CN111505682A - 一种基于超宽带的室内卫星定位系统及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超宽带的室内卫星定位系统及定位方法，包括：启动节点：用于同步开启卫星节点；卫星节点：用于向移动节点发送时间戳；移动节点：用于接收来自移动节点的时间戳，计算出与4个卫星节点间的时间差，并通过TDOA算法，解算出移动节点所处位置的相对坐标；app端：用于显示解算出来的移动节点的相对位置。本发明信号收发流程更规整，有效减少了传播过程中的噪声积累与信号畸变。且与该近似方案相比，本方案适用于三个及以上定位卫星的情况，可根据实际情况部署更多的定位卫星从而达到更高的精度，以适应不同的环境需求。

Description

一种基于超宽带的室内卫星定位系统及定位方法

技术领域

本发明涉及卫星定位系统领域，特别涉及一种基于超宽带的室内卫星定位系统及定位方法。

背景技术

众所周知，卫星定位系统即全球定位系统。简单地说，这是一个由覆盖全球的24颗卫星组成的卫星系统。这个系统可以保证在任意时刻，地球上任意一点都可以同时观测到4颗卫星，以保证卫星可以采集到该观测点的经纬度和高度，以便实现导航、定位、授时等功能。

现有一种相近方案，它的系统由若干UWB定位信号发送器、UWB定位信号接收器、定位终端、中心控制器组成。整个系统的流程可以概括为：在中心控制器的控制下，各UWB定位信号发送器发送定位信号，UWB定位信号接收器接收定位信号，并记录下接收时间，从而计算出到达时间差，利用该时间差和已知接收器的坐标通过TDOA算法来得到时间差的修正值，之后利用该修正值来修正数据，重新运用TDOA算法来得到定位终端的位置。

现有方案存在着若干问题。首先该专利提到的TDOA算法在UWB定位信号发送器数目大于3的时候，所对应的非线性方程组是超定的，不一定存在解，所以不适用于数目大于3的情况。其次，该系统中信号收发信号频繁，无线信号在传播过程中会有更多的噪声积累和信号畸变。此外，现有的方案是采用相对坐标，而不是以地球的经纬度为坐标，定位结果仅仅能在特定区域中使用，难以构建一个大型的室内网络。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于超宽带的室内卫星定位系统及定位方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

本发明一种基于超宽带的室内卫星定位系统，包括：

启动节点：用于同步开启卫星节点；

卫星节点：用于向移动节点发送时间戳；

移动节点：用于接收来自移动节点的时间戳，计算出与4个卫星节点间的时间差，并通过TDOA算法，解算出移动节点所处位置的相对坐标；

app端：用于显示解算出来的移动节点的相对位置。

本发明一种基于超宽带的室内卫星定位方法，包括以下步骤：

步骤1：启动节点开始工作，向4个卫星节点同时发送开机指令，使得4个卫星节点能够同时开始工作；

步骤2：卫星节点开始工作后，由固有的CPU ID换算得到其所需的特有延迟发射时间，经过该延迟发射时间后，卫星节点开始向移动节点发送数据包；

步骤3：移动节点通过接收到的数据包，得到与4个卫星节点间每个节点的时间差数据，并通过TDOA算法解算出该节点的相对位置坐标。并通过相对坐标与经纬度转换的算法，将相对坐标转换为经纬度，发送给手机app端；

步骤4：app端接收到来自移动节点的经纬度坐标的信息，通过内置地图将其展示出来。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1：本发明信号收发流程更规整，有效减少了传播过程中的噪声积累与信号畸变。且与该近似方案相比，本方案适用于三个及以上定位卫星的情况，可根据实际情况部署更多的定位卫星从而达到更高的精度，以适应不同的环境需求。

2：本发明中采用经纬度定位的方法，使用更加的方便，可直接与现有的定位平台衔接，甚至可达到室内室外定位的无缝衔接。

3：本发明采用了功能模块化的设计，可通过多平台如手机、iPad、电脑等多种方法参与到本系统中的设计、定位、测试以及维护环节中，大大提升了使用和维护的灵活性。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是本发明的APP工作流程图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1-2所示，本发明提供一种基于超宽带的室内卫星定位系统及定位方法，包括：

启动节点：用于同步开启卫星节点；

卫星节点：用于向移动节点发送时间戳；

移动节点：用于接收来自移动节点的时间戳，计算出与4个卫星节点间的时间差，并通过TDOA算法，解算出移动节点所处位置的相对坐标；

app端：用于显示解算出来的移动节点的相对位置。

包括以下步骤：

步骤1：启动节点开始工作，向4个卫星节点同时发送开机指令，使得4个卫星节点能够同时开始工作；

步骤2：卫星节点开始工作后，由固有的CPU ID换算得到其所需的特有延迟发射时间(该延迟发射时间是为了使发射信号不会因为信号碰撞而导致丢包情况的发生，该延迟发射时间一般为皮秒级)经过该延迟发射时间后，卫星节点开始向移动节点发送数据包；

步骤3：移动节点通过接收到的数据包，得到与4个卫星节点间每个节点的时间差数据，并通过TDOA算法解算出该节点的相对位置坐标。并通过相对坐标与经纬度转换的算法，将相对坐标转换为经纬度，发送给手机app端；

步骤4：app端接收到来自移动节点的经纬度坐标的信息，通过内置地图将其展示出来。

具体的，本设备基于stm32平台进行装置的开发与研究，通过UWB dw1000芯片的数据采集与数据发送，测量出多个节点与被测量节点间的时间差，将该时间差经过TDOA算法的解算，得到室内使用者位置的相对坐标值，并利用java语言开发的安卓app应用，将该相对坐标值显示在提前制作好的室内地图上，实现室内的精准定位，该系统分为3个部分：启动节点：负责同步开启卫星节点；卫星节点：负责向移动节点发送时间戳；移动节点：负责接收来自移动节点的时间戳，计算出与4个卫星节点间的时间差，并通过TDOA算法，解算出移动节点所处位置的相对坐标；app端：负责显示解算出来的移动节点的相对位置；

系统流程：

1.启动节点开始工作，向4个卫星节点同时发送开机指令，使得4个卫星节点能够同时开始工作。

2.卫星节点开始工作后，由固有的CPU ID换算得到其所需的特有延迟发射时间(该延迟发射时间是为了使发射信号不会因为信号碰撞而导致丢包情况的发生，该延迟发射时间一般为皮秒级)经过该延迟发射时间后，卫星节点开始向移动节点发送数据包。

3.移动节点通过接收到的数据包，得到与4个卫星节点间每个节点的时间差数据，并通过TDOA算法解算出该节点的相对位置坐标。并通过相对坐标与经纬度转换的算法，将相对坐标转换为经纬度，发送给手机app端

手机app端接收到来自移动节点的经纬度坐标的信息，通过内置地图将其展示出来；

app端工作流程：

app接收到硬件设备发送的信号后，通过内置的坐标采集系统进行坐标采集，之后调用基于OpenLayers的开源地图框架进行坐标渲染，坐标渲染后，使用安卓软件开发中的Timer函数进行坐标信息轮询，从而动态的显示设备当前的精准定位信息。

基于UWB的室内卫星定位系统，采用了同步卫星发送同步信号的方式来控制定位信号的发送，各个卫星节点在收到同步信号后分别延时某固定时间段后发送定位信号，与该近似方案相比，本方案信号收发流程更规整，有效减少了传播过程中的噪声积累与信号畸变。且与该近似方案相比，本方案适用于三个及以上定位卫星的情况，可根据实际情况部署更多的定位卫星从而达到更高的精度，以适应不同的环境需求。本方案中采用经纬度定位的方法，使用更加的方便，可直接与现有的定位平台衔接，甚至可达到室内室外定位的无缝衔接。最后一点就是本技术方案采用了功能模块化的设计，可通过多平台如手机、iPad、电脑等多种方法参与到本系统中的设计、定位、测试以及维护环节中，大大提升了使用和维护的灵活性。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于超宽带的室内卫星定位系统，其特征在于，包括：

启动节点：用于同步开启卫星节点；

卫星节点：用于向移动节点发送时间戳；

移动节点：用于接收来自移动节点的时间戳，计算出与4个卫星节点间的时间差，并通过TDOA算法，解算出移动节点所处位置的相对坐标；

app端：用于显示解算出来的移动节点的相对位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于超宽带的室内卫星定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：启动节点开始工作，向4个卫星节点同时发送开机指令，使得4个卫星节点能够同时开始工作；

步骤2：卫星节点开始工作后，由固有的CPU ID换算得到其所需的特有延迟发射时间，经过该延迟发射时间后，卫星节点开始向移动节点发送数据包；

步骤3：移动节点通过接收到的数据包，得到与4个卫星节点间每个节点的时间差数据，并通过TDOA算法解算出该节点的相对位置坐标。并通过相对坐标与经纬度转换的算法，将相对坐标转换为经纬度，发送给手机app端；

步骤4：app端接收到来自移动节点的经纬度坐标的信息，通过内置地图将其展示出来。

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