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超声射频信号联合处理的室内定位系统及定位方法
【专利摘要】本发明公开了一种超声射频信号联合处理的室内定位系统及定位方法，包括三类基本节点：锚节点、移动节点和显控节点。锚节点是空间位置已知的固定节点，移动节点是空间中需要被确定位置坐标的活动节点，显控节点实时显示系统拓扑结构和节点定位结果并对整个系统进行协调控制。锚节点和移动节点采用射频和超声信号进行联系，在锚节点或者移动节点上对接收声信号进行数据处理，解算出移动节点的空间三维坐标，并最终在显控节点上对系统的定位结果进行显示。本发明设计的超声定位系统相比于超宽带射频、WIFI射频、视频影像等技术具有性能突出、成本低廉、私密性强、无电磁污染等优点，是室内位置服务的首选技术。
【专利说明】超声射频信号联合处理的室内定位系统及定位方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于超声射频联合处理实现室内移动目标定位的系统及其实现方法，属于超声探测定位【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着数据业务和多媒体业务的快速增加，人们对定位与导航的需求日益增大，尤其在复杂的室内环境，如机场大厅、展厅、仓库、超市、图书馆、地下停车场、矿井等环境中，常常需要确定移动终端或其持有者、设施与物品在室内的位置信息。但是受定位时间、定位精度以及复杂室内环境等条件的限制，比较完善的定位技术目前还无法很好地利用。因此，专家学者提出了许多室内定位技术解决方案，如A-GPS定位技术、超声波定位技术、蓝牙技术、红外线技术、射频识别技术、超宽带技术、无线局域网络、光跟踪定位技术，以及图像分析、信标定位、计算机视觉定位技术等等。这些室内定位技术从总体上可归纳为几类，即GNSS技术(如伪卫星等)，无线定位技术(无线通信信号、射频无线标签、超声波、光跟踪、无线传感器定位技术等)，其它定位技术(计算机视觉、航位推算等)，以及GNSS和无线定位组合的定位技术(A-GPS或A-GNSS)。
[0003]考虑到室内定位的特点，如何提闻定位精度是研究的重点，超声波定位技术由于整体定位精度较高，结构简单，成本相对低廉，是实现室内高精度定位的首选方案。

【发明内容】

[0004]本发明的目的是提供一种基于射频超声信号联合处理的室内定位系统及其定位实现方法。锚节点和移动节点采用射频和超声信号进行联系，在锚节点或者移动节点上对接收声信号进行数据处理，并运行高精度定位算法，解算出移动节点的空间三维坐标，并最终在显控节点上对系统的定位结果进行显示。
[0005]为了达到上述目的，本发明所采取的技术方案为:
[0006]一种超声射频信号联合处理的室内定位系统，其特征是，包括三类基本节点:锚节点、移动节点和显控节点；
[0007]锚节点固定在室内屋顶，是空间位置已知的固定节点，与移动节点间采用射频超声信号进行联系；
[0008]移动节点是空间中需要被确定位置坐标的活动节点；
[0009]锚节点和移动节点间通过收发超声信号实现对移动节点的定位；
[0010]在移动节点或者显控节点上对接收的超声信号进行数据处理，运算定位，解算出移动节点的空间三维坐标。
[0011]显控节点实时显示系统拓扑结构和移动节点定位结果并对整个系统进行协调控制。
[0012]显控节点包括控制器、处理器、显示器、射频通信模块，控制器控制处理器、显示器和射频通信模块进行工作。[0013]锚节点包括控制器、信号发生器、超声发射探头、射频通信模块，控制器控制信号发生器、超声发射探头和射频通信模块进行工作。
[0014]移动节点包括控制器、处理器、超声接收探头、射频通信模块，控制器控制处理器、超声接收探头和射频通信模块进行工作。
[0015]各锚节点间通过射频通信模块发射和接受同步信号，同步信号是射频信号。
[0016]锚节点和移动节点间工作于同步模式或异步模式。
[0017]同步模式，目标的精确定位依赖于锚节点和移动节点间的时钟准确同步。
[0018]异步模式，在满足一定拓扑结构的前提下，目标的精确定位不依赖于锚节点和移动节点间的时钟准确同步。
[0019]超声射频信号联合处理的室内定位系统的定位方法，其特征是，包含以下步骤:
[0020](I)在室内屋顶按照特定拓扑结构安装不少于4个以上的锚节点，并准确标定每个锚节点的地理坐标；
[0021](2)锚节点间使用射频信号进行同步并与移动节点间进行超声信号的收发；
[0022](3)在移动节点或者显控节点上进行数据处理、运行定位算法，得出定位结果；
[0023](4)在显控节点上进行定位结果显示。
[0024]步骤(3)中的定位算法采用球面交汇法确定移动节点坐标，在使用m个锚节点的情况下，已知屋顶m个锚节点的位置分别为坐标(xn, yn, zn),其中,η = I, 2，3，4…m,求解移动节点位置P坐标(X，y, z)；
[0025]由收发位置和斜距得如下球面方程组:
【权利要求】
1.一种超声射频信号联合处理的室内定位系统，其特征是，包括三类基本节点:锚节点、移动节点和显控节点； 锚节点固定在室内屋顶，是空间位置已知的固定节点，与移动节点间采用射频超声信号进行联系； 移动节点是空间中需要被确定位置坐标的活动节点； 锚节点和移动节点间通过收发超声信号实现对移动节点的定位； 在移动节点或者显控节点上对接收的超声信号进行数据处理，运算定位，解算出移动节点的空间三维坐标。 显控节点实时显示系统拓扑结构和移动节点定位结果并对整个系统进行协调控制。
2.根据权利要求1所述的超声射频信号联合处理的室内定位系统，其特征在于:显控节点包括控制器、处理器、显示器、射频通信模块，控制器控制处理器、显示器和射频通信模块进行工作。
3.根据权利要求1所述的超声射频信号联合处理的室内定位系统，其特征在于:锚节点包括控制器、信号发生器、超声发射探头、射频通信模块，控制器控制信号发生器、超声发射探头和射频通信模块进行工作。
4.根据权利要求1所述的超声射频信号联合处理的室内定位系统，其特征在于:移动节点包括控制器、处理器、超声接收探头、射频通信模块，控制器控制处理器、超声接收探头和射频通信模块进行工作。
5.根据权利要求3所述的超声射频信号联合处理的室内定位系统，其特征在于:各锚节点间通过射频通信模块发射和接受同步信号，同步信号是射频信号。
6.根据权利要求1所述的超声射频信号联合处理的室内定位系统，其特征在于:锚节点和移动节点间工作于同步模式或异步模式。
7.根据权利要求6所述的超声射频信号联合处理的室内定位系统，其特征在于:同步模式，目标的精确定位依赖于锚节点和移动节点间的时钟准确同步。
8.根据权利要求6所述的超声射频信号联合处理的室内定位系统，其特征在于:异步模式，在满足一定拓扑结构的前提下，目标的精确定位不依赖于锚节点和移动节点间的时钟准确同步。
9.根据权利要求1所述的超声射频信号联合处理的室内定位系统的定位方法，其特征是，包含以下步骤: (1)在室内屋顶按照特定拓扑结构安装不少于4个以上的锚节点，并准确标定每个锚节点的地理坐标； (2)锚节点间使用射频信号进行同步并与移动节点间进行超声信号的收发； (3)在移动节点或者显控节点上进行数据处理、运行定位算法，得出定位结果； (4)在显控节点上进行定位结果显示。
10.根据权利要求9所述的超声射频信号联合处理的室内定位方法，其特征是，步骤(3)中的定位算法采用球面交汇法确定移动节点坐标，在使用m个锚节点的情况下，已知屋顶m个锚节点的位置分别为坐标(xn，yn, zn)，其中，η = I, 2，3，4…m，求解移动节点位置P坐标(X，y, z)； 由收发位置和斜距得如下球面方程组:
【文档编号】G01S5/18GK103941231SQ201410201966
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年5月13日 优先权日:2014年5月13日
【发明者】李建 申请人:李建