[发明专利]基于超宽带的被动式定位系统及定位方法

摘要

本发明涉及无线通信网络定位技术领域，具体涉及一种基于超宽带的被动式定位系统及定位方法，该定位系统包括三个以上的定位基站、超宽带定位器，所述的超宽带定位器包括天线、超宽带（UWB）接收机、高精度时钟、定位器数据处理单元、定位引擎；所述的定位基站包括基站编码ID生成单元、时间同步单元、数据处理单元、超宽带（UWB）收发机、高精度时钟和天线。本发明利用极窄脉冲超宽带信号和TDOA等定位技术相结合进行定位，实现了独立于外在通信网络的水平和垂直方向的高精度定位，解决了卫星、通信等信号较差的区域定位问题，能够广泛用于室内外工作环境，特别是信号中断的人防、救灾等应急现场，隧道等封闭环境。

主权项

1.一种基于超宽带的被动式定位系统的定位方法，其特征在于，所述定位系统包括三个以上的定位基站、超宽带定位器，所述的超宽带定位器包括天线、超宽带(UWB)接收机、第一高精度时钟、定位器数据处理单元、定位引擎；所述的定位基站包括基站编码ID生成单元、时间同步单元、定位基站数据处理单元、超宽带(UWB)收发机、第二高精度时钟和天线；所述定位基站采用无线时钟同步技术统一校准时钟，并采用交错式相等固定间隔的方式，向超宽带定位器发送包含基站编码ID信息和同步信息的广播信号；所述超宽带定位器在其定位引擎中利用到达时间差定位方法解算其准确位置；所述超宽带(UWB)收发机为通信系统的物理层，除了基本的通信作用外，结合第二高精度时钟，生成精准的超宽带信号的接收时间戳和发送时间戳；所述第一高精度时钟为超宽带(UWB)接收机提供精准时钟，第二高精度时钟为超宽带(UWB)收发机提供精准时钟；所述定位器数据处理单元驱动超宽带(UWB)接收机，提取广播信息中的基站编码ID和对应的接收时间，将其传给定位引擎；并获得定位引擎反馈的位置信息，对位置信息进行处理和整合，将位置信息输出；所述定位引擎根据定位器数据处理单元传过来的时间戳，计算出到达时间差，并采用到达时间差定位算法，解算超宽带定位器的位置信息，反馈给定位器数据处理单元；所述基站编码ID生成单元用于产生包含有基站编码ID信息，并通过广播信息向外广播；所述时间同步单元用于产生无线同步信息，并将无线同步信息发送给数据处理单元；所述的定位基站还可以包含基站位置数据库；所述基站位置数据库通过查找离线存储基站的位置坐标信息，并输出基站位置信息；所述的定位系统还可以包含有时钟同步器；所述的超宽带定位器还可以包含惯导模块；所述定位方法，包含如下步骤：步骤一：各个定位基站进行无线时钟同步：使各定位基站之间保持时钟同步；步骤二：定位基站向超宽带定位器发送进行定位的广播信息：待各定位基站完成时钟同步后，定位基站按照一定规律交错式相等固定间隔的向超宽带定位器发送包含基站编码ID信息和同步信息的广播信号；步骤三：超宽带定位器接收广播信息：天线和超宽带(UWB)接收机接收到广播信息，通过高精度时钟，提供高精度的超宽带的接收时间戳，超宽带(UWB)接收机将接收时间戳信息以及广播信息发送给定位器数据处理单元获得基站编码ID信息，并将时间戳以及基站编码ID信息传递给定位引擎；步骤四：定位引擎解算位置坐标：定位引擎根据基站编码ID查找基站位置数据库中的基站位置坐标信息，并结合收到的时间戳信息，计算到达时间差，并建立以超宽带定位器坐标为未知量的非线性方程组，进一步解算出超宽带定位器的位置坐标，达到定位的目的，计算方法如下：(1)计算时间差的方法为：超宽带定位器在ttag,i时刻收到基站i在tm,i发送的信号，在ttag,j时刻收到基站j在tn,j发送的信号，其中基站i和基站j是相邻相等固定时间间隔发送信号的，即△t＝tm,i‑tn,j，则有：基站i所发射的信号到达超宽带定位器的时间为：ttag,i‑tm,i；基站j所发射的信号到达超宽带定位器的时间为：ttag,j‑tn,j；那么，基站i和基站j所发射信号达到超宽带定位器的时间差(TDOA)为：ti‑tj＝(ttag,i‑tm,i)‑(ttag,j‑tn,j)＝(ttag,i‑ttag,j)‑(tm,i‑tn,j)＝(ttag,i‑ttag,j)‑n·△t基站i和基站j是相邻相等固定时间间隔发送信号的，其中n＝1；(2)解算超宽带定位器位置坐标的方法为：由于基站是交错式等间隔依次发送信号，则(tm,i‑tn,j)为常数，超宽带定位器到基站i的距离和超宽带定位器到基站j的距离的差值为：其中，(xi,yi,zi)和(xj,yj,zj)分别为基站i和基站j的固定坐标，(x,y,z)为超宽带定位器的未知坐标，通过至少三个TDOA距里差值可以解算出超宽带定位器的未知坐标(x,y,z)；步骤一中所述的无线时钟同步还可以是有线时钟同步方式；步骤四中所述的超宽带定位器还可以包含惯导模块，通过对惯导模块采集的超宽带定位器的运动信息和步骤四中获得的超宽带定位器的定位信息进行融合，从而获得最优的定位结果；定位基站发送的广播信息还可以包含基站的位置坐标信息，此时对应的超宽带定位器中就不需要基站位置数据库。