一種光載超寬帶無線定位系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光載超寬帶無線定位系統(tǒng)，屬于超寬帶無線通信【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明的定位系統(tǒng)中，超寬帶傳感器節(jié)點(diǎn)之間由光纖順次連接，構(gòu)成一個(gè)環(huán)形超寬帶傳感器網(wǎng)絡(luò)，分布在探測(cè)區(qū)域中。通過精確控制各傳感器節(jié)點(diǎn)之間的光纖長(zhǎng)度來實(shí)現(xiàn)光時(shí)分復(fù)用，將不同傳感器探測(cè)到的超寬帶信號(hào)分開到超寬帶信號(hào)源信號(hào)周期的不同時(shí)隙，來區(qū)分和識(shí)別各自傳感器節(jié)點(diǎn)的信號(hào)。超寬帶傳感器節(jié)點(diǎn)接收到攜帶待測(cè)物位置信息的超寬帶信號(hào)之后通過光纖傳回中心處理單元進(jìn)行定位信號(hào)處理。本發(fā)明能夠在保證超寬帶定位所具有的高定位精度的同時(shí)，有效降低傳感器節(jié)點(diǎn)的軟硬件復(fù)雜度，同時(shí)具有較低的傳輸損耗和較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性。
【專利說明】一種光載超寬帶無線定位系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種定位系統(tǒng)，尤其涉及一種光載超寬帶無線定位系統(tǒng)，屬于超寬帶無線通信【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]精確定位技術(shù)在航空航天、智能交通、工業(yè)生產(chǎn)、物流管理、家庭監(jiān)控、反恐安保等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)定位技術(shù)主要包括GPS定位、射頻識(shí)別(RFID)定位、wifi定位、ZigBee定位、紅外定位、超聲波定位等定位技術(shù)。其中紅外定位、超聲波定位等非射頻定位技術(shù)受非視距傳播等因素影響較大，限制了它們?cè)趶?fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用。GPS定位系統(tǒng)定位范圍極廣，但是室內(nèi)定位應(yīng)用局限性較大，且終端復(fù)雜。wifi定位應(yīng)用廣泛、兼容性好，室內(nèi)定位靈活，但是終端能耗很高。射頻識(shí)別和ZigBee定位技術(shù)成本低、能耗低，然而這些射頻定位技術(shù)卻很容易受到外界的電磁干擾，定位穩(wěn)定性一般。2002年，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)在2002年批準(zhǔn)了以往用于軍事領(lǐng)域的超寬帶(UWB)技術(shù)可以運(yùn)用到民用領(lǐng)域中，超寬帶技術(shù)便受到了熱烈關(guān)注和廣泛研究。超寬帶信號(hào)(UWB)具有超窄脈沖(ps至ns級(jí))、超寬的頻譜寬度(IOdB帶寬最大達(dá)7.5GHz)和很低的功率譜密度(低于-41.3dBm/MHz)，這些特性使得超寬帶擁有極高的定位精度、極強(qiáng)的穿透能力和極低的能耗。因此超寬帶信號(hào)非常適合高精度定位的應(yīng)用。但是由于超寬帶的功率譜密度較低，超寬帶的大范圍覆蓋是一個(gè)必須解決的技術(shù)問題。光載超寬帶技術(shù)是一個(gè)有效的解決方案，受到了國(guó)內(nèi)外大量研究。光載超寬帶技術(shù)利用光纖大帶寬、低損耗、抗電磁干擾等特性，通過光纖將超寬帶信號(hào)傳送至多個(gè)服務(wù)區(qū)的基站，并將上行信號(hào)傳回中心處理站，直接對(duì)超寬帶模擬信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一處理。其基站只需要對(duì)超寬帶信號(hào)進(jìn)行探測(cè)和光電調(diào)制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單?；诠廨d超寬帶技術(shù)的定位系統(tǒng)，目前研究較少，且尚無商用產(chǎn)品。
[0003]目前，國(guó)內(nèi)外已研制成功不少面向商業(yè)應(yīng)用的超寬帶傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)，并開展了大量基于超寬帶信號(hào)的應(yīng)用研究。英國(guó)Ubisense公司開發(fā)的Ubisense超寬帶定位系統(tǒng)用數(shù)據(jù)連接線將各定位傳感器與定位平臺(tái)連接，形成樹狀網(wǎng)絡(luò)，采用TDOA和AOA定位技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)精度高達(dá)15cm的定位；美國(guó)Multispectral Solutions公司開發(fā)的Sapphire超寬帶定位系統(tǒng)采用有線連接的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，連接各超寬帶接收機(jī)和處理站，室內(nèi)定位精度達(dá)0.5-3英尺,室外定位精度小于0.5英尺。美國(guó)Time Domain公司的PLUS超寬帶定位系統(tǒng)，通過同步分配器連接定位計(jì)算機(jī)和各接收機(jī)，系統(tǒng)的定位精度為正負(fù)15厘米。在國(guó)內(nèi)，唐恩科技、成都昂迅、上海思品電子等也推出了精度達(dá)亞米級(jí)的超寬帶定位系統(tǒng)和方案。上述系統(tǒng)的超寬帶傳感器節(jié)點(diǎn)均采用電纜或無線組網(wǎng)與計(jì)算和顯示定位結(jié)果的中心處理站連接，經(jīng)過兩個(gè)步驟估計(jì)計(jì)算得到待測(cè)物的位置:步驟一，傳感器節(jié)點(diǎn)接收到待測(cè)物發(fā)射的超寬帶信號(hào)或者待測(cè)物反射的超寬帶信號(hào)，估計(jì)出接收信號(hào)中能反映待測(cè)物位置信息的參數(shù)，比如波達(dá)時(shí)刻(Τ0Α)、波達(dá)時(shí)差(TD0A)、波達(dá)方向角(Α0Α)、波達(dá)能量(RSS)等，而波達(dá)時(shí)刻和波達(dá)時(shí)差兩個(gè)參數(shù)能充分利用超寬帶脈沖極窄、時(shí)間分辨率極高的特性，故一般使用這兩個(gè)參數(shù)。步驟二，傳感器節(jié)點(diǎn)將估計(jì)得到的參數(shù)傳送到中心處理站計(jì)算得到待測(cè)物的位置。然而，利用這種二步法也存在一定缺陷:1、為了降低系統(tǒng)成本，分布在探測(cè)區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)往往比較簡(jiǎn)單，通常只能采用較簡(jiǎn)單的參數(shù)(如波達(dá)能量)或參數(shù)估計(jì)算法(如非相干算法估計(jì)波達(dá)時(shí)間)，因此估計(jì)精度較低，限制了系統(tǒng)的定位性能；而為了提高估計(jì)精度，則必須采用復(fù)雜的算法(如相干算法估計(jì)波達(dá)時(shí)間)或較高的信號(hào)處理性能(如較高的采樣率)，這會(huì)大大增加參考節(jié)點(diǎn)復(fù)雜度和系統(tǒng)成本。2、絕大部分超寬帶定位系統(tǒng)，其各傳感器節(jié)點(diǎn)之間需要精確的時(shí)鐘同步，復(fù)雜度較高，且很難準(zhǔn)確同步。3、傳感器節(jié)點(diǎn)由電纜或無線連接至中心處理站，信號(hào)傳輸損耗較大，且易受到外界電磁干擾的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有超寬帶定位技術(shù)的不足，提供一種光載超寬帶無線定位系統(tǒng)，能夠在保證超寬帶定位所具有的高定位精度的同時(shí)，有效降低傳感器節(jié)點(diǎn)的軟硬件復(fù)雜度，同時(shí)具有較低的傳輸損耗和較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性。
[0005]本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題:
[0006]一種光載超寬帶無線定位系統(tǒng)，包括分布設(shè)置于探測(cè)區(qū)域的一個(gè)超寬帶信號(hào)源和包括η個(gè)超寬帶傳感器節(jié)點(diǎn)的超寬帶傳感器網(wǎng)絡(luò)，以及與所述超寬帶傳感器網(wǎng)絡(luò)信號(hào)連接的中心處理單元，η為大于I的自然數(shù)；所述η個(gè)超寬帶傳感器節(jié)點(diǎn)分別探測(cè)超寬帶信號(hào)源所發(fā)射的超寬帶直達(dá)波信號(hào)以及定位目標(biāo)所反射的超寬帶回波信號(hào)，中心處理單元根據(jù)η個(gè)超寬帶傳感器節(jié)點(diǎn)所探測(cè)的超寬帶直達(dá)波及回波信號(hào)，利用TDOA定位方法確定定位目標(biāo)的位置；其特征在于，所述超寬帶傳感器節(jié)點(diǎn)包括超寬帶信號(hào)接收模塊和與其電連接的電光調(diào)制器；所述超寬帶傳感器網(wǎng)絡(luò)還包括第一三端口光環(huán)形器，該三端口環(huán)形器具有沿光傳輸方向依次分布的第一、第二、第三端口 ；所述η個(gè)超寬帶傳感器節(jié)點(diǎn)的電光調(diào)制器依次通過光纖首尾相連，第I個(gè)超寬帶傳感器節(jié)點(diǎn)的電光調(diào)制器的光輸入端與第一三端口光環(huán)形器的第一端口連接，第η個(gè)超寬帶傳感器節(jié)點(diǎn)的電光調(diào)制器的光輸出端與第一三端口光環(huán)形器的第三端口連接，從而構(gòu)成一個(gè)環(huán)形光載超寬帶傳感器網(wǎng)絡(luò)；該環(huán)形光載超寬帶傳感器網(wǎng)絡(luò)中各段光纖的總長(zhǎng)度小于等于cF*tKP，且其中一段光纖的長(zhǎng)度大于其它各段光纖的長(zhǎng)度，cF為光在光纖中的傳播速度，tEP為所述超寬帶信號(hào)源所發(fā)射超寬帶信號(hào)的周期；所述中心處理單元包括光源、第二三端口光環(huán)形器、光電探測(cè)器、信號(hào)處理模塊，第二三端口光環(huán)形器的第一、第二、第三端口分別與光源的光輸出端、第一光環(huán)形器的第二端口、光電探測(cè)器的光輸入端連接，光電探測(cè)器的輸出端與信號(hào)處理模塊的信號(hào)輸入端連接；信號(hào)處理模塊將光電探測(cè)器輸出的信號(hào)與超寬帶信號(hào)源所發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，然后根據(jù)互相關(guān)運(yùn)算結(jié)果獲得η個(gè)超寬帶傳感器節(jié)點(diǎn)的波達(dá)時(shí)間差，最后利用TDOA定位方法確定定位目標(biāo)的位置。
[0007]優(yōu)選地，所述探測(cè)區(qū)域滿足以下條件:
【權(quán)利要求】
1.一種光載超寬帶無線定位系統(tǒng)，包括分布設(shè)置于探測(cè)區(qū)域的一個(gè)超寬帶信號(hào)源和包括個(gè)超寬帶傳感器節(jié)點(diǎn)的超寬帶傳感器網(wǎng)絡(luò)，以及與所述超寬帶傳感器網(wǎng)絡(luò)信號(hào)連接的中心處理單元，/7為大于I的自然數(shù)；所述/7個(gè)超寬帶傳感器節(jié)點(diǎn)分別探測(cè)超寬帶信號(hào)源所發(fā)射的超寬帶直達(dá)波信號(hào)以及定位目標(biāo)所反射的超寬帶回波信號(hào)，中心處理單元根據(jù)/7個(gè)超寬帶傳感器節(jié)點(diǎn)所探測(cè)的超寬帶直達(dá)波及回波信號(hào)，利用TDOA定位方法確定定位目標(biāo)的位置；其特征在于，所述超寬帶傳感器節(jié)點(diǎn)包括超寬帶信號(hào)接收模塊和與其電連接的電光調(diào)制器；所述超寬帶傳感器網(wǎng)絡(luò)還包括第一三端口光環(huán)形器，該三端口環(huán)形器具有沿光傳輸方向依次分布的第一、第二、第三端口 ；所述/7個(gè)超寬帶傳感器節(jié)點(diǎn)的電光調(diào)制器依次通過光纖首尾相連，第I個(gè)超寬帶傳感器節(jié)點(diǎn)的電光調(diào)制器的光輸入端與第一三端口光環(huán)形器的第一端口連接，第個(gè)超寬帶傳感器節(jié)點(diǎn)的電光調(diào)制器的光輸出端與第一三端口光環(huán)形器的第三端口連接，從而構(gòu)成一個(gè)環(huán)形光載超寬帶傳感器網(wǎng)絡(luò)；該環(huán)形光載超寬帶傳感器網(wǎng)絡(luò)中各段光纖的總長(zhǎng)度小于等于G*iKP，且其中一段光纖的長(zhǎng)度大于其它各段光纖的長(zhǎng)度，&為光在光纖中的傳播速度，?κρ為所述超寬帶信號(hào)源所發(fā)射超寬帶信號(hào)的周期；所述中心處理單元包括光源、第二三端口光環(huán)形器、光電探測(cè)器、信號(hào)處理模塊，第二三端口光環(huán)形器的第一、第二、第三端口分別與光源的光輸出端、第一光環(huán)形器的第二端口、光電探測(cè)器的光輸入端連接，光電探測(cè)器的輸出端與信號(hào)處理模塊的信號(hào)輸入端連接；信號(hào)處理模塊將光電探測(cè)器 輸出的信號(hào)與超寬帶信號(hào)源所發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，然后根據(jù)互相關(guān)運(yùn)算結(jié)果獲得/7個(gè)超寬帶傳感器節(jié)點(diǎn)的波達(dá)時(shí)間差，最后利用TDOA定位方法確定定位目標(biāo)的位置。
2.如權(quán)利要求1所述光載超寬帶無線定位系統(tǒng)，其特征在于，所述探測(cè)區(qū)域滿足以下條件:
3.如權(quán)利要求1或2所述光載超寬帶無線定位系統(tǒng)，其特征在于，所述電光調(diào)制器為馬赫增德爾調(diào)制器。
【文檔編號(hào)】G01S5/02GK103427905SQ201310338078
【公開日】2013年12月4日 申請(qǐng)日期:2013年8月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月5日
【發(fā)明者】潘時(shí)龍, 傅劍斌, 張方正 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)