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1、(10)申请公布号 CN 104052525 A (43)申请公布日 2014.09.17 C N 1 0 4 0 5 2 5 2 5 A (21)申请号 201410225005.4 (22)申请日 2014.05.26 H04B 1/719(2011.01) G01S 5/02(2010.01) (71)申请人中国科学院国家授时中心 地址 710600 陕西省西安市临潼区书院东路 3号 (72)发明人王瑾 卢晓春 邹德财 白燕 徐劲松 (74)专利代理机构西北工业大学专利中心 61204 代理人顾潮琪 (54) 发明名称 基于超宽带的室内导航与通信一体化方法 (57) 摘要 本发明提供了一。
2、种基于超宽带的室内导航与 通信一体化方法，将三台发射机分别布置建筑物 内部三个角上，离室内地面垂直距离高于2米，且 处于同一水平面，另外一台发射机在室内的另一 个角上的地面上；发射机发射超宽带信号，移动 接收机进行捕获和跟踪发射端所发射的信号，最 终解算出接收点的位置。本发明集导航与通信功 能于一身，满足UWB高速无线通信和精密定位的 需要，同时达到整合资源、功能扩展、降低功耗体 积等目的。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书7页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书7页 (10)申请公布号 CN 104052525 A CN 1040。
3、52525 A 1/1页 2 1.一种基于超宽带的室内导航与通信一体化方法，其特征在于包括下述步骤： (一)将三台发射机分别布置建筑物内部三个角上，离室内地面垂直距离高于2米，且 处于同一水平面，另外一台发射机在室内的另一个角上的地面上；发射机发射超宽带信号， 移动接收机进行捕获和跟踪发射端所发射的信号； (二)所述的超宽带信号用复数基带信号表示为 其中Re()表示取信号的实部，T SYM 是符号的长度，N packet 是一个数据包内的符号数， f c (m)是第m个频带的中心频率，q(n)是将第n个符号映射到相应频带的函数，s n (t)是第 n个符号的复基带信号表达式，当时，s n (t。
4、)0， 其中s sync，n (t)为前导码的第n个符号，s frame，n (t)描述的是帧的第n个符号，N sync 为前 导码中的符号数，N packet N frame +N sync 为总符号数； (三)所述的超宽带信号用3个频带传输，其中第一个符号在中心频率为3432MHz的 频带上传输，第2个符号在中心频率为3960MHz的频带上传输，第3个符号在中心频率为 4488MHz的频带上传输，第4个符号在中心频率为3432MHz的频带上传输，如此循环往复，完 成整个信号的传输； (四)假设用户在t U，i 时刻接收到基站i在t S，i 时刻发射的信号，t U，j 时刻接收到基站 j在t。
5、 S，j 时刻发出的信号；其中t GPS，Si ，t GPS，Sj ，t GPS，U 分别表示基站i、基站j、用户User 的时间与外部标准时间的偏差(与GPS标准时的偏差)，则 基站i所发射信号到达用户的时间为(t U，i +t GPS，U )-(t S，i +t GPS，S，j ) 基站j所发射信号到达用户的时间为(t U，j +t GPS，U，j )-(t S，j +t GPS，S，j ) 则基站i、基站j所发射信号到达用户的时间差表示为： (t i -t j )(t U，i +t GPS，U )-(t S，i +t GPS，S，i )-(t U，i +t GPS，U )-(t S，j 。
6、+t GPS，S，j ) 若基站i与基站j发射信号采用等间隔发射，即t s，i -t s，j 为常数T，则 (t i -t j )(t U，j -t U，i )+T+(t GPS，S，i -t GPS，S，j ) t u，j -t u，i 通过信号在接收机内自相关、互相关处理后得到；因为 其中(X i ，Y i ，Z i )和(X j ，Y j ，Z j )是基站i和基站j的位置坐标，(x，y，z)是用户位置坐 标；联立三个以上的方程组即可解算出用户(x，y，z)位置。 权 利 要 求 书CN 104052525 A 1/7页 3 基于超宽带的室内导航与通信一体化方法 技术领域 0001 本发。
7、明涉及一种定位与通信方法。 背景技术 0002 超宽带(UWB-Ultra Wideband)技术是近年来发展起来的一种无线电技术，超宽带 技术以其传输速率高、抗干扰能力强、定位精确、功耗成本低等显著优点成为室内定位和高 速无线通信中的热门技术。 0003 信号体制是无线导航定位和通信系统技术体制最重要的组成部分之一，它以信号 为载体，作为系统中发射机、接收机以及监控部分之间协调工作的纽带，关系到系统定位、 授时和高速通信等基本功能以及定位测速授时精度、兼容和互操作性、保密性、抗干扰能力 等关键性能和指标的实现。一个设计合理、性能完善的信号体制，在无线导航定位和通信系 统中有着非常重要的位置。。
8、 0004 导航通信一体化有广泛的应用前景，特别是对动态系统的位置信息的回传和命中 目标的能力评估；对海上渔船遇险呼叫、抢救和无光缆及无移动通讯的边远地区的通信的 应用均有重大的实用价值。 0005 对室内定位系统的研究，已经有近30年的历史，总结起来，室内定位系统依赖的 技术主要有超声波、红外线等。超宽带(Ultra Wide Band，UWB)技术以其传输速率高、发射 信号功率小、信号功率谱密度低、抗多径干扰性能强等特点，将超宽带技术应用于室内定位 系统中，能够使系统在标识大小、功耗、造价、精度、实时性、通信能力以及可扩充性能等方 面得到大幅度提升。美国、加拿大、英国等发达国家近年来投入了。
9、大量的人力和物力来对相 关技术和产品进行研究和开发。Localizers系统是由美国AETHER WIRE&LOCATION开发的 室内定位系统。待定位的超宽带接收机和几个参考定位的收发信机之间进行脉冲通信，通 过监测信号中携带的伪随机码的时延来判断到不同参考点的距离，如果知道三个以上的参 考点就可以确定未知点的三维位置，以上所介绍的系统能实现室内精确的定位，但不具备 与外界通信能力。 0006 在高速无线通信方面，超宽带技术在无线通讯方面的创新性、利益性具有很大的 潜力，在商业多媒体设备、家庭和个人网络方面极大地提高了一般消费者和专业人员的适 应性和满意度。美国Intel公司和XtremeS。
10、pectrum公司更是早在2002年就推出了 采用大 规模集成电路、速率达100Mbps以上的UWB传输链路演示系统。2003年4月Intel公司演 示了多带方式的UWB系统，速率达到220Mbps，传输距离为1米；同时，新加坡资讯通信研究 院的UWB实验系统更是达到了500Mbps的速率，传输距离为4米。但这些系统只具备通信 能力，而不具备定位功能。 0007 导航与通信一体化信号体制的研究可有效扩充现有系统的功能，简化系统设计， 降低功耗体积，提高系统性能。因此对导航与通信一体化的研究一直是国内外学术界研发 的热点。基于超宽带的导航与通信一体化信号体制的研究在国外还没有相关报道；在国内 尚。
11、属首创，许多研究还处于起步阶段。基于UWB的导航与通信一体化信号体制的研究可以 说 明 书CN 104052525 A 2/7页 4 填补国内在超宽带导航与定位领域一项空白， 发明内容 0008 为了克服现有技术的不足，本发明提供一种室内导航与通信一体化方法，有效地 将导航信号传递给用户，抵抗各种干扰，提高用户测距精度，实现精确定位和通信功能，并 能与其他无线系统兼容互用。 0009 本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤： 0010 (一)将三台发射机分别布置建筑物内部三个角上，离室内地面垂直距离高于2 米，且处于同一水平面，另外一台发射机在室内的另一个角上的地面上；发射机发射超宽。
12、带 信号，移动接收机进行捕获和跟踪发射端所发射的信号； 0011 (二)所述的超宽带信号用复数基带信号表示为 0012 0013 其中Re()表示取信号的实部，T SYM 是符号的长度，N packet 是一个数据包内的符号数， f c (m)是第m个频带的中心频率，q(n)是将第n个符号映射到相应频带的函数，s n (t)是第 n个符号的复基带信号表达式，当时，s n (t)0， 0014 0015 其中s sync，n (t)为前导码的第n个符号，s frame，n (t)描述的是帧的第n个符号，N sync 为前导码中的符号数，N packet N frame +N sync 为总符号数。
13、； 0016 (三)所述的超宽带信号用3个频带传输，其中第一个符号在中心频率为3432MHz 的频带上传输，第2个符号在中心频率为3960MHz的频带上传输，第3个符号在中心频率为 4488MHz的频带上传输，第4个符号在中心频率为3432MHz的频带上传输，如此循环往复，完 成整个信号的传输； 0017 (四)假设用户在t U，i 时刻接收到基站i在t S，i 时刻发射的信号，t U，j 时刻接收到 基站j在t S，j 时刻发出的信号；其中t GPS，Si ，t GPS，Sj ，t GPS，U 分别表示基站i、基站j、用 户User的时间与外部标准时间的偏差(与GPS标准时的偏差)，则 00。
14、18 基站i所发射信号到达用户的时间为(t U，i +t GPS，U )-(t S，i +t GPS，S，j ) 0019 基站j所发射信号到达用户的时间为(t U，j +t GPS，U，j )-(t S，j +t GPS，S，j ) 0020 则基站i、基站j所发射信号到达用户的时间差表示为： 0021 (t i -t j )(t U，i +t GPS，U )-(t S，i +t GPS，S，i )-(t U，i +t GPS，U )-(t S，j +t GPS，S，j ) 0022 若基站i与基站j发射信号采用等间隔发射，即t s，i -t s，j 为常数T，则 0023 (t i -t 。
15、j )(t U，j -t U，i )+T+(t GPS，S，i -t GPS，S，j ) 0024 t u，j -t u，i 通过信号在接收机内自相关、互相关处理后得到；因为 0025 0026 其中(X i ，Y i ，Z i )和(X j ，Y j ，Z j )是基站i和基站j的位置坐标，(x，y，z)是用户位 置坐标；联立三个以上的方程组即可解算出用户(x，y，z)位置。 0027 本发明的有益效果是：本发明基于UWB的导航定位系统和通信系统信号体制的建 说 明 书CN 104052525 A 3/7页 5 立与实施，集导航与通信功能于一身，满足UWB高速无线通信和精密定位的需要，同时达。
16、到 整合资源、功能扩展、降低功耗体积等目的。 具体实施方式 0028 下面结合实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。 0029 本发明包括以下步骤： 0030 (三)基于超宽带室内定位系统采用发射机固定，接收机固定的模式。系统主要由 四台固定发射机、移动接收机组成，其中三台发射机分别布置建筑物内部三个角上，离室内 地面垂直距离高于2米，且处于同一水平面，另外一台发射机在室内的另一个角上的地面 上，如此布置以获得更好的性能。发射机发射超宽带信号，移动接收机进行捕获和跟踪发射 端所发射的信号，在接收机内部进行相关、解调等模块运算， 最终解算出接收点的位置。 0031 (四)信号。
17、格式(前导码+有效数据的结构) 0032 导航与通信的实现都是通过信号进行实现的，本系统的信号传输采用基于帧的标 准结构，以有利于进行高速无线多媒体通信，信号帧主要由前导码和有效数据两部分组成。 0033 发射的RF信号可以用下面的复数基带信号来描述： 0034 0035 其中Re()表示取信号的实部，T SYM 是符号的长度，N packet 是一个数据包内的符号数， f c (m)是第m个频带的中心频率，q(n)是将第n个符号映射到相应频带的函数，s n (t)是第 n个符号的复基带信号表达式，它满足下面的性质：当时，s n (t)0。第n个符号 的确切结构取决于它在数据包中的位置： 00。
18、36 0037 其中s sync，n (t)为前导码的第n个符号，s frame，n (t)描述的是帧的第n个符号，N sync 为前导码中的符号数，N packet N frame +N sync 为总符号数。N frame ，N sync 以及N packet 的准确值如表 1所示。 0038 复时域信号s n (t)可以由离散时间信号s n (k)的实部和虚部分量通过数模变换器 (DAC)和抗混叠滤波器产生。 0039 (三)信号传输 0040 所产生的信号使用3个频带传输，其中第一个符号在中心频率为3432MHz的频 带上传输，第2个符号在中心频率为3960MHz的频带上传输，第3个符。
19、号在中心频率为 4488MHz的频带上传输，第4个符号在中心频率为3432MHz的频带上传输，如此循环往复，完 成整个信号的传输。 0041 (四)利用信号进行定位 0042 假设用户在t U，i 时刻接收到基站i在t S，i 时刻发射的信号，t U，j 时刻接收到基站j 在t S，j 时刻发出的信号。其中t GPS，Si ，t GPS，Sj ，t GPS，U 分别表示基站i、基站j、用户User 的时间与外部标准时间的偏差(与GPS标准时的偏差)。则 0043 基站i所发射信号到达用户的时间为TOA：(t U，i +t GPS，U )-(t S，i +t GPS，S，j ) 说 明 书CN 。
20、104052525 A 4/7页 6 0044 基站j所发射信号到达用户的时间为TOA：(t U，j +t GPS，U，j )-(t S，j +t GPS，S，j ) 0045 则基站i、基站j所发射信号到达用户的时间差(TDOA)可表示为： 0046 (t i -t j )(t U，i +t GPS，U )-(t S，i +t GPS，S，i )-(t U，i +t GPS，U )-(t S，j +t GPS，S，j ) (1) 0047 若基站i与基站j发射信号采用等间隔发射，即t s，i -t s，j 为常数T，则(1)式又可 表示为： 0048 (t i -t j )(t U，j -t。
21、 U，i )+T+(t GPS，S，i -t GPS，S，j ) (2) 0049 t u，j -t u，i 可通过信号在接收机内自相关、互相关处理后得到。又因为 0050 0051 其中(X i ，Y i ，Z i )和(X j ，Y j ，Z j )是基站i和基站j的位置坐标，(x，y，z)是用户位 置坐标。联立三个以上的方程组即可解算出用户(x，y，z)位置。 0052 基于超宽带的室内导航与通信一体化信号体制是基于多频带正交频分复用 (MB-OFDM)的，FCC将未授权的3.110.6GHz频段划归超宽带使用，MB-OFDM方案将UWB 频谱分为14个频带，每个频带的带宽为528MHz。
22、。前12个频带分成4个频带组，每组有3 个频带，最后两个频带被分配至第五频带组。在现有射频CMOS的技术下，3.1-4.8GHz被认 为是UWB设备应用最有效的频带(能简化射频和前端模拟电路以缩短上市时间，同时避免 来自IEEE802.11a所使用的频带干扰)，因此本系统选用第一频带组，载波中心频率分别为 3432MHz、3960MHz、4488MHz。 0053 IEEE802.15.3a标准通过时频编码来划分逻辑信道，将已编码信息在3个频带上 进行交织，成为时频交织器。 0054 MB-OFDM支持数据率包括：53.3Mb/s，80Mb/s，106.7Mb/s，160Mb/s，200Mb/。
23、s， 320Mb/s，400Mb/s和480Mb/s。考虑硬件设计与实现的复杂度，选用53.3Mb/s的数据速率。 0055 每个符号共165个采样点，主要由128点的IFFT数据和37个采样点的补零后缀 组成。在128点的IFFT中，IFFT的周期为242.5ns，数据子载波数为100，导频子载波数为 12，保护子载波为10，其余6个子载波为直流分量。为了克服多径效应并提供足够的时间供 发送和接收端切换跳频，在每个符号前插入60.6ns的零前缀和9.5ns 的零后缀，共计37个 采样点。 0056 基于超宽带的室内导航与通信一体化信号体制基本参数如表1所示。 0057 导航信号的产生过程如下。
24、： 0058 1.前导码的产生 0059 前导码是信号帧的第一部分，前导码主要由3个符号的包检测序列、21个符号的 帧检测序列和6个信道估计序列组成。具体生成过程如下： 0060 (1)首先由16bit等级序列A与8bit扩展序列B相乘生成128bit序列C， 0061 (2)添加37比特的补零后缀得到165bit的一个符号的前导序列S exe ， 0062 (3)一个符号的前导序列S exe 与符号扩展序列S cover 相乘得到30个符号的帧检测 序列。 0063 等级序列A、扩展序列B、扩展序列S cover 值详见表2、表3、表4。 0064 2.有效数据单元的产生 0065 (1)首。
25、先根据发射端的传输速率、传输数据长度等基本参数确定每个符号中所包 说 明 书CN 104052525 A 5/7页 7 含的数据比特数为100，编码速率为1/3； 0066 (2)利用生成多项式G(x)1+x 3 +x 10 生成伪随机码，通过添加适当的“0”(至少6 个)，使得比特流的长度是300的整数倍； 0067 (3)利用多项式为的扰码器对比特流进行扰 码；用6个未扰码的“0”比特替换6个“0”经过扰码后形成的比特； 0068 (4)利用卷积编码器对数据进行1/3速率的卷积编码，并利用打孔器将卷积编码 后的码速率提高到1/2； 0069 (5)将打孔器的输出数据流送往交织器进行交织处理。
26、，并将交织后的数据流分成 长度为100个比特的块，然后送往QPSK调制器将其调制成复数信号； 0070 (6)将调制后的复数信号分成长度为50比特的若干组，将每组数据利用时域/频 域扩展器将其扩展成长度为200比特的数据块；其中前1至100个比特的数据可形成一个 奇数OFDM符号，第101至200个比特数据可形成一个偶数OFDM符号。每100个比特数据映 射到编号为-56、-54-46、-44-36、-34-26、-24-16、-14-6、-4-1、14、6 14、1624、2634、3644、46、5456的子载波上；编号为-55、-45、-35、-25、-15、-5、 5、15、25、35。
27、、45、55的子载波用来插入导 频；编号为-61，-60，-57和57，58，61的 子载波插入保护数据；代表中心频率的0号子载波为直流分量； 0071 (7)经过映射并插入保护子载波、导频子载波的信号经过128点反傅立叶变换为 时域信号，再在每128个时域信号后添加37个“0”后缀，从而形成一个OFDM符号； 0072 (8)根据数据长度，经过以上过程即可得到由若干个(一般为6的整数倍)OFDM符 号组成的有效数据。 0073 表1系统参数 0074 说 明 书CN 104052525 A 6/7页 8 0075 表2序列A 0076 0077 表3序列B 0078 0079 表4扩展序列S cover 0080 说 明 书CN 104052525 A 7/7页 9 说 明 书CN 104052525 A 。