CN108964867A - 一种测距方法及测距系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测距方法及系统，所述测距系统包括发起装置和响应装置，发起装置在测距发起时段利用辅助信道向响应装置发送测距请求信号，响应装置接收所述测距请求信号，并做好接收测距信号的准备；发起装置和响应装置在测距信号收发时段利用UWB信道收发测距信号；发起装置和响应装置在数据交互时段利用辅助信道交互数据。本申请通过增设多个辅助信道，利用辅助信道进行同步和数据交互，单次测距UWB信道的占用时间将大大缩短，单位时间内测距次数显著提升，系统容量大幅上升。此外，多个辅助信道可以使用频分等多种复用的工作模式，从而是多个辅助信道上的数据交互能够同时进行，进一步缩短数据交互的时间。

Description

一种测距方法及测距系统

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种测距方法及测距系统。

背景技术

对于大型建筑内部、城市密集区域，以及桥梁、水坝、山体、基坑等区域的安全监测，有助于实现对人员的安全监控、紧急救援，对物资的运输管理、分配调度，以及对自然灾害的预防和监测等。由于具有建筑群密集，遮挡，环境复杂监测空间狭小GPS、北斗信号往往不能深入覆盖，导致空间监测困难。现有技术中，通过自建定位系统实现在特定区域中对指定目标的定位和监控。UWB(Ultra Wideband)是一种无载波通信技术，利用纳秒至皮秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。UWB具有脉冲宽度窄，抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势，广泛应用于室内通信、高速无线LAN、家庭网络、无绳电话、安全检测、位置测定、雷达等领域。以UWB信号作为定位信号的定位系统可以弥补天空卫星无法覆盖的区域，方便布置，实现狭小空间的位移监测。

在以UWB脉冲作为测距或定位信号的测距或定位系统中需要UWB脉冲在发送端和接收端之间进行信号交互，利用发射和/或接收UWB脉冲的时间信息实现测距或定位。在此过程中，往往还需要同步各发射端和/或接收端，以及将发射和/或接收UWB定位信号的时间信息等数据在各组件之间交互，从而完成测距或定位。现有的UWB测距或定位系统中，上述同步过程、数据通信过程都在UWB信道上进行，使得UWB测距或定位信号的数据帧长较长，影响UWB测距或定位信号交互的频率，进而影响对目标进行测距或定位时的刷新率。

因此，在完成同步过程和数据通信过程的基础上，如何提高对目标进行测距或定位时的刷新率成为了本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

依据本发明的一个方面，提出了一种测距方法，包括：利用第一装置向第二装置发射第一测距信号并记录发射第一测距信号的第一发射时刻，且利用第一信道传播第一测距信号；在第二装置接收到第一测距信号后，利用第二装置向第一装置发射第二测距信号，且利用第一信道传播第二测距信号；利用第一装置接收第二测距信号并记录接收到第二测距信号的第一接收时刻；利用第二信道传播第一装置向第二装置发射的测距请求信号或传播数据信息；以及依据第一发射时刻和第一接收时刻解算第一装置与第二装置之间的距离。

依据本发明的另一个方面，提出了一种测距系统，包括第一装置和第二装置，其中，第一装置向第二装置发射第一测距信号并记录发射第一测距信号的第一发射时刻，所述第一测距信号利用第一信道传播；第二装置接收第一测距信，并向第一装置发射第二测距信号，所述第二测距信号利用第一信道传播；第一装置接收第二测距信号并记录接收到第二测距信号的第一接收时刻；利用第二信道传播第一装置向第二装置发射的测距请求信号或传播数据信息；以及依据第一发射时刻和第一接收时刻解算第一装置与第二装置之间的距离。

本发明的有益效果是，通过增设多个辅助信道，利用辅助信道进行同步和数据交互，而UWB信道不用作同步及数据传输，单次测距UWB信道的占用时间将大大缩短，单位时间内测距次数显著提升。此外，多个辅助信道可以使用频分复用的工作模式，从而是多个辅助信道上的数据交互能够同时进行，进一步缩短数据交互的时间。

附图说明

图1给出依据本发明一种实施例的UWB测距系统100的工作时序示意图；

图2给出依据本发明一种实施例的UWB测距系统200的工作时序示意图；

图3给出依据本发明一种实施例的UWB测距系统300的工作时序示意图。

图4给出依据本发明一种实施例的测距方法400的流程图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称“元件”“连接到”或“连接”到另一元件时，它可以是直接连接或连接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接连接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

图1给出依据本发明一种实施例的UWB测距系统100的工作时序示意图。UWB测距系统100示例性地包括发起装置INS和响应装置RES。在如图1所示的实施例中，一个测距周期T包括测距发起时段IN-T，测距信号收发时段RNG-T，以及数据交互时段DA-T。在测距发起时段IN-T，发起装置INS向响应装置RES发出测距请求req，UWB测距系统100利用一非UWB信道的辅助信道传播该测距请求req，响应装置RES接收到测距请求req后做好测距信号收发准备。

在一个实施例中，所述辅助信道可以是窄带通信信道、光通信信道等有线或无线通信信道。

在一个实施例中，所述测距发起时段IN-T的时长可根据UWB测距系统100的最大测距范围预先设定，以保证响应装置RES在测距发起时段IN-T内接收到所述测距请求req。在另一实施例中，响应装置RES接收到测距请求req后，向发起设备INS发送一个测距请求响应信号，发起设备INS接收到该测距请求响应信号后发送测距信号S1(下文将详述)，因此，测距发起时段IN-T的时长为发起设备INS接收到测距请求响应信号的时刻与发出测距请求req的时刻之间的时间差。

发起装置INS待测距发起时段IN-T结束后，即测距信号收发时段RNG-T开始时，UWB测距系统100向响应装置RES发送测距信号S1并利用UWB信道传播该测距信号S1，响应装置RES接收到测距信号S1后，间隔时间t2向发起装置INS发送测距信号S2且UWB测距系统100利用UWB信道传播该测距信号S2，发起装置INS接收测距信号S2，并记录发射测距信号S1和接收测距信号S2的时刻。发射测距信号S1和接收测距信号S2的时刻之间的差值为时间间隔t1。本领域技术人员应当理解，UWB测距系统100利用UWB信道传播测距信号S1和S2，这意味着测距信号S1和测距信号S2为UWB脉冲信号。

在一个实施例中，发起装置INS根据自身时钟，记录下发送测距信号S1和接收测距信号S2的时刻值，将所述时刻值的差值记为时间间隔t1。又在一个实施例中，发起装置INS包含高精度计时器，发起装置INS发射测距信号S1时触发高精度计时器开始计时，在接收到测距信号S2时触发高精度计时器停止计时，将所述高精度计时器停止计时的计时值记为时间间隔t1。

同样地，在一个实施例中，响应装置RES根据自身时钟，记录下接收测距信号S1和发送测距信号S2的时刻值，将所述时刻值的差值记为时间间隔t2。又在一个实施例中，响应装置RES包含高精度计时器，响应装置RES接收测距信号S1时触发高精度计时器开始计时，在发射到测距信号S2时触发高精度计时器停止计时，将所述高精度计时器停止计时的计时值记为时间间隔t2。

又在一个实施例中，所述时间间隔t2为UWB测距系统100预先设置的已知值，响应装置RES接收测距信号S1时触发高精度计时器开始计时，当高精度计时器计时值为t2时，触发响应装置RES发送测距信号S2。在一个实施例中，UWB测距系统100将所述时间间隔t2的值设置为零值，即响应装置RES接收测距信号S1后立刻发送测距信号S2。

在一个实施例中，测距信号收发时段RNG-T的时长可根据UWB测距系统100的最大测距范围，以及时间间隔t2决定，以保证发起装置INS在测距信号收发时段RNG-T内接收到响应装置RES发送的测距信号S2。又在一个实施例中，测距信号收发时段RNG-T的时长设置得足够长以便测距信号S1和测距信号S2的交互可以进行多次，以保证测距的准确性。

待测距信号收发时段RNG-T结束后，进入数据交互时段DA-T。在数据交互时段DA-T，UWB测距系统100利用辅助信道在发起装置INS和响应装置RES之间进行数据交互。

在一个实施例中，数据交互包括下述数据交互过程的一个或多个：(1)响应装置RES将时间间隔t2发送至发起装置INS；(2)发起装置INS将时间间隔t1发送至响应装置RES；(3)响应装置RES将表征时间间隔t2的时间信息发送至发起装置INS，即接收到测距信号S1的接收时刻和发射测距信号S2的发射时刻；(4)发起装置INS将表征时间间隔t1的时间信息发送至响应装置RES，即发射测距信号S1的发射时刻和接收测距信号S2的接收时刻。

UWB测距系统100根据发起装置INS发送测距信号S1和接收测距信号S2的时刻值来解算发起装置INS与响应装置RES之间的距离d。在时间间隔t2为零的实施例中，UWB测距系统100根据发起装置INS发送测距信号S1和接收测距信号S2的时刻值之间的时间间隔t1来解算发起装置INS与响应装置RES之间的距离d，如下式(1)所示：

d＝t1/2c(1)

在时间间隔t2不为零的实施例中，UWB测距系统100还根据响应装置RES发送测距信号S2和接收测距信号S1的时刻值，即时间间隔t2根据式(2)计算响应装置RES与发起装置INS之间的距离d：

d＝(t1-t2)/2c(2)

在上面公式中，其中，c为测距信号S1和测距信号S2在空间中的传播速度。

在一个定位周期中多次交互测距信号S1和测距信号S2时，可以得到多个距离，可以根据取平均的方式得到最终的测距结果。

在一个实施例中，在数据交互时段DA-T，响应装置RES将时间间隔t2发送至发起装置INS，发起装置INS根据时间间隔t1和时间间隔t2根据式(2)计算响应装置RES与发起装置INS之间的距离d，发起装置INS再将响应装置RES与发起装置INS之间的距离d通过辅助信道发送至响应装置RES。在另一个实施例中，在数据交互时段DA-T，发起装置INS将时间间隔t1发送至响应装置RES，响应装置RES根据时间间隔t1和时间间隔t2根据式(2)计算响应装置RES与发起装置INS之间的距离d，响应装置INS再将响应装置RES与发起装置INS之间的距离d通过辅助信道发送至发起装置INS。

在一个实施例中，测距周期T包括测距发起时段IN-T和测距信号收发时段RNG-T而不包括数据交互时段DA-T，此时，时间间隔t2为UWB测距系统100预先设置的能够被发起装置INS获知的已知值，并由发起装置INS计算测距结果。

又在一个实施例中，测距周期T包括测距信号收发时段RNG-T和数据交互时段DA-T而不包括测距发起时段IN-T。

图2给出依据本发明一种实施例的UWB测距系统200的工作时序示意图。UWB测距系统200示例性地包括发起装置INS和N个响应装置RES1-RESN。如图2所示，一个测距周期T包括测距发起时段IN-T，测距信号收发时段RNG-T，以及数据交互时段DA-T。在测距发起时段IN-T，发起装置INS向N个响应装置RES1-RESN发出测距请求req，UWB测距系统200利用N个非UWB信道的辅助信道传播该测距请求req，响应装置RES1-RESN接收到测距请求req后做好测距信号收发准备。测距信号收发时段RNG-T包含与N个响应装置RES1-RESN相对应的N个测距时隙，发起装置INS在每个测距时隙向与之对应的响应装置发送测距信号S1并利用UWB信道传播该测距信号S1，各个响应装置接收到测距信号S1后，间隔时间t2向发起装置INS发送测距信号S2且UWB测距系统200利用UWB信道传播该测距信号S2，发起装置INS接收测距信号S2，并记录发起装置INS发射测距信号S1和各个响应装置接收测距信号S2的时刻。发射测距信号S1和接收测距信号S2的时刻之间的差值为时间间隔t1。即UWB测距系统200在每一个测距时隙中按照与UWB测距系统100在测距信号收发时段RNG-T上相同的工作方式进行。在一个实施例中，UWB测距系统200包含与响应装置RES1-RESN相对应N个与辅助信道，在数据交互时段DA-T，发起装置INS分别在N个与辅助信道上与响应装置RES1-RESN进行数据交互。

在一个实施例中，所述测距请求req在N个辅助信道上的任意一个信道上进行，所述N辅助信道可以是占用不同频点的窄带通信信道、光通信信道等其他有线或无线通信信道。x

图3给出依据本发明一种实施例的UWB测距系统300的工作时序示意图。UWB测距系统300示例性地包括N个发起装置INS1-INSN和响应装置RES。如图3所示，一个测距周期T包括测距发起时段IN-T，测距信号收发时段RNG-T，以及数据交互时段DA-T。在测距发起时段IN-T，N个发起装置INS1-INSN在与之对应的N个辅助信道上向响应装置RES发出测距请求req1-reqN，响应装置RES接收到测距请求req1-reqN后做好测距信号收发准备。测距信号收发时段RNG-T包含与N个发起装置INS1-INSN相对应的N个测距时隙，发起装置INS1-INSN在与之对应的测距时隙响应装置RES发送测距信号S1，响应装置RES接收到测距信号S1后，间隔时间t2向与测距信号对应的发起装置发送测距信号S2，发起装置接收测距信号S2，并记录发射测距信号S1和接收测距信号S2的时间间隔t1。即UWB测距系统300在每一个测距时隙中按照与UWB测距系统100在测距信号收发时段RNG-T上相同的工作方式进行。在数据交互时段DA-T，发起装置INS1-INSN分别在N个与辅助信道上与响应装置RES进行数据交互，所述N辅助信道可以是占用不同频点的窄带通信信道、光通信信道等其他有线或无线通信信道。

本申请通过增设多个辅助信道，利用辅助信道进行同步和数据交互，而UWB信道不用作同步及数据传输，单次测距UWB信道的占用时间将大大缩短，单位时间内测距次数显著提升。此外，多个辅助信道可以使用频分复用的工作模式，从而是多个辅助信道上的数据交互能够同时进行，进一步缩短数据交互的时间。

图4给出依据本发明一种实施例的测距方法400的流程图。所述测距方法400包括如下步骤：

步骤401：利用第一装置向第二装置发射第一测距信号并记录发射第一测距信号的第一发射时刻，且利用第一信道传播第一测距信号；

步骤402：在第二装置接收到第一测距信号后，利用第二装置向第一装置发射第二测距信号，且利用第一信道传播第二测距信号；

步骤403：利用第一装置接收第二测距信号并记录接收到第二测距信号的第一接收时刻；

步骤404：利用第二信道传播第一装置向第二装置发射的测距请求信号或传播数据信息；

步骤405：依据第一发射时刻和第一接收时刻解算第一装置与第二装置之间的距离。

在一个实施例中，第一信道为UWB信道，所述第二信道为窄带无线信道。

在一个实施例中，所述测距方法400还包括，利用第二信道将解算出的第一装置与第二装置之间的距离在第一装置和第二装置之间进行传播。

在一个实施例中，所述测距方法400还包括，利用第二信道将第二装置接收到第一测距信号的第二接收时刻和第二装置发射第二测距信号的第二发射时刻或第二发射时刻与第二接收时刻之间的时间差传播至第一装置；并利用第一装置根据第二发射时刻和第二接收时刻或第二发射时刻与第二接收时刻之间的时间差解算第一装置与第二装置之间的距离。

又在一个实施例中，所述测距方法400还包括，利用第二信道将第一接收时刻和第一发射时刻或第一接收时刻与第一发射时刻之间的时间差传播至第二装置，并利用第二装置解算第一装置与第二装置之间的距离。

又在一个实施例中，所述测距方法400还包括，将第一接收时刻与第一发射时刻之间的时间差和第二发射时刻与第二接收时刻之间的时间差作差，获得测距信号的双向飞行时间，并利用所述双向飞行时间获得第一装置与第二装置之间的距离。

如以上所提到的，虽然已经说明和描述了本发明的优选实施例，但在不背离本发明的精神和范围的情况下，可进行许多改变。由此，本发明的范围不由优选实施例的公开所限制。而是，应当完全参考随后的权利要求来确定本发明。

Claims (19)

1.一种测距方法，包括：

利用第一装置向第二装置发射第一测距信号并记录发射第一测距信号的第一发射时刻，且利用第一信道传播第一测距信号；

在第二装置接收到第一测距信号后，利用第二装置向第一装置发射第二测距信号，且利用第一信道传播第二测距信号；

利用第一装置接收第二测距信号并记录接收到第二测距信号的第一接收时刻；

利用第二信道传播第一装置向第二装置发射的测距请求信号或传播数据信息；以及

依据第一发射时刻和第一接收时刻解算第一装置与第二装置之间的距离。

2.如权利要求1所述的测距方法，所述第一信道为UWB信道，所述第二信道为窄带无线信道。

3.如权利要求1所述的测距方法，其特征在于，还包括：

利用第二信道将第二装置接收到第一测距信号的第二接收时刻和第二装置发射第二测距信号的第二发射时刻或第二发射时刻与第二接收时刻之间的时间差传播至第一装置；以及

利用第一装置根据第二发射时刻和第二接收时刻或第二发射时刻与第二接收时刻之间的时间差解算第一装置与第二装置之间的距离。

4.如权利要求3所述的测距方法，其特征在于，将第一接收时刻与第一发射时刻之间的时间差和第二发射时刻与第二接收时刻之间的时间差作差，获得测距信号的双向飞行时间，并利用所述双向飞行时间获得第一装置与第二装置之间的距离。

5.如权利要求1所述的测距方法，其特征在于，还包括：

利用第二信道将第一接收时刻和第一发射时刻或第一接收时刻与第一发射时刻之间的时间差传播至第二装置；以及

利用第二装置解算第一装置与第二装置之间的距离。

6.如权利要求5所述的测距方法，其特征在于，还包括：

记录第二装置接收到第一测距信号的第二接收时刻和第二装置发射第二测距信号的第二发射时刻；以及

将第一接收时刻与第一发射时刻之间的时间差和第二发射时刻与第二接收时刻之间的时间差作差，获得测距信号的双向飞行时间，并利用所述双向飞行时间获得第一装置与第二装置之间的距离。

7.如权利要求1所述的测距方法，其特征在于，利用第二信道将解算出的第一装置与第二装置之间的距离在第一装置和第二装置之间进行传播。

8.如权利要求1所述的测距方法，其特征在于，还包括：

利用第一装置向第三装置发射第三测距信号并记录发射第三测距信号的第三发射时刻，且利用第一信道传播第三测距信号；

在第三装置接收到第三测距信号后，利用第三装置向第一装置发射第四测距信号，且利用第一信道传播第四测距信号；

利用第一装置接收第四测距信号并记录接收到第四测距信号的第三接收时刻；

利用第二信道传播第一装置向第三装置发射的测距请求信号或利用第三信道传播数据信息；以及

依据第三发射时刻和第三接收时刻解算第一装置与第三装置之间的距离。

9.如权利要求1所述的测距方法，其特征在于，还包括：

利用第三装置向第二装置发射第三测距信号并记录发射第三测距信号的第三发射时刻，且利用第一信道传播第三测距信号；

在第二装置接收到第三测距信号后，利用第二装置向第三装置发射第四测距信号，且利用第一信道传播第四测距信号；

利用第三装置接收第四测距信号并记录接收到第四测距信号的第三接收时刻；

利用第三信道传播第三装置向第二装置发射的测距请求信号或传播数据信息；以及

依据第三发射时刻和第三接收时刻解算第三装置与第二装置之间的距离。

10.如权利要求7或8所述的测距方法，其特征在于，所述第一信道为UWB信道，所述第二信道和第三信道为占用不同频段的窄带无线信道。

11.一种测距系统，包括第一装置和第二装置，其中，

第一装置向第二装置发射第一测距信号并记录发射第一测距信号的第一发射时刻，所述第一测距信号利用第一信道传播；

第二装置接收第一测距信，并向第一装置发射第二测距信号，所述第二测距信号利用第一信道传播；

第一装置接收第二测距信号并记录接收到第二测距信号的第一接收时刻；

利用第二信道传播第一装置向第二装置发射的测距请求信号或传播数据信息；以及

依据第一发射时刻和第一接收时刻解算第一装置与第二装置之间的距离。

12.如权利要求11所述的测距系统，所述第一信道为UWB信道，所述第二信道为窄带无线信道。

13.如权利要求11所述的测距系统，其特征在于，

第二装置利用第二信道将其接收到第一测距信号的第二接收时刻和第二装置发射第二测距信号的第二发射时刻或第二发射时刻与第二接收时刻之间的时间差传播至第一装置；以及

第一装置根据第二发射时刻和第二接收时刻或第二发射时刻与第二接收时刻之间的时间差解算第一装置与第二装置之间的距离。

14.如权利要求11所述的测距系统，其特征在于，

第一装置利用第二信道将第一接收时刻和第一发射时刻或第一接收时刻与第一发射时刻之间的时间差传播至第二装置；

第二装置解算第一装置与第二装置之间的距离。

15.如权利要求11所述的测距系统，其特征在于，利用第二信道将解算出的第一装置与第二装置之间的距离在第一装置和第二装置之间进行传播。

16.如权利要求13或14所述的测距系统，其特征在于，所述第一装置或第二装置将第一时间差值与第二时间差值作差，获得测距信号的双向飞行时间，并利用所述双向飞行时间获得测距结果。

17.如权利要求11所述的测距系统，其特征在于，还包括第三装置，

第一装置向第三装置发射第三测距信号并记录发射第三测距信号的第三发射时刻，所述第三测距信号利用第一信道传播；

第三装置接收第三测距信号，并向第一装置发射第四测距信号，所述第四测距信号利用第一信道传播；

第一装置接收第四测距信号并记录接收到第四测距信号的第三接收时刻；

利用第二信道传播第一装置向第三装置发射的测距请求信号或利用第三信道传播数据信息；以及

依据第三发射时刻和第三接收时刻解算第一装置与第三装置之间的距离。

18.如权利要求11所述的测距系统，其特征在于，还包括第三装置，

第三装置向第二装置发射第三测距信号并记录发射第三测距信号的第三发射时刻，所述第三测距信号利用第一信道传播；

第二装置接收第三测距信号，并向第三装置发射第四测距信号，所述第四测距信号利用第一信道传播；

第三装置接收第四测距信号并记录接收到第四测距信号的第三接收时刻；

利用第三信道传播第三装置向第二装置发射的测距请求信号或传播数据信息；以及

依据第三发射时刻和第三接收时刻解算第三装置与第二装置之间的距离。

19.如权利要求17或18所述的测距系统，其特征在于，所述第一信道为UWB信道，所述第二信道和第三信道为占用不同频点的窄带无线信道。