专利名称：高精度局部无线定位系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种局部无线定位系统，具体涉及一种能够在局部范围内(100米半
径)实现高精度定位、并且被定位目标节点功耗低的高精度局部无线定位系统。
背景技术：
目前，无线定位系统在工业自动化、军事目标定位、物流资产的跟踪、井下定位、危 险环境目标追踪等方面都有广泛应用。 现有的局部定位系统有基于到达时间(T0A)、基于到达时间差(TD0A)、基于到达 角度(A0A)、基于信号强度(RSSI)和干涉法定位系统等。以上定位系统都存在各自的缺陷， 例如，TOA、TDOA方案需要测量信号到达的时间，但是由于无线信号在空中以光速传播，在局 部范围内传播时间短，直接测量难度大；利用UWB技术的TOA方案具有高精度，但是无线传 播距离在IO米左右，其应用受到限制；AOA方案需要天线阵列结构复杂，不适合在局部定位 中应用；RSSI方案结构简单，但受噪声影响较大，精度低；干涉法定位具有较高的精度，但 是定位时间长，而且仅适用于静止的节点。综上所述，目前尚无能够在局部范围内(ioo米 半径)实现高精度定位的无线定位系统。
发明内容
发明目的为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种能够在局部范围内 (IOO米半径)实现高精度定位、并且被定位目标节点功耗低的高精度局部无线定位系统。
技术方案为了实现上述目的，本发明的一种高精度局部无线定位系统，包括锚节 点、被定位目标节点和中心处理�？椋诘惆ǘサ忝诘愫椭行拿诘悖サ忝诘悴� 署在接近被定位区域边缘的多边形的顶点上，中心锚节点紧靠部署在该多边形中心的中心 处理�？椋扛雒诘惴直鹩胫行拇砟？榱樱凰霰欢ㄎ荒勘杲诘闫绞贝τ谒咦刺� 当需要被定位时，锚节点向其发出唤醒信号，被定位目标节点被唤醒后，发射经ASK调制器 调制的无线信号，然后继续睡眠，直到下一次被唤醒；该无线信号通过锚节点的解调和鉴相 处理以及基于接收信号相位差的相关运算得到若干组到达时间差，再根据这些锚节点之间 的位置关系，确定被定位节点的位置。 本发明的高精度局部无线定位系统在使用时，在局部范围内(IOO米半径)通过布 设若干个固定且坐标已知的锚节点，获取被定位目标节点的位置坐标，实现平面局部范围 内任意目标节点的定位。被定位目标节点采用基于到达信号距离差的定位方法被定位目 标节点发送包含节点信息的无线信号，当信号到达多个不同的锚节点时，其到达的时间不 同，因此多个锚节点接收到的信号相互之间具有相位差，根据这个相位差能够计算出被定 位目标节点到多个锚节点的距离差。根据被定位目标节点到两个锚节点的距离差可以计算 出被定位目标节点的一维坐标，根据被定位目标节点到四个及以上的锚节点的距离差可以 计算出被定位目标节点的二维坐标。因此，通过测量被定位目标节点到四个或以上锚节点 的到达距离差，就能够唯一确定该被定位目标在平面中的位置。
所述锚节点的个数为n(n > 4)个，其中n_l个锚节点部署在多边形的顶点，1个锚 节点部署在多边形的中心；所述中心处理�？榘–n2个鉴相器、一个带有Cn2路A/D转换 器的微处理器MCU、一片实现数字调制和解调功能的FPGA芯片；每个鉴相器可测量两个锚 节点信号的相位差；Cn2个鉴相器输出的相位差信号送给Cn2路A/D转换器采样后交给微处 理器MCU，计算出被定位目标节点的位置；微处理器MCU控制FPGA芯片产生数字调制信号 或接收FPGA芯片送来的解调数据。 作为优�。雒诘愕母鍪甯觯渲兴母雒诘悴渴鹪诙啾咝蔚亩サ悖桓� 锚节点部署在多边形的中心；所述中心处理�？榘ㄊ黾嗥�、一个带有十路A/D转换 器的微处理器MCU、一片实现数字调制和解调功能的FPGA芯片；每个鉴相器可测量两个锚 节点信号的相位差；十个鉴相器输出的相位差信号送给十路A/D转换器采样后交给微处理 器MCU，计算出被定位目标节点的位置；微处理器MCU控制FPGA芯片产生数字调制信号或 接收FPGA芯片送来的解调数据。 所述被定位目标节点仅包括调制/解调和射频功能�？椋布虻ィ杀镜土槐� 定位目标节点发射经ASK调制器调制的无线信号，该无线信号被若干个锚节点同时接收和 处理。 所述被定位目标节点平时处于睡眠状态，仅当被锚节点发出的唤醒脉冲唤醒后， 在唤醒时间范围T内的任意时刻随机地发射一次经ASK调制器调制的无线信号，然后继续 睡眠，直到下一次被唤醒。 所述经ASK调制器调制的无线信号的数据包括节点标识号、奇偶校验码和测距信号。 所述锚节点包括天线和引线，多个锚节点共用一个中心处理�？椋扛雒诘阃� 过各自的引线与中心处理�？榱樱サ忝诘愕囊叱ざ认嗤恢行拿诘憬艨恐行拇� 理模块，引线长度接近为零。 本发明采用改进的DGPS算法，算法基础为DGPS算法，系统五个锚节的十个鉴相器 共产生十组测距数据，可计算出被定位目标节点的五组相对位置坐标，通过取平均的方法 可求出最终的坐标值。 本发明计算被定位目标节点发射的信号到达多个锚节点的距离差采用基于相位 差的相关运算的方法各锚节点收到的信号经下变频、低通滤波后发向鉴相器。鉴相器包括 限幅放大器、异或门和积分器。由于两路信号具有相位差，因此经过异或和对异或结果积分 后，该积分值直接反映信号的相位差值。积分值是一个大于等于零的值，且与相位差值呈线 性关系。鉴相器将该积分值输入给单片机后，单片机可根据相位差、信号频率和采样率的关 系计算出被定位目标节点到其中两个锚节点的距离差。由于鉴相器对接收到的多路数字信 号进行异或积分处理，锚节点接收信号中的噪声可以通过积分被平均掉，因此该方法具有 非常低的测距误差。 本发明对被定位目标节点的定位采用改进的DGPS算法。系统中部署五个锚节点 将四个锚节点部署在正多边形的顶点，(称该锚节点为顶点锚节点)；一个锚节点部署在正 多边形的中心(称该锚节点为中心锚节点)。顶点锚节点和中心锚节点的坐标已知，根据上 文所述定位系统获得被定位目标节点到每两个锚节点的距离差，共十组距离差。采用DGPS 算法可以获得被定位目标节点的相对位置坐标；系统中共五个锚节点，可计算出被定位目标节点的5组相对位置坐标，取平均可求出最终的坐标值。该系统的定位精度由锚节点部 署的位置决定，当顶点锚节点部署在被定位区域的边缘，则被定位目标节点的定位误差小 于lm(定位半径为100米)。 本发明在被定位目标节点中的处理是被定位目标节点被唤醒后，将在唤醒时间
范围T内的任意时刻随机地发射一次经ASK调制的无线信号，然后继续睡眠，直到下一次被
唤醒。唤醒脉冲由锚节点发出。每次发射的数据包括节点标识号、奇偶校验码和测距信号。
发射采用随机退避算法，避免不同的目标定位节点同时发射信号，产生空中碰撞。 本发明在被定位节点中采用的随机退避算法是每个节点被唤醒后，根据随机退
避算法计算出要发射数据的时刻t，然后睡眠直到t秒后醒来发射数据，在发射完数据后继
续睡眠，直到下一次被唤醒。 本发明的每个锚节点都包括天线，所有锚节点分别采用相同长度的引线与中心 处理模块相连。中心处理�？榘ㄈ舾山邮掌�、本地振荡器、鉴相器、多通道A/D转换器、 FPGA、单片机和网络接口。其中，接收器包括下变频器件和带通滤波器。FPGA中实现信号相 加和ASK调制/解调功能。 本发明锚节点对接收信号的处理过程是 对于下行信号1)MCU通过网络接口接收到上层处理器发送的数据，将该数据通 过数据接口发送给FPGA ;2)FPGA对数据进行ASK调制，调到低中频载波上；3)FPGA将低中 频数字信号发送给D/A，D/A进行数模转换，转化成模拟信号，发向发送器；4)发送器接收模 拟信号，进行上变频，最后通过锚节点的天线发送出去。 对上行信号各锚节点的天线接收信号后，进行滤波放大，分别发送给中心处理模 块中对应的接收器。所有接收器采用同一个本地载波进行下变频，产生低频信号。把低频 信号传送到中心处理�？�。在中心处理模块中，同时对各锚节点的低频信号进行鉴相和解 调处理 a)鉴相包括异或门和积分器，对输入两个信号做鉴相处理，获得其相位差，并输 入给单片机，进行进一步的处理1)根据相位差计算每两个锚节点之间的延时，产生延时 控制信号，用来调整解调过程中的相加器输入信号的对准；2)根据延时计算被定位目标节 点到多个锚节点的距离差；3)根据该距离差采用DGPS算法计算被定位节点的坐标；4)将 最终结果通过网络接口发送到上层处理器中。 b)解调对各锚节点的低频信号采用多通道A/D采样，将各路采样值输入到FPGA， 进行进一步的数字信号处理1)各路信号输入相加器，单片机输出延时控制信号控制相加 器的输入信号的延时，保证各路信号相互间没有延时；2)相加器输出进行ASK解调，得到目 标节点发送的调制信息。3)将解调结果发送到MCU，MCU进一步处理数据，通过网络接口将 数据发送到上层的处理器。 本发明的高精度局部定位系统的流程是 下行锚节点将唤醒信号调制到433MHz载波上，通过天线发给被定位目标节点；
上行目标节点被唤醒后，将在时间t内的任意时刻随机地发射一次经ASK调制的 无线信号，然后继续睡眠，直到下一次被唤醒。各锚节点一直处于接收状态。如果接收到信 号，则分别进行鉴相和解调处理。提取基带信号的节点标识号和奇偶校验码，验证接收是否 正确。如果接收正确，根据标识号判断是否需要对其进行定位。如果需要定位，对鉴相器输出的结果进行处理，采用DGPS定位算法计算被定位目标节点的位置坐标。 有益效果本发明的高精度局部定位系统，能够实现局部范围(100米半径)的高
精度无线定位，具有如下优点 1、本发明仅要求被定位目标节点能够发射包含节点信息的ASK调制信号，且信号 同时被多个锚节点接收，因此被定位目标节点具有小型化、低功耗、低成本的特点，能够广 泛应用在不同的场合中，采用退避算法使系统能定位多个节点，可以大大提高系统容量；
2、本发明的高精度局部定位系统，根据被定位目标节点到多个锚节点的距离差计 算目标节点的位置坐标；距离差的获得采用基于相位差的相关算法，可以解决直接测量时 间差的困难，同时抑制白噪声干扰，测量精度达0. 5米； 3、各锚节点采用同一个本地振荡源，同一个采样时钟，还利用功率检测及可变增
益放大器等技术，使各个锚节点间完全同步、无差别化，能够保证定位精度； 4、定位采用数据平滑处理以及DGPS算法进行定位，能够在较少的锚节点情况下，
减小测距误差对定位结果的影响，对被定位目标节点进行精确定位。
图1是本发明的高精度局部定位系统的结构图； 图2是本发明的高精度局部定位系统锚节点内部结构图； 图3是本发明的高精度局部定位系统的被定位目标节点处理流程图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。 如图1所示，本发明的一种高精度局部无线定位系统，包括锚节点1、被定位目标 节点2和中心处理�？�3，锚节点1包括顶点锚节点和中心锚节点，顶点锚节点部署在接近 被定位区域边缘的多边形的顶点上，中心锚节点紧靠部署在该多边形中心的中心处理�？� 3，每个锚节点l分别与中心处理�？�3连接。在本系统中，在待定位平面中心放置五个定 位锚节点，其中四个锚节点分别放置在正方形的四个顶点，另一个锚节点放置在这个正方 形的中心，且顶点锚节点尽量靠近带定位区域的边缘。 如图1和2所示，每个锚节点1都包括天线和引线，多个锚节点1共用一个中心处 理�？�3，每个锚节点1通过各自的引线与中心处理�？�3连接，顶点锚节点的引线长度相 同；中心锚节点紧靠中心处理�？�3，引线长度接近为零。中心处理�？榘ㄈ舾山邮掌�、 本地振荡器、鉴相器、多通道A/D转换器、FPGA、单片机和网络接口。其中，接收器包括下变 频器件和带通滤波器。FPGA芯片通过相加器和ASK调制实现信号相加和ASK调制/解调功 能。本实施例中，中心处理�？榘ㄊ黾嗥�、一个带有十路A/D转换器的微处理器MCU、 一片实现数字调制和解调功能的FPGA芯片；每个鉴相器可测量两个锚节点信号的相位差； 十个鉴相器输出的相位差信号送给十路A/D转换器采样后交给微处理器MCU，计算出被定 位目标节点的位置；微处理器MCU控制FPGA芯片产生数字调制信号或接收FPGA芯片送来 的解调数据。各个锚节点对信号的A/D变换都采用同一个时钟源，确保每个锚节点的接收 信号都是相互同步的。因此，锚节点可实现与被定位目标节点的通信和测量目标节点到多 个锚节点的距离差。
如图3所示，被定位目标节点在启动后首先初始化数据，设置唤醒时间范围T，当 被定位目标节点接收到锚节点发射的环形信号后被唤醒，被定位目标节点根据唤醒时间范 围T计算退避时间t，继续睡眠t秒后醒来发射节点标识号、奇偶校验码和测距信号。发射 结束后被定位目标节点继续睡眠。被定位目标节点发射采用随机退避算法，避免不同的目 标定位节点同时发射信号，产生空中碰撞。本实例中的被定位节点由TI公司的CC1110芯 片为核心的ASK发射模块和接收�？樽槌�。 各锚节点一直处于接收状态，如果接收到信号，则分别进行鉴相和解调处理。对基 带信号提取节点标识号和奇偶校验码，验证接收是否正确。如果接收正确，根据标识号判断 是否需要对其进行定位。如果需要定位，对鉴相器输出的结果进行处理，采用DGPS定位算 法计算被定位目标节点的位置坐标。 为了进一步提高定位精度，对测量的数值采用多次测量平滑数据，减小测距误差。 通过DGPS算法定位，最终得到被定位目标节点的坐标值。 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
权利要求
一种高精度局部无线定位系统，其特征在于包括锚节点(1)、被定位目标节点(2)和中心处理模块(3)，所述锚节点(1)包括顶点锚节点和中心锚节点，顶点锚节点部署在被定位区域边缘的多边形的顶点上，中心锚节点紧靠部署在该多边形中心的中心处理�？�(3)，每个锚节点(1)分别与中心处理�？�(3)连接；所述被定位目标节点(2)平时处于睡眠状态，当需要被定位时，锚节点(1)向其发出唤醒信号，被定位目标节点(2)被唤醒后，发射经ASK调制器调制的无线信号，然后继续睡眠，直到下一次被唤醒；该无线信号通过锚节点(1)的解调和鉴相处理以及基于接收信号相位差的相关运算得到若干组到达时间差，再根据这些锚节点(1)之间的位置关系，确定被定位节点(2)的位置。
2. 根据权利要求l所述的高精度局部无线定位系统，其特征在于所述锚节点(1)的个数为n (n > 4)个，其中n-l个锚节点部署在多边形的顶点，1个锚节点部署在多边形的中 心；所述中心处理�？�(3)包括Cn2个鉴相器、一个带有Cn2路A/D转换器的微处理器MCU、 一片实现数字调制和解调功能的FPGA芯片；每个鉴相器可测量两个锚节点信号的相位差； Cn2个鉴相器输出的相位差信号送给Cn2路A/D转换器采样后交给微处理器MCU，计算出被定 位目标节点(2)的位置；微处理器MCU控制FPGA芯片产生数字调制信号或接收FPGA芯片 送来的解调数据。
3. 根据权利要求2所述的高精度局部无线定位系统，其特征在于所述锚节点(1)的 个数为五个，其中四个锚节点部署在多边形的顶点，一个锚节点部署在多边形的中心；所述 中心处理�？�(3)包括十个鉴相器、一个带有十路A/D转换器的微处理器MCU、一片实现数 字调制和解调功能的FPGA芯片；每个鉴相器可测量两个锚节点信号的相位差；十个鉴相器 输出的相位差信号送给十路A/D转换器采样后交给微处理器MCU，计算出被定位目标节点 (2)的位置；微处理器MCU控制FPGA芯片产生数字调制信号或接收FPGA芯片送来的解调 数据。
4. 根据权利要求1至3任一项所述的高精度局部无线定位系统，其特征在于所述被 定位目标节点(2)包括调制/解调和射频功能模块，被定位目标节点(2)发射经ASK调制 器调制的无线信号，该无线信号被若干个锚节点(1)同时接收和处理。
5. 根据权利要求1至3任一项所述的高精度局部无线定位系统，其特征在于所述被 定位目标节点(2)平时处于睡眠状态，仅当被锚节点(1)发出的唤醒脉冲唤醒后，在唤醒时 间范围T内的任意时刻随机地发射一次经ASK调制器调制的无线信号，然后继续睡眠，直到 下一次被唤醒。
6. 根据权利要求5所述的高精度局部无线定位系统，其特征在于所述经ASK调制器 调制的无线信号的数据包括节点标识号、奇偶校验码和测距信号。
7. 根据权利要求1至3任一项所述的高精度局部无线定位系统，其特征在于所述锚 节点(1)包括天线和引线，每个锚节点(1)通过各自的引线与中心处理�？�(3)连接，顶点 锚节点的引线长度相同，中心锚节点紧靠中心处理�？�(3)。
全文摘要
本发明公开了一种高精度局部无线定位系统，包括锚节点、被定位目标节点和中心处理�？椋诘惆ǘサ忝诘愫椭行拿诘悖サ忝诘悴渴鹪诒欢ㄎ磺虮咴档亩啾咝蔚亩サ闵希行拿诘憬艨坎渴鹪诟枚啾咝沃行牡闹行拇砟？椋扛雒诘惴直鹩胫行拇砟？榱樱槐欢ㄎ荒勘杲诘闫绞贝τ谒咦刺毙枰欢ㄎ皇保欢ㄎ荒勘杲诘惚换叫眩⑸渚瑼SK调制器调制的无线信号，然后继续睡眠，直到下一次被唤醒；无线信号通过锚节点的解调和鉴相处理以及基于接收信号相位差的相关运算得到若干组到达时间差，再根据这些锚节点之间的位置关系，确定被定位节点的位置。本发明能够在局部范围内(100米半径)实现高精度定位，并且被定位目标节点功耗低。
文档编号G01S5/02GK101782643SQ20101902611
公开日2010年7月21日 申请日期2010年2月5日 优先权日2010年2月5日
发明者张倩, 王侃磊, 胡爱群 申请人:东南大学
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