CN110646778A - 一种飞行时间差获取系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种飞行时间差获取系统，包括：待测装置，发送包含测量信号的数据包，测量信号包括多个脉冲信号；基站，包括：第一天线和第二天线，分别接收数据包中不同的脉冲信号；开关装置，控制第一天线和第二天线不同时处于接通状态；以及信号检测及处理模块，记录脉冲信号到达第一天线或第二天线的时间信息，以供系统获得脉冲信号的飞行时间差。通过在系统中设置多天线、单通道的基站，再在基站中设置开关装置来控制多个天线分时接收脉冲信号，解决了多通道基站的成本较高的问题，以及多个接收通道的信道一致性难以保证而引起的测量的到达时间信息误差较大的问题，最大程度地降低基站的成本，提高到达时间信息的测量精度。

Description

一种飞行时间差获取系统及方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，具体涉及飞行时间差获取系统及方法。
背景技术
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脉冲作为定位信号的定位系统中常用的定位算法有到达时间TOA定位及到达时间差TDOA定位，上述算法在实施过程中需要在一个无遮挡的待定位区域中架设至少三个定位基站实现对目标的定位，然而，对于一些具有众多待定位区域或待定位区域中存在较多遮挡的应用场景中，就需要架设大量的定位基站，使定位系统的成本激增。
因此，在定位方案中如何减少定位基站的数量，从而降低成本，便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公开了一种飞行时间差获取系统，包括：待测装置，发送包含测量信号的数据包，其中，所述测量信号包括多个脉冲信号；基站，包括：第一天线和第二天线，分别接收所述数据包中不同的脉冲信号；开关装置，控制所述第一天线和第二天线不同时处于接通状态；以及信号检测及处理模块，接收从第一天线或第二天线获取的脉冲信号，以记录脉冲信号到达第一天线或第二天线的时间信息，以供飞行时间差获取系统获得脉冲信号从待测装置到第一天线和第二天线间的飞行时间差。
依据本发明的另一个方面公开了一种飞行时间差获取方法，包括：发送包含测量信号的数据包，其中，所述测量信号为多个脉冲信号；控制第一天线和第二天线不同时处于接通状态，以使所述第一天线和第二天线分别接收所述数据包中不同的脉冲信号；记录脉冲信号到达第一天线或第二天线的时间信息，并获取脉冲信号从待测装置到第一天线和第二天线间的飞行时间差。
本发明公开的一种飞行时间差获取系统及方法，通过在系统中设置多天线、单通道的基站，再在基站中设置开关装置来控制多个天线分时接收脉冲信号，解决了多通道基站因其包含多个接收通道而导致的成本较高的问题，以及多个接收通道的信道一致性难以保证而引起的测量的到达时间信息误差较大的问题，最大程度地降低基站的成本，提高到达时间信息的测量精度。
附图说明
图1给出依据本发明一种实施例的待测装置发射以及基站接收的信号数据包的示意图；
图2给出依据本发明一种实施例的双天线基站200的模块化示意图；
图3给出依据本发明一种实施例的利用多天线基站测量目标方向的方法300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待测装置发射以及基站接收的信号数据包的示意图。待测装置MS向基站BS发送包含测量信号的数据包，其中，所述数据包包含同步头SHR、测量信号PSG以及协议数据单元PDU，且其中，所述测量信号PSG中包含多个脉冲信号。在一个实施例中，所述同步头SHR用于标记所述数据包为包含测量信号的数据包。在一实施例中，所述协议数据单元PDU中包含发射所述数据包的待测装置MS的身份信息，如ID号。又在一个实施例中，所述脉冲信号为超宽带脉冲信号。
在一个实施例中，接收所述脉冲信号的基站BS为多通道基站，即所述基站BS包含与多个天线一一对应的多个接收通道，以接收脉冲信号并记录其到达自身的时间信息，进而获得到达时间差信息。然而，此种多通道基站因其包含多个接收通道成本较高，且多个接收通道的信道一致性很难保证，会引起测量的到达时间信息的误差。因此，本发明给出一种单通道基站，通过开关装置控制多个天线分时接收脉冲信号，以降低基站的成本，提高到达时间信息的测量精度。由于是单通道基站控制多个天线分时接收脉冲信号，需要待测装置MS发射多个脉冲信号，以保证基站BS的每个天线都能够接收到脉冲信号。
如图1所示，数据包的测量信号PSG中包含多个脉冲信号，每两个脉冲信号间的时间间隔已知。在图1所示实施例中，所述每两个脉冲信号间的时间间隔相等，均为T；又在一个实施例中，每两个脉冲信号间的时间间隔不均相等。图1所示实施例中的测量信号PSG中包含6个脉冲信号，基站BS包含两个天线，分别为第一天线A1和第二天线A2，以用于分别接收所述数据包中不同的脉冲信号。基站BS还包含开关装置，以控制第一天线A1和第二天线A2是否处于接通状态且控制第一天线A1和第二天线A2不同时处于接通状态。在一个实施例中，第一天线A1和第二天线A2不同时处于接通状态包括，第一天线A1处于接通状态，第二天线A2处于关闭状态；第一天线A1处于关闭状态，第二天线A2处于接通状态；以及，第一天线A1和第二天线A2都处于关闭状态。在一个实施例中，当开关置于“0”位时，第一天线A1处于接通状态，第二天线A2处于关闭状态；当开关置于“1”位时，第二天线A2处于接通状态，第一天线A1处于关闭状态。在一个实施例中，测量信号PSG中包含的脉冲信号的个数要大于或等于基站BS中包含的天线的个数，以保证基站BS中的每个天线都至少接收到一个脉冲信号。在图1所示实施例中，测量信号PSG中包含6个脉冲信号，为了方便描述，将所述6个脉冲信号从1至6依次编号，第一天线A1和第二天线A2分别接收所述6个脉冲信号中不同的信号。在图1所示实施例中，编号为1、3、5的脉冲信号由基站BS的第一天线A1接收，编号为2、4、6的脉冲信号由基站BS的第二天线A2接收。又在一个实施例中，可以根据系统需要灵活设置第一天线A1和第二天线A2接收脉冲信号的个数和顺序，例如，第一线天A1接收编号为1、2、3的脉冲信号，第二天线A2接收编号为4、5、6的脉冲信号；又例如，第一线天A1接收编号为1、3的脉冲信号，第二天线A2接收编号为2、4、5、6的脉冲信号；再例如，第一线天A1接收编号为3、4的脉冲信号，第二天线A2接收编号为1、2、5、6的脉冲信号。
在一个实施例中，基站BS根据待测装置MS发射多个脉冲信号的时间间隔，以及脉冲信号从待测装置MS到第一天线A1和第二天线A2间的飞行时间范围合理设置接通第一天线A1和第二天线A2的时段。在图1所示实施例中，基站BS交替令第一天线A1和第二天线A2接收一个脉冲信号，在另一实施例中，可以根据系统需要灵活设置第一天线A1和第二天线A2接收脉冲信号的顺序和个数。
第一天线A1和第二天线A2接收到脉冲信号后，基站BS分别记录脉冲信号到达自身的时间信息。第一天线A1接收到的编号为1、3、5的脉冲信号到达自身的时刻分别是t11、t12、t13，第二天线A2接收到的编号为2、4、6的脉冲信号到达自身的时刻分别是t21、t22、t23。由于待测装置MS发射的多个脉冲信号存在时间间隔，基站BS还需根据所述时间间隔对脉冲信号到达自身的时刻进行补偿，以获得仅与脉冲信号在待测装置MS和基站BS的天线间的飞行时间相适应的时间信息，即获得脉冲信号从待测装置到第一天线和第二天线间的飞行时间差。例如，根据编号为1和2的两个脉冲信号间的时间间隔T，补偿第二天线A2接收到的编号为2的脉冲信号到达自身的时刻t21，补偿后的时刻为t21-T，这相当于编号为1和2的两个脉冲信号同时被发射，此时记录的脉冲信号到达第一天线A1和第二天线A2的时间为仅与脉冲信号在待测装置MS与第一天线A1和
第二天线A2间的飞行时间相适应的时间信息，并利用所述时间信息进一步计算脉冲信号的到达时间差Δt＝t21-T-t11。
在图1所示实施例中，测量信号PSG中包含6个脉冲信号，可采用与补偿编号为2的脉冲信号到达时刻t21相同的方法补偿其他脉冲信号的到达时刻。例如，对于编号为3的脉冲信号，补偿后的到达时刻为t12-2T；对于编号为4的脉冲信号，补偿后的到达时刻为t22-3T；对于编号为5的脉冲信号，补偿后的到达时刻为t13-4T；对于编号为6的脉冲信号，补偿后的到达时刻为t23-5T。可以利用多组补偿后的到达时刻取平均后再计算到达时间差，以提高测量精度。
图2给出依据本发明一种实施例的双天线基站200的模块化示意图。所述双天线基站200包括第一天线201、第二天线202、开关装置203、信号检测及处理模块204以及中央控制模块205。其中，第一天线201和第二天线202分别耦接至开关装置203的“0”端和“1”端，开关装置203的另一端耦接至信号检测及处理模块204，以将从第一天线201或第二天线202接收到的脉冲信号传输至信号检测及处理模块204，信号检测及处理模块204记录接收到的脉冲信号的到达时间信息，并将所述到达时间信息传输至中央控制模块205，中央控制模块205根据一组或多组脉冲信号的到达时间信息解算脉冲信号到达第一天线201和第二天线202的时间差，并利用所述到达时间差以及第一天线201和第二天线202的位置信息计算待测装置MS的位置信息。在一个实施例中，所述中央控制模块205还需根据发射脉冲信号的时间间隔对到达时间信息进行补偿，以获得仅与脉冲信号在待测装置与第一天线201和第二天线202间的飞行时间相适应的时间信息。此外，中央控制模块205还向开关装置203传输控制信号，以控制第一天线201和第二天线202是否处于接通状态，当开关置于“0”位时，第一天线A1处于接通状态，第二天线A2处于关闭状态；当开关置于“1”位时，第二天线A2处于接通状态，第一天线A1处于关闭状态。在一个实施例中，中央控制模块205还根据待测装置发射多个脉冲信号的时间间隔，以及脉冲信号在空间中的飞行时间合理设置开关第一天线201和第二天线202的时段。
图3给出依据本发明一种实施例的飞行时间差获取方法300的流程图。所述飞行时间差获取方法300包括如下步骤：
步骤301：发送包含测量信号的数据包，其中，所述测量信号为多个脉冲信号；
步骤302：控制第一天线和第二天线不同时处于接通状态，以使所述第一天线和第二天线分别接收所述数据包中不同的脉冲信号；
步骤303：记录脉冲信号到达第一天线或第二天线的时间信息，并获取脉冲信号从待测装置到第一天线和第二天线间的飞行时间差。
在一个实施例中，数据包还包括同步头以及协议数据单元，所述同步头用于标记所述数据包为包含测量信号的数据包，所述协议数据单元中包含发射所述数据包的待测装置的身份信息。
在一个实施例中，数据包中的多个脉冲信号具有已知的时间间隔，根据所述时间间隔对脉冲信号到达第一天线或第二天线的时间信息进行补偿。
在又一个实施例中，还包括根据多个脉冲信号的时间间隔，以及脉冲信号从待测装置到第一天线和第二天线间的飞行时间范围，设置接通第一天线或第二天线的时段。
本发明公开的一种飞行时间差获取系统及方法，通过在系统中设置多天线、单通道的基站，再在基站中设置开关装置来控制多个天线分时接收脉冲信号，解决了多通道基站因其包含多个接收通道而导致的成本较高的问题，以及多个接收通道的信道一致性难以保证而引起的测量的到达时间信息误差较大的问题，最大程度地降低基站的成本，提高到达时间信息的测量精度。
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 (10)

1.一种飞行时间差获取系统，包括：
待测装置，发送包含测量信号的数据包，其中，所述测量信号包括多个脉冲信号；
基站，包括：
第一天线和第二天线，分别接收所述数据包中不同的脉冲信号；
开关装置，控制所述第一天线和第二天线不同时处于接通状态；以及
信号检测及处理模块，接收从第一天线或第二天线获取的脉冲信号，以记录脉冲信号到达第一天线或第二天线的时间信息，以供飞行时间差获取系统获得脉冲信号从待测装置到第一天线和第二天线间的飞行时间差。
2.如权利要求1所述的飞行时间差获取系统，其中，所述数据包还包括同步头以及协议数据单元，所述同步头用于标记所述数据包为包含测量信号的数据包，所述协议数据单元中包含发射所述数据包的待测装置的身份信息。
3.如权利要求1所述的飞行时间差获取系统，其中，数据包中的多个脉冲信号具有已知的时间间隔，所述系统根据所述时间间隔对脉冲信号到达第一天线或第二天线的时间信息进行补偿以获取脉冲信号从待测装置到第一天线和第二天线间的飞行时间差。
4.如权利要求3所述的飞行时间差获取系统，其中，所述基站根据多个脉冲信号的时间间隔，以及脉冲信号从待测装置到第一天线和第二天线间的飞行时间范围，设置接通第一天线或第二天线的时段。
5.如权利要求1所述的飞行时间差获取系统，其中，所述基站还包括中央控制模块，向开关装置传输控制信号以控制第一天线和第二天线是否处于接通状态；所述中央控制模块还接收所述信号检测及处理模块记录脉冲信号到达第一天线或第二天线的时间信息，以利用所述时间信息获得脉冲信号从待测装置到第一天线和第二天线间的飞行时间差。
6.如权利要求1所述的飞行时间差获取系统，其中，所述数据包中的脉冲信号的个数大于或等于基站包含的天线个数，以使所述基站中的每个天线至少接收到一个脉冲信号。
7.一种飞行时间差获取方法，包括：
发送包含测量信号的数据包，其中，所述测量信号为多个脉冲信号；
控制第一天线和第二天线不同时处于接通状态，以使所述第一天线和第二天线分别接收所述数据包中不同的脉冲信号；
记录脉冲信号到达第一天线或第二天线的时间信息，并获取脉冲信号从待测装置到第一天线和第二天线间的飞行时间差。
8.如权利要求7所述的飞行时间差获取方法，其中，所述数据包还包括同步头以及协议数据单元，所述同步头用于标记所述数据包为包含测量信号的数据包，所述协议数据单元中包含发射所述数据包的待测装置的身份信息。
9.如权利要求7所述的飞行时间差获取方法，其中，数据包中的多个脉冲信号具有已知的时间间隔，根据所述时间间隔对脉冲信号到达第一天线或第二天线的时间信息进行补偿。
10.如权利要求9所述的飞行时间差获取方法，其中，还包括根据多个脉冲信号的时间间隔，以及脉冲信号从待测装置到第一天线和第二天线间的飞行时间范围，设置接通第一天线或第二天线的时段。
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