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方案

本发明专利技术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。本发明专利技术快速传动方法，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。

A Wireless Positioning System and Fast Driving Method Based on UWB Positioning Technology

The invention discloses a wireless positioning system and a fast transmission method based on ultra-wideband positioning technology, including a central processing unit module and an active trigger module connected with the central processing unit module, a wake-up module, an ultra-wideband radio frequency module, a acquisition module, a calculation module and a power management module. The fast transmission method of the invention solves the problems of accuracy and complexity of TOA estimation, robustness of TOA estimation in non-Gaussian noise and harsh environment, multiple access interference in multi-signal coexistence, validity and accuracy of location in dense multipath NLOS environment, etc.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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(UltraWideBand，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Adhoc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：ImpulseRadio)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，IRUWB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MoeZ.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IEEE802.15.4a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
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(SignaltoNoiseRatio,SNR)或信干噪比(SignaltoInterferenceplusNoiseRatio,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-userInterference，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。
技术实现思路
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，本专利技术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。实现本专利技术目的的技术方案是：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，本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟艳如，刘华役，蓝如师，罗笑南，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西,45