基于光同步信号的测距和定位方法及其装置与流程

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。现有室内定位技术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。上述算法在实施过程中要求各个定位基站及移动终端间精确的时间同步才能达到较高的定位精度。现有技术中对于各个定位基站之间常用的同步方法主要有两种，一是每个定位基站中各自包含精确的同步时钟，如原子钟等，这种方法成本较高，且需定期对其进行时钟校验；二是传输各定位基站间的同步信号，同步信号的选择是影响同步精度及同步成本的关键因素。现有的同步信号多采用射频信号，包括窄带射频信号、超宽带射频信号等。其中窄带射频信号包括：调频连续波、调频脉冲等，采用这类信号作为同步信号时，当存在多径的情况下，多路射频信号会在接收端叠加，需要利用相位解调将多路信号分离，才能实现同步，而相位解调算法及接收机结构较为复杂，解调效果不稳定，且接收机成本较高。当采用超宽带射频信号作为同步信号时，因其时域分辨力较高，所以有较好的同步效果，但接收机需要对超宽带信号进行滤波、超宽带放大、高采样率的模数转换等处理，才能准确的检测出时域边沿，这使得接收机成本急剧上升。因此，研究低成本、高精度的同步定位系统成为了本领域研究人员亟需解决的问题。技术实现要素：依据本发明的一个方面，提出了一种测距装置。该定位装置包括第一装置、第二装置和第三装置。第一装置发射点名信号和同步信号，其中，点名信号和同步信号具有已知的时间关系，同步信号为光信号。第二装置接收点名信号，并在点名信号的触发下发射定位信号。第三装置接收同步信号和定位信号，其中，第三装置与第一装置间的距离已知。其中，第一装置还接收定位信号；测距装置通过第一装置发射点名信号和同步信号以及接收定位信号，第三装置接收同步信号和定位信号的时间信息，以及第三装置与第一装置间的距离，解算第二装置到第一装置和第三装置的距离。依据本发明的另一个方面，提出了一种测距方法。该定位方法包括：产生并发射点名信号和同步信号，所述点名信号与同步信号具有已知的时间关系；在所述点名信号的触发下产生并发射定位信号；以及记录点名信号和同步信号的发射时间信息，记录定位信号被点名信号和同步信号发射装置接收的时间信息，记录同步信号和定位信号到达同一装置的时间信息，并根据点名信号和同步信号的发射时间信息，定位信号被点名信号和同步信号发射装置接收的时间信息，同步信号和定位信号到达同一装置的时间信息解算定位信号发射装置到点名信号和同步信号发射装置以及同步信号和定位信号接收装置的距离。依据本发明的另一个方面，提出了一种定位装置。该定位装置包括第一装置、第二装置、第三装置和第四装置。第一装置发射点名信号和同步信号，其中，点名信号和同步信号具有已知的时间关系，同步信号为光信号，且第一装置的物理位置已知。第二装置接收点名信号，并在点名信号的触发下发射定位信号。第三装置接收同步信号和定位信号，其中，第三装置的物理位置已知。第四装置，接收同步信号和定位信号，其中，第四装置的物理位置已知。其中，第一装置还接收定位信号；定位装置通过第一装置发射点名信号和同步信号以及接收定位信号，第三装置和第四装置接收同步信号和定位信号的时间信息，以及第一装置、第三装置和第四装置的物理位置，解算第二装置的位置信息。依据本发明的另一个方面，提出了一种定位方法。该定位方法包括：产生并发射点名信号和同步信号，所述点名信号与同步信号具有已知的时间关系；在所述点名信号的触发下产生并发射定位信号；以及记录点名信号和同步信号的发射时间信息，记录定位信号被点名信号和同步信号发射装置接收的时间信息，记录同步信号和定位信号到达同一装置的时间信息，记录同步信号和定位信号到达另一装置的时间信息，并根据点名信号和同步信号的发射时间信息、定位信号被点名信号和同步信号发射装置接收的时间信息、同步信号和定位信号到达同一装置的时间信息和同步信号和定位信号到达另一装置的时间信息解算定位信号发射装置的位置信息。附图说明图1给出依据本发明一种实施例的测距结构100的示意图；图2给出上述测距结构100的工作时序示意图；图3给出依据本发明一种实施例的定位系统300的示意图；图4给出依据本发明一种实施例的定位主站内部结构400的示意图；图5给出依据本发明一个实施例的定位从站内部结构500的示意图；图6给出依据本发明一个实施例的待定位装置内部结构600的示意图；图7示出依据本发明一个实施例的定位方法700的流程图。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测距结构100的示意图。如图1所示，该测距结构100示例性地包括定位主站MBS、定位从站SBSi和待定位装置MS。在一个实施例中，所述定位主站MBS和/或定位从站SBSi是地理上固定的且三维位置已知，而待定位装置MS是地理上可移动的。定位主站MBS发射点名信号CS以及光同步信号SYNi。其中，点名信号CS和光同步信号SYNi具有已知的时间关系。例如，在一个实施例中，点名信号CS和光同步信号SYNi是同时发射的。又例如，在另一实施例中，光同步信号SYNi的发射与点名信号CS的发射有一个已知的时间差。待定位装置MS接收定位主站MBS发射的点名信号CS，与此同时或延迟一个预设的时间后发射定位信号S，定位主站MBS接收定位信号S并记录其到达自身的时间信息。定位从站SBSi接收定位主站MBS发射的光同步信号SYNi和待定位装置MS发射的定位信号S，并记录两者到达自身的时间信息。在一个实施例中，光同步信号SYNi可以是激光、红外光或高强度的可见闪光；点名信号CS可以是光信号或射频信号，如2.4G通信信号、连续波信号、脉冲信号、超宽带信号等；定位信号S可以是超宽带信号、连续波信号、脉冲信号等。上述信号的传输通路可以选自真空、大气、有线线路、水域或者它们组合中的任意一种。图2给出上述测距结构100的工作时序示意图。如图2所示，定位主站MBS在t0时刻向待定位装置MS发射点名信号CS，与此同时，定位主站MBS向定位从站SBSi发射光同步信号SYNi。定位从站SBSi在t1时刻接收到光同步信号SYNi。待定位装置在t2时刻接收到点名信号CS，并间隔一个预设的延时时间Td，在t3时刻发射定位信号S。定位从站SBSi在t4时刻接收到定位信号S，定位主站MBS在t5时刻接收到定位信号S。本领域技术人员应当理解，在图2所示实施例中，定位主站MBS同时发出点名信号CS和光同步信号SYNi。然而，在其它实施例中，光同步信号SYNi的发射与点名信号CS的发射可以有一个已知的时间差。而且，在图2所示实施例中，待定位装置MS在接收到点名信号CS后间隔了一个预设的延时时间Td后再发射定位信号S，然而，在其它实施例中，待定位装置MS也可以在接收到点名信号CS的同时发射定位信号S。定位主站MBS发射点名信号CS的时刻是t0，接收到定位信号S的时刻是t5，这段时间间隔包含了点名信号CS和定位信号S分别往返于定位主站MBS和待定位装置MS的传播时间和预设的延时时间Td，而点名信号CS和定位信号S在定位主站MBS和待定位装置MS间的传播时间相同，都为TM，因此上述描述可用(1)式表示。t5-t0＝TM+TM+Td(1)而点名信号CS和定位信号S在定位主站MBS和待定位装置MS间的传播时间TM又可用(2)式表示。TM=LMc=t5-t0-Td2---(2)]]>其中LM为待定位装置MS与定位主站MBS间的距离，c是信号在空间中传播的速度。由(2)式进而可以可得到(3)式。LM=t5-t0-Td2·c---(3)]]>通过上述计算得到了待定位装置MS到达定位主站MBS的距离LM。从定位主站MBS发射光同步信号SYNi的时刻t0到定位从站SBSi接收定位信号S的时刻t4的时段内间包含了点名信号S在定位主站MBS和待定位装置MS间的传播时间TM，待定位装置MS预设的延时时间Td，以及定位信号S在待定位装置MS和定位从站SBSi间的传播时间Ti。通过求取待定位装置MS到达定位主站MBS的距离LM的过程可知，若得到了定位信号S在待定位装置MS和定位从站SBSi间的传播时间Ti，即可求得待定位装置MS到达定位从站SBSi的距离Li。可由(4)式表示。Li＝Ti·c＝(t4-t0-Td-TM)·c(4)然而定位主站MBS发射光同步信号SYNi的时刻t0是根据定位主站MBS自身的时钟记录的，定位从站SBSi接收定位信号S的时刻t4是根据定位从站SBSi自身的时钟记录的，在一个实施例中，定位主站MBS和定位从站SBSi的时钟并不是同步的，因此，对于定位从站SBSi而言，定位主站MBS发射光同步信号SYNi的时刻t0是未知的，但定位从站SBSi接收到光同步信号SYNi的时刻t1是已知的，且光同步信号SYNi在定位主站MBS和定位从站SBSi间的传输路径LMi可以通过两者的物理位置解算，即光同步信号SYNi在定位主站MBS和定位从站SBSi的传输时间TMi可求，则定位主站MBS发射光同步信号SYNi的时刻可以被定位从站SBSi求得。在本实施例中，定位主站MBS发射光同步信号SYNi和点名信号CS为同一时刻，因此定位主站MBS发射点名信号CS的时刻t0可以被定位从站SBSi求得。本领域技术人员应当理解，当定位主站MBS发射光同步信号SYNi和点名信号CS有一个已知的时间间隔时，只需再根据所述时间间隔反推出定位主站MBS发射点名信号CS的时刻t0。从而可以得到待定位装置MS到达定位从站SBSi的距离Li，即(4)式可以改写成(5)式。Li=[t4-(t1-TMi)-Td-TM]·c=[t4-(t1-LMi/c)-Td-LM/c]·c=(t4-t1-Td)·c+LMi-LM---(5)]]>在本实施例中，采用光信号作为同步信号，相比于超宽带信号，光信号的接收机成本较低；相比于音频信号，光信号波长短、频率高，经脉冲调制后上升沿陡峭，因而具有较高的同步精度；相比于其他窄带射频信号，光信号波长较短，当多路信号叠加时，对多径产生的影响不敏感，不需要进行复杂的相位解调。图3给出依据本发明一种实施例的定位系统300的示意图。如图3中所示，定位系统300示例性地包括定位主站MBS、定位从站SBS1和SBS2以及待定位装置MS。在一个实施例中，所述定位主站MBS、定位从站SBS1和SBS2可以是地理上固定的且三维位置已知，而待定位装置MS是可移动的。在图3所示实施例中，定位主站MBS、定位从站SBS1以及待定位装置MS，定位主站MBS、定位从站SBS2以及待定位装置MS分别构成图1所示的测距结构100，即和图1所示的定位主站MBS、定位从站SBSi以及待定位装置MS相对应。它们以和图1所示测距结构100类似的方式进行工作。因此，本领域技术人员应当理解，图3所示定位系统300可包括和引用图1所示实施例的内容，而不会违背本发明的精神。定位主站MBS向待定位装置MS发射点名信号CS。与此同时，或延迟一段已知时间后，定位主站MBS分别向定位从站SBS1和定位从站SBS2发射光同步信号SYN1和SYN2。本领域技术人员应当理解，所述光同步信号SYN1和SYN2可以是同一信号，也可以是不同信号，当光同步信号SYN1和SYN2是不同信号时，其发射时刻可以是相同时刻也可以有一个系统预设的时间差。待定位装置MS接收到点名信号CS后，与此同时，或延迟一个已知时间后，发射定位信号S。定位主站接收定位信号S，并记录其到达自身的时间信息。定位从站SBS1和SBS2分别接收光同步信号SYN1和SYN2，以及定位信号S，并分别记录其到达自身的时间信息。所述时间信息可以是信号的到达时刻，也可以是信号的到达时间差。利用定位主站MBS发射点名信号CS和接收到定位信号S的时间信息以及待定位装置MS从接收到点名信号CS到发射定位信号S的延时时间Td，可以解算出待定位装置MS与定位主站MBS间的距离LM。利用定位从站SBS1接收到光同步信号SYN1和定位信号S的时间信息、系统预设的定位主站MBS发射点名信号CS和光同步信号SYN1的间隔时间、待定位装置MS从接收到点名信号CS到发射定位信号S的延时时间Td、定位主站MBS与定位从站SBS1间的距离LM1以及之前解算出的待定位装置MS与定位主站MBS间的距离LM，可以解算出待定位装置MS与定位从站SBS1间的距离L1。同理，利用定位从站SBS2接收到光同步信号SYN2和定位信号S的时间信息、系统预设的定位主站MBS发射点名信号CS和光同步信号SYN2的间隔时间、待定位装置MS从接收到点名信号CS到发射定位信号S的延时时间Td、定位主站MBS与定位从站SBS2间的距离LM2以及之前解算出的待定位装置MS与定位主站MBS间的距离LM，可以解算出待定位装置MS与定位从站SBS1间的距离L2。在一个实施例中，定位主站MBS1发射点名信号CS、光同步信号SYN1和SYN2为同一时刻，定位主站MBS发射点名信号CS和接收到定位信号S的时间间隔为T0，定位从站SBS1接收到光同步信号SYN1和定位信号S的时间间隔为T1，定位从站SBS2接收到光同步信号SYN2和定位信号S的时间间隔为T2，则待定位装置MS到达定位主站MBS、定位从站SBS1和SBS2的距离LM、L1、L2可用(6)式、(7)式、(8)式表示。LM=T1-Td2·c---(6)]]>L1＝(T1-Td)·c+LM1-LM(7)L2＝(T2-Td)·c+LM2-LM(8)利用待定位装置MS到达定位主站MBS、定位从站SBS1和SBS2的距离LM、L1、L2，以及定位主站MBS、定位从站SBS1和SBS2的位置信息可以解算待定位装置MS的位置信息，解算方法为本领域公知技术，且不是本发明揭示的重点，所以这里不做详细描述。本领域技术人员应当理解，定位主站MBS、定位从站SBSi、待定位装置MS的个数可根据实际应用场景灵活改变。图4给出依据本发明一个实施例的定位主站内部结构400的示意图。如图4所示，定位主站MBS包括光同步信号发射模块401、点名信号发射模块402、天线403、定位信号接收模块404。其中，光同步信号发射模块401用于向一个或多个定位从站SBSi发射光同步信号SYNi，其内部结构由系统要求的光同步信号SYNi的信号形式决定，若光同步信号SYNi为激光，则光同步信号发射模块401包含激光发射器；若光同步信号SYNi为红外光，则光同步信号发射模块401包含红外发射管；若光同步信号SYNi为高强度的可见闪光，则光同步信号发射模块401包含闪光灯信号发射器。光同步信号发射模块401发射光同步信号SYNi的个数和方向由定位从站SBSi的个数和方位决定。点名信号发射模块402用于向一个或多个待定位装置MS发射点名信号CS，其内部结构由系统要求的点名信号CS的信号形式决定，点名信号CS可以是光信号、2.4G通信信号、连续波信号、脉冲信号、超宽带信号等。点名信号CS发射模块402将其生成的点名信号CS经天线403传播到空间中去。定位信号接收模块404用于接收来自天线403的定位信号S，并记录其到达自身的时间信息，本实施例以定位信号S为超宽带信号为例，定位信号接收模块404包括滤波器、超宽带放大器、模数转换器、信号处理器。在一个实施例中，定位主站还包括控制模块405，用于控制光同步信号发射模块401、点名信号发射模块402、定位信号接收模块404的时序关系、数据传输等。图5给出依据本发明一个实施例的定位从站内部结构500的示意图。如图5所示，定位从站包括光同步信号接收模块501、天线502、定位信号接收模块503。其中，光同步信号接收模块501用于接收光同步信号SYNi，并记录其到达自身的时间信息。其具体结构取决于光同步信号SYNi的信号形式。若光同步信号SYNi为激光，则光同步信号接收模块501包括光学透镜、光敏器件等。在布站过程中，可以调整光同步信号接收模块501中的光学透镜的角度，使其对准定位主站MBS中的光同步信号发射模块401，使二者构成视距通路。定位信号接收模块503用于接收来自天线502的定位信号S，并记录其到达自身的时间信息，本实施例以定位信号S为超宽带信号为例，定位信号接收模块503包括滤波器、超宽带放大器、模数转换器、信号处理器。在一个实施例中，定位从站还包括控制模块504，用于控制光同步信号接收模块501、定位信号接收模块503的时序关系、数据传输等。图6给出依据本发明一个实施例的待定位装置内部结构600的示意图。如图6所示，待定位装置包括天线601、点名信号接收模块602、定位信号产生模块603。其中，点名信号接收模块602接收由天线601传入的点名信号CS，并向定位信号产生模块603发出定位信号发射指令LC。定位信号产生模块603接收到定位信号发射指令LC后，产生并发射定位信号S，并提供至天线601传播到空间中去。本实施例以定位信号S为超宽带信号为例，则定位信号产生模块603包括超宽带脉冲产生电路、整形电路、超宽带滤波器及放大器。在一个实施例中，待定位装置MS还包括延时模块604，以使待定位装置MS接收到点名信号CS后，延时一个预设的时间再发射定位信号S。本领域技术人员应当以解，图5、图6、图7所示实施例中的天线为功能性模块，其功能是发射和接收信号，因此需根据信号形式灵活选择天线种类。当某一装置具有发射和/或接收不同种类信号的功能时，天线模块会根据信号形式包含多个不同种类的天线。在一个实施例中，图5、图6、图7所示的定位主站MBS、定位从站SBSi、待定位装置MS构成图3所示定位系统300。所述定位系统300中还包括距离解算模块和位置解算模块。所述距离解算模块和位置解算模块可以分设于不同装置中，也可集成到同一装置中。例如，距离解算模块分别置于定位主站MBS和定位从站SBSi中，分别用于解算待定位装置MS到达定位主站MBS和定位从站SBSi的距离，而位置解算模块集成于某一装置中，以收集待定位装置MS到达定位主站MBS和定位从站SBSi的距离，从而解算待定位装置MS的位置信息。又例如，所述距离解算模块和位置解算模块集成到同一装置中，其他装置向该装置传输解算距离所需的信号发射或到达的时间信息，由该装置统一解算待定位装置MS到达定位主站MBS和定位从站SBSi的距离以及待定位装置M的位置信息。图7示出依据本发明一个实施例的定位方法700的流程图。定位方法包括如下步骤：步骤701：定位主站MBS向定位从站SBSi发射同步信号SYNi，与此同时或间隔预设的时间向待定位装置MS发射点名信号CS。步骤702：待定位装置MS接收到点名信号CS后，与此同时或间隔预设的时间发射定位信号S。步骤703：定位主站MBS接收定位信号S，并记录其到达自身的时间。步骤704：定位从站SBSi接收同步信号SYNi和定位信号S，并记录二者到达自身的时间信息。步骤705：定位系统根据步骤703和704中记录的信号到达时间信息，以及各定位从站SBSi与定位主站MBS间的距离，解算待定位装置MS到达定位主站MBS和各定位从站SBSi间的距离。步骤706：定位系统根据待定位装置MS到达定位主站MBS和各定位从站SBSi间的距离，以及定位主站MBS和各定位从站SBSi的位置信息，解算待定位装置MS的位置。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。当前第1页1 2 3