專利名稱：超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)發(fā)射時序控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明適用于超寬帶定位系統(tǒng)中發(fā)射端的時序控制，用于保證各個發(fā)射端之間時間基準的同步以及發(fā)射端時分模式的實現(xiàn)，屬于無線電技術(shù)領(lǐng)域與時頻技術(shù)領(lǐng)域的交叉技術(shù)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的無線定位技術(shù)及方案有很多，如紅外線、超聲波、射頻信號等。紅外線適合短距離傳播，且容易受到熒光燈或者房間內(nèi)燈光的干擾，在精確定位方面有局限性；超聲波受多徑效應(yīng)和非視距傳播影響很大，不能用于室內(nèi)環(huán)境；而射頻信號普遍用在室外定位系統(tǒng)中，應(yīng)用于室內(nèi)定位存在局限。故而這些都不能用于室內(nèi)定位。 GPS是目前應(yīng)用最為廣泛的室外定位技術(shù)，它是20世紀70年代初美國為軍用而開發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。利用GPS定位時衛(wèi)星有效覆蓋范圍大，定位導(dǎo)航信號免費，所能達至IJ的定位精度范圍在5m-20m。但GPS信號到達地面時較弱，在室內(nèi)易受多路徑干擾，且信號衰落快，因此不適合室內(nèi)定位。Wi-Fi定位是IEEE802. 11的一種定位解決方案，它可用于小范圍室內(nèi)定位，且成本較低，但Wi-Fi收發(fā)器只能覆蓋到半徑90m以內(nèi)的地理區(qū)域，且很容易受到其他信號干擾，從而影響定位精度，并不十分可靠，其定位器能耗也較高。藍牙技術(shù)在定位方面與Wi-Fi有很多相似之處，主要用于小范圍的定位，例如單層大廳或倉庫，同樣有定位誤差不穩(wěn)定、受噪聲信號干擾大的缺點。隨著定位技術(shù)的發(fā)展和定位服務(wù)需求的不斷增加，無線定位技術(shù)必須克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，滿足以下幾個條件a)高抗干擾能力；b)高精度定位；c)低生產(chǎn)成本；d)低運營成本；e)高信息安全性；f)低能耗及低發(fā)射功率；g)小的收發(fā)器體積。然而以上幾種技術(shù)，都不能完全地滿足這些要求。而且對于許多通信網(wǎng)絡(luò)，都需要其提供定位/跟蹤服務(wù)，而實際應(yīng)用時，某些情況下，特別是在室內(nèi)環(huán)境中，這些很難實現(xiàn)。而采用超寬帶技術(shù)就很容易實現(xiàn)精確的定位(相對定位)。超寬帶(Ultra Wide Band, UWB)技術(shù)作為無線通信領(lǐng)域的新興技術(shù)，以其傳輸速率高、抗干擾能力強、功耗小、隱蔽性好和抗多徑衰落性能良好等優(yōu)點，在短距離高速無線個域網(wǎng)、雷達跟蹤、精確定位等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，尤其是在室內(nèi)定位方面具有其他通信技術(shù)無可比擬的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)通信定位技術(shù)相比，UWB信號的時間分辨率高，能分辨ns級以下的到達時間差，具有很好的抗多徑干擾能力；UWB技術(shù)具有較強的透視功能，可以穿透數(shù)層墻壁進行通信、成像或定位；而且UWB技術(shù)的定位精度更高，可以達到10 20厘米的定位精度。因此，超寬帶定位技術(shù)是到目前為止最適合于室內(nèi)應(yīng)用的無線電導(dǎo)航技術(shù)，成為未來無線定位技術(shù)的熱點。TDOA技術(shù)可以將來自不同參考節(jié)點的時間相減后去掉由于時鐘未對準以及時鐘漂移等引起的隨機時延，因此不要求接收端和各個基站的時鐘完全一致，但是各個基站間的時鐘必須要統(tǒng)一，否則會引起時間延遲的差異，最終導(dǎo)致定位誤差。因此對于各個發(fā)射基站的時間基準控制必須相當(dāng)嚴格。目前，超寬帶系統(tǒng)的研究在國際上倍受重視。有些高校與科研機構(gòu)也在超寬帶通信系統(tǒng)方面開展了階段性的研究工作，但尚處于起步階段，尤其是在基站發(fā)射的時序控制等方面的研究還很少。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)有關(guān)超寬帶室內(nèi)定位中發(fā)射時序控制研究方面的欠缺，本發(fā)明提供一種適合于超寬帶定位系統(tǒng)基站發(fā)射的時序控制及各站時鐘基準同步控制的方法，從而保證了整個室內(nèi)定位系統(tǒng)的時鐘同步，為最終的定位精度提供基本保障，并避免了射頻端的相互干擾問題。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟 (I)在同一室內(nèi)的四周對稱布置四個固定發(fā)射端，在待定位目標上布置一個移動接收端；(2)利用IOMHz頻率源信號作為外部時鐘源，將IOMHz頻率源信號通過頻率分配放大器分成4路一致的穩(wěn)定的IOMHz信號，分別作為4個固定發(fā)射端的時鐘基準；(3)對各個固定發(fā)射端的時鐘進行頻率合成生成所需要的時鐘頻率源；(4)提供一個標準IPPS信號，經(jīng)過一個脈沖分配單元得到4路一致的秒信號，作為各個固定發(fā)射端的發(fā)射起始時間的觸發(fā)參考信號；(5)測定脈沖分配單元到各個固定發(fā)射端的電纜線帶來的時間延遲；(6)分別扣除各個固定發(fā)射端的時間延遲，在觸發(fā)參考信號到來后各固定發(fā)射端逐一延遲相同的時間后開始發(fā)射信息內(nèi)容。所述的四個固定發(fā)射端分別固定在室內(nèi)頂面的四個墻角。所述的延遲相同的時間包括發(fā)射信息的時間長度T和時隙t，t大于O。所述的時隙t=5us。本發(fā)明的有益效果是以上時基同步方法和發(fā)射時序控制方法充分利用了國家授時中心的現(xiàn)有資源，經(jīng)過合理的規(guī)劃和設(shè)計，解決了超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)中各個基站間的時鐘同步問題以及發(fā)射時序的控制問題，對于整個定位系統(tǒng)的實現(xiàn)及保證系統(tǒng)定位精度起到了相當(dāng)重要的作用。


圖I是超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)示意圖；圖2是各基站時間基準同步控制的實現(xiàn)框圖；圖3是參考脈沖信號的分配及統(tǒng)一的實現(xiàn)框圖；圖4是各站發(fā)射的時序控制示意圖；圖5是發(fā)射端I實現(xiàn)時序控制的流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案和實施步驟為I.四個發(fā)射端的時鐘同步
UffB無線室內(nèi)定位系統(tǒng)由4個固定發(fā)射端及一個移動接收端組成。系統(tǒng)中的4個發(fā)射端位于同一室內(nèi)，分布于成一定幾何形狀的固定位置并發(fā)射一定的超寬帶信號。移動接收用戶通過一定的定位解算獲得位置信息。如附圖I所示。四個發(fā)射端之間必須保持嚴格的系統(tǒng)時鐘同步。為了能充分利用國家授時中心的現(xiàn)有資源，減小額外研制的成本，提出利用國家授時中心(NTSC)提供的標準IOMHz頻率源信號作為外部時鐘源，再將IOMHz頻率源信號通過頻率分配放大器分成4路一致的穩(wěn)定的IOMHz信號，分別作為4個發(fā)射基站的時鐘基準，在此基礎(chǔ)上對各站的時鐘進行頻率合成，最后生成所需要的時鐘頻率源。如附圖2所示。由于通過頻率分配放大器得到4路一致的IOMHz頻率后，需要通過不同長度的4根電纜線送到4個不同地點的基站，為各基站提供統(tǒng)一的時鐘源。由于各個電纜線的長度不同，引入的時間損耗也不同，因此有必要首先對各個長度的電纜線帶來的時間延遲進行精確的測定，從而在最后的時差計算中分別扣除各站時延。
2.秒?yún)⒖夹盘柕慕y(tǒng)一在實現(xiàn)發(fā)射端的時分模式控制時，各個基站發(fā)射的起始時刻必須是基于統(tǒng)一的參考時刻，即各站在統(tǒng)一的參考時刻到來后，再分別延遲不同的時間開始發(fā)射本站的信息內(nèi)容。這里統(tǒng)一的參考時刻由NTSC提供的標準IPPS信號提供，并經(jīng)過一個脈沖分配單元得到4路一致的秒信號，提供給各個基站作為各站發(fā)射起始時間的觸發(fā)參考，在此觸發(fā)參考信號到來后各站延遲不同的時間開始發(fā)射本站的信息內(nèi)容。同樣有必要首先對各個長度的電纜線帶來的時間延遲進行精確的測定，從而在最后的時差計算中分別扣除各站時延。參考脈沖信號的分配及統(tǒng)一的控制方法如圖3。3.時分模式的發(fā)射控制當(dāng)四個基準頻率信號同步后，為了避免各站信號之間的干擾，提出在發(fā)射端采用時分模式，即4個基站發(fā)射信號的時間依次錯開，各站在統(tǒng)一的秒?yún)⒖紩r刻到來后分別延遲不同的時間開始發(fā)射本站的的信息內(nèi)容，各站發(fā)射信息的時間互不重疊交叉。具體方法為假如每個發(fā)射站發(fā)射的信號為一個巾貞，則在時分方式下，基于統(tǒng)一的參考時刻，四個發(fā)射站依次發(fā)射4幀信息，si站先開始發(fā)射幀1，s2站延遲T’開始發(fā)射幀2，s3站延遲2T’開始發(fā)射幀3，s4站延遲3T’開始發(fā)射幀4。每兩個幀之間留有一定的時隙t防止相互間的突發(fā)干擾。幀組結(jié)構(gòu)如圖3。兩幀之間的時間間隔由一幀信息的時間長度以及加入的時隙長短決定。各站發(fā)射的時序控制示意圖如圖4。每兩個幀之間留有一定的時隙t防止相互間的突發(fā)干擾。本設(shè)計中一幀信息的長度取為15us，時隙t根據(jù)經(jīng)驗值取為t=5us，因此兩幀之間的時間間隔總共為20us。下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。本發(fā)明所提出的時序控制方法最終可以通過FPGA嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)。實施的具體方式和方法為在每個發(fā)射機的FPGA中通過設(shè)置兩個計數(shù)器來控制和實現(xiàn)相應(yīng)的時鐘同步和時序發(fā)射功能。
第一個計數(shù)器(JII)用來控制各個基站在IPPS參考時刻到來后延遲多少時間(微秒)開始發(fā)送數(shù)據(jù)。實現(xiàn)方法對基站SI，在參考時刻Tq(或1PPS)到來時即開始發(fā)送信號，Ta = To+0us=T0 ;對基站S2，在參考時刻Ttj到來時通過計數(shù)器計數(shù)延時20US后(即Tb = L+20US)開始發(fā)送信號；對基站S3，在參考時刻Ttj到來時通過計數(shù)器計數(shù)延時40us后(即T。= To+40us)開始發(fā)送信號；對基站S4，在參考時刻Ttj到來時通過計數(shù)器計數(shù)延時60us后(即Ta =To+60us)開始發(fā)送信號；第二個計數(shù)器(JI2)用來控制各個基站的信號重復(fù)周期。由于每個基站本次發(fā)送完信號后，要等其他4個基站依次發(fā)送完各自的信號以后，才能再一次重復(fù)開始發(fā)送本站的數(shù)據(jù)，也就是再過SOus以后開始重復(fù)發(fā)送(即數(shù)據(jù)的重復(fù)周期是80us)。
實現(xiàn)方法計數(shù)器JI2在各基站每次發(fā)送數(shù)據(jù)的開始時刻打開計數(shù)，SOus為一個計數(shù)周期，每次發(fā)送兩幀數(shù)據(jù)(24個符號)，然后清零再循環(huán)計數(shù)SOus后再重復(fù)發(fā)送，一直循環(huán)下去。一直等到當(dāng)下一個參考時刻TO (IPPS)出現(xiàn)時，將計數(shù)器I清零，計數(shù)器I重新開始計數(shù)并延時各站規(guī)定的延時之后開始發(fā)送數(shù)據(jù)，之后通過計數(shù)器2計數(shù)延時SOus之后又循環(huán)發(fā)送。如此循環(huán)反復(fù)。這里以第一個發(fā)射端的兩個計數(shù)器的FPGA控制流程圖來加以說明，如圖5。最后系統(tǒng)的發(fā)射端同步精度可以達到10_12，為整個系統(tǒng)的定位結(jié)果奠定了基礎(chǔ)。
權(quán)利要求
1.一種超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)發(fā)射時序控制方法，其特征在于包括以下步驟 (1)在同一室內(nèi)的四周對稱布置四個固定發(fā)射端，在待定位目標上布置一個移動接收端; (2)利用IOMHz頻率源信號作為外部時鐘源，將IOMHz頻率源信號通過頻率分配放大器分成4路一致的穩(wěn)定的IOMHz信號，分別作為4個固定發(fā)射端的時鐘基準； (3)對各個固定發(fā)射端的時鐘進行頻率合成生成所需要的時鐘頻率源； (4)提供一個標準IPPS信號，經(jīng)過一個脈沖分配單元得到4路一致的秒信號，作為各個固定發(fā)射端的發(fā)射起始時間的觸發(fā)參考信號； (5)測定脈沖分配單元到各個固定發(fā)射端的電纜線帶來的時間延遲； (6)分別扣除各個固定發(fā)射端的時間延遲，在觸發(fā)參考信號到來后各固定發(fā)射端逐一延遲相同的時間后開始發(fā)射信息內(nèi)容。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)發(fā)射時序控制方法，其特征在于所述的四個固定發(fā)射端分別固定在室內(nèi)頂面的四個墻角。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)發(fā)射時序控制方法，其特征在于所述的延遲相同的時間包括發(fā)射信息的時間長度T和時隙t，t大于O。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)發(fā)射時序控制方法，其特征在于所述的時隙t=5us。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)發(fā)射時序控制方法，在室內(nèi)布置四個固定發(fā)射端，將10MHz頻率源信號分別作為4個固定發(fā)射端的時鐘基準，并進行頻率合成生成所需要的時鐘頻率源；提供一個標準1PPS信號作為各個固定發(fā)射端的發(fā)射起始時間的觸發(fā)參考信號，分別扣除各個固定發(fā)射端的時間延遲，在觸發(fā)參考信號到來后各固定發(fā)射端逐一延遲相同的時間后開始發(fā)射信息內(nèi)容。本發(fā)明保證了整個室內(nèi)定位系統(tǒng)的時鐘同步，為最終的定位精度提供基本保障，并避免了射頻端的相互干擾問題。
文檔編號H04L7/00GK102843164SQ20121030611
公開日2012年12月26日 申請日期2012年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月27日
發(fā)明者盧曉春, 白燕, 饒永楠, 趙航, 鄒德才, 王瑾 申請人:中國科學(xué)院國家授時中心