CN110913466A - 基于多通信融合的超宽带uwb定位系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及终端定位技术领域，特别涉及一种基于多通信融合的超宽带UWB定位系统及方法，该定位系统包含：定位层，采用单站AOA测向定位获取定位数据；及网络层，包含无线组网的基站，及与基站连接的服务器；基站接收定位层定位数据并将定位数据传输至与上位机连接的服务器，以实现终端定位监控。本发明设计科学、合理，定位层通过UWB测向测距实现单站测距，在相同的定位覆盖范围下，减少基站的铺设数量，从而可降低整个系统的成本；同时，可减少定位标签的测距次数，从而可增加系统定位标签的容量，在相同容量下，可减少定位标签的功耗，降低设备安装部署难度和成本，具有较强的实用性和推广应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及终端定位技术领域，特别涉及一种基于多通信融合的超宽带UWB定位系统及方法。
背景技术
超宽带UWB定位技术具有系统复杂度低，发射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏感，截获能力低，定位精度高等优点，但UWB定位系统面临成本过高的缺点，不利于大规模推广。近年来，为减少UWB系统的铺设成本，目前主要有两种方式：有些厂商通过增加外部功率放大器(PA)和低噪声放大器(LNA)来提高UWB硬件的发射功率和接受灵敏度，以提高UWB的通信距离和覆盖范围，进而减少系统中UWB设备的数量，最终在一定程度上降低了UWB的成本。但这种方式仍然存在一些问题，首先，发射功率的提高受到一定限制，在地面上应用，根据国家工信部关于UWB技术频率使用规定，UWB的发射功率受限于<-41.3dBm/MHz，在井下应用，根据GB3836.1标准要求，射频功率不超过6W(36dBm)，因此单纯提高发射，对UWB系统成本的控制有限；其次，增大发射功率必然带来设备功耗的增大，通常为降低标签功耗，有两种方式：a.降低终端的发射接收/占空比，但需增加基站的发射接收/占空比，该方式实际上是将终端功耗转嫁到基站上，对于不便于供电的场景，设备续航时间受到极大限制；b.采用全网时间同步，但系统稳定性和灵活性较差。
发明内容
为此，本发明提供一种基于多通信融合的超宽带UWB定位系统及方法，设计科学、合理，在增加极少功耗的情况下，最大化的提高了UWB的覆盖范围；通过低成本、低功耗及远距离的通信技术进行网络层通信，实现远距离无线组网，满足低成本化UWB定位需求，适用性强。
按照本发明所提供的设计方案，一种基于多通信融合的超宽带UWB定位系统，包含：
定位层，采用单站AOA测向定位获取定位数据；
及网络层，包含无线组网的基站，及与基站连接的服务器；
基站接收定位层定位数据并将定位数据传输至与上位机连接的服务器，以实现终端定位监控。
作为本发明基于多通信融合的超宽带UWB定位系统，进一步地，所述定位层包含定位标签；所述定位标签作为定位终端，用于发射超宽带UWB信号。
作为本发明基于多通信融合的超宽带UWB定位系统，进一步地，所述网络层中基站采用无线基站，以实现与定位标签连接，接收定位标签UWB定位信息。
作为本发明基于多通信融合的超宽带UWB定位系统，进一步地，所述网络层还包含与基站连接的无线分站，接收基站反馈数据并通过以太网上传至与上位机连接的服务器。
作为本发明基于多通信融合的超宽带UWB定位系统，进一步地，所述基站包含UWB超宽带定位模组，和用于与定位标签及无线分站数据传输的通信模组。
作为本发明基于多通信融合的超宽带UWB定位系统，进一步地，所述UWB超宽带定位模组包含用于与定位标签进行测距测向的射频模块，和用于单站方向识别的天线模块。
作为本发明基于多通信融合的超宽带UWB定位系统，进一步地，所述天线模块采用多个单向天线实现与定位标签的测距测向，各个单向天线方向排列不同。
作为本发明基于多通信融合的超宽带UWB定位系统，进一步地，所述天线模块采用阵列天线实现与定位标签的测距测向。
作为本发明基于多通信融合的超宽带UWB定位系统，进一步地，所述无线分站通过以太网将数据传输至服务器，用于生成定位监控管理界面的上位机通过数据接口与服务器连接。
进一步地，本发明还提供一种基于多通信融合的超宽带UWB定位方法，基于上述的超宽带UWB定位系统实现，实现过程内容如下：基站先与定位标签约定测距时隙，然后由基站在相应的时隙内和定位标签依次完成AOA测向和测距；完成测距和AOA测向后，将距离和方向信息通过基站传输至所述无线分站，再由无线分站通过有线传输至与上位机连接的服务器上，以实现通过上位机对定位标签定位数据进行实时监管。
本发明的有益效果：
本发明设计科学、合理，定位层通过UWB测向测距实现单站测距，在相同的定位覆盖范围下，减少了基站的铺设数量，从而可降低整个系统的成本；同时，可减少定位标签的测距次数，从而可增加系统定位标签的容量，在相同容量下，可减少定位标签的功耗；进一步地，通过UWB通信模组和定位标签的时隙约定策略，UWB通信模组无需长时间保持接收，降低了UWB基站的功耗，可采用电池供电的方式，降低设备安装部署难度和成本，具有较强的实用性和推广应用价值。
附图说明：
图1为实施例中定位系统示意图；
图2为实施例中基站示意图；
图3为实施例中定位标签示意图；
图4为实施例中天线模块示意图；
图5为实施例中定位系统工作原理图。
具体实施方式：
图中标号，1、无线基站；10、定位模组；11、通信模组；2、定位标签；20、定位模组；21、通信模组；3、天线固定架；30、天线1；31、天线2；32、天线3；33、天线4；4、上位机；41、路由器；42、服务器；43、数据接口；44、无线分站；45、无线基站。
下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细的说明，并通过优选的实施例详细说明本发明的实施方式，但本发明的实施方式并不限于此。
为满足各方标准及使用要求，实现UWB定位系统的低成本化，本发明实施例，参见图1所示，提供一种基于多通信融合的超宽带UWB定位系统，包含：
定位层，采用单站AOA测向定位获取定位数据；
及网络层，包含无线组网的基站，及与基站连接的服务器；
基站接收定位层定位数据并将定位数据传输至与上位机连接的服务器，以实现终端定位监控。
图1中所示，定位层采用单站AOA测向定位，在增加极少功耗的情况下，最大化的提高了UWB的覆盖范围；网络层中基站之间通过低成本、低功耗及远距离的通信技术进行通信，实现远距离无线组网，实现UWB定位系统的低成本化。
作为本发明实施例中的基于多通信融合的超宽带UWB定位系统，进一步地，所述定位层包含定位标签；所述定位标签作为定位终端，用于发射超宽带UWB信号。
作为本发明实施例中的基于多通信融合的超宽带UWB定位系统，进一步地，所述网络层中基站采用无线基站，以实现与定位标签连接，接收定位标签UWB定位信息。
作为本发明实施例中的基于多通信融合的超宽带UWB定位系统，进一步地，所述网络层还包含与基站连接的无线分站，接收基站反馈数据并通过以太网上传至与上位机连接的服务器。
作为本发明实施例中的基于多通信融合的超宽带UWB定位系统，进一步地，所述基站包含UWB超宽带定位模组，和用于与定位标签及无线分站数据传输的通信模组。
作为本发明实施例中的基于多通信融合的超宽带UWB定位系统，进一步地，所述UWB超宽带定位模组包含用于与定位标签进行测距测向的射频模块，和用于单站方向识别的天线模块。
作为本发明实施例中的基于多通信融合的超宽带UWB定位系统，进一步地，所述天线模块采用多个单向天线实现与定位标签的测距测向，各个单向天线方向排列不同。便于基站分别通过每个天线与定位标签进行测距，基于信号幅度完成方向判定。
作为本发明实施例中的基于多通信融合的超宽带UWB定位系统，进一步地，所述天线模块采用阵列天线实现与定位标签的测距测向。
参见图2所示，无线基站中的UWB定位模组，为了增大测距范围，其射频部分可使用PA功率放大器和LNA低噪声放大器；为了实现单站方向识别，其天线部分可使用但不限于射频切换开关和UWB阵列天线，其天线也可以是由多个天线组成的组合天线。无线基站中的通信模组，为了实现无线基站间的远距离通信，其射频部分可使用低功耗、低成本以及远距离的射频模组，其天线部分根据应用场景不同，参见图4所示，可使用高增益的全向天线或定向天线，其增益不低于12dB。参见图3所示，为了增大测距范围，定位标签射频部分可使用PA功率放大器，LNA低噪声放大器，其天线部分可采用但不限于PCB天线、陶瓷天线等全向天线，可使用与基站的通信模组相同的通信技术，以实现两者较稳定的数据传输。由于基站通信模组使用高增益的天线，定位标签的通信模组也可适当降低发射功率，匹配基站的单站定位范围。无线分站中，可包括与无线基站通信技术相同的通信模组、光口、网口，还可包括但不限于用于数据传输的RS485、CAN等传输接口。
作为本发明实施例中的基于多通信融合的超宽带UWB定位系统，进一步地，所述无线分站通过以太网将数据传输至服务器，用于生成定位监控管理界面的上位机通过数据接口与服务器连接。
参见图5所示，传输监控过程中，定位数据从各个分站经由数据接口传输至服务器，经服务器处理后，传输至上位机，生成监控管理界面。分站也可以直接通过网线连接服务器，当系统中只有1个分站时，可不用数据接口，上位机可以直接运行在服务器上。
进一步地，本发明实施例还提供一种基于多通信融合的超宽带UWB定位方法，基于上述的超宽带UWB定位系统实现，实现过程内容如下：基站先与定位标签约定测距时隙，然后由基站在相应的时隙内和定位标签依次完成AOA测向和测距；完成测距和AOA测向后，将距离和方向信息通过基站传输至所述无线分站，再由无线分站通过有线传输至与上位机连接的服务器上，以实现通过上位机对定位标签定位数据进行实时监管。
本发明实施例中，无线基站和定位标签通过采用UWB定位模组和其他低功耗低成本的通信模组实现定位终端数据采集和传输；无线基站的UWB定位模组采用阵列天线或多个单向天线，便于全方位测距测向；也可通过基站的阵列天线或多个单向天线实现与定位标签的测向测距。无线基站和定位标签测距方式为单站测距，基站间部署间距较大，定位覆盖范围重叠较少，单站覆盖半径不少于500m。无线基站的通信模组可采用高增益的天线，在基站间距增大的同时，保证基站间通信质量。无线基站和定位标签通过通信模组约定定位时隙，可降低基站功耗，因此可实现无线基站在电池供电下的长续航，进一步减少系统安装部署成本。
本文中术语“和/或”表示可以存在三种关系。例如，A和/或B可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似词语并非现定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
上文中参照优选的实施例详细描述了本发明的示范性实施方式，然而本领域技术人员可理解的是，在不背离本发明理念的前提下，可以对上述具体实施例做出多种变型和改型，且可以对本发明提出的各技术特征、结构进行多种组合，而不超出本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。前述对本发明的具体示例性实施方案的描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (10)
1.一种基于多通信融合的超宽带UWB定位系统，其特征在于，包含：
定位层，采用单站AOA测向定位获取定位终端定位数据；
及网络层，包含无线组网的基站，及与基站连接的服务器；
基站接收定位层定位数据并将定位数据传输至与上位机连接的服务器，以实现终端定位监控。
2.根据权利要求1所述的基于多通信融合的超宽带UWB定位系统，其特征在于，所述定位层包含定位标签；所述定位标签作为定位终端，用于发射超宽带UWB信号。
3.根据权利要求2所述的基于多通信融合的超宽带UWB定位系统，其特征在于，所述网络层中基站采用无线基站，以实现与定位标签连接，接收定位标签UWB定位信息。
4.根据权利要求1所述的基于多通信融合的超宽带UWB定位系统，其特征在于，所述网络层还包含与基站连接的无线分站，接收基站反馈数据并通过以太网上传至与上位机连接的服务器。
5.根据权利要求3所述的基于多通信融合的超宽带UWB定位系统，其特征在于，所述基站包含UWB超宽带定位模组，和用于与定位标签及无线分站数据传输的通信模组。
6.根据权利要求5所述的基于多通信融合的超宽带UWB定位系统，其特征在于，所述UWB超宽带定位模组包含用于与定位标签进行测距测向的射频模块，和用于单站方向识别的天线模块。
7.根据权利要求6所述的基于多通信融合的超宽带UWB定位系统，其特征在于，所述天线模块采用多个单向天线实现与定位标签的测距测向，各个单向天线方向排列不同。
8.根据权利要求4所述的基于多通信融合的超宽带UWB定位系统，其特征在于，所述天线模块采用阵列天线实现与定位标签的测距测向。
9.根据权利要求1所述的基于多通信融合的超宽带UWB定位系统，其特征在于，所述无线分站通过以太网将数据传输至服务器，用于生成定位监控管理界面的上位机通过数据接口与服务器连接。
10.一种基于多通信融合的超宽带UWB定位方法，其特征在于，基于权利要求1～9任一项所述的超宽带UWB定位系统实现，实现过程内容如下：基站先与定位标签约定测距时隙，然后由基站在相应的时隙内和定位标签依次完成AOA测向和测距；完成测距和AOA测向后，将距离和方向信息通过基站传输至所述无线分站，再由无线分站通过有线传输至与上位机连接的服务器上，以实现通过上位机对定位标签定位数据进行实时监管。
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