[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

说明书

技术领域

本发明属于无线传感器技术与电子通信系统领域，涉及一种基于非线性调频脉冲信号的高精度室内定位方案。

背景技术

全球定位系统(GPS)的成功应用使人们对定位服务的需求日益增多，然而在室内环境下，由于卫星信号具有穿透能力差，难以穿透高大的建筑物，传播受到建筑物严重干扰，因而无法在室内正常工作，GPS定位的精度不能满足应用要求。近年来，随着无线网络的普及和室内定位技术的发展，基于位置的服务(Location Based Service--LBS)受到越来越多的关注；例如在紧急救助、医疗保健、个性化信息传递等领域显示出巨大的活力。无线传感器网络节点定位的目的就是通过对接收到的无线电波进行相关参数测量，再根据特定算法给出各节点在平面或空间中的绝对或相对坐标。

于是人们开始寻找替代方案以满足室内环境下无线定位的需求，红外、超声波、蓝牙、无线射频识别(RFID)技术、zigbee室内定位技术、超宽带定位技术(UWB)、线性调频(LFM)定位技术等是室内环境下几种常用的无线定位技术。

综上所述，现有的室内定位技术存在如下缺陷：基于TOA的定位方法需要系统严格时间同步，因为定位误差较大；由于复杂环境下多径效应非常严重，使得获取的TOA存在较大的误差，无法准确获取信号的首达径；基于LFM(线性调频)信号的定位方法，由于信号体制本身不具有抗多普勒频偏特性，在高速动态定位中精度不高；需要较多的参考节点，从而具有较高的成本和功耗。

发明内容

本发明针对现有技术存在多径环境中高速动态定位精度不高、多径效应存在较大误差的缺陷，提出了一种基于非线性调频脉冲信号的高精度室内定位方法。

本发明所述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。

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。

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＝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)