[发明专利]高精度局部无线定位系统

说明书

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(TOA)、基于到达时间差(TDOA)、基于到达角度(AOA)、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10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(100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(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。

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模块，锚节点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模块，每个锚节点分别与中心处理模块连接；所述被定位目标节点平时处于睡眠状态，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(100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-1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；所述中心处理模块包括C_n²个鉴相器、一个带有C_n²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；C_n²个鉴相器输出的相位差信号送给C_n²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。

作为优选，所述锚节点的个数为五个，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；所述中心处理模块包括十个鉴相器、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/解调和射频功能模块，硬件简单，成本低廉；被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。