[发明专利]一种基于UWB和LoRa的单基站无线定位系统

说明书

本发明公开了一种基于UWB和LoRa的单基站无线定位系统，包括UWB定位标签模块、UWB探测模块、LoRa无线通信模块、PC端和电源模块；通过UWB定位标签模块发送UWB信号给单基站UWB探测模块，利用AOA/PDOA算法分别计算出UWB定位标签模块与基站之间的夹角和距离，从而得出待定位目标的坐标信息；再将位置信息数据通过LoRa自组网无线传输到PC端，通过PC端对数据进行解析、计算、滤波处理以及可视化显示。本发明实现了单基站、无线、高精度、长远距离监测定位目标的位置情况，极大程度地降低了定位经济成本，更易于架设部署。

技术领域

本发明属于无线定位技术领域，尤其涉及一种基于UWB和LoRa的单基站无线定位系统。

背景技术

随着无线通信技术的高速发展，基于位置信息服务的需求飞速增长。目前，卫星定位技术已提供了较好的室外定位服务。然而，在诸如大型隧道、楼房、地下车站和商场、矿井等环境中，卫星定位信号常受到严重衰减，无法提供高精度的位置信息，极大地限制了对于这类环境中的物品、车辆、人员的定位、监测、导航或者搜救能力。

近年来，UWB（Ultra wide band）无线定位技术逐渐成为了一个新的研究热点，是一种无线载波通信技术。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，能实现数百Mbit/s至2Gbit/s的数据传输速率。尤其地，UWB具有功耗低、传输速率快、穿透能力强、定位精度高以及可在复杂室内环境下精确定位的优势。

在UWB无线定位中，常用的定位方式为多基站组网定位，需要三个及以上的定位基站才能实现精准定位，主要依托的定位算法有：基于到达时间（Time of Arrival，TOA）以及到达时间差定位法（Time Difference of Arrival，TDOA)等，但这在较大程度上增加了经济成本、研发难度、架设难度等。然而，UWB技术作为一种短距离通信方式，其最远通信距离只能达到几百米级别，常用的基站传输数据的方式为有线传输，需要大规模的布置线缆，将耗费大量的人力、物力、财力。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种基于UWB和LoRa的单基站无线定位系统。基于UWB高精度无线定位技术和LoRa长远距离无线数据传输技术相融合，采用AOA/PDOA或AOA/TOF算法，实现了单一基站无线定位待测目标，极大地降低了定位成本，以及基站安装部署难度。特别地，融合了LoRa无线通信技术，将UWB定位位置信号通过LoRa无线自组网传输的方式，进行远距离、无线、实时、稳定的传输。最后，引入了修正的卡尔曼滤波算法，对待测目标的位置数据进行了实时的滤波处理，从而进一步地提高了定位精度。

本发明的一种基于UWB和LoRa的单基站无线定位系统，包括UWB定位标签模块、UWB探测模块、LoRa无线通信模块、处理终端和电源模块。

UWB定位标签模块置于待测目标上，用于发送UWB信号。

UWB探测模块集成于单基站上，用于接收UWB定位标签模块发送的UWB信号，再利用AOA算法计算UWB信号的到达角度，以及PDOA或TOF算法计算出待测目标与基站的距离，最终得到待测目标的位置坐标信息。

LoRa无线通信模块集成于单基站上，用于长远距离的无线数据传输，将UWB定位位置数据通过LoRa自组网无线传输到处理终端进行处理，整个自组网网络结构分为LoRa采集单元、LoRa中继单元和LoRa终端单元。

处理终端用于解析、计算、处理UWB探测模块通过LoRa无线通信模块发送的位置信息数据，其中，利用修正的卡尔曼滤波算法对数据进行滤波处理，实现实时滤除异常位置坐标点，提取有效数据，再利用处理后的数据进行可视化显示设置。

电源模块，为各模块供电。

进一步的，UWB探测模块设置双天线或多天线，利用双天线或多天线的细波束来区分多径信号，并选取两条能量最强的信号来获取相位信息。