無線微功率網絡定位系統及其定位方法

2023-05-16 07:55:51 1

專利名稱：無線微功率網絡定位系統及其定位方法
技術領域：
本發明涉及定位技術，特別涉及一種無線微功率網絡定位技術及其定位方法。
背景技術：
定位技術到目前為止，都是採用的無線信號定位的方法。現有定位系統，基本上可 以分為以GPS為代表的定位系統和以移動通信網絡為代表的無線網絡(包括GSM、 CDMA網 絡)定位系統。
GPS定位技術 被定位物體通過與之相連的GPS接收終端，同時接收四顆(至少三顆)GPS衛星發 射的定位信號，計算出該物體所處的經緯度和高度坐標(X， Y， Z)而實現定位。這種X， Y， Z位置坐標信息，在一般實際應用中，必須與電子地圖配合使用，而且，往往還需要轉換為我 們所熟悉的地理位置信息，例如街道名稱，具體參考地點等，才能真正方便使用。在對移動 目標，例如車輛定位時，還需要將所算出位置信息，通過現有移動通信網絡，傳給控制中心， 才能真正到達定位的目的——對車輛的管理、監控。就移動目標定位而言，GPS定位系統至 少需要GPS衛星、GPS接收機、移動通信網絡、移動通信終端(GMS或CDMA收發模塊)及控 制中心才能實現。GPS定位系統的缺點，除了建立定位系統的成本及運營成本高以外(包括 行動網路使用費)，它的使用在城市中還受到極大的限制。因為使用GPS設備的重要前提之 一，是GPS接收機與衛星之間有直射路徑，而GPS信號在建築物密集的城區及建築物內部存 在信號接收盲區。另外GPS定位還要受到多徑效應和許多其他因素的影響，包括初始定位 信號捕獲時間較長等(通常為0. 5 15min)。現場實驗表明，在高樓林立的城市，安裝GPS 接收機的公交車輛，能夠正常接收GPS定位信號的概率大約為70X左右。在一些特殊場合， 如鋼筋混凝土建築物內、地下室或礦井中，則完全收不到GPS信號。
移動通信網絡定位技術 基於移動通信網絡的定位技術，除了要對現有行動網路的布局，網絡基站和移動 終端的軟體和硬體做較大的改變外，它的使用，還要受到城市中非視距傳播、多徑效應和多 址幹擾等因素的極大影響。在網絡布局上， 一般要求移動終端，能夠同時與3個或3個以上 基站，進行直接通信，通過各種複雜的測距、測向來確定移動終端的位置。而現有移動通信 網絡，主要考慮的是語音通信，因而，很難滿足定位的要求。 綜上所述，現有定位技術和方法的主要缺點是，結構複雜，投資大，運營費用高，不 能在城市，或礦山井下等複雜的環境條件下工作，因而不能滿足許多實際應用的需要。

發明內容
本發明所要解決的技術問題，就是針對現有定位系統結構複雜，成本高，運營費用
3高，使用場合受限的缺點，提供一種不依賴於GPS和現有移動通信網絡的，無線微功率網絡 定位系統及其定位方法。 本發明解決其技術問題，採用的技術方案是通過組建一個由若干個具有固定位 置，可以與控制中心計算機進行通信的無線微功率收發機組成的網絡，以及安裝在需要定 位的可移動目標上的無線微功率收發機，組成的無線微功率網絡定位系統，利用網絡節點 和可移動目標的收發機的發射功率，接收靈敏度以及接收信號強度與傳輸距離之間的關 系，再利用已知的網絡節點的位置，來實現對可移動目標的定位；並利用同一個網絡，實現 可移動目標位置信息以及其它控制信息的傳輸。 網絡中每一個具有固定位置的無線微功率收發機，被稱為一個網絡節點，安裝在 需要定位的可移動目標上的無線微功率收發機，被稱為移動目標；所述網絡節點通過有線 或無線的方式與控制中心相連接以傳輸信息，其連接方式可以採用星狀，樹狀，網狀等多種 方式；所述網絡與控制中心的計算機系統相聯接；所述網絡節點與移動目標之間通過無線 通信方式連接；所述計算機系統存儲有網絡節點的地址，移動目標的身份識別信息以及網 絡管理軟體；所述無線收發機由具有完整的無線發射和接收功能的集成電路晶片構成，它 們也可以只具有單一的無線發射或接收的功能，它們的發射功率，滿足當地政府的相關規 定限制；當所述網絡為Zigbee網絡時，這些網絡節點就是Zigbee網絡的FFD ;移動目標就 是Zigbee網絡的RFD。
採用上述無線微功率網絡定位系統的定位方法有下面幾種
第一種定位方法，稱為幾何中心定位法 建立網絡節點與移動目標的通信聯繫，以收到移動目標信號最強的1-3個網絡節 點的幾何中心作為移動目標的位置； 這裡所述的移動目標信號，可以是移動目標自身單方向發出的身份碼信號，也可 以是移動目標收到系統的呼叫信號後，返還給網絡節點的回應信號。 這裡需要說明的是，呼叫回應信號不同於移動目標自身發出的信號，這兩者的差 別是後者只取決於網絡節點能否接收到移動目標的信號，它是一種單方向通信，而前者在 網絡節點能夠接收到移動目標的呼叫回應信號之前，首先移動目標要能接收到來自網絡節 點的呼叫信號，它是一種雙向通信過程。
第二種定位方法信號強度法 它是利用在給定定位區域內，預先通過現場實測建立起來的無線接收機所接收到 的信號強度，與到信號源距離的普遍關係，再通過測量網絡節點(或移動目標)接收到的來 自移動目標(或網絡節點)的信號強度，來確定移動目標與網絡節點之間的距離；
第三種定位方法搜尋法 它是利用在給定定位區域內，預先通過現場實測建立起來的無線接收機離開信號 源的距離，與信號源臨界發射功率的普遍關係，這裡的臨界發射功率，是指無線接收機在給 定距離位置處，能夠接收到信號源信號時，信號源必須要有的最小發射功率，再通過改變網 絡節點(或移動目標)的發射功率，找出對應於移動目標(或網絡節點)所在位置處的臨 界發射功率，來確定移動目標與網絡節點之間的距離；
第四種定位方法指紋法 它包括信號強度指紋法，以及臨界發射功率指紋法。這種方法不依賴於信號源發射功率或射頻信號強度，與距離之間的普遍關係，而是依賴於該定位區域內，處在某個具體 位置的信號源及其發射功率，與區域內不同位置處的信號強度之間所存在的，完全依賴於 該區域內特定環境條件的特殊關係。 信號強度指紋法建立網絡節點與移動目標的通信聯繫，利用在J個網絡節點上 所量測到的，來自同一個移動目標的一組信號強度值，組成的信號強度指紋特徵，與資料庫 中預先通過現場實測所儲存的，J個網絡節點的不同信號強度指紋特徵，與移動目標不同位 置的一一對應關係；或利用在移動目標處量測到的來自J個網絡節點的一組信號強度值， 共同組成的信號強度指紋特徵，與資料庫中預先通過現場實測所儲存的，對應於這J個網 絡節點，移動目標的不同信號強度指紋特徵，與移動目標在不同位置的一一對應關係，來確 定移動目標的具體位置，其中J> 1。 臨界發射功率指紋法建立網絡節點與移動目標的通信聯繫，通過改變網絡節點 或移動目標的發射功率，找出對應於同一個移動目標位置的，Q個網絡節點的一組臨界發射 功率組成的指紋特徵，或相對於這Q個網絡節點，在移動目標處測得的一組臨界發射功率 值，組成的指紋特徵，與資料庫中預先通過現場實測儲存的，不同臨界發射功率指紋特徵， 與移動目標在不同位置的一一對應關係，來確定移動目標的位置，其中Q > 1。
在以上第三種"搜尋法"，和第四種"指紋法"中，都利用到臨界發射功率的概念。它 實際上就是一個搜尋移動目標的過程。它利用改變網絡節點或移動目標的發射功率，來改 變網絡節點與移動目標之間，可以實現雙向或單向通信的範圍，通過找出兩者之間能否接
收到對方信號的變化點，找出相應的臨界發射功率，從而搜尋出移動目標的位置。由於一般 微功率單晶片收發機，都具有多級發射功率控制的功能，因而，我們可以很容易的通過控制
命令，來改變移動目標或網絡節點的發射功率，從而達到搜尋移動目標的目的。 使用臨界發射功率的概念來定位，與使用信號強度的概念來定位類似，都利用了
信號強度隨距離而衰減的普遍規律，但相對於使用信號強度的概念來定位，使用臨界發射
功率來定位，具有顯而易見的優越性首先，在使用信號強度的概念來定位時，你所測得的
信號強度中，包括了許多與定位目的無關的，來自其他信號源的貢獻，要將它們分開來，有
時十分困難；其次，現場實測表明，信號強度的量測，具有相當的難度，這主要是指測量時信
號的穩定性和精確性；最後，由於一般收發機往往不具有信號強度指示功能，因而使用信號
強度的概念來定位的方法，也就受到很大的局限。而使用臨界發射功率的方法，則不存在這
些問題。 本發明的有益效果是結構簡單，使用方便，成本低，技術成熟。本發明不需要複雜 的測量和計算，也可不需要電子地圖，就能夠滿足實際定位需要；系統本身既是一個定位網 絡，又是一個能夠進行信息傳輸的通信網絡，因而可以集定位和信息傳輸為一體，不僅方便 了實際應用，而且還大大降低了運營成本。


圖1是本發明系統組成示意圖； 圖2是信號強度與離開信號源距離的關係示意圖；
圖3是無線發射機的信號覆蓋半徑示意圖；
圖4是無線接收機的定位半徑示意 圖5是1個網絡節點位置作為移動目標位置的示意圖； 圖6是2個網絡節點位置的幾何中心作為移動目標位置的示意圖； 圖7是3個網絡節點位置的幾何中心作為移動目標位置的示意圖； 圖8是根據計算的移動目標到3個網絡節點的距離來確定移動目標位置的示意
圖； 圖9是臨界發射功率示意圖，Q > Qm， M可接收到0的信號，Q < Qm， M接收不到0 的信號； 圖10是對應同一個移動目標位置，不同網絡節點的不同臨界發射功率； 圖11是對應不同網絡節點的位置，在某個具體位置的移動目標的不同臨界發射
功率； 圖12是Ta， Tb， Tc組成移動目標在位置0的信號強度指紋示意圖； 圖13是Qa， Qb， Qc組成移動目標在位置0的臨界發射功率信號指紋示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖及實施例，詳細描述本發明的技術方案。 為便於理解本發明的技術方案，先將與本發明有關的幾個概念簡單介紹如下
無線信號的傳輸 在理想條件下， 一個無線發射機通過天線向外發射一定功率的射頻信號，無線發 射機附近某點的射頻信號強度，與該點距發射天線的距離的平方成反比，我們可以用公式 Tr = KQ/f來表示。這裡Tr代表距離無線發射機R處的信號強度，Q代表無線發射機天線 端的信號強度，而K則可以簡單考慮為衰減係數。在實際應用中，實際信號強度的大小與離 開信號源距離的關係，由於信號傳輸環境條件與理想情況有較大的差別，因而，也就不能簡 單地用上面的公式來表示，但為了方便起見，人們仍然喜歡用使用上面公式的形式，來表達 這種關係，只不過式中的指數"2"，需要使用一個未知數"x"來代替，即公式改為Tr = KQ/ Rx，由於信號強度隨距離的變化， 一般都是一種單調減弱的關係，因而式中"K"和"x"可以 通過簡單的實際現場測量來獲得。(圖2) 對於一個給定的傳輸環境和給定的網絡節點和移動目標而言，我們可以通過在現 場實際測量幾組信號強度與距離的數值，求出公式中K和指數x的值，以更符合現場實際情 況。如果定位區域內環境條件變化不大，我們可以將定位區域內，在一個具有代表性傳輸環 境的位置處，所測得的K和x的值，用於整個定位區域。對於無線信號傳輸條件差別較大的 某些地方，則需要專門在這些地方進行實際測量，以得到專門適用於這些地方的計算公式。 利用我們通過現場實測所建立起來的計算公式，就可以很容易地利用前述的方法，對移動 目標進行定位了。 無線發射機的信號覆蓋半徑Rab : 無線接收機B能否收到另一個相隔一定距離，使用相同信道的無線發射機A所發 射的信號，既取決於無線發射機A所發射的信號到達無線接收機B處的信號強度Tb，也取決 於無線接收機B的接收靈敏度Brs。當Tb大於Brs時，B便可以收到A的信號。我們將距 離A某個位置處的信號強度，剛好等於無線接收機B的接收靈敏度Brs時的距離Rab，稱作 A對應於無線接收機B的信號覆蓋半徑。Rab隨A的發射功率的降低，或B的接收靈敏度的降低而減小。(圖3)
定位半徑Rba : 當A的位置固定，A的發射功率和B的接收靈敏度一定時，B只有當處於一個以A 為圓心，Rab為半徑的一個固定範圍內時，才能接收到A的信號。反之，將B的位置固定，則 只有當A進入到一個以B為圓心，Rab為半徑的一個固定範圍內時，B才能接收到A的信號。 信號覆蓋半徑與定位半徑本質上是同一個東西，只不過前者以無線發射機為中心，後者以 無線接收機為中心而已。(圖4)
臨界發射功率 臨界發射功率，是指對兩個相隔一定距離的無線發射機和接收機而言，在無線接 收機能夠接收到無線發射機的信號時，無線發射機必須具有的最小發射功率。必須要說明 的是在開闊地帶，無線接收機離開無線發射機的距離越遠，無線發射機的臨界發射功率就 越大，但在存在建築物等的複雜傳輸環境中，由於遮擋，反射和多徑傳輸的原因，這種關係 則不一定總是成立。(圖9)
信號指紋 在地形複雜的區域或建築物內部，無線電信號傳輸對地形和傳播障礙物具有依賴 性，因而呈現出非常強的接收站點特殊性。因此對於每一個接收點來說，該信道的多徑結構 對每一個位置是惟一的。如果一個射頻信號從某一個位置發射出來，我們在不同的接收位 置所接收到的信號強度，將不再遵從信號強度隨離開信號源距離逐漸衰減的普遍規律，而 將呈現出一種對該區域特有的傳輸環境的依賴性。利用這種特殊性，我們可以使用在幾個 接收站點測得的，來自同一個位置的信號源的一組信號強度值，組成該信號源位置的指紋 特徵，來與信號源所在的位置相對應，建立起一種一一對應的關係。(圖12)
建立這種一一對應關系所需的指紋特徵，究竟應該由多少個接收站點的信號強度 組成，取決於實際定位的環境。例如，對煤礦井下人員定位，或對沿城市一定線路行駛的公 交車輛定位的目的， 一般選擇1-2個站點就足夠了 ，對其它的定位應用而言，選擇三個接收 站點， 一般應該也就能建立起這種一一對應的關係了 。 如果我們預先通過現場實測，建立起移動目標在定位區域內的不同位置，與其對 應接收站點的信號強度指紋特徵之間一一對應的關係，並存入資料庫，我們就可以反過來， 利用在對應站點測量到的信號強度指紋特徵，與資料庫中的指紋特徵進行比較，從而找出 對應的移動目標的位置，實現對移動目標的定位。 為了實現在複雜環境下對移動目標的定位，我們不僅可以使用在幾個接收站點 處，所測量的來自同一個移動目標的信號強度組成的一組信號強度指紋，與移動目標具體 位置的對應關係；我們還可以使用在同一個移動目標位置處，所測量的來自幾個網絡節點 的不同信號強度組成的一組信號強度指紋特徵，與移動目標具體位置的對應關係；同樣的 道理，我們還可以使用對應於同一個移動目標的位置，幾個網絡節點不同的臨界發射功率 值，所組成的一組臨界發射功率指紋特徵，與移動目標具體位置的對應關係，或對應於處於 不同位置的幾個網絡節點，移動目標的不同的臨界發射功率值，所組成的一組信號指紋特 徵，與移動目標具體位置的對應關係。(圖13)
兩個無線收發機之間的通信距離 兩個無線收發機之間的通信，存在方向性的差別，網絡節點發射信號，移動目標接
7收這個信號(上行)，與同一個移動目標發射信號，同一個網絡節點接收這個信號(下行)， 是兩個完全不同的通信方向，是完全不一樣的兩件事因為網絡節點發射信號，移動目標接 收信號時的通信距離，只取決於網絡節點的發射功率和移動目標的接收靈敏度，而與網絡 節點的接收靈敏度和移動目標的發射功率無關，反之亦然。這如同你我兩個人之間對話一 樣，你的聽力好，我的聲音大，你可以在很遠的地方聽到我講話的聲音，反之，如果我的聽力 差，你的聲音也不大，我就只能在很近的地方才能聽到你的聲音。因而，前面討論到的網絡 節點處於發射，移動目標處於接收，和反過來移動目標處於發射，網絡節點處於接收是兩個 完全不同的狀態，它們所涉及到的信號強度，臨界發射功率當然也就不一樣。除非兩者之間 的發射功率和接收靈敏度都沒有差別。
定位系統 定位系統是由網絡節點，移動目標以及控制中心的計算機系統所組成。對於給定 發射功率的移動目標，網絡節點的定位半徑，只與網絡節點的接收靈敏度，和移動目標的發 射功率有關；同樣，網絡節點的信號覆蓋半徑，只與網絡節點的發射功率，和移動目標的接 收靈敏度有關。因而，我們可通過調整移動目標的發射功率，或改變網絡節點的接收靈敏 度，來改變網絡節點定位半徑的大小；我們也可通過調整網絡節點的發射功率，或改變移動 目標的接收靈敏度，來改變網絡節點信號覆蓋半徑的大小。 移動目標能否收到網絡節點的呼叫信號，取決於移動目標是否處於網絡節點的信 號覆蓋半徑內；而網絡節點要能收到移動目標發回來的呼叫返還信號，則移動目標首先要 能接收到網絡節點發出的呼叫信號。因而，對於給定的移動目標而言，這既取決於網絡節點 的信號覆蓋半徑的大小，也取決於網絡節點的定位半徑的大小，這就是說，只有移動目標與 網絡節點之間的距離，比這兩個半徑中的任意一個都要小時，網絡節點才可能收到移動目 標發回來的呼叫回應信號。 這樣，當移動目標處於網絡節點定位半徑內，我們通過改變網絡節點的發射功率， 來改變網絡節點的信號覆蓋半徑時，從網絡節點能否接收到呼叫回應信號情況的變化，可 以找出發生這個變化時的臨界發射功率，以及對應的信號覆蓋半徑，這個信號覆蓋半徑就 是移動目標與對應的網絡節點的距離。 在定位範圍內的某些局部地區，環境條件可能比較複雜，此時，通過增加網絡節點 的密度，縮小網絡節點的定位半徑，或信號覆蓋半徑的方法，或採用信號指紋定位法都可以 達到提高定位精度的目的。 這裡需要注意的是，影響無線通信距離的，除了信號源的發射功率和無線接收機 的接收靈敏度以外，信號源與無線接收機的高度位置也有很大的影響。因而，在定位系統 中，應注意移動目標和網絡節點的高度位置，應儘可能地保持一致。
無線微功率通信網絡 我們這裡所說的無線微功率通信網絡，是包括Zigbee網絡在內的所有無線微功 率通信網絡。即這種網絡的網絡節點和移動目標的發射功率，原則上都符合國家所規定的 微功率收發機的範圍，只在個別情況下，根據網絡通信的實際需要，可將網絡節點的發射功 率適當加以提高；其次，這種網絡中網絡節點的聯結方式可以是有線的，例如大多數移動通 信網基站的聯結方式，也可是無線的，例如Zigbee網絡的聯結方式。它們具有一般通信網 絡所具有的，可在網絡的是，我們這裡所描述的定位方法，它也適用於一般的無線通信網絡系統，例如現有的移動
通信網絡，只不過將它用於無線微功率網絡時更加方便簡單而已。 Zigbee網絡 Zigbee是一種新的無線網絡通信標準，主要是為工業和家庭自動化為目的而制定 的。特點是低成本，低功耗，低數據量和高集成度。它本身是一個信息傳輸網絡，要將它用 作為一個定位網絡，我們只需以Zigbee網絡系統中的主節點FFD(全功能裝置)作為定位 系統中的網絡節點，網絡子節點RFD(簡化功能裝置)作為移動終端；同時，我們還需要根據 實際定位的需要，調整主節點和子節點的發射功率，必要時包括接收靈敏度，以使網絡節點 的通信範圍，和定位精度都能滿足實際應用的需要。使用Zigbee網絡作為定位系統，一般 情況下，要求作為網絡節點的FFD具有固定的位置。
移動目標 是指由被定位對象(它可以是人員，車輛或其它能夠移動的物體)所攜帶的微功 率收發機。 本發明的系統結構及其定位方法 本發明的系統結構如圖l所示。移動目標M發射的，包含有移動目標M身份信息 的定位信號，被某個或某些網絡節點收到，這個或這些網絡節點，再將本身的地址信息，以 及所接受到的移動目標的身份碼信息，信號強度信息或發射功率大小等信息(如果需要的 話)，傳送到控制中心，控制中心根據這些信息以及預先通過現場實測得到的，儲存在控制 中心計算機中的其它相關資料，以這個網絡節點的位置，或這些網絡節點位置的幾何中心， 或通過前述的定位方法計算出的位置，作為移動目標的位置，從而完成對移動目標的定位。
網絡節點與網絡節點之間，以及網絡節點與控制中心之間的通信，可以採用有線
通信，也可以採用無線通信。
實施例 首先確定需要定位的區域，定位精度和需要採用的定位方法，再根據定位方法和 定位精度要求，建立無線微功率通信網絡(也可利用已有的無線通信網絡)，對整個定位區 域進行信號覆蓋，整個網絡的拓撲結構可以是多樣的，星狀，樹狀，網狀等。在特殊情況下， 也可採用間隔式的站點覆蓋，例如公交車輛運行的固定線路、煤礦井下坑道中人員定位點， 高速公路上的監控站點等。每一個網絡節點應建立相應的位置標識，網絡節點的布置應與 具體採用的定位方法相一致。 對處於網絡中的所有需要定位的移動目標進行標識，並安裝無線微功率收發機，
一般情況下，用於移動目標的所有無線微功率收發機的設置應該完全一致。 在使用需要信號強度來定位的方法時，定位網絡節點或移動目標還應具備有，接
收信號強度指示的功能(RSSI)。 在需要使用臨界發射功率的方法來進行定位時，移動目標或網絡節點，應具有發 射功率大小控制分級的功能。 我們下面分別就前述四種定位方法進行具體的描述 1.在對系統簡單，精度要求不高的情況下，可以使用幾何中心定位法，來確定移動 目標的位置 首先建立網絡節點與移動目標的通信聯繫
當移動目標M發射的定位信號僅被某一網絡節點A收到時，意味著M處於以A為 圓心，半徑為3= (KQ/Tr)"x的範圍內，如圖5所示。此時，該網絡節點A的位置，就是移動 目標M的位置。可以看出，移動目標M的發射功率越小、或網絡節點A的接收靈敏度越低， 則這個半徑a越小，移動目標M的實際位置就越接近網絡節點A，定位精度也就越高。這種 情況同樣適合以接收到定位信號最強的網絡節點，作為移動目標位置的定位方法。
圖6示出了 2個節點定位的情況。圖中節點A和B同時收到了移動目標M的定位 信號，或者節點A、 B上的定位信號強度大於其它節點上的定位信號強度。這時我們以節點 A、 B的幾何中心——節點A、 B連線的中點作為移動目標M位置。 圖7是3個節點定位的情況，圖中節點A、 B、 C同時都收到了移動目標M的定位信 號，或者節點A、B、C上的定位信號強度大於其他節點上的定位信號強度。這時我們以節點 A、 B、 C的幾何中心——即A ABC三條中線的交點作為移動目標M的位置。
利用這個方法，我們可以很容易地利用現有的移動通信網絡，來確定移動終端自 身的位置，我們只要在現有的移動通信網中增加一個功能，即當移動用戶需要知道自身的 大概位置時，通過手機位置按鍵，向對應的移動通信系統發出提供位置信息請求時，附近的 基站將通過簡訊，回應一個該基站的具體位置信息，(例如，"你現在的位置是xx區，xx標 志性建築物附近等，.....)則手機用戶就可以將這個位置當作自己的位置，如果附近有幾 個基站可以與之通信，我們就可以得到附近幾個基站的位置信息，利用上面我們所講的定 位方法，手機用戶就可以比較清楚地知道自己的位置了。由於一般小靈通基站之間的距離 比較近，因而，這種方法對於小靈通系統而言，所得到的位置信息應該有一定的實用價值。
2.在傳輸環境相對簡單的定位區域，當我們對移動目標的定位精度有更高的要求 時，我們可以使用信號強度法或搜尋法使用這個方法時，需要預先通過現場簡單實測，建 立起定位區域內，信號強度與離開信號源距離的關係，或臨界發射功率與接收距離的關係， 或找出前述計算公式中K和x的值。在實際應用中，除個別射頻信號傳輸環境比較特殊的 網絡節點外，我們可以將一個具有代表性網絡節點的實測結果，用於定位區域內的其它網 絡節點。利用這個實測結果關係，控制中心便可以利用前述的信號強度法，或搜尋法來計算 移動目標與網絡節點之間的距離了 。 信號強度法根據某一個網絡節點所接收到的來自移動目標的信號強度，或移動 目標所接收到的來自該網絡節點的信號強度，利用預先經過現場實測建立起來的，接收信 號強度與到對應的信號源距離的關係，就可以計算出該網絡節點與對應的移動目標之間的 實際距離。採用同樣的方式，我們可以分別計算出同一個移動目標到不同網絡節點之間的 距離，再利用這些網絡節點本身的位置坐標，計算出移動目標的位置坐標。(圖8)
搜尋法，這種方法又分兩種情況 1)通過改變網絡節點的發射功率來定位某個移動目標處於定位區域內的某個 位置，在該移動目標的周圍，存在n個網絡節點(圖10)，這n個網絡節點都能接收到移動目 標發來的信號，當網絡呼叫該移動目標時，只要該移動目標能夠接收到來自網絡節點的呼 叫信號，這n個網絡節點一定能接收到該移動目標的回應信號。它們與移動目標的距離分 別為，Ll， < L2， < L3， . . . < Ln(第n網絡節點與移動目標的距離Ln最遠)。假定這些網 絡節點使用相同的某個發射功率呼叫移動目標時，移動目標都可以接收到來自所有這n個 網絡節點的呼叫信號，但隨著這這個呼叫發射功率的逐步降低，移動目標所接收到來自這n個網絡節點的呼叫信號將變得越來越弱，當網絡節點的發射功率剛剛低於Pn時，移動目標 將首先接收不到來自第n個網絡節點的呼叫信號，第n個網絡節點自然也就收不到來自移 動目標的回應信號。此時，Pn就是第n個網絡節點對應於該移動目標的臨界發射功率，Ln 就是網絡節點使用Pn發射功率時，移動目標能夠接收到第n個節點信號時的最遠距離，它 也是第n個網絡節點在發射功率為Pn時，對應於該移動目標的信號覆蓋半徑。利用預先經 過現場實測建立起來的，網絡節點的臨界發射功率與到移動目標距離的關係，我們很容易 計算得出移動目標到該網絡節點的實際距離。 隨著網絡節點發射功率進一步的降低，移動目標將逐次收不到來自第n-l， n-2， . . . . 3， 2， 1個網絡節點的信號，同樣這些網絡節點，也就逐次接收不到移動目標的回 應信號。這樣，我們將依次得到對應的第n， n-l， ..... 3， 2， 1個網絡節點的臨界發射功率，
Pn-l，.....P3， P2， Pl，和計算出移動目標到相應網絡節點的距離。同樣，當網絡節點從最
小的發射功率開始，逐步增大時，我們可以得到相同的結果，只不過此時，整個過程的方向 完全相反而已，即這些網絡節點，將從離開移動目標最近的網絡節點開始，逐次開始接收到 移動目標發來的回應信號。在實際定位時，我們往往只需要確定移動目標到最近的l-3個 網絡節點的距離，就足以滿足實際定位的要求了，例如城市公交線路上的公交車輛定位，和 煤礦井下坑道中的人員定位等。 2)通過改變移動目標的發射功率來定位某個移動目標處於定位區域內的某 個位置，在該移動目標的周圍，有m個網絡節點(圖ll)，與它的距離分別為，H1，<H2， <H3，... 〈Hm(第m個網絡節點與移動目標的距離Hm最遠。當移動目標採用最大功率發 射時，這m個網絡節點都能收到移動目標的發來的信號。假如我們將移動目標的發射功率 從大到小逐次降低，這m個網絡節點所接收到來自移動目標的信號將變得越來越弱。當移 動目標的發射功率剛剛小於Qm時，離開移動目標最遠的第m個網絡節點將首先接收不到來 自該移動目標的信號。此時，Qm就是該移動目標對應於第m個網絡節點的臨界發射功率， Hm就是移動目標在發射功率為Qm時，第m個網絡節點能夠接收到該移動目標信號的最遠距 離，也是移動目標在發射功率為Qm時，對應於第m個網絡節點的信號覆蓋半徑。利用預先 經過現場實測建立起來的，移動目標的臨界發射功率與到對應的網絡節點距離的關係，我 們很容易計算得出移動目標到該網絡節點的實際距離。 隨著移動目標發射功率進一步的降低，網絡節點將從遠到近逐個收不到來自移動 目標的信號，這樣，我們將依次得到對應於不同網絡節點Hm-l，……H3， H2， HI的臨界發射
功率Qm-l，.....Q3， Q2， Ql，和計算出移動目標到相應網絡節點的距離。同樣，當我們從最
小的發射功率開始，逐步增大發射功率時，我們可以得到相同的結果，只不過此時，整個過 程方向完全相反而已，即這些網絡節點，將從離開移動目標最近的網絡節點開始，逐次開始 接收到移動目標發來的信號。和前面所討論的一樣，在實際定位時，我們往往只需要確定離 移動目標最近的，l-3個網絡節點到移動目標的距離，就足以滿足實際定位的需要了。
這裡還有一種應用情況，在這種情況下，我們僅僅需要讓移動目標自己知道自身 所處的位置就行了。此時，我們可以通過改變移動目標的發射功率，向周圍的網絡節點發出 呼叫信號，並要求網絡節點給以回應。例如，處於無線通信網絡(小靈通，WLAN， Zigbee等 網絡)信號覆蓋範圍內的移動通信終端，向周圍的基站發出呼叫信號，並請求給以回應。此 時，如果，移動目標自身要能接收到網絡節點的回應信號，則網絡節點首先必須要接收到移動目標的呼叫信號，因而，通過從大到小或從小到大地改變移動目標的發射功率，我們可以 很容易的得到，對應於不同網絡節點的移動目標的臨界發射功率，再利用這些網絡節點的 實際位置，從而得到移動目標與網絡節點之間的實際距離(無線通信網絡基站和移動終端 的距離)。在實際定位時，我們往往只需要知道1-3個網絡節點到移動目標的距離，就足以 滿足實際定位的需要了。顯然，離移動目標最近的l-3個網絡節點，無疑是最好的選擇。如 果我們可以在以上各種無線通信網絡的基站中，增加專門用於定位的，回應移動終端呼叫 等相關的功能，我們就可以很容易實現利用以上各種無線通信網絡，來確定移動終端自身 位置的目的。 3.在定位區域環境十分複雜，而定位精度要求又很高的應用場合，我們可以採用 信號指紋定位法信號指紋定位法包括信號強度指紋定位法，和臨界發射功率指紋定位法， 信號指紋定位法並不依賴於接收信號強度，與信號源的發射功率，或接收距離之間的普遍 規律，例如前述的計算公式，而是依賴於該定位區域內，處在某個具體位置的信號源的發射 功率，與區域內不同位置處的信號強度之間所存在的，完全依賴於該區域內特定環境條件 的特殊關係。 具體做法是建立網絡節點與移動目標的通信聯繫，在需要定位的區域內，對於移 動目標在定位區域內的每一個位置，通過在與移動目標相鄰的多個網絡節點上，同時測量 一組信號強度值，或與該位置對應的一組臨界發射功率值，或對應於這些不同網絡節點，該 移動目標的一組臨界發射功率值，建立起移動目標在定位區域內每一個具體位置，與所採 用的不同信號指紋定位方法相應的，信號指紋特徵資料庫。 信號強度指紋定位法建立網絡節點與移動目標的通信聯繫，利用在J個網絡節 點上，同時接收到來自同一個移動目標的不同的信號強度，共同形成的信號強度指紋特徵， 和資料庫中預先儲存的不同信號強度指紋特徵，與移動目標的不同具體位置的一一對應關 系，來確定移動目標的位置，其中1。 臨界發射功率指紋定位法建立網絡節點與移動目標的通信聯繫，利用在Q個網 絡節點上測得的，對應於移動目標某個具體位置的一組臨界發射功率值(或移動目標相對 於這Q個網絡節點的一組臨界發射功率值)，共同形成的臨界發射功率指紋特徵，和資料庫 中預先儲存的不同臨界發射功率指紋特徵，與移動目標不同具體位置的一一對應關係，來 確定移動目標的具體位置，其中Q^ 1。
本發明定位系統的組成和各部分功能 本發明定位系統，由具有固定標識位置的無線微功率收發機構成的網絡節點，安 裝有無線微功率收發機的移動目標，控制中心計算機，以及網絡管理軟體組成。網絡節點與 移動目標之間，可以進行無線通信。例如，移動目標可以向網絡節點發射帶有自身標識碼的 定位信號，也可接收來自網絡節點的其它信號；網絡節點和移動目標，可以是只具有單一發 射功能的無線微功率發射機，或只具有單一接收功能的無線微功率接收機，它們可以具有 接收信號強度顯示功能，或發射功率控制功能，具體的功能要求，取決於所採用的具體定位 方法。 所述網絡節點都通過有線或無線的通信方式與控制中心計算機相聯接。網絡節點 在定位系統中既是一個位置參照點，也是一個網絡通信的中繼站點。 所述網絡管理軟體，用於管理移動目標與網絡節點之間，網絡節點與網絡節點之間，以及它們與控制中心計算機之間的信息傳輸； 所述控制中心計算機用於運行網絡管理軟體，和相關定位信號的處理。 本發明的定位系統可同時具有對移動目標定位，和將移動目標位置信息，和其它
控制管理信息在整個微功率通信網絡上進行傳輸的功能。 本定位系統的優越性和社會經濟效益 本發明結構簡單，技術成熟，經濟實用。構成本系統網絡節點的市場售價不超過 600元，移動目標的市場售價不超過人民幣100元，(而現有一個移動通信基站的造價一般 都在百萬元左右)；網絡節點和移動目標的發射功率可從0.01毫瓦，到IOO毫瓦或更大，定 位精度可從幾米到幾百米。 由於網絡節點成本低廉，本定位系統網絡節點間距可以做得很密，甚至可以做到 每個房間一個節點，這樣，就將現有移動通信網絡必須要面對的，大覆蓋範圍內的複雜不均 勻信號傳輸環境，變為小覆蓋範圍內相對簡單均勻的環境，同時大大提高了定位精度。
本定位系統模塊集成度高，工作可靠，體積小，耗電量小，安裝靈活，維護方便。另 外，它還可以直接嵌入到設備系統中，因而使用十分方便。 本定位系統，將現有GPS定位監控系統所包括的定位部分(GPS)，和信號傳輸部分 (現有移動通信網絡)兩者合而為一，從而大大降低了定位系統建設成本和運營成本。因而 本發明能以極低的成本，有效地解決城市以及其它諸多領域中，許多急待解決的實際定位 問題(例如公交車輛定位，煤礦井下人員定位等)。
應用實例說明 我們以城市中一條公交線路的智能化為例來加以說明 在整個公交線路沿線的每一個十字路口中央的紅綠燈杆上，或其它電桿上，以及 公交線路的終點站，設置一個具有遠距離(1500米左右)無線通信能力的網絡節點(固定 位置網絡節點)，在保證相鄰兩個網絡節點之間的距離不大於600-800米的前提下，對於那 些公交線路不拐彎，同時彼此相距又太近十字路口，可以不設置網絡節點。同時，在每一輛 公交車上，也安裝一個同樣的無線微功率收發機(移動目標)，在每一個公交車站上，安裝 一個近距離(30米左右)站臺通信模塊，站臺通信模塊通過有線的方式，與站臺顯示設備相 聯接，通過無線的方式與移動目標，以及固定位置網絡節點相連。固定網絡節點之間可以通 過有線或無線的方式進行通信，使用無線方式時，可以使用Zigbee網絡通信管理軟體進行 管理。這裡需要說明的是由於站臺近距離通信模塊，與網絡節點之間的差別，主要是發射 功率的差別，因而，站臺通信模塊可以收到來自遠處的網絡節點，或移動目標(公交車)發 來的信號，而移動目標只有在離開車站30米距離以內，才可以收到站臺通信模塊發來的信 號。 當公交車停靠某個公交站臺時，移動目標將收到該站臺通信模塊發來的該站臺的 編碼信號，並記錄停靠該站臺的時間，並通過安裝在十字路口的固定位置網絡節點，將這些 信息，必要時包括上下車人數的信息，傳往控制中心，以及前方站臺。當公交車行駛在兩個 設置了網絡節點的十字路口之間時，這兩個網絡節點將接收到來自公交車的信號，以及對 應的信號強度指示，利用事先在現場測試得到的，公交車位置與這兩個網絡節點所接收到 的信號強度的關係，我們可以很容易得到公交車在這兩個十字路口之間的具體位置，然後 通過網絡傳給車輛即將到達的前方各車站。
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現場實測效驗為了避免可能出現的差錯，在正式起用定位系統前，還需要實際駕 駛車輛，沿公交車輛的實際運行線路，進行實際位置與信號強度，或臨界發射功率關係的測 系統的優化，在實際網絡的布置中，在保證傳輸網絡通信可靠，定位系統簡單準確 的情況下，根據具體環境條件，完全可以對網絡節點的數量進行增減，位置進行調整，以達 到最佳效果。 本案例中，無線發射機使用的頻段為2.4Ghz的免費頻段，採用直序擴頻通信方 式，全向發射天線。 經濟成本核算假如這條線路上有20輛公交車，雙向50個車站，連同線路網絡節 點在內，一共需要100個左右的無線微功率收發機。加上計算機系統，軟體等，整個定位系 統的成本不超過20萬元。相比現有用於智能公交的GPS定位系統，本定位系統在實際應用 上，更加可靠和切實可行；在經濟上，不僅大大降低了系統的硬體和安裝成本，而且，由於不 需要使用現有移動通信網絡，因而避免了現有GPS定位系統每月要交納的網絡使用費。
權利要求
一種無線微功率網絡定位方法，用於無線微功率網絡定位系統，其特徵在於，所述方法包括如下步驟a.建立網絡節點與移動目標的通信聯繫；b.通過現場實測，建立定位區域內，不同網絡節點臨界發射功率與對應移動目標距離的普遍關係；c.通過改變n個網絡節點的發射功率，分別找出它們能夠接收到移動目標回應信號時的臨界發射功率值，再根據該定位區域內，預先測得的網絡節點的臨界發射功率，與移動目標距離的普遍關係，來確定移動目標的位置，此時n≤3。
2. 根據權利要求1所述的無線微功率網絡定位方法，其特徵在於，所述無線微功率網 絡定位系統包括具有固定位置的無線微功率收發機組成的網絡節點，與所述網絡節點相連 的控制中心計算機系統，安裝有無線微功率收發機的移動目標，所述網絡節點與移動目標 之間通過無線通信方式連接，所述網絡節點與控制中心計算機系統之間，通過無線或有線 通信的方式進行連接；所述控制中心計算機系統存儲有網絡節點的地址，移動目標的身份 碼識別信息，以及與移動目標定位有關的其它信息和網絡管理軟體；所述無線微功率收發 機是由具有單一接收，或單一發射功能，或接收和發射功能同時兼備的高度集成的單晶片 收發機構成；所述網絡既是一個定位網絡，又是一個信息傳輸網絡，移動目標通過這個網絡 就可以直接與控制中心計算機系統進行通信。
3. 根據權利要求2所述的無線微功率網絡定位系統，其特徵在於，系統中所有無線微 功率收發機的發射功率，在國際通用的2.4G ISM免費頻段上，不大於100mW，在其他頻段 上，除滿足國家對相關頻段上的功率使用限制，不超過iw。
4. 根據權利要求2或3所述的無線微功率網絡定位系統，其特徵在於，所述無線微功率 收發機所使用的頻率，是國際通用的2.4G ISM免費頻段，並採用了直序擴頻通信技術。
全文摘要
本發明涉及定位技術，特別涉及無線微功率網絡定位技術及其定位方法。本發明解決了現有定位系統結構複雜，投資大，運營費用高，不能在城市等複雜環境條件下，滿足許多實際應用需要的缺點，公開了一種無線微功率網絡定位技術及其定位方法。本發明以網絡節點的位置為參考，根據定位區域內信號源，接收機，發射功率和信號強度之間的普遍關係，和依賴於環境特徵的特定關係，來確定移動目標的位置。本發明結構簡單，成本低，技術成熟，不需要複雜的測量和計算，也可不需要電子地圖，就能滿足實際定位需要；本系統既是一個定位網絡，又是一個可傳輸位置信息和控制信息的通信網絡，不僅簡化了結構，方便了使用，而且大大降低了運營成本。
文檔編號H04W64/00GK101795488SQ20091025993
公開日2010年8月4日 申請日期2006年11月2日 優先權日2006年11月2日
發明者孫長徵, 廖應成 申請人:西安西谷微功率數據技術有限責任公司