基于超宽带的被动式定位系统及定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线通信网络定位技术领域，具体涉及一种基于超宽带的被动式定位 系统及定位方法。
【背景技术】
[0002] 全球卫星定位系统广泛用于室外定位，但对于室内环境无法提供令人满足的定位 精度。另外，人们对室内定位系统的需求也与日倶增，需要使用准确的室内定位信息，对可 用空间和库存物资实现高效的管理，跟踪危险地带的救火人员等。因此，提高室内环境的定 位精度、稳定度以及降低系统复杂性等，最终实现室内与室外的定位系统无缝对接成为未 来研究与发展的趋势。
[0003] 目前，室内定位系统依赖的技术主要有超声波、蓝牙等。超宽带（Ultra wideband ， UWB) 技术拥有极宽电 磁频谱 ，在穿透能力 、精细分辨 、精确测距、 抗多径和抗干扰等方 面具有独特的优势，其系统实现具有低复杂度、低功耗、低成本的潜力，成为室内定位最有 前景的技术方案之一。目前美国、加拿大、英国等发达国家近年来投入了大量的人力和物力 来对相关技术和产品进行研究和开发，但是针对超宽带与室内定位的结合，还有众多问题 亟待深入研究和完善。本发明公开的基于超宽的被动式定位方法和系统利用极窄脉冲超宽 带信号、TD0A定位方法和惯导技术等相结合进行定位，实现了独立于外在通信网络的水平 和垂直方向的高精度定位，有高可靠性、高精度等特点，解决了卫星、通信等信号较差的区 域定位问题，能够广泛用于室内外工作环境，特别是信号中断的人防、救灾等应急现场，隧 道等封闭环境。
【发明内容】
[0004] 综上所述，为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于超宽带的被动式定位 系统及定位方法，解决了信号较差的区域定位问题，适用于环境恶劣封闭的环境。
[0005] -种基于超宽带的被动式定位系统，该定位系统包括三个以上的定位基站、超宽 带定位器，所述的超宽带定位器包括天线、超宽带(UWB)接收机、高精度时钟、定位器数据处 理单元、定位引擎;所述的定位基站包括基站编码ID生成单元、时间同步单元、数据处理单 元、超宽带(UWB)收发机、高精度时钟和天线；
[0006] 所述定位基站采用无线时钟同步技术统一校准时钟，并采用交错式等固定间隔的 方式，向外部超宽带定位器发送包含基站编码ID信息和同步信息的广播信号；
[0007]所述超宽带定位器在其定位引擎中利用到达时间差定位方法解算其准确位置；
[0008] 所述超宽带(UWB)收发机为通信系统的物理层，除了基本的通信作用外，结合高精 度时钟，生成精准的超宽带信号的接收时间戳和发送时间戳；
[0009] 所述高精度时钟为超宽带(UWB)收发机和超宽带(UWB)接收机提供精准时钟；
[0010] 所述定位器数据处理单元驱动超宽带(UWB)接收机，提取广播信息中的基站编码 ID和对应的接收时间，将其传给定位引擎;并获得定位引擎反馈的位置信息，对位置信息进 行处理和整合，将位置信息输出；
[0011] 所述定位引擎根据数据处理单元传过来的时间戳，计算出到达时间差，并采用到 达时间差定位算法，解算超宽带定位器的位置信息，反馈给数据处理单元；
[0012] 所述基站编码ID生成单元用于产生包含有基站编码ID信息，并通过广播信息向外 广播；
[0013] 所述时间同步单元用于产生无线同步信息，并将无线同步信息发送给数据处理单 J L· 〇
[0014] 进一步，所述的定位基站还可以包含基站位置数据库；所述基站位置数据库通过 查找离线存储基站的位置坐标信息，并输出基站位置信息。
[0015] 进一步，所述的定位系统还可以包含有时钟同步器。
[0016] 进一步，所述的超宽带定位器还可以包含惯导模块。
[0017] -种基于超宽带的被动式定位系统的定位方法，包含如下步骤：
[0018] 步骤一:各个定位基站进行无线时钟同步:使各定位基站之间保持时钟同步；
[0019] 步骤二:定位基站向超宽带定位器发送进行定位的广播信息：待各定位基站完成 时钟同步后，定位基站按照一定规律交错式等固定间隔的向超宽带定位器发送包含基站编 码I 目息和同步彳目息的广播彳目号；
[0020] 步骤三:超宽带定位器接收广播信息：天线和超宽带(UWB)接收机接收到广播信 息，通过高精度时钟，提供高精度的超宽带的接收时间戳，超宽带(UWB)接收机将接收时间 戳信息以及广播信息发送给数据处理单元获得基站编码ID信息，并将时间戳以及基站编码 ID信息传递给定位引擎；
[0021] 步骤四：定位引擎解算位置坐标:定位引擎根据基站编码ID查找基站位置数据库 中的基站位置坐标信息，并结合收到的时间戳信息，计算到达时间差，并建立以超宽带定位 器坐标为未知量的非线性方程组，进一步解算出超宽带定位器的位置坐标，达到定位的目 的，计算方法如下：
[0022] (1)计算时间差的方法为：
[0023] 超宽带定位器在ttag,i时刻收到基站i在U,i发送的信号，在ttag,j时刻收到基站j在 七 1^发送的信号，其中基站1和基站」是相隔11个时间间隔依次发送信号的，则1^4七=蚁1-tn,j，其中n = 1，2...，则有：
[0024] 基站浙发射的信号到达超宽带定位器的时间为:ttag, i-tm, i ;
[0025] 基站j所发射的信号到达超宽带定位器的时间为
[0026] 那么，基站i和基站j所发射信号达到超宽带定位器的时间差(TD0A)为：
[0027] ti-tj= (ttag,i-tm,i) -(ttag,j-tn, j) = ( ttag, i-ttag, j ) - ( tm, i-tn, j ) = ( ttag, i-ttag, j ) -Π * Δ t
[0028] (2)解算超宽带定位器位置坐标的方法为：
[0029]由于基站是交错式等间隔依次发送信号，则为常数，超宽带定位器到基 站i和基站j之间的距差值为：
[0031] 其中，（Xi，yi，zi)和(Xj，yj，zj)分别为基站i和基站j的固定坐标，（x，y，z)为超宽带 定位器的未知坐标，通过至少三个TD0A距差值可以解算出超宽带定位器的未知坐标(x，y, z) 〇
[0032] 进一步，所述的步骤一中的无线时钟同步还可以是有线时钟同步方式。
[0033] 进一步，所述的步骤四中的超宽带定位器还可以包含惯导模块，通过对惯导模块 采集的超宽带定位器的运动信息和步骤四中获得的超宽带定位器的定位信息进行融合，从 而获得最优的定位结果。
[0034] 进一步，所述的定位基站发送的广播信息还可以包含基站的位置坐标信息，此时 对应的超宽带定位器中就不需要基站位置数据库。
[0035]本发明产生的有益效果为：
[0036]由于本发明采用的是相对时钟同步，无需提供外部标准时钟，因此降低系统复杂 度以及成本并能保持高时钟同步精度，针对多级网络结构，存在一些非参考基站未在参考 基站的通信范围之内问题，本定位系统则在非参考基站时钟同步后，向外发送含有无线同 步信息和基站编码ID信息的广播信号，可以使用已经同步后的非参考基站的广播进行同 步，从而实现全网的时钟同步。另外，本发明利用极窄脉冲超宽带信号和TD0A等定位技术相 结合进行定位，实现了独立于外在通信网络的水平和垂直方向的高精度定位，有高可靠性、 高精度等特点，解决了卫星、通信等信号较差的区域定位问题，能够广泛用于室内外工作环 境，特别是信号中断的人防、救灾等应急现场，隧道等封闭环境。
【附图说明】
[0037]图1为无线同步方式系统架构图；
[0038] 图2