基于调频连续波的室内定位装置及方法
【专利摘要】基于调频连续波的室内定位装置，由主控制器、至少不共线的三个基站和若干待定位标签组成，所述控制器由同步控制模块和通信控制模块组成，所述基站能够发射调频连续波并与待定位标签和主控制器进行通信，所述同步控制模块控制其中两个基站同步发射信号，所述待定位标签能够在接收到两个基站发射的信号后对其进行自差拍处理，所述待定位标签还具备数字信号处理功能。利用以上装置，本发明还公开了一种基于调频连续波的室内定位方法，本发明采用调频连续波体制，利用双曲定位确定标签坐标；采用广播式的系统结构，标签被动接收降低标签功耗；相比现有定位技术，具有高精度、高动态、低功耗的优势。
【专利说明】基于调频连续波的室内定位装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电子通信领域，涉及一种基于调频连续波的室内定位装置及方法。
【背景技术】
[0002]在大型商场、展会、医院、候机楼等各种复杂的室内环境中，人们常常需要借助移动终端以实时精确确定自身、商铺、安全出口等室内位置信息。GPS (全球定位系统)技术因具有全天候、高精度和自动测量的特点而被广泛应用于室外定位与导航领域，但因卫星信号穿透力较弱，难以穿透钢筋水泥，而无法在室内正常工作。随着现代社会对数据业务和多媒体业务需求的不断快速增长，人们对定位与导航服务的需求日益增大，尤其在室内导航方面，室内导航通过精确获取移动终端或其持有者、设施与物品在室内的位置信息，来实现对移动终端的导航，如在上述复杂的室内环境中，快速引导移动终端持有者到达目的地。对室内导航的需求推动了室内定位技术的不断快速发展。
[0003]目前常见的室内定位技术有红外线室内定位技术、超声波室内定位技术、蓝牙室内定位技术、射频识别(RFID)室内定位技术以及紫蜂(ZigBee)室内定位技术。
[0004]红外线室内定位技术通过安装在室内的光学传感器接收标签发射的调制红外射线进行定位，其结构简单实现容易，但由于红外线仅能视距传播，且容易受到荧光灯或房间内灯光干扰，在精确定位上有很大局限性；超声波室内定位技术主要采用反射式测距法，通过三角定位算法确定物体的位置，但超声波受多径效应以及非视距传播的影响很大，不适用于室内环境；蓝牙室内定位技术通过测量标签的信号强度进行定位，其优点在于设备体积小，易于集成在移动终端设备中，但是蓝牙器件对于复杂的空间环境，稳定性较差，受噪声干扰大；RFID室内定位技术受环境干扰小，但其定位精度受参考标签位置以及密度影响，计算量大，动态性差；ZigBee室内定位技术是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，其成本及技术复杂度都较低，已得到了大规模的应用，然而，ZigBee室内定位技术受限于2.4GHz工作频段以及较小的工作带宽，而且受多径效应的影响，在复杂多变的室内环境下，定位精度有较大的局限性。
[0005]综上所述，现有的室内定位技术多存在多目标环境中动态性低、定位精度不高的缺点。
【发明内容】
[0006]为克服现有室内定位方法存在多目标环境中动态性低、定位精度不高的技术缺陷，本发明公开了一种基于调频连续波的室内定位装置及室内定位方法。
[0007]本发明所述基于调频连续波的室内定位装置，由主控制器、至少不共线的三个基站和若干待定位标签组成，所述控制器由同步控制模块和通信控制模块组成，所述基站能够发射调频连续波并与待定位标签和主控制器进行通信，所述同步控制模块控制其中两个基站同步发射信号，所述待定位标签能够在接收到两个基站发射的信号后对其进行自差拍处理，所述待定位标签还具备数字信号处理功能，控制器与各个基站之间的同步信号传输延时相等。
[0008]具体的，所述基站由基站通信模块、调频连续波发生器、基站放大器、基站天线组成，信号流向依次为基站通信模块-调频连续波发生器-基站放大器-基站天线。
[0009]具体的，所述待定位标签由标签天线、标签放大器、功分器、混频器、滤波放大器、数字信号采集处理模块、标签通信模块和显示器组成，信号流向依次为标签天线、标签放大器、功分器、混频器、滤波放大器、数字信号采集处理模块；所述数字信号采集处理模块还与标签通信模块和显示器数据连结；所述功分器的两个信号输出端均输入到混频器进行自差拍。
[0010]具体的，所述主控制器中的同步控制模块为同步信号发生器或主调频连续波发生器；所述基站由基站通信模块、基站调频连续波发生器、基站放大器、基站天线组成，基站放大器输出端与基站天线连接；
所述基站调频连续波发生器能在主控制器同步控制模块输出的同步信号的控制下产生调频连续波，或者接收主控制器同步控制模块输出的调频连续波，所述基站放大器能对基站调频连续波发生器输出的调频连续波进行放大；所述基站通信模块能与主控制器中的通信控制模块进行通信。
[0011]优选的，所述控制器与各个基站之间通过有线方式传输信号，且控制器到各个基站的同步信号传输线传输延时相等。
[0012]本发明还公开了一种基于调频连续波的室内定位方法，包括若干个独立标签定位步骤，所述独立标签定位步骤包括如下步骤:
551.主控制器选择两个基站A、B;向其发送定位命令，基站收到定位命令后通过基站通信模块与待定位标签建立通信，并向待定位标签发送两个基站的编码和坐标，待定位标签接收到基站编码和坐标信息后进入接收状态；
552.主控制器向基站A、B发送同步信号或调频连续波信号，基站A和基站B接收到同步信号或调频连续波信号后，调频连续波发生器产生同步的调频连续波信号，或直接输出接收到的同步调频连续波信号，并向室内空间发射，经过一个调频周期后，基站A和基站B停止发射；
所述调频周期Tm满足:
J?.其中=^jjfc，R1I R2为基站A、B到待定位标签的距尚，c为光速；
553.待定位标签接收到来自基站A、B发送的调频连续波信号后做自差拍，并通过后续处理将频率差转换为距离差；
554.将基站A、B中任意一个更换为与A、B不共线的基站C，重复步骤SS1-SS3;利用两次步骤SS3中得到的两个距离差及基站A、B、C的坐标，采用双曲定位算法，得到待定位标签的坐标信息。
[0013]优选的，待定位标签不止一个，基站不少于三个，各基站在主控制器的控制下两两分时同步发射调频连续波信号，不同待定位标签的定位步骤并行进行。
[0014]具体的，所述步骤SS2中的调频连续波为线性调频连续波或步进调频连续波。
[0015]具体的，所述步骤SS2中的调频连续波为线性调频连续波时，所述步骤SS3中对距离差计算方法为:将AD转换器输出的数字信号做傅里叶变换，得到输出信号的频谱，从中选取峰值点对应的模拟频率K利用/^'得到待定位标签与两个发射基站之间的距离差
【权利要求】
1.基于调频连续波的室内定位装置，其特征在于，由主控制器、至少不共线的三个基站和若干待定位标签组成，所述控制器由同步控制模块和通信控制模块组成，所述基站能够发射调频连续波并与待定位标签和主控制器进行通信，所述同步控制模块控制其中两个基站同步发射信号，所述待定位标签能够在接收到两个基站发射的信号后对其进行自差拍处理，所述待定位标签还具备数字信号处理功能，控制器与各个基站之间的同步信号传输延时相等。
2.如权利要求1所述基于调频连续波的室内定位装置，其特征在于，所述基站由基站通信模块、调频连续波发生器、基站放大器、基站天线组成，信号流向依次为基站通信模块-调频连续波发生器-基站放大器-基站天线。
3.如权利要求1所述基于调频连续波的室内定位装置，其特征在于，所述待定位标签由标签天线、标签放大器、功分器、混频器、滤波放大器、数字信号采集处理模块、标签通信模块和显示器组成，信号流向依次为标签天线、标签放大器、功分器、混频器、滤波放大器、数字信号采集处理模块；所述数字信号采集处理模块还与标签通信模块和显示器数据连结；所述功分器的两个信号输出端均输入到混频器进行自差拍。
4.如权利要求1所述基于调频连续波的室内定位装置，其特征在于，所述主控制器中的同步控制模块为同步信号发生器或主调频连续波发生器；所述基站由基站通信模块、基站调频连续波发生器、基站放大器、基站天线组成，基站放大器输出端与基站天线连接； 所述基站调频连续波发生器能在主控制器同步控制模块输出的同步信号的控制下产生调频连续波，或者接收主控制器同步控制模块输出的调频连续波，所述基站放大器能对基站调频连续波发生器输出的调频连续波进行放大；所述基站通信模块能与主控制器中的通信控制模块进行通信。
5.如权利要求1所述基于调频连续波的室内定位装置，其特征在于，所述控制器与各个基站之间通过有线方式传输信号，且控制器到各个基站的同步信号传输线传输延时相坐寸ο
6.基于调频连续波的室内定位方法，其特征在于，包括若干个独立标签定位步骤，所述独立标签定位步骤包括如下步骤: 551.主控制器选择两个基站A、B;向其发送定位命令，基站收到定位命令后通过基站通信模块与待定位标签建立通信，并向待定位标签发送两个基站的编码和坐标，待定位标签接收到基站编码和坐标信息后进入接收状态； 552.主控制器向基站A、B发送同步信号或调频连续波信号，基站A和基站B接收到同步信号或调频连续波信号后，调频连续波发生器产生同步的调频连续波信号，或直接输出接收到的同步调频连续波信号，并向室内空间发射，经过一个调频周期后，基站A和基站B停止发射； 所述调频周期I满足: H <τ.、、<τ.其中rJj = c^Rt =^-2^ c , R1, R2为基站A、B到待定位标签的距尚，c为光速； 553.待定位标签接收到来自基站A、B发送的调频连续波信号后做自差拍，并通过后续处理将频率差转换为距离差；SS4.将基站A、B中任意一个更换为与A、B不共线的基站C，重复步骤SS1-SS3 ;利用两次步骤SS3中得到的两个距离差及基站A、B、C的坐标，采用双曲定位算法，得到待定位标签的坐标信息。
7.如权利要求6所述基于调频连续波的室内定位方法，其特征在于，待定位标签不止一个，基站不少于三个，各基站在主控制器的控制下两两分时同步发射调频连续波信号，不同待定位标签的定位步骤并行进行。
8.如权利要求6所述基于调频连续波的的室内定位方法，其特征在于，所述步骤SS2中的调频连续波为线性调频连续波或步进调频连续波。
9.如权利要求6所述基于调频连续波的的室内定位方法，其特征在于， 所述步骤SS2中的调频连续波为线性调频连续波时，所述步骤SS3中对距离差计算方法为:将AD转换器输出的数字信号做傅里叶变换，得到输出信号的频谱，从中选取峰值点对应的模拟频率/利用/^'得到待定位标签与两个发射基站之间的距离差 上式中，A和?\分别为两个基站发射同步调频连续波的起始频率，k为调频斜率；
所述步骤SS2中的调频连续波为步进调频连续波时，所述步骤SS3中对距离差计算方法为:将AD转换器输出的数字信号做逆离散傅里叶变换，得到输出信号的频谱，选取峰值点对应的频点F,利用F得到待定位标签与两个发射基站之间的距离差J R
上式中，Z0和Λ分别为两个基站发射同步调频连续波的起始频率，k为调频斜率，J f为频率步进增量，Ts为每个频点持续时间。
10.如权利要求6所述基于调频连续波的室内定位方法，其特征在于，所述步骤SS4中的两个基站发射调频连续波起始频率不同，利用双曲定位算法的过程中，并根据以下公式在双曲线中筛选出符合该公式的曲线部分； 当发射信号为线性调频连续波时:
其中A为AD转换器输出的数字信号经傅里叶变换后，频谱峰值点对应的模拟频率，Z0和?\分别为两个基站发射调频连续波的起始频率；"1S1=R^t c ,R1, R2为基站Α、B到待定位标签的距离，c为光速'k为调频斜率； 当发射信号为步进调频连续波时，根据下式筛选双曲线:
其中A为AD转换器输出的数字信号经逆离散傅里叶变换后，频谱峰值点对应的频点，Ts为每个频点持续时间； 筛选出双曲线后，进一步确定双曲线的焦点以确定标签坐标。
【文档编号】G01S5/10GK104133191SQ201410416498
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年8月22日 优先权日:2014年8月22日
【发明者】陈祝明, 高山钦, 陈文棵, 李冕和 申请人:电子科技大学