专利名称：超宽带室内定位系统发射时序控制方法
技术领域：
本发明适用于超宽带定位系统中发射端的时序控制，用于保证各个发射端之间时间基准的同步以及发射端时分模式的实现，属于无线电技术领域与时频技术领域的交叉技术。
背景技术：
现有的无线定位技术及方案有很多，如红外线、超声波、射频信号等。红外线适合短距离传播，且容易受到荧光灯或者房间内灯光的干扰，在精确定位方面有局限性；超声波受多径效应和非视距传播影响很大，不能用于室内环境；而射频信号普遍用在室外定位系统中，应用于室内定位存在局限。故而这些都不能用于室内定位。 GPS是目前应用最为广泛的室外定位技术，它是20世纪70年代初美国为军用而开发的卫星导航定位系统。利用GPS定位时卫星有效覆盖范围大，定位导航信号免费，所能达至IJ的定位精度范围在5m-20m。但GPS信号到达地面时较弱，在室内易受多路径干扰，且信号衰落快，因此不适合室内定位。Wi-Fi定位是IEEE802. 11的一种定位解决方案，它可用于小范围室内定位，且成本较低，但Wi-Fi收发器只能覆盖到半径90m以内的地理区域，且很容易受到其他信号干扰，从而影响定位精度，并不十分可靠，其定位器能耗也较高。蓝牙技术在定位方面与Wi-Fi有很多相似之处，主要用于小范围的定位，例如单层大厅或仓库，同样有定位误差不稳定、受噪声信号干扰大的缺点。随着定位技术的发展和定位服务需求的不断增加，无线定位技术必须克服现有技术的缺点，满足以下几个条件a)高抗干扰能力；b)高精度定位；c)低生产成本；d)低运营成本；e)高信息安全性；f)低能耗及低发射功率；g)小的收发器体积。然而以上几种技术，都不能完全地满足这些要求。而且对于许多通信网络，都需要其提供定位/跟踪服务，而实际应用时，某些情况下，特别是在室内环境中，这些很难实现。而采用超宽带技术就很容易实现精确的定位(相对定位)。超宽带(Ultra Wide Band, UWB)技术作为无线通信领域的新兴技术，以其传输速率高、抗干扰能力强、功耗小、隐蔽性好和抗多径衰落性能良好等优点，在短距离高速无线个域网、雷达跟踪、精确定位等领域具有广阔的应用前景，尤其是在室内定位方面具有其他通信技术无可比拟的优势。与传统通信定位技术相比，UWB信号的时间分辨率高，能分辨ns级以下的到达时间差，具有很好的抗多径干扰能力；UWB技术具有较强的透视功能，可以穿透数层墙壁进行通信、成像或定位；而且UWB技术的定位精度更高，可以达到10 20厘米的定位精度。因此，超宽带定位技术是到目前为止最适合于室内应用的无线电导航技术，成为未来无线定位技术的热点。TDOA技术可以将来自不同参考节点的时间相减后去掉由于时钟未对准以及时钟漂移等引起的随机时延，因此不要求接收端和各个基站的时钟完全一致，但是各个基站间的时钟必须要统一，否则会引起时间延迟的差异，最终导致定位误差。因此对于各个发射基站的时间基准控制必须相当严格。目前，超宽带系统的研究在国际上倍受重视。有些高校与科研机构也在超宽带通信系统方面开展了阶段性的研究工作，但尚处于起步阶段，尤其是在基站发射的时序控制等方面的研究还很少。
发明内容
为了克服现有技术有关超宽带室内定位中发射时序控制研究方面的欠缺，本发明提供一种适合于超宽带定位系统基站发射的时序控制及各站时钟基准同步控制的方法，从而保证了整个室内定位系统的时钟同步，为最终的定位精度提供基本保障，并避免了射频端的相互干扰问题。本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤 (I)在同一室内的四周对称布置四个固定发射端，在待定位目标上布置一个移动接收端；(2)利用IOMHz频率源信号作为外部时钟源，将IOMHz频率源信号通过频率分配放大器分成4路一致的稳定的IOMHz信号，分别作为4个固定发射端的时钟基准；(3)对各个固定发射端的时钟进行频率合成生成所需要的时钟频率源；(4)提供一个标准IPPS信号，经过一个脉冲分配单元得到4路一致的秒信号，作为各个固定发射端的发射起始时间的触发参考信号；(5)测定脉冲分配单元到各个固定发射端的电缆线带来的时间延迟；(6)分别扣除各个固定发射端的时间延迟，在触发参考信号到来后各固定发射端逐一延迟相同的时间后开始发射信息内容。所述的四个固定发射端分别固定在室内顶面的四个墙角。所述的延迟相同的时间包括发射信息的时间长度T和时隙t，t大于O。所述的时隙t=5us。本发明的有益效果是以上时基同步方法和发射时序控制方法充分利用了国家授时中心的现有资源，经过合理的规划和设计，解决了超宽带室内定位系统中各个基站间的时钟同步问题以及发射时序的控制问题，对于整个定位系统的实现及保证系统定位精度起到了相当重要的作用。
图I是超宽带室内定位系统示意图；图2是各基站时间基准同步控制的实现框图；图3是参考脉冲信号的分配及统一的实现框图；图4是各站发射的时序控制示意图；图5是发射端I实现时序控制的流程图。
具体实施例方式本发明解决其技术问题所采用的技术方案和实施步骤为I.四个发射端的时钟同步
UffB无线室内定位系统由4个固定发射端及一个移动接收端组成。系统中的4个发射端位于同一室内，分布于成一定几何形状的固定位置并发射一定的超宽带信号。移动接收用户通过一定的定位解算获得位置信息。如附图I所示。四个发射端之间必须保持严格的系统时钟同步。为了能充分利用国家授时中心的现有资源，减小额外研制的成本，提出利用国家授时中心(NTSC)提供的标准IOMHz频率源信号作为外部时钟源，再将IOMHz频率源信号通过频率分配放大器分成4路一致的稳定的IOMHz信号，分别作为4个发射基站的时钟基准，在此基础上对各站的时钟进行频率合成，最后生成所需要的时钟频率源。如附图2所示。由于通过频率分配放大器得到4路一致的IOMHz频率后，需要通过不同长度的4根电缆线送到4个不同地点的基站，为各基站提供统一的时钟源。由于各个电缆线的长度不同，引入的时间损耗也不同，因此有必要首先对各个长度的电缆线带来的时间延迟进行精确的测定，从而在最后的时差计算中分别扣除各站时延。
2.秒参考信号的统一在实现发射端的时分模式控制时，各个基站发射的起始时刻必须是基于统一的参考时刻，即各站在统一的参考时刻到来后，再分别延迟不同的时间开始发射本站的信息内容。这里统一的参考时刻由NTSC提供的标准IPPS信号提供，并经过一个脉冲分配单元得到4路一致的秒信号，提供给各个基站作为各站发射起始时间的触发参考，在此触发参考信号到来后各站延迟不同的时间开始发射本站的信息内容。同样有必要首先对各个长度的电缆线带来的时间延迟进行精确的测定，从而在最后的时差计算中分别扣除各站时延。参考脉冲信号的分配及统一的控制方法如图3。3.时分模式的发射控制当四个基准频率信号同步后，为了避免各站信号之间的干扰，提出在发射端采用时分模式，即4个基站发射信号的时间依次错开，各站在统一的秒参考时刻到来后分别延迟不同的时间开始发射本站的的信息内容，各站发射信息的时间互不重叠交叉。具体方法为假如每个发射站发射的信号为一个巾贞，则在时分方式下，基于统一的参考时刻，四个发射站依次发射4帧信息，si站先开始发射帧1，s2站延迟T’开始发射帧2，s3站延迟2T’开始发射帧3，s4站延迟3T’开始发射帧4。每两个帧之间留有一定的时隙t防止相互间的突发干扰。帧组结构如图3。两帧之间的时间间隔由一帧信息的时间长度以及加入的时隙长短决定。各站发射的时序控制示意图如图4。每两个帧之间留有一定的时隙t防止相互间的突发干扰。本设计中一帧信息的长度取为15us，时隙t根据经验值取为t=5us，因此两帧之间的时间间隔总共为20us。下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。本发明所提出的时序控制方法最终可以通过FPGA嵌入式系统实现。实施的具体方式和方法为在每个发射机的FPGA中通过设置两个计数器来控制和实现相应的时钟同步和时序发射功能。
第一个计数器(JII)用来控制各个基站在IPPS参考时刻到来后延迟多少时间(微秒)开始发送数据。实现方法对基站SI，在参考时刻Tq(或1PPS)到来时即开始发送信号，Ta = To+0us=T0 ;对基站S2，在参考时刻Ttj到来时通过计数器计数延时20US后(即Tb = L+20US)开始发送信号；对基站S3，在参考时刻Ttj到来时通过计数器计数延时40us后(即T。= To+40us)开始发送信号；对基站S4，在参考时刻Ttj到来时通过计数器计数延时60us后(即Ta =To+60us)开始发送信号；第二个计数器(JI2)用来控制各个基站的信号重复周期。由于每个基站本次发送完信号后，要等其他4个基站依次发送完各自的信号以后，才能再一次重复开始发送本站的数据，也就是再过SOus以后开始重复发送(即数据的重复周期是80us)。
实现方法计数器JI2在各基站每次发送数据的开始时刻打开计数，SOus为一个计数周期，每次发送两帧数据(24个符号)，然后清零再循环计数SOus后再重复发送，一直循环下去。一直等到当下一个参考时刻TO (IPPS)出现时，将计数器I清零，计数器I重新开始计数并延时各站规定的延时之后开始发送数据，之后通过计数器2计数延时SOus之后又循环发送。如此循环反复。这里以第一个发射端的两个计数器的FPGA控制流程图来加以说明，如图5。最后系统的发射端同步精度可以达到10_12，为整个系统的定位结果奠定了基础。
权利要求
1.一种超宽带室内定位系统发射时序控制方法，其特征在于包括以下步骤 (1)在同一室内的四周对称布置四个固定发射端，在待定位目标上布置一个移动接收端; (2)利用IOMHz频率源信号作为外部时钟源，将IOMHz频率源信号通过频率分配放大器分成4路一致的稳定的IOMHz信号，分别作为4个固定发射端的时钟基准； (3)对各个固定发射端的时钟进行频率合成生成所需要的时钟频率源； (4)提供一个标准IPPS信号，经过一个脉冲分配单元得到4路一致的秒信号，作为各个固定发射端的发射起始时间的触发参考信号； (5)测定脉冲分配单元到各个固定发射端的电缆线带来的时间延迟； (6)分别扣除各个固定发射端的时间延迟，在触发参考信号到来后各固定发射端逐一延迟相同的时间后开始发射信息内容。
2.根据权利要求I所述的超宽带室内定位系统发射时序控制方法，其特征在于所述的四个固定发射端分别固定在室内顶面的四个墙角。
3.根据权利要求I所述的超宽带室内定位系统发射时序控制方法，其特征在于所述的延迟相同的时间包括发射信息的时间长度T和时隙t，t大于O。
4.根据权利要求3所述的超宽带室内定位系统发射时序控制方法，其特征在于所述的时隙t=5us。
全文摘要
本发明提供了一种超宽带室内定位系统发射时序控制方法，在室内布置四个固定发射端，将10MHz频率源信号分别作为4个固定发射端的时钟基准，并进行频率合成生成所需要的时钟频率源；提供一个标准1PPS信号作为各个固定发射端的发射起始时间的触发参考信号，分别扣除各个固定发射端的时间延迟，在触发参考信号到来后各固定发射端逐一延迟相同的时间后开始发射信息内容。本发明保证了整个室内定位系统的时钟同步，为最终的定位精度提供基本保障，并避免了射频端的相互干扰问题。
文档编号H04L7/00GK102843164SQ20121030611
公开日2012年12月26日 申请日期2012年8月27日 优先权日2012年8月27日
发明者卢晓春, 白燕, 饶永楠, 赵航, 邹德才, 王瑾 申请人:中国科学院国家授时中心