-x₁,y_i,1＝y_i-y₁,z_i,1＝z_i-z₁。

如果把x,y,z看做未知数，那么(6)为线性方程，通过3个从基站可以列3个方程，从而求解方程组可以得到发射信号的位置坐标x，y，z的值；假定主基站的位置为(0,0,0)，从基站的位置分别为(x₂,0,0),(x₃,y₃,0),(x₄,y₄,z₄)，此时可以由式(6)得到

消除R₁，可以化简为

将式(8)代入式(7)可以得到

d×x²+e×x+f＝0 (10)

从式(10)可以求解出x的值，再把x代入式(7)求得y,z的值；故只要知道主基站的位置(x_i,y_i,z_i)以及相应的TODA的值t_i,1，最终也能得到发射信号的位置坐标。

所述分别计算发射信号、提供发射信号到多个基站中两个基站之间的时间的步骤，包括：

根据参考第一基准信号的到达时间，计算各个基站的第一定位时间，通过第一定位时间计算第一发射信号到达各个基站中两个基站的时间差；

根据第二基准信号的到达时间，计算各个基站的第二定位时间，并通过第二定位时间基准计算参考定位信号到达多个基站中两个基站的时间差，以此类推。

当进行二维定位时，所述多个基站的数量为3个；当进行三维定位时，所述多个基站的数量为4个。

本发明的有益效果是：

1.通过主基站发送一个基准信号，使系统无需定位时钟精确同步开启，只需测量基准信号和来自待定位节点的定位信号的时间间隔，即可得到待定位节点的定位信息，有效提高定位精度，在实际演示中，运用本方法进行定位，可以达到0.1m的精度；

2.本发明的定位系统的节点布置除了4个基站和1个定位标签外，还包括1个参考标签，这样的布置可以在计算中抵消移动标签的天线发射UWB信号的时间延迟，1个主基站发射基准信号到3个从基站，运用TOA(到达时间)可有效规避现有技术中存在的基站时间同步难题；

3.本发明快速传动方法，解决了包括TOA估计的精度及复杂度问题、非高斯噪声及恶劣环境下TOA估计的鲁棒性问题、多信号共存下的多址干扰问题、密集多径NLOS环境下定位的有效性和精度问题等。

附图说明

图1为本发明实施例的TOA定位结构示意图；

图2为本发明实施例的结构示意图；

图3为本发明实施例定位系统的节点布置示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。但应理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：

如图1所示，本发明基于超宽带定位技术的无线定位系统，适于TOA定位技术，通过TOA系统与超宽带技术相结合，形成一种全新的、与传统通信技术有极大差异的通信新技术。它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有GHz量级的带宽。述及的TOA定位(Time of Arrival到达时间)是一种利用时间差进行定位的方法，通过测量定位标签发出的信号到达定位基站的时间，可以确定到达信号源的距离。如图1所示,TOA定位系统利用信号源到各个定位基站的距离，就能确定信号的位置。通过比较信号到达各个定位基站的时间差，就能作出以定位基站为焦点，距离差为长轴的双曲线，双曲线的交点就是信号源的位置。

待接收节点发出无线信号请求；根据所述无线信号请求，获取所述待接收节点、参考标签与各个个基站之间的信号数据传输；根据获取的所述信号数据传输计算待接收节点的预计坐标，并根据所述预计接收节点坐标进行多次迭代收敛，最终得到我们所预计的接收节点的位置坐标。

所述根据所述接收定位的请求，获取所述待接收节点、参考标签与各个个基站之间的信号传输数据的步骤，包括：获取接收请求数据，所述接收请求数据包括所述待接收节点发射的第一定位信号的到达时间及用于对接收所述第一定位信号的所述多个基站进行时间统一的第一基准信号的到达时间；获取定位辅助数据，所述定位辅助数据包括所述参考标签发射的参考定位信号的到达时间及用于对接收所述参考定位信号的所述多个基站进行时间统一的第二基准信号的到达时间；以及获取位置信息，所述位置信息包括所述参考标签及所述多个基站的坐标信息。

计算所述第一发射信号与所述参考发射信号的到达时间的步骤，包括：计算所述发射信号以及参考发射信号到第k个基站的时间；分别计算出来发射信号、提供发射信号到所述多个基站中两个基站之间的时间。

分别计算所述第一发射信号、所述参考发射信号到达所述多个基站中两个基站之间的时间的步骤，包括：根据参考第一基准信号的到达时间，用来计算出各个基站的第一定位时间，通过描述的第一定位时间计算所述第一发射信号到达所述各个基站中两个基站的时间差；以及根据所述第二基准信号的到达时间，计算所述各个基站的第二定位时间，并通过所述第二定位时间基准计算所述参考定位信号到达所述多个基站中两个基站的时间差，以此类推。

进行二维定位时，所述多个基站的数量为3个；进行三维定位时，所述多个基站的数量为4个。本发明一实施例提供的定位系统的处理发射信号到达时延差。具体而言，定位标签及参考标签通过天线发射UWB定位信号时存在发射延迟，各基站在通过基站天线发射来自定位标签及参考标签发送的定位信号时存在接收延迟，为了消除发射延迟，与常规的进行三维定位的节点布置不同，在根据本发明一实例提供的定位系统的节点布置中，使用4个基站来对定位标签进行三维定位，并增加1个参考标签，根据参考标签与移动标签到达第k个基站的时间差，可消除发射延迟τk。

此外，为解决各基站时间不统一的问题，在本发明一实施例中，将节点布置中的基站分为主基站(例如，BS1)与从基站(例如，BS2、BS3、BS4)，主基站BS1在接收到定位标签发射的第一定位信号及参考标签发射的参考定位信号后，等待T01时刻，分别发射第一基准信号及第二基准信号，从基站BS2、BS3、BS4接收基准信号也存在时延D 12、D13、D14，但由于基站之间位置固定，可通过计算得到时延，根据定位标签发射的UWB定位信号到达k个基站之间的时间差，可得k组移动标签与k个基站之间的距离差，从而建立双曲面交汇模型求解出定位标签的位置。

超宽带无线通信(UWB)模块6采用TOA和AOA的混合定位算法。定位传感器1是一种精密测量仪器，它由天线阵列I7和超宽带无线通信(UWB)模块6组成，通过接收和检测定位标签2发出的超宽带无线通信(UWB)信号来计算定位标签2的实际位置。工作中，每个定位传感器1独立测定超宽带无线通信(UWB)信号的方向角和仰角(AOA)，但到达时间信息(TOA)则必须由一对传感器来测定，因此这两个传感器需要时钟同步。同时采用AOA和TOA两种定位技术，可以加强三维定位效果的健壮性。

获取模块包括：第一获取单元，用于获取定位请求数据，所述定位请求数据包括所述待定位节点发射的第一定位信号的到达时间及用于对接收所述第一定位信号的所述多个基站进行时间统一的第一基准信号的到达时间；第二获取单元，用于获取定位辅助数据，所述定位辅助数据包括所述参考标签发射的参考定位信号的到达时间及用于对接收所述参考定位信号的所述多个基站进行时间统一的第二基准信号的到达时间；第三获取单元，用于获取位置信息，所述位置信息包括所述参考标签及所述多个基站的坐标信息。

计算模块包括：第一计算单元，用于计算所述第一定位信号与所述参考定位信号的到达时间差；第二计算单元，用于根据计算的所述到达时间差，计算所述待定位节点与所述多个基站之间的距离差；以及预估单元，用于根据计算得到的所述距离差运用Fang算法计算所述待定位节点的预估坐标。

Claims (9)

1.一种基于超宽带定位技术的无线定位系统，其特征是：包括：

中央处理器模块和分别与中央处理器模块相连的主动触发模块、唤醒模块、超带宽射频模块、获取模块、计算模块及电源管理模块，超带宽射频模块还与天线模块相连；获取模块获取定位数据后传至中央处理器模块，中央处理器模块经唤醒模块、超宽带射频模块唤醒后处理逻辑和事件，通过计算模块计算定位信号与参考定位信号的到达时间差，天线模块接收到超宽带调制信号，将超宽带调制信号发送至超宽带射频模块，超宽带射频模块将调制信号转换成数字信号后发送到中央处理器模块，中央处理器模块发出数字信号传达到超宽带射频模块后，超宽带射频模块将数字信号转换成调制信号发送至天线模块，通过天线模块放大和发送调制信号。

2.根据权利要求1所述的基于超宽带定位技术的无线定位系统，其特征是：所述唤醒模块包括主动唤醒模块、超宽信号唤醒模块和RTC唤醒模块，主动唤醒模块、超宽信号唤醒模块和RTC唤醒模块分别与中央处理器模块相连。

3.根据权利要求1所述的基于超宽带定位技术的无线定位系统，其特征是：所述超宽带射频模块通过串行外设接口数据总线与中央处理器模块相连。

4.根据权利要求3所述的基于超宽带定位技术的无线定位系统，其特征是：所述串行外设接口数据总线由实时时钟唤醒模块和中央处理器模块组成，实时时钟唤醒模块每间隔一个常量时间即把中央处理器唤醒。

5.根据权利要求1所述的基于超宽带定位技术的无线定位系统，其特征是：所述天线模块通过超宽射频线与超宽带射频模块连接。

6.根据权利要求1所述的基于超宽带定位技术的无线定位系统，其特征是：所述获取模块包括：

第一获取单元，用于获取定位请求数据，所述定位请求数据包括待定位节点发射的第一定位信号的到达时间及用于对接收第一定位信号的多个基站进行时间统一的第一基准信号的到达时间；

第二获取单元，用于获取定位辅助数据，所述定位辅助数据包括参考标签发射的参考定位信号的到达时间及用于对接收参考定位信号的多个基站进行时间统一的第二基准信号的到达时间；

第三获取单元，用于获取位置信息，所述位置信息包括参考标签及多个基站的坐标信息。

7.根据权利要求1所述的基于超宽带定位技术的无线定位系统，其特征是：所述计算模块包括：

第一计算单元，用于计算第一定位信号与参考定位信号的到达时间差；

第二计算单元，用于根据计算的到达时间差，计算待定位节点与多个基站之间的距离差；

预估单元，用于根据计算得到的距离差，并运用Fang算法计算待定位节点的预估坐标。

8.一种基于超宽带定位技术的快速传动方法，其特征是：在三维坐标系中，设发射信号的位置坐标为(x,y,z)，主基站的位置坐标为(x₁,y₁,z₁)，从基站的位置坐标为(x_i,y_i,z_i)，发射信号与从基站和与主基站的距离差为R_i,1，其中i＝2,3,4，由此得到：

式中故有

式中：c为电磁波传播速度，t_i,1为TDOA的测量值；又由于

令(2)中i＝1，得

式(4)～式(5)可得，

式中：x_i,1＝x_i-x₁,y_i,1＝y_i-y₁,z_i,1＝z_i-z₁。

如果把x,y,z看做未知数，，那么(6)为线性方程；通过3个从基站可以列3个方程，从而求解方程组可以得到发射信号的位置坐标x，y，z的值；假定主基站的位置为(0,0,0)，从基站的位置分别为(x₂,0,0),(x₃,y₃,0),(x₄,y₄,z₄)；此时可以由式(6)得到

消除R₁，可以化简为

将式(8)代入式(7)可以得到

d×x²+e×x+f＝0 (10)

从式(10)可以求解出x的值，再把x代入式(7)求得y,z的值；故只要知道主基站的位置(x_i,y_i,z_i)以及相应的TODA的值t_i,1，最终也能得到发射信号的位置坐标。

9.根据权利要求8所述的基于超宽带定位技术的快速传动方法，其特征是：所述分别计算发射信号、提供发射信号到多个基站中两个基站之间的时间的步骤，包括：

根据参考第一基准信号的到达时间，计算各个基站的第一定位时间，通过第一定位时间计算第一发射信号到达各个基站中两个基站的时间差；

根据第二基准信号的到达时间，计算各个基站的第二定位时间，并通过第二定位时间基准计算参考定位信号到达多个基站中两个基站的时间差，以此类推。