[发明专利]一种光载超宽带无线定位系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种定位系统，尤其涉及一种光载超宽带无线定位系统，属于超宽带无线通信技术领域。

背景技术

精确定位技术在航空航天、智能交通、工业生产、物流管理、家庭监控、反恐安保等领域得到了广泛应用。传统定位技术主要包括GPS定位、射频识别（RFID）定位、wifi定位、ZigBee定位、红外定位、超声波定位等定位技术。其中红外定位、超声波定位等非射频定位技术受非视距传播等因素影响较大，限制了它们在复杂环境下的应用。GPS定位系统定位范围极广，但是室内定位应用局限性较大，且终端复杂。wifi定位应用广泛、兼容性好，室内定位灵活，但是终端能耗很高。射频识别和ZigBee定位技术成本低、能耗低，然而这些射频定位技术却很容易受到外界的电磁干扰，定位稳定性一般。2002年，美国联邦通信委员会（FCC）在2002年批准了以往用于军事领域的超宽带（UWB）技术可以运用到民用领域中，超宽带技术便受到了热烈关注和广泛研究。超宽带信号（UWB）具有超窄脉冲（ps至ns级）、超宽的频谱宽度（10dB带宽最大达7.5GHz）和很低的功率谱密度（低于-41.3dBm/MHz），这些特性使得超宽带拥有极高的定位精度、极强的穿透能力和极低的能耗。因此超宽带信号非常适合高精度定位的应用。但是由于超宽带的功率谱密度较低，超宽带的大范围覆盖是一个必须解决的技术问题。光载超宽带技术是一个有效的解决方案，受到了国内外大量研究。光载超宽带技术利用光纤大带宽、低损耗、抗电磁干扰等特性，通过光纤将超宽带信号传送至多个服务区的基站，并将上行信号传回中心处理站，直接对超宽带模拟信号进行统一处理。其基站只需要对超宽带信号进行探测和光电调制，结构简单。基于光载超宽带技术的定位系统，目前研究较少，且尚无商用产品。

目前，国内外已研制成功不少面向商业应用的超宽带传感器网络定位系统，并开展了大量基于超宽带信号的应用研究。英国Ubisense公司开发的Ubisense超宽带定位系统用数据连接线将各定位传感器与定位平台连接，形成树状网络，采用TDOA和AOA定位技术相结合实现精度高达15cm的定位；美国Multispectral Solutions公司开发的Sapphire超宽带定位系统采用有线连接的链式结构，连接各超宽带接收机和处理站，室内定位精度达0.5-3英尺，室外定位精度小于0.5英尺。美国Time Domain公司的PLUS超宽带定位系统，通过同步分配器连接定位计算机和各接收机，系统的定位精度为正负15厘米。在国内，唐恩科技、成都昂迅、上海思品电子等也推出了精度达亚米级的超宽带定位系统和方案。上述系统的超宽带传感器节点均采用电缆或无线组网与计算和显示定位结果的中心处理站连接，经过两个步骤估计计算得到待测物的位置：步骤一，传感器节点接收到待测物发射的超宽带信号或者待测物反射的超宽带信号，估计出接收信号中能反映待测物位置信息的参数，比如波达时刻（TOA）、波达时差（TDOA）、波达方向角（AOA）、波达能量（RSS）等，而波达时刻和波达时差两个参数能充分利用超宽带脉冲极窄、时间分辨率极高的特性，故一般使用这两个参数。步骤二，传感器节点将估计得到的参数传送到中心处理站计算得到待测物的位置。然而，利用这种二步法也存在一定缺陷：1、为了降低系统成本，分布在探测区域的传感器节点往往比较简单，通常只能采用较简单的参数（如波达能量）或参数估计算法（如非相干算法估计波达时间），因此估计精度较低，限制了系统的定位性能；而为了提高估计精度，则必须采用复杂的算法（如相干算法估计波达时间）或较高的信号处理性能（如较高的采样率），这会大大增加参考节点复杂度和系统成本。2、绝大部分超宽带定位系统，其各传感器节点之间需要精确的时钟同步，复杂度较高，且很难准确同步。3、传感器节点由电缆或无线连接至中心处理站，信号传输损耗较大，且易受到外界电磁干扰的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有超宽带定位技术的不足，提供一种光载超宽带无线定位系统，能够在保证超宽带定位所具有的高定位精度的同时，有效降低传感器节点的软硬件复杂度，同时具有较低的传输损耗和较高的系统稳定性。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：