基于调频连续波的室内定位装置及方法.pdf

基于调频连续波的室内定位装置，由主控制器、至少不共线的三个基站和若干待定位标签组成，所述控制器由同步控制模块和通信控制模块组成，所述基站能够发射调频连续波并与待定位标签和主控制器进行通信，所述同步控制模块控制其中两个基站同步发射信号，所述待定位标签能够在接收到两个基站发射的信号后对其进行自差拍处理，所述待定位标签还具备数字信号处理功能。利用以上装置，本发明还公开了一种基于调频连续波的室内定位方法，本发明采用调频连续波体制，利用双曲定位确定标签坐标；采用广播式的系统结构，标签被动接收降低标签功耗；相比现有定位技术，具有高精度、高动态、低功耗的优势。

权利要求书
1.  基于调频连续波的室内定位装置，其特征在于，由主控制器、至少不共线的三个基站和若干待定位标签组成，所述控制器由同步控制模块和通信控制模块组成，所述基站能够发射调频连续波并与待定位标签和主控制器进行通信，所述同步控制模块控制其中两个基站同步发射信号，所述待定位标签能够在接收到两个基站发射的信号后对其进行自差拍处理，所述待定位标签还具备数字信号处理功能,控制器与各个基站之间的同步信号传输延时相等。

2.  如权利要求1所述基于调频连续波的室内定位装置，其特征在于，所述基站由基站通信模块、调频连续波发生器、基站放大器、基站天线组成，信号流向依次为基站通信模块-调频连续波发生器-基站放大器-基站天线。

3.  如权利要求1所述基于调频连续波的室内定位装置，其特征在于，所述待定位标签由标签天线、标签放大器、功分器、混频器、滤波放大器、数字信号采集处理模块、标签通信模块和显示器组成，信号流向依次为标签天线、标签放大器、功分器、混频器、滤波放大器、数字信号采集处理模块；所述数字信号采集处理模块还与标签通信模块和显示器数据连结；所述功分器的两个信号输出端均输入到混频器进行自差拍。

4.  如权利要求1所述基于调频连续波的室内定位装置，其特征在于，所述主控制器中的同步控制模块为同步信号发生器或主调频连续波发生器；所述基站由基站通信模块、基站调频连续波发生器、基站放大器、基站天线组成，基站放大器输出端与基站天线连接；
所述基站调频连续波发生器能在主控制器同步控制模块输出的同步信号的控制下产生调频连续波，或者接收主控制器同步控制模块输出的调频连续波，所述基站放大器能对基站调频连续波发生器输出的调频连续波进行放大；所述基站通信模块能与主控制器中的通信控制模块进行通信。

5.  如权利要求1所述基于调频连续波的室内定位装置，其特征在于,所述控制器与各个基站之间通过有线方式传输信号，且控制器到各个基站的同步信号传输线传输延时相等。

6.  基于调频连续波的室内定位方法，其特征在于，包括若干个独立标签定位步骤，所述独立标签定位步骤包括如下步骤：
SS1.主控制器选择两个基站A、B；向其发送定位命令，基站收到定位命令后通过基站通信模块与待定位标签建立通信，并向待定位标签发送两个基站的编码和坐标，待定位标签接收到基站编码和坐标信息后进入接收状态；
SS2. 主控制器向基站A、B发送同步信号或调频连续波信号，基站A和基站B接收到同步信号或调频连续波信号后，调频连续波发生器产生同步的调频连续波信号，或直接输出接收到的同步调频连续波信号，并向室内空间发射，经过一个调频周期后，基站A和基站B停止发射；
所述调频周期Tm满足：                                                、
其中，R1，R2为基站A、B到待定位标签的距离，c为光速；
SS3.待定位标签接收到来自基站A、B发送的调频连续波信号后做自差拍，并通过后续处理将频率差转换为距离差；
SS4.将基站A、B中任意一个更换为与A、B不共线的基站C，重复步骤SS1-SS3；利用两次步骤SS3中得到的两个距离差及基站A、B、C的坐标，采用双曲定位算法，得到待定位标签的坐标信息。

7.  如权利要求6所述基于调频连续波的室内定位方法，其特征在于，待定位标签不止一个，基站不少于三个，各基站在主控制器的控制下两两分时同步发射调频连续波信号，不同待定位标签的定位步骤并行进行。

8.   如权利要求6所述基于调频连续波的的室内定位方法，其特征在于，所述步骤SS2中的调频连续波为线性调频连续波或步进调频连续波。

9.  如权利要求6所述基于调频连续波的的室内定位方法，其特征在于，
所述步骤SS2中的调频连续波为线性调频连续波时，所述步骤SS3中对距离差计算方法为：将AD转换器输出的数字信号做傅里叶变换，得到输出信号的频谱，从中选取峰值点对应的模拟频率F,利用F得到待定位标签与两个发射基站之间的距离差ΔR
 
上式中，f0和f1分别为两个基站发射同步调频连续波的起始频率，k为调频斜率；
所述步骤SS2中的调频连续波为步进调频连续波时，所述步骤SS3中对距离差计算方法为：将AD转换器输出的数字信号做逆离散傅里叶变换，得到输出信号的频谱，选取峰值点对应的频点F，利用F得到待定位标签与两个发射基站之间的距离差ΔR
 
上式中，f0和f1分别为两个基站发射同步调频连续波的起始频率，k为调频斜率，Δf为频率步进增量，Ts为每个频点持续时间。

10.  如权利要求6所述基于调频连续波的室内定位方法，其特征在于，所述步骤SS4中的两个基站发射调频连续波起始频率不同，利用双曲定位算法的过程中,并根据以下公式在双曲线中筛选出符合该公式的曲线部分；
当发射信号为线性调频连续波时：

其中F为AD转换器输出的数字信号经傅里叶变换后，频谱峰值点对应的模拟频率，f0和f1分别为两个基站发射调频连续波的起始频率； ，R1，R2为基站A、B到待定位标签的距离，c为光速；k为调频斜率； 
当发射信号为步进调频连续波时，根据下式筛选双曲线：

其中F为AD转换器输出的数字信号经逆离散傅里叶变换后，频谱峰值点对应的频点，Ts为每个频点持续时间；
筛选出双曲线后，进一步确定双曲线的焦点以确定标签坐标。

说明书基于调频连续波的室内定位装置及方法
技术领域
本发明属于电子通信领域，涉及一种基于调频连续波的室内定位装置及方法。
背景技术
在大型商场、展会、医院、候机楼等各种复杂的室内环境中，人们常常需要借助移动终端以实时精确确定自身、商铺、安全出口等室内位置信息。GPS（全球定位系统）技术因具有全天候、高精度和自动测量的特点而被广泛应用于室外定位与导航领域，但因卫星信号穿透力较弱，难以穿透钢筋水泥，而无法在室内正常工作。随着现代社会对数据业务和多媒体业务需求的不断快速增长，人们对定位与导航服务的需求日益增大，尤其在室内导航方面，室内导航通过精确获取移动终端或其持有者、设施与物品在室内的位置信息，来实现对移动终端的导航，如在上述复杂的室内环境中，快速引导移动终端持有者到达目的地。对室内导航的需求推动了室内定位技术的不断快速发展。
目前常见的室内定位技术有红外线室内定位技术、超声波室内定位技术、蓝牙室内定位技术、射频识别（RFID）室内定位技术以及紫蜂（ZigBee）室内定位技术。
红外线室内定位技术通过安装在室内的光学传感器接收标签发射的调制红外射线进行定位，其结构简单实现容易，但由于红外线仅能视距传播，且容易受到荧光灯或房间内灯光干扰，在精确定位上有很大局限性；超声波室内定位技术主要采用反射式测距法，通过三角定位算法确定物体的位置，但超声波受多径效应以及非视距传播的影响很大，不适用于室内环境；蓝牙室内定位技术通过测量标签的信号强度进行定位，其优点在于设备体积小，易于集成在移动终端设备中，但是蓝牙器件对于复杂的空间环境，稳定性较差，受噪声干扰大；RFID室内定位技术受环境干扰小，但其定位精度受参考标签位置以及密度影响，计算量大，动态性差；ZigBee室内定位技术是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，其成本及技术复杂度都较低，已得到了大规模的应用，然而，ZigBee室内定位技术受限于2.4GHz工作频段以及较小的工作带宽，而且受多径效应的影响，在复杂多变的室内环境下，定位精度有较大的局限性。
综上所述，现有的室内定位技术多存在多目标环境中动态性低、定位精度不高的缺点。
发明内容
为克服现有室内定位方法存在多目标环境中动态性低、定位精度不高的技术缺陷，本发明公开了一种基于调频连续波的室内定位装置及室内定位方法。
本发明所述基于调频连续波的室内定位装置，由主控制器、至少不共线的三个基站和若干待定位标签组成，所述控制器由同步控制模块和通信控制模块组成，所述基站能够发射调频连续波并与待定位标签和主控制器进行通信，所述同步控制模块控制其中两个基站同步发射信号，所述待定位标签能够在接收到两个基站发射的信号后对其进行自差拍处理，所述待定位标签还具备数字信号处理功能,控制器与各个基站之间的同步信号传输延时相等。
具体的，所述基站由基站通信模块、调频连续波发生器、基站放大器、基站天线组成，信号流向依次为基站通信模块-调频连续波发生器-基站放大器-基站天线。
具体的，所述待定位标签由标签天线、标签放大器、功分器、混频器、滤波放大器、数字信号采集处理模块、标签通信模块和显示器组成，信号流向依次为标签天线、标签放大器、功分器、混频器、滤波放大器、数字信号采集处理模块；所述数字信号采集处理模块还与标签通信模块和显示器数据连结；所述功分器的两个信号输出端均输入到混频器进行自差拍。
具体的，所述主控制器中的同步控制模块为同步信号发生器或主调频连续波发生器；所述基站由基站通信模块、基站调频连续波发生器、基站放大器、基站天线组成，基站放大器输出端与基站天线连接；
所述基站调频连续波发生器能在主控制器同步控制模块输出的同步信号的控制下产生调频连续波，或者接收主控制器同步控制模块输出的调频连续波，所述基站放大器能对基站调频连续波发生器输出的调频连续波进行放大；所述基站通信模块能与主控制器中的通信控制模块进行通信。
优选的,所述控制器与各个基站之间通过有线方式传输信号，且控制器到各个基站的同步信号传输线传输延时相等。
本发明还公开了一种基于调频连续波的室内定位方法，包括若干个独立标签定位步骤，所述独立标签定位步骤包括如下步骤：
SS1.主控制器选择两个基站A、B；向其发送定位命令，基站收到定位命令后通过基站通信模块与待定位标签建立通信，并向待定位标签发送两个基站的编码和坐标，待定位标签接收到基站编码和坐标信息后进入接收状态；
SS2. 主控制器向基站A、B发送同步信号或调频连续波信号，基站A和基站B接收到同步信号或调频连续波信号后，调频连续波发生器产生同步的调频连续波信号，或直接输出接收到的同步调频连续波信号，并向室内空间发射，经过一个调频周期后，基站A和基站B停止发射；
所述调频周期Tm满足：                                                、
其中，R1，R2为基站A、B到待定位标签的距离，c为光速；
SS3.待定位标签接收到来自基站A、B发送的调频连续波信号后做自差拍，并通过后续处理将频率差转换为距离差；
SS4.将基站A、B中任意一个更换为与A、B不共线的基站C，重复步骤SS1-SS3；利用两次步骤SS3中得到的两个距离差及基站A、B、C的坐标，采用双曲定位算法，得到待定位标签的坐标信息。
优选的，待定位标签不止一个，基站不少于三个，各基站在主控制器的控制下两两分时同步发射调频连续波信号，不同待定位标签的定位步骤并行进行。
具体的，所述步骤SS2中的调频连续波为线性调频连续波或步进调频连续波。
具体的，所述步骤SS2中的调频连续波为线性调频连续波时，所述步骤SS3中对距离差计算方法为：将AD转换器输出的数字信号做傅里叶变换，得到输出信号的频谱，从中选取峰值点对应的模拟频率F,利用F得到待定位标签与两个发射基站之间的距离差ΔR

上式中，f0和f1分别为两个基站发射同步调频连续波的起始频率，k为调频斜率；
所述步骤SS2中的调频连续波为步进调频连续波时，所述步骤SS3中对距离差计算方法为：将AD转换器输出的数字信号做逆离散傅里叶变换，得到输出信号的频谱，选取峰值点对应的频点F，利用F得到待定位标签与两个发射基站之间的距离差ΔR

上式中，f0和f1分别为两个基站发射同步调频连续波的起始频率，k为调频斜率，Δf为频率步进增量，Ts为每个频点持续时间。
优选的，所述步骤SS4中的两个基站发射调频连续波起始频率不同，利用双曲定位算法的过程中,并根据以下公式在双曲线中筛选出符合该公式的曲线部分；
当发射信号为线性调频连续波时：
 
其中F为AD转换器输出的数字信号经傅里叶变换后，频谱峰值点对应的模拟频率，f0和f1分别为两个基站发射调频连续波的起始频率； ，R1，R2为基站A、B到待定位标签的距离，c为光速；k为调频斜率； 
当发射信号为步进调频连续波时，根据下式筛选双曲线：

其中F为AD转换器输出的数字信号经逆离散傅里叶变换后，频谱峰值点对应的频点，Ts为每个频点持续时间；
筛选出双曲线后，进一步确定双曲线的焦点以确定标签坐标。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：在算法设计方面，采用调频连续波体制，通过大的带宽，获得高精度距离差测量结果，并通过基站发射不同起始频率的调频连续波信号，排除虚假标签坐标；在系统设计方面，采用广播式的系统结构，基站优选分时发射标签被动接收，降低了标签功耗，在多标签环境中，各标签并行接收同时定位，具有数据率大、动态性高、标签容量大的特点。因此，该发明相比现有定位技术，具有高精度、高动态、低功耗的优势。
附图说明
图1为系统结构示意图；
图2(a)为基站结构示意图，图2(b)为标签结构示意图，图2(c)为主控制器结构示意图；
图3为定位区域示意图；
图4为锯齿波调制的线性调频连续波的原理示意图；
图5为双曲定位虚假标签示意图；
图6为双曲定位排除虚假标签示意图；
图7为本发明对应的一种室内定位装置系统工作流程图；
图8为本发明对应的一种室内定位装置实施例1的一种定位示意图；
图9为本发明对应的一种室内定位装置实施例1的主控制器、标签和基站内部结构图；
图10为本发明对应的一种室内定位装置实施例1的系统工作时序图；
图11为标签接收信号经自差拍、滤波后频谱图；
图12为本发明实施例1中标签1双曲定位结果示意图；
图13为本发明实施例1中标签2双曲定位结果示意图；
图14为本发明对应的一种室内定位装置实施例2的一种定位示意图；
图15为本发明实施例2中标签1双曲定位结果示意图；
图16为本发明实施例2中标签2双曲定位结果示意图；
图17为本发明对应的一种室内定位装置实施例3的主控制器、标签和基站内部结构图；
图18为本发明实施例3锯齿波步进调频连续波信号示意图；
图19为本发明对应的一种室内定位装置实施例4的主控制器、标签和基站内部结构图；
图20为本发明对应的一种室内定位装置实施例4的系统工作时序图。 
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明设计了一种基于调频连续波（FMCW）的室内定位装置，采用基于信号到达时间差（TDOA）的测距方法，通过精确测量信号到达时延差实现目标的精确定位。本发明的目的是克服现有室内定位技术在多目标环境中数据率低、动态性差、定位精度不高的缺点，设计一种大容量、高动态性、高精度的室内定位装置。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
如图1，本发明室内定位装置包括：
基站：在主控制器的控制下，基站与标签建立通信，并向标签发送定位基站编码和坐标，基站对通过天线向室内定位空间发射同步的调频连续波信号。基站的数量和布置位置需要根据空间大小和形状确定（二维平面内基站数量至少为3个），每个基站结构和功能相同，基站之间相互协同工作完成定位功能。
标签：标签接收到基站的通信指令后，进入接收状态，将接收到的回波信号进行自差拍，经过滤波放大后通过ADC（模数变换器）进行采样，并输出给数字信号处理器进行处理，数字信号处理器综合基站接收到的基站编码以及发射基站坐标，确定标签坐标并通过显示器显示。
主控制器：控制基站与标签建立通信后，控制基站对发射同步的调频连续波信号。本方案采用调频法测距，信号的发射位于固定在不同位置的多个基站上，信号的接收则位于待定位区域中的多个标签上，基站与待定位标签建立通信后，基站对之间的发射需要通过同步控制模块进行同步。 
本发明中基站与标签之间的通信优选的通过ZigBee技术实现，ZigBee技术由于受限于2.4GHz的工作频段，工作带宽较小，定位精度存在较大局限性，本发明将通信和定位频段分开，在高频段使用大带宽的调频连续波来定位，提高定位精度。
图2为本发明室内定位装置的各个部件的内部结构示意图。
如图2（a）所示为上述基站的内部结构，其包括ZigBee通信模块a-1作为基站通信模块、FMCW发生器a-2，基站放大器a-3和发射用基站天线a-4。ZigBee通信模块a-1与标签建立通信后，FMCW发生器a-2在主控制器的同步信号控制下产生FMCW信号，通过放大器a-3进行放大后由基站天线a-4向室内空间发射信号。
如图2（b）所示为上述标签的内部结构，其包括接收用标签天线b-1、标签放大器b-2、功分器b-3、混频器b-4、滤波器/放大器b-5、数字信号采集与处理器b-6、作为标签通信模块的ZigBee模块b-7以及显示器b-8。ZigBee通信模块b-7与基站建立通信后，标签进入接收状态，标签天线b-1接收到回波信号后，经标签放大器b-2放大，功分器b-3将其分为两路输入到混频器b-4进行自差拍，差拍后的信号通过滤波器/放大器b-5先滤波再放大后输出到数字信号采集与处理器b-6，数字信号采集与处理器b-6确定标签位置并通过显示器b-8显示结果。
如图2（c）所示为上述主控制器的内部结构，其包括通信控制模块c-1和同步控制模块c-2。通信控制模块c-1控制基站与标签建立通信，同步控制模块c-2通过控制各基站发射时序，实现多个基站间同步发射。
本发明还公开一种高精度距离差测量方法，这种测量方法采用调频连续波为发射波形，通过大的定位带宽来提高测量精度。以二维平面定位区域为例，如图3所示，此时基站数目至少为3个，基站A、基站B和基站C布置在不共线的三点，定位区域中布置标签3-1。具体测量方法如下：
SS1.主控制器选择两个基站A、B；向其发送定位命令，基站收到定位命令后通过基站通信模块与待定位标签建立通信，并向待定位标签发送两个基站的编码和坐标，待定位标签接收到基站编码和坐标信息后进入接收状态；
SS2. 主控制器向基站A、B发送同步信号或调频连续波信号，基站A和基站B接收到同步信号或调频连续波信号后，调频连续波发生器产生同步的调频连续波信号，或直接输出接收到的同步调频连续波信号，并向室内空间发射，经过一个调频周期后，基站A和基站B停止发射；
所述调频周期Tm满足：、
其中，R1，R2为基站A、B到待定位标签的距离，c为光速；
SS3.在一个调频周期内，待定位标签接收到来自基站A、B发送的调频连续波信号后做自差拍，并通过后续处理将频率差转换为距离差；
SS4.将基站A、B中任意一个更换为与A、B不共线的基站C，重复步骤SS1-SS3；利用两次步骤SS3中得到的两个距离差及基站A、B、C的坐标，采用双曲定位算法，得到待定位标签的坐标信息。
以锯齿波调制的线性调频连续波为例，图4所示为锯齿波调频连续波基站发射信号与标签接收信号波形示意图，假设两个基站发射信号参数相同，即起始频率、调制带宽、调制周期均相同，其频率随时间线性变化，调制样式为锯齿波，图4中虚线表示标签接收到的基站发射信号。假设调制周期为Tm，发射信号载波起始频率为f0，调制带宽为Δf，c为光速，故信号的频率范围为[f0,f0+Δf]，标签接收到的两组发射信号相对时延为τR2-τR1。
设基站的发射信号瞬时频率为ft，标签接收到任意两个基站的信号瞬时频率为fR1、fR2，如图4所示，标签接收信号频率为发射信号频率的时延，设时延分别为τR1和τR2，基站与标签的同步误差为ts，假设标签距离两个基站的距离分别为R1和R2，则有：
                                （1）
基站的发射频率和标签的接收信号频率有如下表达式：
                                  （2）
      （3）
                              （4）
由(3)(4)式可以看出，对标签接收的信号做自差拍可以得到差频项频率fb，即
                      （5）
由(5)式可得标签与两个发射基站的距离差为：
                                    （6）
由(6)式可以看出对混频后的接收信号提取差频项，即可获得标签与基站之间的距离差大小信息，并且通过求解标签与发射基站的距离差信息，消除了基站与标签的同步误差对直接测距的影响。
当利用基站A、B及(6)式得出距离差以后，更换其中一个基站，再得出一个距离差，即可根据双曲定位法确定出待定位标签的坐标。
由图4可知，在实际工作中，为保证在每一个调制周期内完成一次距离差测量，还需满足以下条件：
                                                                                                          (8)
本发明设计的一种室内定位装置，各定位基站之间发射的调频连续波信号具有不同的调频起始频率。
假设基站A发射信号为Sat(t)，基站B发射信号为Sbt(t)，则发射信号的表达式为：
                 (9)
                 (10)
其中Aat、Abt分别为基站A、B发射信号的幅度，基站A发射信号起始频率为f0，基站B发射信号起始频率为f1，k=Bs/Tm为调频斜率，φ0为初始相位，Tm为调制周期BS为调频带宽。
 标签接收到基站A、B同步发射的FMCW信号，其相对发射信号的延时分别为τR1和τR2，接收信号Sr(t)的表达式为：
                                                (11)
Aar、Abr分别表示标签接收到基站A、B发射的FMCW信号幅度。
将接收信号Sr(t)经功分器分为两路输入到混频器做自差拍，混频器输出结果如下所示（假设Aar=Abr=1，φ0=0）：
                                                (12)
观察上式可以看出，混频器输出信号包含接收信号的自差拍频率项，将混频器输出，通过带通滤波器滤波后输出到ADC进行采样，对采样后的信号进行傅里叶变换，所得频谱图中峰值点对应的模拟频率大小为：
                                                (13)
因为f0和f1已知，并设置f0<f1，则由频谱峰值点对应的模拟频率大小，有如下关系式：
                                                (14)
由上式即可判断标签距离基站A、B延时大小，从而确定R1和R2之间的大小关系，且距离差为：
                                                (15)
本发明设计的室内定位装置采用双曲定位确定标签坐标信息，若仅通过标签距基站的距离差大小信息不能唯一确定标签坐标，示意图如图5所示，以两组基站为焦点的双曲线在定位区域内的焦点不唯一，导致虚假标签出现。通过(14)式可以判断标签距离两个发射基站的距离之间的大小关系，从而选取每组双曲线中的单根进行双曲定位，达到排除虚假标签坐标，获得真实标签坐标的效果。排除虚假标签坐标后定位示意图如图6所示。
当目标区域具有多个标签时，各基站在控制器的控制下两两分时同步发射调频连续波信号，重复步骤SS1-SS3，多个标签同时接收、处理信号，并实时显示各标签位置信息，系统工作流程图如图7所示。
在本发明室内定位装置的上述系统结构中，基站发射的调频连续波信号可以采用线性调频连续波信号，也可以采用步进调频连续波信号；
在本发明室内定位装置的系统结构中，同步FMCW的产生方法是主控制器向基站对发送同步信号，经相同时延后传输至基站，基站产生并向室内空间发射同步FMCW；同时，同步FMCW的产生也可采用以下系统结构：主控制器内部产生FMCW，经相同时延后传输至基站对，基站对接收FMCW，放大后向室内空间发射。由于各个基站发射调频连续波需要严格同步，因此接收主控制器信号时，主控制器到达各个基站的信号延时应该相等，优选的可以采用有线传输信号的方式，不仅抗干扰能力强，而且利于控制延时，例如选用等长的同类导线，信号延时可以方便的实现相等。
为使本发明更加容易理解，下面结合附图和具体实施方式对本发明的原理做进一步阐述
实施例1
图8为本发明室内定位装置的一种实现方式。本实施例的发射信号采用锯齿波调频连续波，标签个数为2个，基站个数为3个。定位区域设置为一个边长为100米的正方形房间，以基站A的位置为原点建立坐标系，则有基站A、基站B和基站C的坐标分别为（0,0）、（100,0）、（100,100），假设标签1和标签2坐标分别为（30,20）、（60,70）。本实施例设计的高精度室内定位系统总体结构如图1所示，主控制器、标签和基站结构如图9所示，主控制器包括通信控制模块c-1、同步控制模块c-2；基站包括ZigBee通信模块s-1、微处理器（MCU）s-2、锯齿波FMCW产生器s-3、放大器s-4以及天线模块s-5；标签包括显示器t-10、ZigBee通信模块t-9、MCUt-8、数字信号处理器t-7、ADCt-6、滤波/放大器t-5、混频器t-4、功分器t-3、放大器t-2以及天线模块t-1。
在该实施例中，主控制器的通信控制模块c-1向基站MCUs-2发送定位命令，基站MCUs-2通过ZigBee通信模块s-1向标签1、标签2发送基站编码和坐标，标签1、标签2内的ZigBee通信模块t-9接收基站编码和坐标并通知MCUt-8进入采集状态，MCUt-8控制标签内的ADCt-6开始采集。同时，主控制器的同步控制模块c-2向基站A、基站B内MCUs-2输出同步信号，每个基站中的MCUs-2接收到控制器的同步信号后进行一次时间同步，同时触发FMCW产生器s-3产生线性调频信号，经放大器s-4放大后通过天线s-5发射出去。经过一个调频周期后，基站A和基站B停止发射，主控制器向基站A和基站C发送定位命令以及同步信号，保证基站A、B、C两两交替同步发射。
在每一个调频周期时间内，两个标签的天线t-1均接受到两个基站发射的LFMCW信号，经过放大器t-2放大、功分器t-3输出到混频器t-4进行自差拍，经过滤波/放大器t-5处理后输入ADCt-6进行采样，采样后的信号输出到数字信号处理器t-7计算距离差，并通过距离差信息运用双曲定位获取该标签坐标信息，得到的坐标信息通过显示器t-10进行显示。系统工作时序图如图10所示。
设基站A发射信号调制起始频率为f0=10.525GHz，基站B起始频率为f1=10.526GHz，基站C起始频率为f2=10.527GHz，调频带宽为B=1.5GHz，调制周期为Tm=2ms，信噪比-10dB，采样率fs=6.75MHz。假设在第一个调频周期内，标签1接收到基站A、B发射的信号，经过自差拍、滤波放大后输入到ADC进行采样，采样后的信号通过傅里叶变换可以得到频谱图，如图11所示，由频谱图可以得到，频谱峰值出现在频率|F|=908000Hz，由式(15)可得，标签1与基站A、B的距离差为：
                                               (16)
标签1与基站A、B的真实距离差为36.75m，计算值与理论值相符。
由(14)式可得，标签1距基站A距离小于距基站B距离。
同理可得，标签1与基站B、C的计算距离差为33.40m，其理论值为33.50m，且标签1距基站B的距离小于距基站C的距离；
标签2与基站A、B的计算距离差为11.60m，其理论值为11.57m，且标签2距基站B距离小于距基站A距离；
标签2与基站B、C的计算距离差为30.60m，其理论值为30.62m，标签2距基站C距离小于距基站B距离；
根据以上距离差信息，运用双曲定位可以得到标签1、标签2的坐标为（30.30,20.19）、（60.02,69.98），图12、图13分别为标签1、标签2的定位仿真结果。
实施例2
图14为本发明室内定位装置的另一种实现方式。本实施例中各基站的发射信号仍采用锯齿波线性调频连续波体制，与实施例1不同的是各基站发射调频连续波信号参数相同，产生的虚假标签坐标可以通过增加基站数目来排除。仍以一个边长为100米的正方形房间定位区域为例，标签个数为2个，基站个数为4个，基站A、基站B、基站C和基站D的坐标分别为（0,0）、（100,0）、（100,100）、（0,100），标签1和标签2坐标分别为（30,20）、（60,70）。标签和基站结构与实施例1相同。
该实施例工作流程与实施例1相同，设发射信号调制起始频率为f0=f1=f2=10.525GHz，调频带宽为B=1.5GHz，调制周期为Tm=2ms，信噪比-10dB，采样率fs=750kHz。假设在第一个调频周期内，标签1接收到基站A、B发射的信号，经过自差拍、滤波放大后输入到ADC进行采样，采样后的信号通过傅里叶变换可以得到频谱图，由频谱峰值出现频率F=92000Hz，由式(15)可得，标签1与基站A、B的距离差为：
                                                (17)
标签1与基站A、B的真实距离差为36.75m，计算值与理论值相符。
同理可得，标签1与基站B、C的计算距离差为33.60m，其理论值为33.50m；
标签1与基站A、C的计算距离差为70.20m，其理论值为70.25m；
标签1与基站A、D的计算距离差为49.40m，其理论值为49.38m；
标签2与基站A、B的计算距离差为11.60m，其理论值为11.57m；
标签2与基站B、C的计算距离差为30.60m，其理论值为30.62m；
标签2与基站A、C的计算距离差为42.20m，其理论值为42.20m；
标签2与基站A、D的计算距离差为25.20m，其理论值为25.11m。
根据以上距离差信息，运用多组双曲线定位可以得到标签1、标签2的坐标为（30.04,19.99）、（59.84,70.04），如图15、图16所示。
实施例3
本实施例为本发明的一种室内定位装置的另一种实现方式。本实施例的信号处理部分以及控制部分均与实施例1相同，不同的是本实施例采用锯齿波步进调频连续波（SFCW）信号。该实施例中，主控制器、标签和基站结构如图17所示，主控制器包括通信控制模块c-1和同步控制模块c-2；基站包括ZigBee通信模块s-1、MCUs-2、直接数字频率合成器（DDS）s-3、锁相环（PLL）s-4、倍频器s-5、放大器s-6以及天线模块s-7；标签包括ZigBee通信模块t-9、MCUt-8、数字信号处理器t-7、ADCt-6、滤波/放大器t-5、混频器t-4、功分器t-3、放大器t-2以及天线模块t-1。
与实施例1不同的基站发射部分具体实施方法如下：
基站发射锯齿波SFCW信号，锯齿波SFCW信号的产生采用DDSs-3激励PLLs-4的方法，由MCUs-2在开机时向PLLs-4写入锁相控制字，此后MCUs-2不断改变DDSs-3的频率控制字达到频率跳变的目的。上述产生的锯齿波SFCW信号经倍频器s-5后得到载波频率为f0的发射信号，倍频器s-5输出经放大器s-6放大后由天线s-7发射出去。
图18为锯齿波SFCW信号示意图，如图所示，步进频率信号起始频率为f0，频率步进增量为Δf，频率步进数为N，故信号带宽为B=(N-1)Δf，信号频率范围为[f0,f0+(N-1)Δf]，假设第i个频点发射信号的起始相位为φi，幅度为Ai，每个频点持续时间为Ts，可将锯齿波SFCW信号视为占空比为1的步进频率脉冲信号，故可得第i个发射脉冲信号表达式为：
                                                (18)
其中，rect(t)为矩形函数：
                                               (19)
标签天线t-1接收到两个基站同步发射的锯齿波SFCW信号，假设其起始频率分别为f0和f1，相对发射信号的延时分别为τR1和τR2，幅度分别为Ai1和Ai2；接收信号Sr(t)的表达式为：
                                         (20)
将接收信号Sri(t)经放大器t-2放大后经功分器t-3分为两路输入到混频器t-4做自差拍，自差拍后的信号经滤波器/放大器t-5先滤波再放大后，可以得到差频项如下所示（假设初项φi=0,，滤波后信号幅度为Bi）：
(21)
滤波放大后的信号经ADCt-6采样后，输入到数字信号处理器t-7进行逆离散傅里叶变换（IDFT），频谱峰值对应的频点F即为差频项频率，由于f0、f1已知，且f0<f1，通过式(22)即可判断标签距离发射基站距离大小关系：
                            (22)
标签距离基站的距离差ΔR有如下表达式:
                            (23)
数字信号处理器t-7综合获得的距离差通过双曲定位确定标签坐标，并由显示器t-10进行显示。
设基站A发射信号调制起始频率为f0=10.525GHz，基站B起始频率为f1=10.526GHz，基站C起始频率为f2=10.527GHz，频率步进增量Δf=750kHz，频率步进数为N=2048，因此得到信号带宽为B=(N-1)Δf=1.54GHz，每个频点持续时间Ts=1μs，信噪比为0dB，ADC对滤波后的信号进行采样，采样间隔为Ts即每个频率步进采一个点，对应采样率为fs=1MHz。
标签及基站布置同实施例1，运用双曲定位可以得到标签1、标签2的坐标分别为（29.98,20.01）、（59.99,70.02）。
实施例4
本实施例为本发明室内定位装置的另一种实现方式，与前实施例不同的是，本实施例中，同步FMCW信号在主控制器内部产生，主控制器产生的FMCW信号经有线信道传输至基站，基站将信号放大后通过天线向室内空间发射。本实施例中主控制器、基站和标签结构如图19所示，主控制器包括通信控制模块c-1、FMCW产生器c-2；基站包括ZigBee通信模块s-1、微处理器（MCU）s-2、放大器s-3以及天线模块s-4；标签包括ZigBee通信模块t-9、MCUt-8、数字信号处理器t-7、显示器t-10、ADC、滤波/放大器t-5、混频器t-4、功分器t-3、放大器t-2以及天线模块t-1。
在该实施例中，信号处理流程与前实施例相同，不再详述。与前实施例不同的同步FMCW信号产生方法具体实施方式如下：
主控制器的通信控制模块c-1向基站MCUs-2发送定位命令，基站MCUs-2通过ZigBee通信模块s-1向标签发送基站编码和坐标，标签内的ZigBee通信模块t-9接收基站编码并通知MCUt-8进入采集状态，MCUt-8控制标签内的ADCt-6开始采集。同时，主控制器的FMCW产生器c-2产生FMCW信号并向基站对传输，每个基站接收主控制器产生的FMCW信号，经放大器s-3放大后通过天线s-4发射出去。系统整体工作时序图如图20所示。
本发明所述的室内定位装置，采用广播式的系统结构，基站分时发射，标签并行被动接收，相比现有室内定位技术，不仅大大降低了标签功耗，提高了定位精度，而且在多标签环境中，具有数据率大、动态性高的优势。
本发明中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。