本實用新型涉及一種采用擴頻技術(shù)進行飛行時間測量并能自動剔除其中NLOS誤差的礦用移動裝置，屬無線電定位技術(shù)領(lǐng)域，適用于煤礦井下定位系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

煤礦安全生產(chǎn)日益受到重視，作為煤礦“六大安全避險系統(tǒng)”之一的井下人員定位系統(tǒng)和礦井通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)對保障煤礦安全生產(chǎn)發(fā)揮重大作用，但目前的井下人員定位系統(tǒng)定位精度依然未能令人滿意。無線電波的飛行時間是無線精確定位的基礎(chǔ)，由于煤礦井下巷道狹窄，空間有限，很多情況下，無線電傳播路徑是非視距((Non-line of sight，NLOS))的，即在收發(fā)雙方之間不存在直線傳播路徑。相比于視距條件，非視距條件下的無線信號飛行需要額外的時間，非視距傳播問題的存在，成為影響井下人員定位系統(tǒng)無線定位精度的重要因素。因此，為了獲得滿意的定位精度，有必要確定測量結(jié)果是來自視距傳播還是非視距傳播。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決煤礦井下由于NLOS現(xiàn)象所帶來的飛行時間測量誤差大，影響人員定位系統(tǒng)的定位精度問題，本實用新型提供了一種能自動自動剔除NLOS誤差的礦用飛行時間測量移動裝置，該裝置采用偽隨機碼擴頻技術(shù)測量無線信號在收發(fā)雙方間的飛行時間：發(fā)射機將經(jīng)過偽隨機碼調(diào)制后的信號序列發(fā)到空間，利用偽隨機碼的相關(guān)特性，接收機接收到該信號序列后，通過相干峰值檢測，可以確定收發(fā)碼序列的碼相位差τ，亦即該序列的空中飛行時間。由于礦井多徑效應(yīng)嚴重，偽隨機碼的相關(guān)函數(shù)并不是理想的Δ形狀，有直達信號的情況下，如圖1所示：相關(guān)峰值較為尖銳；而在無直達信號的情況下，如圖2所示：相關(guān)峰值能量受到一定程度的損耗，相關(guān)峰在時間軸上擴展拉寬，相關(guān)峰值不再具備尖銳的特性。本實用新型即是利用該特性實現(xiàn)NLOS和LOS信號的區(qū)別。

本實用新型采用的技術(shù)方案是：所述的礦用飛行時間測量移動裝置包括測量信號發(fā)生器、射頻振蕩器、射頻調(diào)制器、射頻收發(fā)器、外差式接收器、飛行時間捕獲模塊、本地PN碼產(chǎn)生器、相關(guān)器、微控制器、緩存器和接口邏輯部件；

所述測量信號發(fā)生器的數(shù)據(jù)輸入端口與微控制器連接，用于接收由微控制器傳送過來的測量所需數(shù)據(jù)，所述測量信號發(fā)生器的輸出端口與射頻調(diào)制器相連，用于發(fā)送測量信號給射頻調(diào)制器；

所述射頻調(diào)制器用于對輸入的測量信號進行載波調(diào)制，調(diào)制后的信號連接到射頻收發(fā)器的發(fā)射信號輸入端口，并經(jīng)由天線向外發(fā)射；

所述的射頻振蕩器連接射頻調(diào)制器，用于提供調(diào)制所需要的載波頻率；

所述的飛行時間捕獲模塊具有1個輸入端口及3個輸出端口，所述的1個輸入端口連接外差式接收器，用于接收所述外差式接收器發(fā)送的信號，所接收信號用于在飛行時間捕獲模塊內(nèi)進行PN碼的捕獲及有無直達信號的判別，結(jié)果由所述的3個輸出端口輸出；

所述3個輸出端口中，第一個輸出端口連接微控制器的數(shù)據(jù)輸入端口，用于將所捕獲的PN碼序列的時延信息及有無直達信號信息由該第一個輸出端口傳送至微處理器，第二個輸出端口與相關(guān)器相連，用于輸出擴頻數(shù)據(jù)序列的基帶信號，第三個輸出端口連接本地PN碼產(chǎn)生器，用于提供本地PN碼的同步相位信息；

所述的本地PN碼產(chǎn)生器連接相關(guān)器，所述的相關(guān)器用于完成接收數(shù)據(jù)的相關(guān)運算，對擴頻數(shù)據(jù)序列進行解擴，解擴后的數(shù)據(jù)送微處理器的數(shù)據(jù)端口；

所述的外差式接收器的輸入端連接射頻收發(fā)器的接收信號輸出端口，所述的微控制器連接有緩存器，并通過緩存器與接口邏輯部件相連接。

所述的測量信號發(fā)生器包括：數(shù)據(jù)編碼器、低增益擴頻器、短PN碼發(fā)生器、導(dǎo)測符發(fā)生器、高增益擴頻器、長PN碼發(fā)生器及數(shù)據(jù)鏈接器。

所述的飛行時間捕獲模塊包括：基帶信號處理器、主匹配濾波器、超前匹配濾波器、延遲匹配濾波器、主門限判決器、PN碼捕獲電路、比例判決電路；所述的主匹配濾波器的一個輸出端口連接主門限判決器，以獲取所接收信號的時延，另一輸出端口與超前匹配濾波器和延遲匹配濾波器的輸出求和，并將本身的輸出值與求和值分別歸一化處理后在比例判決電路中相比，根據(jù)二者的比值來判決有無直達信號。

所述的與接口邏輯部件，提供了UART、SPI、GPIO、USB數(shù)據(jù)通訊接口。

所述的射頻收發(fā)器工作在2.4GHz的ISM頻段，它所連接的天線為WIFI定向天線。

本實用新型有以下3點有益效果。

1.影響無線定位精度的一個重要因素就是收發(fā)雙方之間的直線路徑受到阻擋的NLOS傳播。在煤礦井下環(huán)境，空間狹窄，井下設(shè)備密集，NLOS現(xiàn)象出現(xiàn)較為頻繁且具有不確定性，給井下人員定位帶來較大的定位誤差。只采用LOS信號是一種抑制非視距誤差的主要方法，也是最直接和有效的方法，本實用新型提供了一種非視距識別技術(shù)，能夠有效解決解決煤礦井下無線電NLOS信號的識別問題，從而剔除定位數(shù)據(jù)中的那些引起粗大誤差的數(shù)據(jù)，顯著提高井下人員定位系統(tǒng)的精度。

2.本實用新型提供了定位系統(tǒng)中最原始的測量數(shù)據(jù)-無線信號的飛行時間，為后續(xù)各種定位算法的開發(fā)應(yīng)用留下了一定的空間，因此，既可單獨做為距離測量工具，也可作為一個有機組成模塊直接嵌入到定位系統(tǒng)中，方便礦井定位系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試。

3.本實用新型采用擴頻技術(shù)，具有較強的抗多徑干擾能力，能夠適用于礦井空間狹窄，多徑損耗嚴重的環(huán)境。

附圖說明

圖1是多徑條件下有直達信號的PN碼相關(guān)函數(shù)圖；

圖2是多徑條件下無直達信號的PN碼相關(guān)函數(shù)圖；

圖3本實用新型的組成原理圖；

圖4是本實用新型測量信號發(fā)生器的組成框圖；

圖5是本實用新型飛行時間捕獲模塊的組成框圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。

圖3是本實用新型的組成框圖，每一個如圖3所示的移動裝置都有自身固定的唯一的標識號。當(dāng)執(zhí)行飛行時間測量時，發(fā)射移動裝置由微控制器7將本身標識符送測量信號發(fā)生器1，由測量信號發(fā)生器1對數(shù)據(jù)進行編碼并擴頻，擴頻后的基帶信號送射頻調(diào)制器3進行載波調(diào)制，射頻振蕩器4提供2.4GHz的調(diào)制頻率，射頻調(diào)制后的信號射頻收發(fā)機5經(jīng)天線12向外發(fā)射。接收移動裝置由射頻收發(fā)機5完成接收的前端功能，并由外差式接收機6將所接收的高頻信號轉(zhuǎn)換為中頻信號，送入飛行時間捕獲模塊2，進行PN碼捕獲并進行NLOS識別，PN碼捕獲后，即可得到PN碼的相位時延，亦即信號的空中飛行時間，一方面，將所獲得的空中飛行時間連同NLOS識別結(jié)果一并送微控制器7，另一方面，捕獲后得到的PN碼的相位時延同步本地PN碼產(chǎn)生器9，與飛行時間捕獲模塊2送出的基帶信號在相關(guān)器8中進行解擴，即可得到發(fā)射裝置的標識符，從而完成1次收發(fā)移動裝置之間的飛行時間測量過程。下面聯(lián)系附圖4和附圖5更詳細地說明其中實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。

圖4是本實用新型測量信號發(fā)生器1的組成框圖，數(shù)據(jù)編碼器21對輸入的數(shù)據(jù)采用雙極性不歸零碼編碼，為說明問題方便，編碼輸出可表示成：T_d是一位數(shù)據(jù)bit持續(xù)時間，本實例取1.25×10^-5秒，即數(shù)據(jù)碼速為80Kb/s，P_T(t)是脈寬為T_d的矩形單位脈沖；短PN碼發(fā)生器24是一個4級的m序列發(fā)生器，產(chǎn)生碼長為15的短m序列，可表示為：T_sc是短m序列一個碼片持續(xù)時間，T_d＝15T_sc，即短m序列碼速約為1.2Mb/s，P_T(t)是脈寬為T_sc的矩形單位脈沖，將c_s(t)和d_id(t)送入低增益擴頻器23進行調(diào)制，則數(shù)據(jù)擴頻后的信號可表示為：d_sid(t)＝d_id(t)c_s(t)。導(dǎo)測符發(fā)生器22產(chǎn)生全1的前綴符號，用以接收端進行PN碼捕獲，可表示為：式中符號含義同前述的數(shù)據(jù)編碼表示。為了獲得高時間分辨率，長PN碼發(fā)生器25是一個9級的m序列發(fā)生器，產(chǎn)生碼長為511的長m序列，可表示為：T_lc是長m序列一個碼片持續(xù)時間，T_d＝511T_lc，即長m序列碼速約為40Mb/s，(t)是脈寬為T_lc的矩形單位脈沖。將c_l(t)和d_pre(t)送入高增益擴頻器26調(diào)制，導(dǎo)測符擴頻后可表示為：d_spre(t)＝d_pre(t)c_l(t)。最后由數(shù)據(jù)鏈接器27將擴頻后的導(dǎo)測符和數(shù)據(jù)鏈接生成測量信號。

圖5是本實用新型飛行時間捕獲模塊的組成框圖。基帶信號處理器31對輸入的中頻信號解調(diào)，剝離載波，生成基帶信號，所生成的基帶信號d_pre(t)c_l(t-τ)分別連四個部件：分別是主匹配濾波器32、超前匹配濾波器33、延遲匹配濾波器34以及外部的相關(guān)器8。主匹配濾波器32采樣時鐘為T_lc/5，其抽頭系數(shù)為c_l′(t-nT_s)，T_s＝T_lc/5；主匹配濾波器32的主要功能是對輸入的基帶信號進行同步捕獲，同步精度為T_lc/5；其匹配濾波輸出可表示為：其濾波有三路輸出：1路輸出至主門限判決器35，另2路歸一化后分別連求和器及門限判決器35。當(dāng)門限判決器35檢測到匹配濾波有峰值輸出的時候，表示已同步所接收信號的相位，此時，門限判決器35發(fā)出兩個控制動作：一是置位PN碼捕獲電路37，置位后的PN碼捕獲電路37有兩個輸出：一個輸出連接本地PN碼產(chǎn)生器9，使之產(chǎn)生與接收信號相位一致的本地PN碼，用以解擴接收信號中的數(shù)據(jù)信息，其中含有發(fā)射裝置的標識號，接受方可從中知道是哪個發(fā)射裝置所發(fā)信號。另一個輸出產(chǎn)生接收信號時延值，送微控制器。門限判決器35的另一個控制動作是發(fā)送到比例判決電路36，使之在主匹配濾波器32捕獲的同時進行比例判決。超前匹配濾波器33相對于主匹配濾波器32超前1個長m序列碼片，其抽頭系數(shù)可表示為：c_l′[t-int(n/5-1)T_lc]，延遲匹配濾波器34相對于主匹配濾波器32延遲1個長m序列碼片，其抽頭系數(shù)為c_l′[t-int(n/5+1)T_lc]，因為它們不承擔(dān)捕獲任務(wù)，故設(shè)它們的采樣時鐘為T_lc，它們的匹配輸出結(jié)果歸一化后分別為P_dp和P_dd，將三個匹配濾波器的歸一化輸出結(jié)果送入求和器求和，求和結(jié)果送比例判決電路36；比例判決電路對輸入的兩路信號求比值，所求比值為比例判決電路36設(shè)置一個判決值，不失一般性，該判決值可設(shè)為1/2(-3dB)，如果Rt大于判決值，則判定有LOS信號，否則，可以判定沒有LOS信號。判決結(jié)果送微控制器7。