基站间距离获取设备的制作方法

本公开涉及无线通信，更具体地，本公开涉及测距和定位领域。

背景技术：

短距离、高精度无线室内定位技术在城市密集区域和室内封闭空间应用非常广泛。室内定位系统通常需要在待定位区域布设基站，以定位待定位区域中的目标位置。现有室内定位技术中常用的定位算法有到达时间TOA定位及到达时间差TDOA定位等，上述算法在解算目标位置的过程中，都需要利用基站基于某个特定坐标系的坐标位置，从而解算目标相对于该特定坐标系的位置。这就需要定位系统在进行定位之前，预先建立坐标系，并测量各基站在该坐标系中的坐标。

现有的建立坐标系以及测量基站位置的方法多采用借助全站仪、激光测距仪等测量仪器进行人工测量的方式。人工测量的方式耗费的人力成本巨大，且受限于基站的布设环境，此外，由于仪器的测量误差、人为误差等影响，此种方法测量基站位置的精度较差。基站位置的准确度，会严重影响对目标的进行定位时的准确度。因此，人工测量基站位置的方法无法满足高精度、高准确度的室内定位系统。因此，研究低人力成本、高准确度的建立坐标系以及测量基站位置的方法成为了本领域研究人员亟需解决的问题。

技术实现要素：

本发明公开了一种距离获取设备，包括测距装置、同步控制器以及信息处理器。其中，测距装置包括第一基站和第二基站。第一基站包括测距信号发射模块、多端口模块、第一天线和第一计时模块，其中，测距信号发射模块接收同步信号，且在同步信号的触发下产生测距信号；多端口模块接收测距信号，且将测距信号分为两路；第一天线接收并发射一路测距信号；第一计时模块接收同步信号和另一路测距信号，且在同步信号触发下开始计时，在所述另一路测距信号的触发下停止计时。第二基站包括第二天线和第二计时模块，其中，第二天线接收所述另一路测距信号；第二计时模块接收同步信号且从第二天线接收所述另一路测距信号，且在同步信号触发下开始计时，在所述另一路测距信号的触发下停止计时。此外，同步控制器通过同步线耦接至第一基站和第二基站以向第一基站和第二基站提供同步信号。信息处理器获取第一计时模块和第二计时模块开始计时的时间信息、第一计时模块和第二计时模块停止计时的时间信息和同步信号触发测距信号发射模块的时间信息，并根据第一计时模块和第二计时模块开始计时的时间信息、第一计时模块和第二计时模块停止计时的时间信息和同步信号触发测距信号发射模块的时间信息获得第一基站所在位置和第二基站所在位置之间的距离。

本发明的有益效果是，利用测距信号触发计时模块停止计时，获取测距信号发射模块发射测距信号的响应时间，并将此响应时间用于解算两个基站所在位置间的距离，可以得到高精度、高准确度的测距结果。

附图说明

图1给出依据本发明一种实施例的距离获取设备100的示意图；

图2给出依据本发明一种实施例的测距装置200的示意图；

图3给出图2所示实施例中基站BS1的一种内部结构300示意图；

图4给出图2所示实施例中基站BS1的另一种内部结构400示意图；

图5给出依据本发明一种实施例的基站间测距方法500的流程图；

图6给出图5所示测距方法500的工作时序示意图；

图7给出依据本发明一种实施例的定位系统700的示意图；

图8给出依据本发明一种实施例的坐标系建立方法800的示意图。

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“耦接”到另一元件时，它可以是直接连接或耦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“直接耦接到”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距离获取设备100的示意图。如图1所示，该距离获取设备100示例性地包括测距装置、同步控制器SC以及信息处理器CP，其中测距装置包括基站BS1和基站BS2。在一个实施例中，所述基站BS1和基站BS2是地理上固定的。同步控制器SC分别向基站BS1和BS2传送同步信号SYN。在一个实施例中同步控制器SC通过有线线路LIN1和LIN2连接基站BS1和基站BS2，以向基站BS1和基站BS2传输同步信号SYN。所述同步信号SYN可以为同一信号分成的两路信号，也可以为具有已知时间关系的不同信号。有线线路的类型可以根据同步信号SYN的类型决定，例如，同步信号SYN为光信号，则有线线路为光纤；同步信号SYN为数字信号，则有线线路为网线；同步信号SYN为超宽带信号，则有线线路为同轴线或双绞线。

距离获取设备100可以根据有线线路的长度确定同步信号SYN在有线线路中的传输时间，进而得出同步信号SYN到达基站BS1和BS2的时刻。在另一个实施例中，同步信号SYN在有线线路中的传输时间也可以不通过有线线路的长度来确定，而是同步控制器SC向基站发射同步信号SYN后，基站与此同时，或者间隔一个系统预设的延迟时间，向同步控制器SC发射回传信号，同步控制器SC通过记录发射同步信号SYN的时刻和接收到回传信号的时刻，以及系统预设的延迟时间来确定同步信号SYN在有线线路的传输时间，进而得出同步信号SYN到达基站BS1和BS2的时刻。

基站BS1接收到同步信号SYN后向基站BS2发射测距信号，所述测距信号可以为超宽带信号。信息处理器CP利用基站BS1发射测距信号的时刻、基站BS2接收测距信号的时刻以及测距信号在空间中的传播速度，来确定基站BS1和基站BS2间的距离。本领域技术人员应当明白，两个基站间的距离可以理解为两个基站所在位置间的距离，且所述信息处理器CP为功能性模块，其可集成到基站BS1、BS2或同步控制器SC中，也可单独设立。

图2给出依据本发明一种实施例的测距装置200的示意图，测距装置200示例性地包括基站BS1和基站BS2。在一个实施例中，所述基站BS1和基站BS2是地理上固定的。其中，基站BS1包括测距信号发射模块201、第一计时模块202、多端口模块203以及第一天线204；基站BS2包括第二计时模块205以及第二天线206。在一个实施例中基站BS1和基站BS2通过有线线路接收同步信号SYN。

基站BS1的测距信号发射模块201通过内部连接线路L1接收同步信号SYN，并在同步信号SYN的触发下产生测距信号Si；基站BS1的第一计时模块202通过内部连接线路L2接收同步信号SYN，并在同步信号SYN的触发下开始计时。测距信号发射模块201产生的测距信号Si通过内部连接线路L3传输至多端口模块203。所述多端口模块203包括1端口、2端口和3端口，1端口通过内部连接线路L3与测距信号发射模块201相连接，2端口通过内部连接线路L4与第一天线204相连接，3端口通过内部连接线路L5与第一计时模块202相连接。多端口模块203将从1端口接收到的测距信号Si分成两路，一路从2端口经内部连接线路L4传输至第一天线204，并发射至基站BS2；一路从3端口经内部连接线路L5传输至第一计时模块202，并触发第一计时模块202停止计时。

基站BS2的第二计时模块205通过内部连接线路L6接收同步信号SYN，并在同步信号SYN的触发下开始计时。基站BS2的第二天线206接收基站BS1发射的测距信号Si，并经由内部连接线路L7传输至第二计时模块205，并触发第二计时模块205停止计时。

图2所示实施例中信号在内部连接线路L1至L7上的传输时间均为已知，可有多种实现方式，例如，内部连接线路L1至L7的参数均为已知，所述参数包括内部连接线路长度、信号传输速度，利用上述参数即可求得信号在内部线路上的传输时间。

要想实现高精度测距，需要准确知道测距信号Si的发射时刻。在一个实施例中，测距信号Si为超宽带信号，相对应的，基站BS1中的测距信号发射模块201为超宽带信号发射模块。超宽带信号发射模块201从被同步信号SYN触发，到真正发射出测距信号Si需要一个响应时间ΔT，而且超宽带测距信号发射模块201是利用模拟器件如雪崩二极管产生的超宽带测距信号，其每次发射测距信号Si的响应时间ΔT可能不同，因此，测距装置无法获知超宽带测距信号发射模块201发射测距信号Si的准确时间，且不能通过预先测量的响应时间准确得到真正实现测距时的发射测距信号Si的响应时间ΔT。本实施例给出的测距装置200通过同步信号SYN触发测距信号发射模块201发射测距信号Si，并触发第一计时模块202开始计时，并利用一路测距信号Si触发第一计时模块202停止计时。测距装置200利用第一计时模块的计时时间以及内部连接线路传输时间可以解算出测距信号发射模块201发射测距信号Si的响应时间ΔT，从而可以准确得知基站BS1发射测距信号Si的发射时刻，进而用于解算基站BS1和基站BS2间的距离。

图3给出图2所示实施例中基站BS1的一种内部结构300示意图。图3所示实施例给出了图2所示实施例中基站BS1中的多端口模块203的一种实施方式。如图3所示，多端口模块203由环行器303实现。所述环行器303包括1端口、2端口和3端口，1端口连接测距信号发射模块301，2端口连接第一天线304，3端口连接第一计时模块302。测距信号发射模块301产生的测距信号Si，一大部分会经由第一天线304发射至空间，一小部分会经由3端口泄漏至第一计时模块302。通常，环行器303的隔离度为20～30dB，由于测距信号Si的发射功率较大，经过20～30dB的衰减后仍能触发第一计时模块302停止计时，从而实现多端口的功能。

图4给出图2所示实施例中基站BS1的另一种内部结构400示意图。图4所示实施例给出了图2所示实施例中基站BS1中的多端口模块203的一种实施方式。如图4所示，多端口模块203由射频开关403实现。所述射频开关403包括1端口、2端口和3端口，1端口连接测距信号发射模块401，2端口连接第一天线404，3端口连接第一计时模块402。当射频开关403闭合1端口和2端口时，测距信号发射模块401产生的测距信号Si一大部分会经由第一天线404发射至空间，一小部分会经由3端口泄漏至第一计时模块402。通常，射频开关403的隔离度为40dB，由于测距信号Si的发射功率较大，经过40dB的衰减后仍能触发第一计时模块402停止计时，从而实现多端口的功能。

在一个实施例中，能够发射测距信号的基站BS1也可用于接收其它基站发射的测距信号。此时，在利用图4所示实施例中的射频开关402作为多端口模块202时，将射频开关402的2端口和3端口相连通。

此外，本领域技术人员应当理解，图2所示测距结构200可用于定位系统中，基站BS1和基站BS2可以用于定位。以上的实施例中只揭示了基站用于测距的部分结构，而未公开其实现定位功能时的相关结构，但实现定位功能所需的结构并不是本发明的重点所在，且本领域中有多种公知的实现方式，因此，在本发明中不作详细的阐述。

图5给出依据本发明一种实施例的基站间测距方法500的流程图。图6为图5所示测距方法500的工作时序示意图。下面结合图2所示的测距装置200详细说明图5所示的基站间测距方法500中的如下步骤：

步骤501：利用同步信号SYN触发基站BS1的测距信号发射模块201发射测距信号Si，触发时刻为tr；利用同步信号SYN触发基站BS1的第一计时模块202开始计时，触发时刻为tc1。且测距信号发射模块201从被同步信号SYN触发，到发射测距信号Si具有响应时间ΔT。

步骤502：利用同步信号SYN触发基站BS2的第二计时模块205开始计时，触发时刻为tc2。

步骤501和步骤502中用于触发基站BS1和基站BS2的同步信号可以为相同信号也可以为不同信号，只要求其到达基站BS1和基站BS2时具有已知的时序关系。所述同步信号可以是由同步控制器产生，并经有线线路传输的，可利用有线线路的参数，例如长度、类型等，得到同步信号的有线线路传输时间，进而确定同步信号到达基站BS1和基站BS2的时序关系。

本领域技术人员还应理解，同步信号到达基站BS1和基站BS2后，还需分别经过基站BS1的内部连接线路L1、L2、基站BS2的内部连接线路L5才能到达并触发基站BS1的测距信号发射模块201、基站BS1的第一计时模块202和基站BS2的第二计时模块205。所述内部连接线路的参数已知，可预先测得同步信号的内部连接线路传输时间。利用同步信号到达基站BS1和基站BS2的时序以及同步信号的内部连接线路传输时间，可以得到同步信号触发站BS1的测距信号发射模块201、基站BS1的第一计时模块202和基站BS2的第二计时模块205的触发时刻tr、tc1和tc2。

步骤503：利用测距信号Si分别触发基站BS1的第一计时模块202和基站BS2的第二计时模块205停止计时。其中，基站BS1的第一计时模块202从被同步信号SYN触发开始计时，到被测距信号Si触发停止计时的时间间隔为T1，基站BS2的第二计时模块205从被同步信号SYN触发开始计时，到被测距信号Si触发停止计时的时间间隔为T2。

其中，基站BS1的测距信号发射模块201产生的测距信号Si经内部连接线路L3传送至多端口模块203，并经多端口模块203分成两路，一路经基站BS1的内部连接线路L5传输至第一计时模块202，以触发计第一时模块202停止计时；一路经基站BS1的内部连接线路L4传输至第一天线204，以由第一天线204辐射至空间，并被基站BS2的第二天线206接收，再经基站BS2的内部连接线路传输至基站BS2的第二计时模块205，以触发第二计时模块205停止计时。测距信号Si经由基站BS1的内部连接线路L3和L5传输至第一计时模块202的线路传输时间记为Trc，测距信号Si经由基站BS1的内部连接线路L3和L4传输至第一天线204的线路传输时间记为Tra；测距信号Si经由基站BS1的第一天线204传播至基站BS2的第二天线206的空间传播时间记为Td；测距信号Si经由基站BS2的第二天线206经基站BS2的内部连接线路L7传输至第二计时模块205的线路传输时间记为Tac。其中，线路传输时间Trc、Tra和Tac都可根据内部连接线路的参数预先测得，即为已知。

步骤504：利用基站BS1的第一计时模块202从被同步信号SYN触发开始计时到被测距信号Si触发停止计时的时间间隔T1、基站BS2的第二计时模块205从被同步信号SYN触发开始计时到被测距信号Si触发停止计时的时间间隔T2获得基站BS1所在位置和基站BS2所在位置之间距离d12。在一个实施例中，所述距离d12可以理解为，基站BS1的第一天线204到基站BS2的第二天线206间的距离。

其中，测距方法500还可以包括，利用同步信号触发基站BS1的测距信号发射模块201、基站BS1的第一计时模块202和基站BS2的第二计时模块205的触发时刻tr、tc1和tc2，以及线路传输时间Trc、Tra和Tac来计算基站BS1所在位置和基站BS2所在位置之间距离d12。所述距离d12可由式(1)表示。

d12＝[T2-(tr-tc2)-ΔT-Tra-Tac]·c (1)

其中，c为测距信号Si在空间中传播的速度，ΔT为测距信号发射模块201发射测距信号Si的响应时间，ΔT可由式(2)表示。

ΔT＝T1-Trc-(tr-tc1) (2)

则基站BS1所在位置和基站BS2所在位置之间距离d12可表示为式(3)。

d12＝[T2-T1+Trc-Tra-Tac-(tc1-tc2)]·c (3)

本领域技术人员应当理解，在本实施例中，为了精确计算基站间的距离，充分考虑了信号在基站内部连接线路上传输的线路传输时间，在其它实施例中，为了简化系统复杂度，当内部连接线路传输时间远小于信号在基站间的空间传播时间时，也可忽略部分或全部基站内部连接线路传输时间。

图7给出依据本发明一种实施例的定位系统700的示意图。如图7所示，定位系统700示例性地包括基站BS1、基站BS2、基站BS3以及待定位装置MS。在一个实施例中，所述基站BS1、基站BS2和基站BS3可以是地理上固定的，待定位装置MS是可移动的。定位系统700还可以包括同步控制器SC，以实现基站BS1、基站BS2、基站BS3的同步。在一个实施例中，同步控制器SC分别通过有线线路LIN1、LIN2和LIN3连接基站BS1、基站BS2以及基站BS3，以向基站BS1、基站BS2和基站BS3传输同步信号SYN。

定位系统700在工作中包含两个模式，即测距模式和定位模式。当定位系统700工作在测距模式时，通过在基站间相互收发测距信号Si，以获得任意两个基站间的距离信息。所述测距信号Si为测距信号的功能性统称，其可代表不同基站间收发的不同测距信号。其中，每两个基站间的测距可利用图1至图6所示的任一实施例实现。本领域技术人员应当理解，图7所示定位系统700可包括和引用图1至图6所示实施例的内容，而不会违背本发明的精神。在图7所示实施例中，定位系统700包含三个基站，为了在每两个基站间实现测距功能，则定位系统700中的每个基站均包含天线和计时模块，且定位系统700至少包含两个均具有测距信号发射模块和多端口模块的基站。

当定位系统700处于定位模式时，待定位装置MS与基站BS1、基站BS2和基站BS3之间传播定位信号Sp，所述测距信号Sp为定位信号的功能性统称，其中可包括一个定位信号或多个相同或不同的定位信号。在一个实施例中，定位信号Sp由待定位装置MS发射至各基站，定位系统700通过定位信号Sp到达各定位基站的时间信息解算待定位装置MS的位置信息。其中，定位算法可以采用TDOA(Time of Arrival，到达时间差)算法，此定位算法为本领域公知技术，在这里不加赘述。

定位系统700的测距模式和定位模式可以同时进行也可以分时进行。在一个实施例中，定位系统700的测距模式和定位模式分时进行，即定位系统700分别为测距模式和定位模式分配预设的不同时间段。在一个实施例中，定位系统700先工作于测距模式，再工作于定位模式，并将测得的各基站间的距离用于解算待定位装置MS的位置信息中。此时，测距信号Si和定位信号Sp在不同的时间段内提供至各基站，因而各基站可以通过所处时段是属于测距模式还是定位模式对收到的信号是测距信号Si还是定位信号Sp加以区分。在这种分时工作状态下，测距信号Si和定位信号Sp可以为相同的信号形式，而无需对信号本身添加区分信息。在一个实施例中，测距信号Si和定位信号Sp为相同频段的超宽带信号。在分时工作的定位系统700中，无论是待定位装置MS发射定位信号Sp，基站接收定位信号Sp；还是基站发射定位信号Sp，待定位装置MS接收定位信号Sp，都不会影响定位系统700对定位信号Sp和测距信号Si的区分。

在一个实施例中，定位系统700的测距模式和定位模式同时进行，此时，可以对定位信号Sp和测距信号Si信号本身增加可区别的信息。在一个实施例中，定位系统700为定位信号Sp和测距信号Si分配不同的频段，例如，定位信号Sp为3G-6G的超宽带信号，测距信号Si为7G-10G的超宽带信号，又例如，定位信号Sp为7G-10G的超宽带信号，测距信号Si为3G-6G的超宽带信号。此时，需要为基站和待定位装置MS配置相应的发射通路和/或接收通路。在另一个实施例中，定位系统700通过调制的方式为定位信号Sp和测距信号Si添加身份信息，所述调制方式可以为脉冲位置调制。此时，需要为基站和待定位装置MS配置相应的调制电路和/或解调电路。

在一个实施例中，为了提高测距的准确度，可以采用每两个基站间多次收发测距信号，从而平均多次测量的测距信号飞行时间的方式来实现。例如，可以让定位系统700中的每个基站都具有收发测距信号的功能，基站BS1先向基站BS2和基站BS3发射测距信号；然后，基站BS2向基站BS1和基站BS3发射测距信号；再然后，基站BS3再向基站BS1和基站BS2发射测距信号。按照上述方式，每两个基站间都进行了两次测距信号的传输，进而通过取平均的方式，提高测距精度。

图8给出依据本发明一种实施例的坐标系建立方法800的示意图。图8所示实施例的坐标系建立方法800可用于图7所示的定位系统700中。图8所示实施例示例性地包括基站BS1、基站BS2、基站BS3以及待定位装置MS，所述基站BS1、基站BS2、基站BS3是地理上固定的，待定位装置MS是可移动的。上述基站以及待定位装置MS构成定位系统，所述定位系统还可以包括同步控制器，以同步各基站。定位系统在经过测距模式后，测得每两个基站间的距离，基站BS1与BS2间的距离用a表示，基站BS1与BS3间的距离用b表示，基站BS2与BS3间的距离用c表示。此时基站BS1、基站BS2、基站BS3相对于彼此的位置即为可知，因此，可以以某一与基站位置相关的参考点为坐标原点o，建立坐标系xoy，而基站BS1、基站BS2、基站BS3在坐标系中的相对位置是已知的。图8所示实施例示例性地以基站BS1为坐标原点o，以基站BS1与基站BS3的连线方向作为x轴，得到了坐标系xoy。此时，基站BS1在坐标系xoy中的坐标为(0,0)，基站BS3在坐标系xoy中的坐标为(b,0)，基站BS2在坐标系xoy中的坐标为

定位系统在对待定位装置MS进行定位时，需要利用基站BS1、基站BS2、基站BS3在坐标系xoy中的坐标，从而得到待定位装置MS在坐标系xoy中的坐标。当定位系统位于某一特定环境中时，例如定位系统处于室内环境中，若欲以室内环境中的某一特定参考点为坐标原点o'，建立坐标系x'o'y'，并确定待定位装置MS在坐标系x'o'y'中的坐标，则需要将坐标系xoy，映射到坐标系x'o'y'中。

本实施例示例性地给出一种坐标系映射方法，图8所示实施例中的定位系统处于室内环境，图8中的斜线部分为室内墙壁的截面，且所述室内墙壁为相互垂直的笔直墙壁。为了便于将坐标系xoy映射到坐标系x'o'y'中，可以在布设基站的过程中，参考室内基础设施。在图8所示实施例中，将基站BS1和基站BS3布设在室内墙壁上，则坐标系xoy中的x轴与坐标系x'o'y'中的x'轴平行，且坐标系xoy中的y轴与坐标系x'o'y'中的y'轴平行。若忽略基站本身形状的影响，可以近似等效两个坐标系重合，若基站本身形状不能忽略，则需预先测量出基站的形状尺寸，并将其运用到坐标系的映射中去。

本领域技术人员应当理解，在坐标系映射过程中，不局限于以墙壁为参考，还可以以环境中任何一固定的物理标称作为参考，选择何种标定物作为参考，由想要将待定位装置MS映射到哪一参考坐标系中决定。

本领域技术人员应当理解，在图8所示实施例中建立的是平面二维坐标系，则认为三个基站处于相同的水平高度。在其它实施例中，若欲建立空间三维坐标系，则需要引入另一基站，并测得所述基站与基站BS1、基站BS2和基站BS3间的距离，从而在一个空间三维坐标系中，唯一确定各基站相对彼此的位置。

采用所述利用基站间收发测距信号测量基站间距离，并利用基站间距离建立坐标系的方法解决了现有技术中采用借助全站仪、激光测距仪等测量仪器进行人工测量的方式建立坐标系时，人力成本巨大、受限于基站的布设环境以及由于仪器的测量误差、人为误差等影响，造成的精度较差的问题。

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。