CN1979211A - 一种定位***和定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种定位***和定位方法，用以解决现有无线定位技术中存在的对无线信号接收环境条件要求较高或定位精度较差的问题。该***包括定位终端和多个位置单元；所述位置单元设置有无线信号发射模块，用于发射无线信号，所述无线信号携带有位置单元标识信息；所述定位终端，设置有无线信号接收模块，用于接收所述位置单元发送的无线信号，并根据所述的位置单元标识信息，确定定位终端位置。本发明还提供了一种定位方法。本发明具有对定位环境无线信号接收条件要求低，定位精度可控的特点，当某些应用需要一个移动物体在一个有限的空间范围内进行较高精度的空间位置定位时，可以采用此方法。

Description

一种定位***和定位方法

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及到无线定位技术中的定位***和定位方法。

背景技术

现有空间位置定位技术主要有通过分布在全球上空的定位卫星实现的全球定位***(GPS)技术，和通过移动通信网络(如CDMA)的基站实现的在移动蜂窝网内的小区(Cell)定位技术，又称为基于位置的服务(LBS)。

GPS技术是目前世界上在空间位置定位应用中使用最广的技术，其优点是定位范围广，全球所有角落，只要能够同时与一定数量以上的定位卫星实现通信的地方都可以利用GPS卫星和地面的GPS接收处理终端获得终端所在位置的经纬度坐标数据。GPS定位技术的另一个优点是定位精度较高，该技术的定位精度可达几个厘米。然而，GPS定位技术的最主要缺陷是：在无法接收GPS卫星信号的地点，比如室内，或其他对GPS卫星信号屏蔽较强的环境下，这种定位技术就无法有效使用了。

另一种空间定位技术是LBS。该技术具体存在三种不同的空间位置定位方法：

1、小区标示(CELL ID)定位技术：根据蜂窝小区概念，由网络侧获取用户当前所在的小区信息，然后根据用户上报的自身所处小区号等参数，获取用户当前位置。一般采用的方法是将用户所处小区的中心点位置估算为用户当前位置。定位精度为“小区”。

2、应用GPS(AGPS)定位技术：获取GPS卫星信号作为定位算法计算参数，确定用户位置的定位技术。用户将GPS卫星作为地理位置已知点，把获得的GPS伪距作为已知点到达未知点的距离来计算自身地理位置。这种方法实质上就是前述的GPS定位技术在移动终端中的应用。

3、AFLT定位技术：使用用户接收到的基站信号来作为参数计算用户位置的定位技术。CDMA网络中，用户的导频集中有多个基站导频信号，只要用户可以接收到3个或者3个以上的基站信号，就可以把这些基站作为地理位置已知点，把由基站信号到达时间计算出来的信号传播距离作为已知点到未知点的距离，根据三边定位算法确定用户位置。

上述方案中：

CELL ID定位技术的缺点是以蜂窝网络的小区为定位精度，因此定位精度较差，只能适用于对定位精度不高的应用。其另一个缺陷是，如果在地下室等不能直接接收小区基站信号的地方，无法使用该技术。

AGPS定位技术实际上就是前面所述的GPS技术在移动台(手机)中的应用；其缺点同GPS技术。

AFLT定位技术需要同时接收3个以上基站信号才能准确计算定位，这对使用该技术的移动台的信号接收位置要求比CELL ID技术还要高，因此其有效使用范围受到制约。

另外，采用CELL ID和AFLT技术的定位精度在200-1000米，这对定位精度要求较高的应用是不适用的，特别是对在有限空间范围内，外界无线信号屏蔽较强的空间区间，定位精度要求相对较高的应用更是不适用的。

发明内容

本发明提供一种定位***和定位方法，用以解决现有无线定位技术中存在的对定位信号接收环境条件要求较高，定位精度较差的问题。

本发明***为：

一种定位***，包括定位终端和多个位置单元；

所述位置单元设置有无线信号发射模块，用于发射无线信号，所述无线信号携带有位置单元标识信息；

所述定位终端，设置有无线信号接收模块，用于接收所述位置单元发送的无线信号，并根据所述的位置单元标识信息，确定定位终端位置。

所述的多个位置单元的无线信号发射模块，可以具有相同的发射频率。

所述的多个位置单元，规则或无序地部署在定位空间指定的几何位置上。

所述的位置单元，还包括：

位置单元标识设置模块，用于设定位置单元的标识码；

位置单元标识数据帧生成模块，与位置单元标识设置模块相连及无线信号发射模块相连，用于根据位置单元信息生成位置单元数据帧，并由无线信号发射模块将所述数据帧发射。

所述的位置单元，还包括间隔时间随机发生模块，与无线信号发射模块相连，用于产生间隔发射的时间控制信号。

本发明方法为：

一种定位方法，使用所述的定位***，包括：

A、位置单元发射无线信号，所述无线信号携带有位置单元标识信息；

B、定位终端接收所述无线信号，并根据所述位置单元信息，获取当前所在位置信息。

所述的步骤A中，所述的位置单元标识信息，为所述位置单元在所述定位***中的几何空间位置信息或各位置单元间的相对位置信息。

所述的步骤B中，获取当前所在位置，是根据所述位置单元的几何空间信息计算获取当前所在位置信息。

所述的当前所在位置信息，是定位终端接收到的无线信号的发射位置单元的位置信息。

所述的步骤B中，如果终端无法接收到当前所在区域内的位置单元发送的无线信号，则终端使用上一次接收到的无线信号进行计算，获取当前所在位置信息。

本发明有益效果如下：

本发明给出一种新的定位***和定位方法，具有定位精度可调，对无线信号接收环境要求低，当某些应用需要一个移动物体在一个有限的空间范围内进行较高精度的空间位置定位时，可以采用此方法。

与GPS和LBS定位技术相比，本发明所采用的技术不需利用GPS卫星和移动网络的基站所提供的定位参数信息，不需要接收它们的任何信号，因此对定位环境对上述无线信号接收条件没有要求。

附图说明

图1为本发明定位***的结构示意图；

图2为本发明位置单元的结构示意图；

图3为本发明设定的一个位置单元数据帧结构示意图；

图4为本发明定位终端的结构示意图；

图5为本发明位置单元的设置示意图；

图6为本发明定位***中扩展方案示意图

图7为本发明定位方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合来说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，是本发明定位***的结构示意图，从图中可见，本发明的定位***，一般应用于有限空间的区域内，主要包括以下组成部分：

按照规则排列的多个位置单元，这些位置可以按照规则的几何形状排列，比如将位置单元的中心点按照蜂窝状排列、直线形排列、方形排列、圆形排列等，任何一种排列方式，都可以依据位置单元的相互间位置关系，确定其在定位***中的确切位置。这样，可以为每一个位置单元在该定位***应用的区域内分配一个标识，依据所述的标识，就可以映射到该位置单元的确切位置。为明确起见，这里为上述定位***所在区域内，涉及到的相关概念做简要说明：

定位区间(Positioning Area-PA)为采用本发明位置定位技术所覆盖的有限空间定位范围，比如一个或多个大型建筑群内或各种室内或露天场区、场所、场馆等几乎所有地上和地下环境；

位置单元(Location Unit-LU)是在定位区间内决定定位精度的最小度量单元。在一个定位区间内，每个位置单元都拥有自己一个唯一的数字标识码-位置单元标识码(LU_ID)。位置单元固定部署在定位区间内的已知位置，因此位置单元标识码可与定位区间内该指定位置的相对几何坐标一一对应，两者具有映射关系。即：移动物体获得了位置单元标识码，就等于获得了其在定位区间内的相对空间位置信息。

位置单元半径(Location Unit Radius-LUR)为位置单元无线信号的有效覆盖半径；比如几米或几十米甚至更大，依据实际定位精度需求进行调整。即定位精度可控。

位置单元桩(Location Unit Stub-LUS)为位置单元的位置重心；位置单元在定位区间内的相对几何位置可由位置单元桩在定位区间内的具体几何位置来代表；应用中也可指定位置单元内任何其他一点的位置做为该位置单元在PA内相对空间位置的代表，可以依据计算方便或其他因素来确定；位置单元的数字标识码信号由位置单元桩为原点向周围空间全向发射；

位置单元边界(Location Unit Boundary-LUB)是位置单元为定位终端提供的最大有效识别边界；定位终端在位置单元边界之外无法有效接收该位置单元的射频信号。定位终端在单一位置单元的位置单元边界内任何位置，都能够有效接收位置单元的定位信号；因此，位置单元边界随位置单元无线信号的有效覆盖范围而定。位置单元内若存在有效的射频信号障碍物，则位置单元边界可能为非规则形状；

位置单元重叠区(Location Unit Overlap-LUO)是两个以上位置单元的无线信号共同覆盖的区间。在重叠区内，由于可能存在的相互间同频干扰，可能导致接收终端在某时间段内无法有效接收到任何一个位置单元的信号；

盲区(Blind Area-BA)是定位区间内，位置单元边界之外，由于位置单元射频信号较弱而至使定位终端无法接收到任何有效位置单元信号的区间；

定位终端(Positining Terminal-PT)是用来实时识别其当前所在位置单元的装置；定位终端接收位置单元的信号，并识别和获取该位置单元的位置单元标识码。

如图2所示，是本发明位置单元的结构示意图，从图中可见，本发明在上述位置单元上，设置：

无线信号发射模块，用于发射无线信号，所述无线信号携带有位置单元标识信息。

该定位区间内的所有位置单元设置的无线信号发射模块，可以将发射频率设置为相同，也可以设置为不同。

位置单元标识设置模块，用来设定该位置单元在整个定位区间范围内的唯一标识码。如图2所示，位置单元标识码设置模块可以是简单的一个拨码开关，或者是其他任何能够固定区分不同位置单元的任何编码方式和设置方法，只要该标识结果能够被数据帧生成模块识别和使用即可。

数据帧生成模块，与位置单元标识设置模块相连及无线信号发射模块相连，用于将位置单元标识码和/或位置单元的其他属性或状态参数数字化后，形成指定格式的数据帧，并由无线信号发射模块将所述数据帧发射。数据帧可以包括但不限于帧头、位置单元标识码域、位置单元属性或状态参数域和可选的帧校验域等，如图3所示，是本发明使用的一个数据帧结构示意图。本发明所含盖的数据帧格式并不限于本实例所述格式。任何其他能够将位置单元标识码发送出去，并能够被定位终端有效接收的数据帧格式都可以是本发明所含盖的格式。

位置单元数据帧生成模块所生成的数据帧，由无线信号发射模块采用任何一种载波调制方式，调制到射频载波上，并经过天线对外发射。本发明对射频发射装置所采用的调制方式没有限制。所有能够实现将位置单元标识码发送出去，并能够被定位终端有效接收的调制方式都是本发明所含盖的调制方法。

间隔时间随机发生模块，与无线信号发射模块相连，用于产生间隔时间信号，在统一规定的最大间隔时间范围内产生随机的发送间隔时间。在两次发送的间隔时间内，无线信号发射模块对外无有效功率输出。

本发明方案中的射频发射天线可采用任何天线形式，只要其能与无线信号发射模块配合，将发射功率控制在指定的位置单元半径即可。本发明含盖所有能配合射频发射模块，将发射功率控制在指定位置单元半径的天线的实现方法。

通过对位置单元的上述设置，使位置单元可以发射带有自身标识信息的无线信号，该无线信号可以用于接收者进行位置定位。

如图4所示，是本发明定位终端的结构示意图，与位置单元设置的发射模块相对应，本发明在定位终端上，设置有无线信号接收模块，用于接收所述位置单元发送的无线信号，并根据所述的位置单元标识信息，确定定位终端位置。

本发明采用的定位终端，其无线信号接收模块的实现方法必须与位置单元的无线信号发射模块相配套，即其无线信号接收频率和解调方式要与发送端发射频率和调制方式相对应。无线信号接收模块负责对无线信号进行接收、放大和解调，获得数据帧数据。本发明要求定位终端的无线信号接收模块及其配套天线所形成的信号接收灵敏度能够达到在单个位置单元内正确接收无线信号数据帧能力。本发明所述的定位终端的实施例含盖满足上述要求的所有无线信号接收模块和配套天线的实现方法。

本发明采用的定位终端还设置有数据帧解码模块，用于将无线信号接收模块解调后的位置单元数据帧按照指定帧格式进行解码，以获得位置单元标识码和/或位置单元其他属性或状态参数。本发明所述的位置单元数据帧解码模块的实施例含盖所有能够实现上述功能的数据帧解码模块的实现方法。

在使用该定位***的过程中，位置单元可以通过无线信号发射模块间隔性地反复发射无线信号，位于位置单元发射的无线信号覆盖范围内的定位终端，就相应地接收位置单元发射的无线信号，这样，当某个移动物体需要进行定位时，将所述定位终端设置在需要定位的物体上，根据接收到的无线信号中携带的位置单元标识，就可以将该移动物体定位于发射所述无线信号的位置单元，根据误差的相关知识可以得知，该误差范围为该位置单元所发射的无线信号的有效覆盖半径。无线信号的有效覆盖半径可以根据发射模块的发射功率等因素进行调整，所以该误差范围可以根据实际需要，通过调整发射模块的发射功率来控制。

该方案中，各个位置单元的部署，是较为重要的内容。位置单元的部署包括位置单元的几何空间位置分配和位置单元信号覆盖半径的分配。典型的部署模式可以但不限于采用如图5所示的正六边形模式，理想情况下，这种模式具有最高的部署效率和最小的位置单元重叠区面积。位置单元部署实施例可以是但不限于图中所示模式。本发明的位置单元部署实施例含盖所有有序和无序的部署方法。为减少位置单元部署数量，降低部署成本，提高部署效率，原则上位置单元的部署要尽量减小位置单元重叠区和盲区的面积，以无线信号发射半径为距离间隔设置。位置单元重叠区的面积大小对本发明的定位精度没有直接影响。盲区面积的减小有利于提高整个定位区间的有效定位范围。

进一步在具体实现方式中，可将位置单元的单向发射模式扩展为接收和发送双向单工或双工模式，通过定位区间内的独立集中控制模块，实现对位置单元的直接集中实时控制；也可以通过与集中控制模块存在双向通信能力的定位终端，对位置单元进行间接控制，如图6所示。控制范围可包括：调整位置单元的发射功率，设定位置单元循环发射的最大间隔时间，或者直接集中控制每个位置单元的具体发射时刻，使它们有次序地轮流发射。再比如，定位终端也可以扩展为双向通信模块，实现与独立的集中控制模块的双向数据交换，将自身获取的位置单元标识信息传送给集中控制模块进行统一分析处理和监视，同时可以接收集中控制模块对自身或对位置单元的间接控制命令，实现整个定位区间内定位***的集中监控等。这些都是基于本发明基本原理的各种扩展，此不穷举。

本发明的定位方法，使用上述的定位***，如图7所示，包括以下步骤：

S1、位置单元发射无线信号，所述无线信号携带有位置单元标识信息。

每个位置单元无线信号的发射是重复地间歇进行的。间歇时间的长短是在一个统一规定的最大时间间隔内随机产生的，这样可显著降低位置单元重叠区内不同位置单元之间的射频信号相互碰撞的概率，提高移动终端在位置单元重叠区内接收到有效无线信号的概率。定位终端在位置单元重叠区内发生无法有效接收无线信号的概率取决于每次无线信号的发送时间与最大允许间隔时间的比值，以及覆盖该位置单元重叠区的位置单元数量。最大允许间隔时间与定位终端在定位区域中的最大移动速度成反比，需根据不同的具体应用来确定。

S2、定位终端接收所述无线信号，并提取所述位置单元标识信息。

定位终端周期性地不间断接收位置单元发送的无线信号数据帧，并经过数据帧解码获得位置单元标识码(和/或位置单元的其他属性或状态信息)，从而获知自己当前所在的位置单元。

S3、根据所述位置单元标识信息，获取当前所在位置信息。

通过位置单元与其在定位区域内的相对几何空间位置的固定映射关系，定位终端获知自己当前在定位区域内的相对几何位置。

在该方法的步骤S2中，如果终端无法接收到当前所在区域内的位置单元发送的无线信号，则终端使用上一次接收到的无线信号进行计算，获取当前所在位置信息。

该方案中，当定位终端在处于位置单元重叠区区间时，如果在某时刻，出现相邻位置单元在小概率情况下发生的同频干扰，导致定位终端在该时刻无法有效获得任何位置单元发送的无线信号，则定位终端将继续使用其最后一次接收到的位置单元标识码，其定位精度不受影响。

位置终端在处于位置单元重叠区区间时，如果有效接收到两个以上位置单元发送的无线信号，则其位置定位信息通过这些位置单元的位置单元标识码所对应的几何空间位置联合计算得出。计算可采用多种简单或者复杂的几何计算方法实现；

当定位终端处于没有被任何位置单元覆盖的盲区时，定位终端可以继续使用最后一次接收到的一个或多个有效位置单元标识码计算位置信息，但不保证达到有效定位精度。

本发明可实现在指定空间范围内的相对几何位置定位；在GPS技术和LBS技术由于各种环境限制无法正常使用或无法达到需要的定位精度时，采用本发明所述方法可以提供空间位置定位的解决方案；典型PA面积范围可从几百平方米到几万平方米，但不限于这个范围，本发明之技术原理与定位区间面积无关。

本发明所采用的定位技术，其有效定位精度等于位置单元半径；而位置单元半径是由发射功率决定的。通过调整发射功率可以调整位置单元半径的大小，继而调整定位精度。发射功率的调整有很多方法，比如调整天线的长度等。

本发明对于位置单元的部署要求十分简单，在尽量减少盲区面积的原则下，几乎可以随意部署；原则上，部署时要尽量减少位置单元重叠区的面积。减少位置单元重叠区的面积主要是减少位置单元的部署数量，对降低部署成本，提高覆盖效率有一定的影响，但对定位精度没有影响。

本发明中，位置单元使用的射频频点可以采用国际、国内无线电管理法规规定的任意合法频点实现，只要注意避让其他在用频点即可。由于发射距离接近所要求的定位精度，因此距离很短，2.4GHz以下的频率都具有一定的绕射能力，所以频点的选择对本发明的有效实施影响甚微。

本发明允许所有位置单元在同一频点进行工作，而不影响定位精度，可有效降低发射装置的实现成本，显著降低位置单元的部署难度，大大节省频率资源。

本发明对位置单元的装置要求十分简单；首先，由于位置单元半径(等于定位精度)的距离很短，因此对射频发射功率的增益要求很低；同时，由于是只发射不接收的单向广播，因此射频发射装置可以做的非常简单并且成本低廉。

本发明中，位置单元对位置单元标识码的发送是重复进行的，在发送期间，位置单元标识码是已确定且固定的，因此在位置单元中，位置单元标识码的数据帧生成模块可以是非常简单的实现方式，成本可以十分低廉；

总之，本发明是一种实现简单、成本低廉、精度可控、部署灵活、使用方便的，可在指定范围内对其他定位技术进行有效替代的空间位置定位方法。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1、一种定位***，其特征在于，包括定位终端和多个位置单元；

所述位置单元设置有无线信号发射模块，用于发射无线信号，所述无线信号携带有位置单元标识信息；

所述定位终端，设置有无线信号接收模块，用于接收所述位置单元发送的无线信号，并根据所述的位置单元标识信息，确定定位终端位置。

2、如权利要求1所述的***，其特征在于，所述的多个位置单元的无线信号发射模块，具有相同的发射频率。

3、如权利要求1所述的***，其特征在于，所述的多个位置单元，规则或无序地部署在定位空间指定的几何位置上。

4、如权利要求1所述的***，其特征在于，所述的位置单元，还包括：

位置单元标识设置模块，用于设定位置单元的标识码；

位置单元标识数据帧生成模块，与位置单元标识设置模块相连及无线信号发射模块相连，用于根据位置单元信息生成位置单元数据帧，并由无线信号发射模块将所述数据帧发射。

5、如权利要求4所述的***，其特征在于，所述的位置单元，还包括间隔时间随机发生模块，与无线信号发射模块相连，用于产生间隔发射的时间控制信号。

6、一种定位方法，使用权利要求1所述的定位***，包括：

A、位置单元发射无线信号，所述无线信号携带有位置单元标识信息；

B、定位终端接收所述无线信号，并根据所述位置单元信息，获取当前所在位置信息。

7、如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的步骤A中，所述的位置单元标识信息，为所述位置单元在所述定位***中的几何空间位置信息或各位置单元间的相对位置信息。

8、如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的步骤B中，获取当前所在位置，是根据所述位置单元的几何空间信息计算获取当前所在位置信息。

9、如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的当前所在位置信息，是定位终端接收到的无线信号的发射位置单元的位置信息。

10、如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的步骤B中，如果终端无法接收到当前所在区域内的位置单元发送的无线信号，则终端使用上一次接收到的无线信号进行计算，获取当前所在位置信息。

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