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一種光載超寬帶無線定位系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光載超寬帶無線定位系統(tǒng)，屬于超寬帶無線通信【技術(shù)領域】。本發(fā)明的定位系統(tǒng)中，超寬帶傳感器節(jié)點之間由光纖順次連接，構(gòu)成一個環(huán)形超寬帶傳感器網(wǎng)絡，分布在探測區(qū)域中。通過精確控制各傳感器節(jié)點之間的光纖長度來實現(xiàn)光時分復用，將不同傳感器探測到的超寬帶信號分開到超寬帶信號源信號周期的不同時隙，來區(qū)分和識別各自傳感器節(jié)點的信號。超寬帶傳感器節(jié)點接收到攜帶待測物位置信息的超寬帶信號之后通過光纖傳回中心處理單元進行定位信號處理。本發(fā)明能夠在保證超寬帶定位所具有的高定位精度的同時，有效降低傳感器節(jié)點的軟硬件復雜度，同時具有較低的傳輸損耗和較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性。
【專利說明】一種光載超寬帶無線定位系統(tǒng)
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種定位系統(tǒng)，尤其涉及一種光載超寬帶無線定位系統(tǒng)，屬于超寬帶無線通信【技術(shù)領域】。
【背景技術(shù)】
[0002]精確定位技術(shù)在航空航天、智能交通、工業(yè)生產(chǎn)、物流管理、家庭監(jiān)控、反恐安保等領域得到了廣泛應用。傳統(tǒng)定位技術(shù)主要包括GPS定位、射頻識別(RFID)定位、wifi定位、ZigBee定位、紅外定位、超聲波定位等定位技術(shù)。其中紅外定位、超聲波定位等非射頻定位技術(shù)受非視距傳播等因素影響較大，限制了它們在復雜環(huán)境下的應用。GPS定位系統(tǒng)定位范圍極廣，但是室內(nèi)定位應用局限性較大，且終端復雜。wifi定位應用廣泛、兼容性好，室內(nèi)定位靈活，但是終端能耗很高。射頻識別和ZigBee定位技術(shù)成本低、能耗低，然而這些射頻定位技術(shù)卻很容易受到外界的電磁干擾，定位穩(wěn)定性一般。2002年，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)在2002年批準了以往用于軍事領域的超寬帶(UWB)技術(shù)可以運用到民用領域中，超寬帶技術(shù)便受到了熱烈關(guān)注和廣泛研究。超寬帶信號(UWB)具有超窄脈沖(ps至ns級)、超寬的頻譜寬度(IOdB帶寬最大達7.5GHz)和很低的功率譜密度(低于-41.3dBm/MHz)，這些特性使得超寬帶擁有極高的定位精度、極強的穿透能力和極低的能耗。因此超寬帶信號非常適合高精度定位的應用。但是由于超寬帶的功率譜密度較低，超寬帶的大范圍覆蓋是一個必須解決的技術(shù)問題。光載超寬帶技術(shù)是一個有效的解決方案，受到了國內(nèi)外大量研究。光載超寬帶技術(shù)利用光纖大帶寬、低損耗、抗電磁干擾等特性，通過光纖將超寬帶信號傳送至多個服務區(qū)的基站，并將上行信號傳回中心處理站，直接對超寬帶模擬信號進行統(tǒng)一處理。其基站只需要對超寬帶信號進行探測和光電調(diào)制，結(jié)構(gòu)簡單。基于光載超寬帶技術(shù)的定位系統(tǒng)，目前研究較少，且尚無商用產(chǎn)品。
[0003]目前，國內(nèi)外已研制成功不少面向商業(yè)應用的超寬帶傳感器網(wǎng)絡定位系統(tǒng)，并開展了大量基于超寬帶信號的應用研究。英國Ubisense公司開發(fā)的Ubisense超寬帶定位系統(tǒng)用數(shù)據(jù)連接線將各定位傳感器與定位平臺連接，形成樹狀網(wǎng)絡，采用TDOA和AOA定位技術(shù)相結(jié)合實現(xiàn)精度高達15cm的定位；美國Multispectral Solutions公司開發(fā)的Sapphire超寬帶定位系統(tǒng)采用有線連接的鏈式結(jié)構(gòu)，連接各超寬帶接收機和處理站，室內(nèi)定位精度達0.5-3英尺,室外定位精度小于0.5英尺。美國Time Domain公司的PLUS超寬帶定位系統(tǒng)，通過同步分配器連接定位計算機和各接收機，系統(tǒng)的定位精度為正負15厘米。在國內(nèi)，唐恩科技、成都昂迅、上海思品電子等也推出了精度達亞米級的超寬帶定位系統(tǒng)和方案。上述系統(tǒng)的超寬帶傳感器節(jié)點均采用電纜或無線組網(wǎng)與計算和顯示定位結(jié)果的中心處理站連接，經(jīng)過兩個步驟估計計算得到待測物的位置:步驟一，傳感器節(jié)點接收到待測物發(fā)射的超寬帶信號或者待測物反射的超寬帶信號，估計出接收信號中能反映待測物位置信息的參數(shù)，比如波達時刻(Τ0Α)、波達時差(TD0A)、波達方向角(Α0Α)、波達能量(RSS)等，而波達時刻和波達時差兩個參數(shù)能充分利用超寬帶脈沖極窄、時間分辨率極高的特性，故一般使用這兩個參數(shù)。步驟二，傳感器節(jié)點將估計得到的參數(shù)傳送到中心處理站計算得到待測物的位置。然而，利用這種二步法也存在一定缺陷:1、為了降低系統(tǒng)成本，分布在探測區(qū)域的傳感器節(jié)點往往比較簡單，通常只能采用較簡單的參數(shù)(如波達能量)或參數(shù)估計算法(如非相干算法估計波達時間)，因此估計精度較低，限制了系統(tǒng)的定位性能；而為了提高估計精度，則必須采用復雜的算法(如相干算法估計波達時間)或較高的信號處理性能(如較高的采樣率)，這會大大增加參考節(jié)點復雜度和系統(tǒng)成本。2、絕大部分超寬帶定位系統(tǒng)，其各傳感器節(jié)點之間需要精確的時鐘同步，復雜度較高，且很難準確同步。3、傳感器節(jié)點由電纜或無線連接至中心處理站，信號傳輸損耗較大，且易受到外界電磁干擾的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有超寬帶定位技術(shù)的不足，提供一種光載超寬帶無線定位系統(tǒng)，能夠在保證超寬帶定位所具有的高定位精度的同時，有效降低傳感器節(jié)點的軟硬件復雜度，同時具有較低的傳輸損耗和較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性。
[0005]本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題:
[0006]一種光載超寬帶無線定位系統(tǒng)，包括分布設置于探測區(qū)域的一個超寬帶信號源和包括η個超寬帶傳感器節(jié)點的超寬帶傳感器網(wǎng)絡，以及與所述超寬帶傳感器網(wǎng)絡信號連接的中心處理單元，η為大于I的自然數(shù)；所述η個超寬帶傳感器節(jié)點分別探測超寬帶信號源所發(fā)射的超寬帶直達波信號以及定位目標所反射的超寬帶回波信號，中心處理單元根據(jù)η個超寬帶傳感器節(jié)點所探測的超寬帶直達波及回波信號，利用TDOA定位方法確定定位目標的位置；其特征在于，所述超寬帶傳感器節(jié)點包括超寬帶信號接收模塊和與其電連接的電光調(diào)制器；所述超寬帶傳感器網(wǎng)絡還包括第一三端口光環(huán)形器，該三端口環(huán)形器具有沿光傳輸方向依次分布的第一、第二、第三端口 ；所述η個超寬帶傳感器節(jié)點的電光調(diào)制器依次通過光纖首尾相連，第I個超寬帶傳感器節(jié)點的電光調(diào)制器的光輸入端與第一三端口光環(huán)形器的第一端口連接，第η個超寬帶傳感器節(jié)點的電光調(diào)制器的光輸出端與第一三端口光環(huán)形器的第三端口連接，從而構(gòu)成一個環(huán)形光載超寬帶傳感器網(wǎng)絡；該環(huán)形光載超寬帶傳感器網(wǎng)絡中各段光纖的總長度小于等于cF*tKP，且其中一段光纖的長度大于其它各段光纖的長度，cF為光在光纖中的傳播速度，tEP為所述超寬帶信號源所發(fā)射超寬帶信號的周期；所述中心處理單元包括光源、第二三端口光環(huán)形器、光電探測器、信號處理模塊，第二三端口光環(huán)形器的第一、第二、第三端口分別與光源的光輸出端、第一光環(huán)形器的第二端口、光電探測器的光輸入端連接，光電探測器的輸出端與信號處理模塊的信號輸入端連接；信號處理模塊將光電探測器輸出的信號與超寬帶信號源所發(fā)射的信號進行互相關(guān)運算，然后根據(jù)互相關(guān)運算結(jié)果獲得η個超寬帶傳感器節(jié)點的波達時間差，最后利用TDOA定位方法確定定位目標的位置。
[0007]優(yōu)選地，所述探測區(qū)域滿足以下條件:
【權(quán)利要求】
1.一種光載超寬帶無線定位系統(tǒng)，包括分布設置于探測區(qū)域的一個超寬帶信號源和包括個超寬帶傳感器節(jié)點的超寬帶傳感器網(wǎng)絡，以及與所述超寬帶傳感器網(wǎng)絡信號連接的中心處理單元，/7為大于I的自然數(shù)；所述/7個超寬帶傳感器節(jié)點分別探測超寬帶信號源所發(fā)射的超寬帶直達波信號以及定位目標所反射的超寬帶回波信號，中心處理單元根據(jù)/7個超寬帶傳感器節(jié)點所探測的超寬帶直達波及回波信號，利用TDOA定位方法確定定位目標的位置；其特征在于，所述超寬帶傳感器節(jié)點包括超寬帶信號接收模塊和與其電連接的電光調(diào)制器；所述超寬帶傳感器網(wǎng)絡還包括第一三端口光環(huán)形器，該三端口環(huán)形器具有沿光傳輸方向依次分布的第一、第二、第三端口 ；所述/7個超寬帶傳感器節(jié)點的電光調(diào)制器依次通過光纖首尾相連，第I個超寬帶傳感器節(jié)點的電光調(diào)制器的光輸入端與第一三端口光環(huán)形器的第一端口連接，第個超寬帶傳感器節(jié)點的電光調(diào)制器的光輸出端與第一三端口光環(huán)形器的第三端口連接，從而構(gòu)成一個環(huán)形光載超寬帶傳感器網(wǎng)絡；該環(huán)形光載超寬帶傳感器網(wǎng)絡中各段光纖的總長度小于等于G*iKP，且其中一段光纖的長度大于其它各段光纖的長度，&為光在光纖中的傳播速度，?κρ為所述超寬帶信號源所發(fā)射超寬帶信號的周期；所述中心處理單元包括光源、第二三端口光環(huán)形器、光電探測器、信號處理模塊，第二三端口光環(huán)形器的第一、第二、第三端口分別與光源的光輸出端、第一光環(huán)形器的第二端口、光電探測器的光輸入端連接，光電探測器的輸出端與信號處理模塊的信號輸入端連接；信號處理模塊將光電探測器 輸出的信號與超寬帶信號源所發(fā)射的信號進行互相關(guān)運算，然后根據(jù)互相關(guān)運算結(jié)果獲得/7個超寬帶傳感器節(jié)點的波達時間差，最后利用TDOA定位方法確定定位目標的位置。
2.如權(quán)利要求1所述光載超寬帶無線定位系統(tǒng)，其特征在于，所述探測區(qū)域滿足以下條件:
3.如權(quán)利要求1或2所述光載超寬帶無線定位系統(tǒng)，其特征在于，所述電光調(diào)制器為馬赫增德爾調(diào)制器。
【文檔編號】G01S5/02GK103427905SQ201310338078
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2013年8月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月5日
【發(fā)明者】潘時龍, 傅劍斌, 張方正 申請人:南京航空航天大學