高精度局部無線定位系統的製作方法

2024-01-31 04:54:15

專利名稱：高精度局部無線定位系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種局部無線定位系統，具體涉及一種能夠在局部範圍內(100米半
徑)實現高精度定位、並且被定位目標節點功耗低的高精度局部無線定位系統。
背景技術：
目前，無線定位系統在工業自動化、軍事目標定位、物流資產的跟蹤、井下定位、危 險環境目標追蹤等方面都有廣泛應用。 現有的局部定位系統有基於到達時間(T0A)、基於到達時間差(TD0A)、基於到達 角度(A0A)、基於信號強度(RSSI)和幹涉法定位系統等。以上定位系統都存在各自的缺陷， 例如，TOA、TDOA方案需要測量信號到達的時間，但是由於無線信號在空中以光速傳播，在局 部範圍內傳播時間短，直接測量難度大；利用UWB技術的TOA方案具有高精度，但是無線傳 播距離在IO米左右，其應用受到限制；AOA方案需要天線陣列結構複雜，不適合在局部定位 中應用；RSSI方案結構簡單，但受噪聲影響較大，精度低；幹涉法定位具有較高的精度，但 是定位時間長，而且僅適用於靜止的節點。綜上所述，目前尚無能夠在局部範圍內(ioo米 半徑)實現高精度定位的無線定位系統。

發明內容
發明目的為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種能夠在局部範圍內 (IOO米半徑)實現高精度定位、並且被定位目標節點功耗低的高精度局部無線定位系統。
技術方案為了實現上述目的，本發明的一種高精度局部無線定位系統，包括錨節 點、被定位目標節點和中心處理模塊，錨節點包括頂點錨節點和中心錨節點，頂點錨節點部 署在接近被定位區域邊緣的多邊形的頂點上，中心錨節點緊靠部署在該多邊形中心的中心 處理模塊，每個錨節點分別與中心處理模塊連接；所述被定位目標節點平時處於睡眠狀態， 當需要被定位時，錨節點向其發出喚醒信號，被定位目標節點被喚醒後，發射經ASK調製器 調製的無線信號，然後繼續睡眠，直到下一次被喚醒；該無線信號通過錨節點的解調和鑑相 處理以及基於接收信號相位差的相關運算得到若干組到達時間差，再根據這些錨節點之間 的位置關係，確定被定位節點的位置。 本發明的高精度局部無線定位系統在使用時，在局部範圍內(IOO米半徑)通過布 設若干個固定且坐標已知的錨節點，獲取被定位目標節點的位置坐標，實現平面局部範圍 內任意目標節點的定位。被定位目標節點採用基於到達信號距離差的定位方法被定位目 標節點發送包含節點信息的無線信號，當信號到達多個不同的錨節點時，其到達的時間不 同，因此多個錨節點接收到的信號相互之間具有相位差，根據這個相位差能夠計算出被定 位目標節點到多個錨節點的距離差。根據被定位目標節點到兩個錨節點的距離差可以計算 出被定位目標節點的一維坐標，根據被定位目標節點到四個及以上的錨節點的距離差可以 計算出被定位目標節點的二維坐標。因此，通過測量被定位目標節點到四個或以上錨節點 的到達距離差，就能夠唯一確定該被定位目標在平面中的位置。
所述錨節點的個數為n(n > 4)個，其中n_l個錨節點部署在多邊形的頂點，1個錨 節點部署在多邊形的中心；所述中心處理模塊包括Cn2個鑑相器、一個帶有Cn2路A/D轉換 器的微處理器MCU、一片實現數字調製和解調功能的FPGA晶片；每個鑑相器可測量兩個錨 節點信號的相位差；Cn2個鑑相器輸出的相位差信號送給Cn2路A/D轉換器採樣後交給微處 理器MCU，計算出被定位目標節點的位置；微處理器MCU控制FPGA晶片產生數字調製信號 或接收FPGA晶片送來的解調數據。 作為優選，所述錨節點的個數為五個，其中四個錨節點部署在多邊形的頂點，一個 錨節點部署在多邊形的中心；所述中心處理模塊包括十個鑑相器、一個帶有十路A/D轉換 器的微處理器MCU、一片實現數字調製和解調功能的FPGA晶片；每個鑑相器可測量兩個錨 節點信號的相位差；十個鑑相器輸出的相位差信號送給十路A/D轉換器採樣後交給微處理 器MCU，計算出被定位目標節點的位置；微處理器MCU控制FPGA晶片產生數字調製信號或 接收FPGA晶片送來的解調數據。 所述被定位目標節點僅包括調製/解調和射頻功能模塊，硬體簡單，成本低廉；被 定位目標節點發射經ASK調製器調製的無線信號，該無線信號被若干個錨節點同時接收和 處理。 所述被定位目標節點平時處於睡眠狀態，僅當被錨節點發出的喚醒脈衝喚醒後， 在喚醒時間範圍T內的任意時刻隨機地發射一次經ASK調製器調製的無線信號，然後繼續 睡眠，直到下一次被喚醒。 所述經ASK調製器調製的無線信號的數據包括節點標識號、奇偶校驗碼和測距信號。 所述錨節點包括天線和引線，多個錨節點共用一個中心處理模塊，每個錨節點通 過各自的引線與中心處理模塊連接，頂點錨節點的引線長度相同；中心錨節點緊靠中心處 理模塊，引線長度接近為零。 本發明採用改進的DGPS算法，算法基礎為DGPS算法，系統五個錨節的十個鑑相器 共產生十組測距數據，可計算出被定位目標節點的五組相對位置坐標，通過取平均的方法 可求出最終的坐標值。 本發明計算被定位目標節點發射的信號到達多個錨節點的距離差採用基於相位 差的相關運算的方法各錨節點收到的信號經下變頻、低通濾波後發向鑑相器。鑑相器包括 限幅放大器、異或門和積分器。由於兩路信號具有相位差，因此經過異或和對異或結果積分 後，該積分值直接反映信號的相位差值。積分值是一個大於等於零的值，且與相位差值呈線 性關係。鑑相器將該積分值輸入給單片機後，單片機可根據相位差、信號頻率和採樣率的關 系計算出被定位目標節點到其中兩個錨節點的距離差。由於鑑相器對接收到的多路數字信 號進行異或積分處理，錨節點接收信號中的噪聲可以通過積分被平均掉，因此該方法具有 非常低的測距誤差。 本發明對被定位目標節點的定位採用改進的DGPS算法。系統中部署五個錨節點 將四個錨節點部署在正多邊形的頂點，(稱該錨節點為頂點錨節點)；一個錨節點部署在正 多邊形的中心(稱該錨節點為中心錨節點)。頂點錨節點和中心錨節點的坐標已知，根據上 文所述定位系統獲得被定位目標節點到每兩個錨節點的距離差，共十組距離差。採用DGPS 算法可以獲得被定位目標節點的相對位置坐標；系統中共五個錨節點，可計算出被定位目標節點的5組相對位置坐標，取平均可求出最終的坐標值。該系統的定位精度由錨節點部 署的位置決定，當頂點錨節點部署在被定位區域的邊緣，則被定位目標節點的定位誤差小 於lm(定位半徑為100米)。 本發明在被定位目標節點中的處理是被定位目標節點被喚醒後，將在喚醒時間
範圍T內的任意時刻隨機地發射一次經ASK調製的無線信號，然後繼續睡眠，直到下一次被
喚醒。喚醒脈衝由錨節點發出。每次發射的數據包括節點標識號、奇偶校驗碼和測距信號。
發射採用隨機退避算法，避免不同的目標定位節點同時發射信號，產生空中碰撞。 本發明在被定位節點中採用的隨機退避算法是每個節點被喚醒後，根據隨機退
避算法計算出要發射數據的時刻t，然後睡眠直到t秒後醒來發射數據，在發射完數據後繼
續睡眠，直到下一次被喚醒。 本發明的每個錨節點都包括天線，所有錨節點分別採用相同長度的引線與中心 處理模塊相連。中心處理模塊包括若干接收器、本地振蕩器、鑑相器、多通道A/D轉換器、 FPGA、單片機和網絡接口。其中，接收器包括下變頻器件和帶通濾波器。FPGA中實現信號相 加和ASK調製/解調功能。 本發明錨節點對接收信號的處理過程是 對於下行信號1)MCU通過網絡接口接收到上層處理器發送的數據，將該數據通 過數據接口發送給FPGA ;2)FPGA對數據進行ASK調製，調到低中頻載波上；3)FPGA將低中 頻數位訊號發送給D/A，D/A進行數模轉換，轉化成模擬信號，發向發送器；4)發送器接收模 擬信號，進行上變頻，最後通過錨節點的天線發送出去。 對上行信號各錨節點的天線接收信號後，進行濾波放大，分別發送給中心處理模 塊中對應的接收器。所有接收器採用同一個本地載波進行下變頻，產生低頻信號。把低頻 信號傳送到中心處理模塊。在中心處理模塊中，同時對各錨節點的低頻信號進行鑑相和解 調處理 a)鑑相包括異或門和積分器，對輸入兩個信號做鑑相處理，獲得其相位差，並輸 入給單片機，進行進一步的處理1)根據相位差計算每兩個錨節點之間的延時，產生延時 控制信號，用來調整解調過程中的相加器輸入信號的對準；2)根據延時計算被定位目標節 點到多個錨節點的距離差；3)根據該距離差採用DGPS算法計算被定位節點的坐標；4)將 最終結果通過網絡接口發送到上層處理器中。 b)解調對各錨節點的低頻信號採用多通道A/D採樣，將各路採樣值輸入到FPGA， 進行進一步的數位訊號處理1)各路信號輸入相加器，單片機輸出延時控制信號控制相加 器的輸入信號的延時，保證各路信號相互間沒有延時；2)相加器輸出進行ASK解調，得到目 標節點發送的調製信息。3)將解調結果發送到MCU，MCU進一步處理數據，通過網絡接口將 數據發送到上層的處理器。 本發明的高精度局部定位系統的流程是 下行錨節點將喚醒信號調製到433MHz載波上，通過天線發給被定位目標節點；
上行目標節點被喚醒後，將在時間t內的任意時刻隨機地發射一次經ASK調製的 無線信號，然後繼續睡眠，直到下一次被喚醒。各錨節點一直處於接收狀態。如果接收到信 號，則分別進行鑑相和解調處理。提取基帶信號的節點標識號和奇偶校驗碼，驗證接收是否 正確。如果接收正確，根據標識號判斷是否需要對其進行定位。如果需要定位，對鑑相器輸出的結果進行處理，採用DGPS定位算法計算被定位目標節點的位置坐標。 有益效果本發明的高精度局部定位系統，能夠實現局部範圍(100米半徑)的高
精度無線定位，具有如下優點 1、本發明僅要求被定位目標節點能夠發射包含節點信息的ASK調製信號，且信號 同時被多個錨節點接收，因此被定位目標節點具有小型化、低功耗、低成本的特點，能夠廣 泛應用在不同的場合中，採用退避算法使系統能定位多個節點，可以大大提高系統容量；
2、本發明的高精度局部定位系統，根據被定位目標節點到多個錨節點的距離差計 算目標節點的位置坐標；距離差的獲得採用基於相位差的相關算法，可以解決直接測量時 間差的困難，同時抑制白噪聲幹擾，測量精度達0. 5米； 3、各錨節點採用同一個本地振蕩源，同一個採樣時鐘，還利用功率檢測及可變增
益放大器等技術，使各個錨節點間完全同步、無差別化，能夠保證定位精度； 4、定位採用數據平滑處理以及DGPS算法進行定位，能夠在較少的錨節點情況下，
減小測距誤差對定位結果的影響，對被定位目標節點進行精確定位。


圖1是本發明的高精度局部定位系統的結構圖； 圖2是本發明的高精度局部定位系統錨節點內部結構圖； 圖3是本發明的高精度局部定位系統的被定位目標節點處理流程圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。 如圖1所示，本發明的一種高精度局部無線定位系統，包括錨節點1、被定位目標 節點2和中心處理模塊3，錨節點1包括頂點錨節點和中心錨節點，頂點錨節點部署在接近 被定位區域邊緣的多邊形的頂點上，中心錨節點緊靠部署在該多邊形中心的中心處理模塊 3，每個錨節點l分別與中心處理模塊3連接。在本系統中，在待定位平面中心放置五個定 位錨節點，其中四個錨節點分別放置在正方形的四個頂點，另一個錨節點放置在這個正方 形的中心，且頂點錨節點儘量靠近帶定位區域的邊緣。 如圖1和2所示，每個錨節點1都包括天線和引線，多個錨節點1共用一個中心處 理模塊3，每個錨節點1通過各自的引線與中心處理模塊3連接，頂點錨節點的引線長度相 同；中心錨節點緊靠中心處理模塊3，引線長度接近為零。中心處理模塊包括若干接收器、 本地振蕩器、鑑相器、多通道A/D轉換器、FPGA、單片機和網絡接口。其中，接收器包括下變 頻器件和帶通濾波器。FPGA晶片通過相加器和ASK調製實現信號相加和ASK調製/解調功 能。本實施例中，中心處理模塊包括十個鑑相器、一個帶有十路A/D轉換器的微處理器MCU、 一片實現數字調製和解調功能的FPGA晶片；每個鑑相器可測量兩個錨節點信號的相位差； 十個鑑相器輸出的相位差信號送給十路A/D轉換器採樣後交給微處理器MCU，計算出被定 位目標節點的位置；微處理器MCU控制FPGA晶片產生數字調製信號或接收FPGA晶片送來 的解調數據。各個錨節點對信號的A/D變換都採用同一個時鐘源，確保每個錨節點的接收 信號都是相互同步的。因此，錨節點可實現與被定位目標節點的通信和測量目標節點到多 個錨節點的距離差。
如圖3所示，被定位目標節點在啟動後首先初始化數據，設置喚醒時間範圍T，當 被定位目標節點接收到錨節點發射的環形信號後被喚醒，被定位目標節點根據喚醒時間範 圍T計算退避時間t，繼續睡眠t秒後醒來發射節點標識號、奇偶校驗碼和測距信號。發射 結束後被定位目標節點繼續睡眠。被定位目標節點發射採用隨機退避算法，避免不同的目 標定位節點同時發射信號，產生空中碰撞。本實例中的被定位節點由TI公司的CC1110芯 片為核心的ASK發射模塊和接收模塊組成。 各錨節點一直處於接收狀態，如果接收到信號，則分別進行鑑相和解調處理。對基 帶信號提取節點標識號和奇偶校驗碼，驗證接收是否正確。如果接收正確，根據標識號判斷 是否需要對其進行定位。如果需要定位，對鑑相器輸出的結果進行處理，採用DGPS定位算 法計算被定位目標節點的位置坐標。 為了進一步提高定位精度，對測量的數值採用多次測量平滑數據，減小測距誤差。 通過DGPS算法定位，最終得到被定位目標節點的坐標值。 以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出對於本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應 視為本發明的保護範圍。
權利要求
一種高精度局部無線定位系統，其特徵在於包括錨節點(1)、被定位目標節點(2)和中心處理模塊(3)，所述錨節點(1)包括頂點錨節點和中心錨節點，頂點錨節點部署在被定位區域邊緣的多邊形的頂點上，中心錨節點緊靠部署在該多邊形中心的中心處理模塊(3)，每個錨節點(1)分別與中心處理模塊(3)連接；所述被定位目標節點(2)平時處於睡眠狀態，當需要被定位時，錨節點(1)向其發出喚醒信號，被定位目標節點(2)被喚醒後，發射經ASK調製器調製的無線信號，然後繼續睡眠，直到下一次被喚醒；該無線信號通過錨節點(1)的解調和鑑相處理以及基於接收信號相位差的相關運算得到若干組到達時間差，再根據這些錨節點(1)之間的位置關係，確定被定位節點(2)的位置。
2. 根據權利要求l所述的高精度局部無線定位系統，其特徵在於所述錨節點(1)的個數為n (n > 4)個，其中n-l個錨節點部署在多邊形的頂點，1個錨節點部署在多邊形的中 心；所述中心處理模塊(3)包括Cn2個鑑相器、一個帶有Cn2路A/D轉換器的微處理器MCU、 一片實現數字調製和解調功能的FPGA晶片；每個鑑相器可測量兩個錨節點信號的相位差； Cn2個鑑相器輸出的相位差信號送給Cn2路A/D轉換器採樣後交給微處理器MCU，計算出被定 位目標節點(2)的位置；微處理器MCU控制FPGA晶片產生數字調製信號或接收FPGA晶片 送來的解調數據。
3. 根據權利要求2所述的高精度局部無線定位系統，其特徵在於所述錨節點(1)的 個數為五個，其中四個錨節點部署在多邊形的頂點，一個錨節點部署在多邊形的中心；所述 中心處理模塊(3)包括十個鑑相器、一個帶有十路A/D轉換器的微處理器MCU、一片實現數 字調製和解調功能的FPGA晶片；每個鑑相器可測量兩個錨節點信號的相位差；十個鑑相器 輸出的相位差信號送給十路A/D轉換器採樣後交給微處理器MCU，計算出被定位目標節點 (2)的位置；微處理器MCU控制FPGA晶片產生數字調製信號或接收FPGA晶片送來的解調 數據。
4. 根據權利要求1至3任一項所述的高精度局部無線定位系統，其特徵在於所述被 定位目標節點(2)包括調製/解調和射頻功能模塊，被定位目標節點(2)發射經ASK調製 器調製的無線信號，該無線信號被若干個錨節點(1)同時接收和處理。
5. 根據權利要求1至3任一項所述的高精度局部無線定位系統，其特徵在於所述被 定位目標節點(2)平時處於睡眠狀態，僅當被錨節點(1)發出的喚醒脈衝喚醒後，在喚醒時 間範圍T內的任意時刻隨機地發射一次經ASK調製器調製的無線信號，然後繼續睡眠，直到 下一次被喚醒。
6. 根據權利要求5所述的高精度局部無線定位系統，其特徵在於所述經ASK調製器 調製的無線信號的數據包括節點標識號、奇偶校驗碼和測距信號。
7. 根據權利要求1至3任一項所述的高精度局部無線定位系統，其特徵在於所述錨 節點(1)包括天線和引線，每個錨節點(1)通過各自的引線與中心處理模塊(3)連接，頂點 錨節點的引線長度相同，中心錨節點緊靠中心處理模塊(3)。
全文摘要
本發明公開了一種高精度局部無線定位系統，包括錨節點、被定位目標節點和中心處理模塊，錨節點包括頂點錨節點和中心錨節點，頂點錨節點部署在被定位區域邊緣的多邊形的頂點上，中心錨節點緊靠部署在該多邊形中心的中心處理模塊，每個錨節點分別與中心處理模塊連接；被定位目標節點平時處於睡眠狀態，當需要被定位時，被定位目標節點被喚醒，發射經ASK調製器調製的無線信號，然後繼續睡眠，直到下一次被喚醒；無線信號通過錨節點的解調和鑑相處理以及基於接收信號相位差的相關運算得到若干組到達時間差，再根據這些錨節點之間的位置關係，確定被定位節點的位置。本發明能夠在局部範圍內(100米半徑)實現高精度定位，並且被定位目標節點功耗低。
文檔編號G01S5/02GK101782643SQ20101902611
公開日2010年7月21日 申請日期2010年2月5日 優先權日2010年2月5日
發明者張倩, 王侃磊, 胡愛群 申請人:東南大學