[发明专利]基于非线性调频脉冲信号的高精度室内定位系统及方法

权利要求书

1.一种基于非线性调频脉冲信号的高精度室内定位系统，包括待定位标签节点、至少三个不在同一条直线上的锚节点和导航定位显示终端；

所述标签节点、锚节点以及导航定位显示终端具有数据双向通信功能，所述标签节点与锚节点能够发射和接收非线性调频脉冲信号并且具有数字信号处理能力，对接收到的脉冲信号进行自相关运算。

2.根据权利要求1所述的一种基于非线性调频脉冲信号的高精度室内定位系统的定位方法，其特征在于：

所述标签节点和锚节点之间采用基于SDS-TWR进行测量信号到达时间的方法；同时统计每条路径上TOA的分布特性，判断该路径上是否存在多径效应；然后利用卡尔曼滤波对TOA数据进行优化处理，获取有效的TOA数据；通过在多径环境下对原始回波信号进行CLEAN算法处理，获得信号的首达径TOA；锚节点或者标签节点把获取的有效数据通过无线通信协议发送给显示终端，显示终端先对数据进行预处理，通过最小二乘定位算法并且结合地图匹配算法实时动态显示出标签所在的位置，显示定位结果；SDS-TWR即对称双面双向测距；TOA即信号到达时间。

3.根据权利要求2所述的一种基于非线性调频脉冲信号的高精度室内定位系统的定位方法，其特征在于：所述的标签节点和锚节点发射的为非线性调频脉冲信号，包括：双曲线调频脉冲信号、正弦调频脉冲信号、二次调频脉冲信号或者指数调频脉冲信号；双曲线调频即HFM，正弦调频即SFM，二次调频即QFM，指数调频即EFM；

其中：HFM信号的时域表达式为：

其中A表示幅度，T表示周期，t表示时间，μ表示调制参数，f₀表示中心频率；

HFM信号的瞬时频率表达式是：

f_H(t)＝μ/(t+μ/f₀)(2)

SFM信号的瞬时频率表达式是：

f_S(t)＝α sin(2πωt)(3)

α表示调制参数，ω表示角频率，

QFM信号的瞬时频率表达式是：

f_Q(t)＝t²+at+b(4)

a、b为调制参数，

EFM信号的瞬时频率表达式是：

f_E(t)＝ke^t+l(5)

k表示调制参数，l表示调制参数，

对于低速动态定位系统中选择上述介绍的几种非线性调频脉冲信号；对于高速动态定位系统中采用HFM脉冲信号；

作为具有多普勒不变性信号，信号的瞬时频率需要满足以下条件：

f(t)＝f_d(t-t₀) (6)

t₀表示时延；

其中f_d(t)是由于多普勒扩展以后接收信号的瞬时频率，对于HFM信号而言

f_d(t)＝μ/(t-τ+μ/sf₀)(7)

其中是信号的时延TOA；是高速运动的物体的多普勒扩展因子；当时，式(6)f(t)＝f_d(t-t₀)成立，故此HFM信号具有多普勒不变性。

4.根据权利要求2所述的一种基于非线性调频脉冲信号的高精度室内定位系统的定位方法，其特征在于：所述卡尔曼滤波对TOA数据进行优化处理，其中标签节点和锚节点发射的非线性调频脉冲信号s(t)的匹配滤波器的时域脉冲响应为：

h(t)＝s^*(t₀-t)(8)

t表示时间，t₀表示时延；

对非线性调频脉冲进行匹配滤波处理实现脉冲压缩的功能，脉压以后的信号为：

y(t)＝s(t)*h(t)＝ifft(S(ω)S^*(-ω))；S(ω)＝fft(s(t))(9)

S(ω)为傅里叶变换后的频域表达式，S(-ω)表示S(ω)的共轭表达式；

通过寻找脉压以后波形最大值所在的位置，即获得回波信号的延时TOA。

5.根据权利要求2所述的一种基于非线性调频脉冲信号的高精度室内定位系统的定位方法，其特征在于：所述在多径环境下对原始回波信号进行CLEAN算法处理，获得信号的首达径TOA，该方法的流程包括以下步骤：

Step1.对原始回波数据进行脉冲压缩处理，得到并且记录下来处理后数据的最大峰值以及最大峰所处的位置，该位置作为某条路径下的TOA；

Step2.将记录的峰值以及TOA信息作为某个目标的回波，利用发送的原始非线性调频信号重构该目标下的回波，并且在原始回波信号中去掉该目标的回波，作为更新以后的目标回波；

Step3.对剩余的回波信号进行脉冲压缩处理，并且判断处理后的最大峰值是否超过预先设置的阈值：倘若超过阈值，把剩余回波信号作为原始回波信号，并转入步骤Step1；没有超过阈值则转入步骤Step4；

Step4.在上述步骤记录的所有TOA中找到最小值，作为该路径下的首达径TOA数据。