自治超声波室内定位系统、装置和方法

专利名称：自治超声波室内定位系统、装置和方法
技术领域：
本发明涉及室内定位和位置传感，更具体地涉及在客户端侧执行位置 计算并使得对象可以获悉自身的物理位置的基于超声波的室内定位系统、 装置和方法。
背景技术：
毫无疑问，定位信息是用于提取用户和环境之间的地理位置关系以进 一步了解用户行为的基本内容。定位获悉应用的重要性和发展前景已经促 使对提供定位信息的系统的设计和实现，尤其是在室内和城市环境中。当 前，在许多不同的应用场合中，包括办公、医疗、煤矿、地铁、智能楼宇、 餐馆等，对于实时高精度地跟踪人和财物有着越来越大的市场需求。例如， 在办公环境中，要求职员在特定的安全区域中访问机密信息数据库。在该 区域之外，任何访问都将被禁止。安全区域的示例可以是一个房间、工作 区域的一部分、甚至可以是一张桌子。
众所周知的全球定位系统(GPS)在室外环境可以提供几十米精度的对
象位置信息，但是，在室内环境中GPS无法很好地工作，原因在于GPS的 定位结果因多径效应和信号遮断(signal obstruction)而急剧恶化。
从概念上，室内定位系统可以被归类成跟踪系统和导航系统。在跟踪 系统中，定位计算在服务器侧运行以定位对象的位置从而进行跟踪。在这 种情况下，数据库持续跟踪包括用户在内的所有实体的位置，因而用户的 隐私无法得以保证。此外，在跟踪系统中，所有的控制和管理功能都集中 在服务器侧，因此无法以可扩展的方式来部署和管理系统。
例如，在授予R. Want的题为"Infrared Beacon Position System"的美 国专利No. 6,216,087中公开了一种在双向红外光链路上建立的基于接近度 (proximity)的定位系统"Activebadge",其中，在每个房间中部署一个红外光信标，并且小型轻量的移动红外收发机每隔固定间隔就广播唯一 ID。
因为红外光信号很难穿透墙壁，所以ID广播可以很容易地被包含在房间内， 从而提供房间级(roomgranularity)的定位精度。
在授予Jones的题为"Detection system for determining positional and other information about objects"的美国专利No. 6,493,649中公开了一种 "Bat"系统，其中，用户佩戴小型识别徽章(badge),该识别徽章在受中 央系统的无线电触发时发射超声波脉冲。系统确定从识别徽章到安装在天 花板上的密集接收机阵列的脉冲TOA (到达时间)，并基于多边定位 (multilateration)算法来计算识别徽章的3D位置。
S.Holm等人的题为"A system and method for position determination of objects"的国际专利No. WO 03/087871 Al公开了一种"Sonitor"系统，其 中，仅利用超声波的定位系统实现了室粒度的定位精度。Sonitor标签(tag) 向位于监听区域内的接收器发射20kHz到40kHz的超声波信号。通过频率 调制，每个标签向接收器传送唯一 ID，接收器使用某种算法来读取这些ID, 然后将它们转发到中央服务器。
另一方面，导航系统在客户端侧执行定位计算并使对象知晓他们自身 的物理位置。用户应用不广播他们自身的位置，除非他们想要被其他人发 现。这样，用户的隐私可以得到充分地保证。
例如，非专利文献"RADAR: An In-Building RF-based User Location and Tracking System" ， P. Bahl etc., Proc. IEEE INFOCOM, 2000公开了一种基于 802.11无线网络的接收信号强度的定位系统。其中，首先在离线(off-line) 阶段，对系统进行校准，并根据分布在目标区域中的有限量的位置处的接 收信号强度来构建模型。然后在在线(on-line)阶段，移动单元报告从各个 基站接收的信号强度，并且系统确定在线观测数据与在线模型中的任意点 之间的最佳匹配。最佳匹配点的位置被报告作为位置估计。但是，因为在 建筑物内的RF传播将从经验数学模型严重偏离，所以使用信号强度来估计 位置无法产生令人满意的结果。
另夕卜，非专利文献"The Cricket Location-Support System" , B. Nissanka， etc., Proceedings of the Sixth International Conference on Mobile Computingand Networking, Boston, Massachusetts, USA， August 2000公开了一禾中 "Cricket"系统，如图1所示，该系统包括安装在楼宇中的一组独立不相 连接的超声波定位信标发射机，每个超声波定位信标发射机都既包含RF(射 频)发射器又包含超声波发射器。在工作期间，各个RF发射器如果侦听到 清楚的RF频道就发射RF信号，与此同时相应的超声波发射器将发射超声 波信号。对象身上携带的接收机首先将接收RF信号以用于与各个超声波定 位信标发射机建立同步，然后接收超声波信号，从而使用TOA来测量其自 身和发射机之间的距离，然后当接收到多于3个TOA样本时接收机就可以 推断其自身的位置以用于导航。但是，在这种系统中，1)采用了多个RF 发射和多个US (超声波信号)发射，从而使得RF与US之间的谐调相当 复杂并增加了系统成本；2)随机选择RF发射器以使得每次仅有一个超声 波定位信标发射机可以发射RF信号和US，因此从各个超声波定位信标发 射机的RF发射是无序的；以及3)对象一次仅侦听一个超声波信标，并且 可能在来自不同信标的信号之间发生位置移动。结果，将无法保证距离样 本的同步性，而这会导致不精确的位置估计。

发明内容
为了解决上述问题，本发明的主要目的旨在提供一种针对实际应用场 合的可以保护用户隐私、非集中控制管理、高精度且低成本的室内定位系 统。本发明提供了一种自治超声波室内定位系统，包括定位信标发射装置 和定位信标接收装置。其中，定位信标发射装置被配置为在发射包括同步 信息的信号之后按预定顺序以预定时间间隔地轮发多个超声波信号；并且 定位信标接收装置被配置为在检测到同步信息之后执行与定位信标发射装 置的同步，基于所获得的同步定时来确定接收到的各个超声波信号的发射 顺序，根据发射顺序来推断所接收的各个超声波信号的发射定时，使用所 接收的各个超声波信号的发射定时和接收定时来计算与各个所接收超声波 信号相对应的TOA信息，并基于定位信标发射装置中的各个超声波发射器 的位置和所计算得到的TOA信息序列来确定携带定位信标接收装置的对象 的位置。
10根据本发明一个方面，提供了一种定位信标发射装置，包括第一信
号发射器，用于发射包含同步信息的第一信号；多个第二信号发射器；以 及第二信号发射控制装置，用于控制所述多个第二信号发射器在第一信号 被发射之后以预定时间间隔按预定顺序来轮发第二信号。第一信号发射器 可以例如周期性地发射第一信号，从而使得所述多个第二信号发射器循环 地轮发第二信号。第一信号可以是射频信号、微波信号或红外信号。第二 信号可以是超声波信号。
根据本发明另一个方面，提供了一种定位信标接收装置，用于从发射 装置接收定位信标，所述接收装置包括第一信号接收器，用于接收包含 同步信息的第一信号；第二信号接收器，用于顺序地接收第二信号；同步 单元，用于利用第一信号中包含的同步信息来执行与发射装置的同步，并 获取同步定时；顺序确定单元，用于根据所述同步定时来确定由第二信号 接收器接收的各个第二信号的发射顺序；TOA获取单元，用于基于由顺序 确定单元确定的所述各个第二信号的发射顺序来获取与各个第二信号相对 应的TOA信息序列；以及位置计算单元，用于根据由第二信号接收器接收 的各个第二信号的发射源的位置和由T0A获取单元获得的T0A信息序列来 计算接收装置的位置。
顺序确定单元可以包括发射序号判断部分，将从第一个第二信号发 射源的发射定时开始的时间段分成间隔所述发射时间间隔的n个区间，如 果所接收的第二信号的接收定时处于第i区间，则判定该第二信号的发射序 号为i，其中，n为所述第二信号发射源的数目，并且i二l， 2， ...n;和第 二信号发射定时推断部分，用于基于由发射序号判断部分判定的所述发射 序号来推断所接收的各个第二信号的发射定时。
从第一信号接收器接收到第一个第一信号到其接收到第二个第一信号 之间的时间段为一个发射周期，其中，位置计算单元可以包括连续三角 位置计算部分，用于沿着由TOA获取单元获得的TOA信息序列来应用长 度为三的滑动窗并利用三角定位法、基于各个第二信号发射源的位置和一 个发射周期内的时间上相邻的三个TOA信息样本来实时地计算接收装置的
位置，从而在该发射周期内获得接收装置的一系列位置信息；和连续中值滤波部分，用于从所述一系列位置信息中去除异常值，从而得到接收装置 在所述发射周期内的多个实时位置。
根据本发明又一个实施例，提供了一种发射定位信标的方法，包括以 下步骤发射包含同步信息的第一信号；和在所述第一信号被发射之后以 预定时间间隔按预定顺序轮发第二信号。
根据本发明又一个实施例，提供了 一种用于在接收装置中从发射装置 接收定位信标的方法，所述方法包括以下步骤接收包含同步信息的第一 信号，利用该同步信息来执行与所述发射装置的同步，并获取同步定时； 顺序地接收第二信号；根据所述同步定时来确定所接收的各个第二信号的 发射顺序；基于所确定的发射顺序来获取与所述各个第二信号相对应的 TOA信息序列；以及根据所述各个第二信号的发射源的位置和所获得的 TOA信息序列来计算接收装置的位置。
相对于现有技术，本发明所提出的自治超声波室内定位系统具有下述 优点低系统复杂度、可以保护用户隐私、分布式计算、高定位精度且可
以实现实时定位。
本发明的室内定位系统具有简单的定位信标发射机制，可以很容易地 谐调同步信息的发射和用于位置计算的超声波信号的发射。
本发明的室内定位系统在接收装置侧进行定位计算，因此不需要中央 服务器进行控制和维护，并且在实际应用场合中可以很容易地进行扩展。


图1是示出现有技术超声波定位系统的示意图； 图2是描述了根据本发明一个实施例的超声波定位系统的示意图； 图3是示出根据本发明一个实施例的超声波定位信标发射装置的详细 配置的框图4是示出根据本发明一个实施例的超声波定位信标发射装置的结构 化US轮发(顺序发射)机制的示意图，其中图4 (a)是以六边星型拓扑 为例示出根据本实施例的超声波定位信标发射装置200的结构的示意图， 而图4 (b)是示出根据本实施例的超声波定位信标发射装置200的结构化US轮发机制的框图5是示出根据本发明一个实施例的在发射时间间隔选择错误的情况 下的三种接收情形的示意图6是示出根据本发明一个实施例的在发射时间间隔选择正确的情况 下的一种接收情形的示意图7是示出根据本发明一个实施例的超声波定位信标接收装置的配置 的框图8是示出根据本发明一个实施例的超声波定位信标接收装置中的顺 序确定单元的详细配置的框图9示出了根据本发明一个实施例的超声波定位信标接收装置在考虑 到超声波定位信标发射装置的退避时间和超声波定位信标接收装置的比特 同步误差的情况下的US脉冲发射顺序确定的示意性时间图IO是示出根据本发明一个实施例的超声波定位信标接收装置中的连 续三角位置计算单元的详细配置的框图11是示出根据本发明的连续三角定位部分的工作原理的示意图12是示出根据本发明一个实施例的超声波定位信标轮发处理的流程
图13是示出根据本发明一个实施例的超声波定位信标接收处理的流程
图14是示出根据本发明一个实施例的US脉冲发射顺序确定处理的流 程图；以及
图15是示出根据本发明另一个实施例的超声波定位信标接收处理的流 程图。
具体实施例方式
以下将参考附图来描述本发明的实施例。在这里的描述中，提供了许 多具体细节，例如组件和/或方法的示例，以帮助全面理解本发明的实施例。 但是，本领域的技术人员将会意识到，没有这些具体细节中的一个或多个， 或者利用其他装置、系统、组合件、方法、组件、素材、部件等等也能实现本发明的实施例。在其他情况下，没有具体地示出或详细描述公知的结 构、素材或操作，以避免模糊本发明实施例的各个方面。在本说明书和附 图中，相似的标号表示具有基本相同功能的结构元素，并且将省略对这些 结构元素的重复说明。 <系统概况>
首先将描述根据本发明一个实施例的基于超声波的定位系统的概况。 图2是描述了根据该实施例的超声波定位系统的示意图。
如图2所示，根据本实施例的超声波定位系统10包括安装在天花板上 的用于发射定位信标的超声波定位发射装置20和在对象身上携带的用于接 收定位信标并根据所接收的定位信标来计算自身位置的超声波定位接收装 置30。其中，超声波定位发射装置20又包括单个RF发射器和包括多个 US发射器的结构化US发射机。RF发射器根据预定的发射定时信号来发射 包括同步信息的RF信号(例如，数据分组)，并且所述多个US发射器在 RF发射器发射该包括同步信息的RF信号之后以预定时间间隔来轮发超声 波。这里，术语"定位信标"指的是由RF发射器发射的包括同步信息的信 号和由结构化US发射机发射的超声波信号序列。
结构化US发射机中包括的多个US发射器相互之间的位置确定，也就 是说结构化US发射机中包括的US发射器的数目一定，相互之间的距离确 定，并且根据预定顺序来轮发超声波信号。注意，这里所使用的US发射器 例如可以是低成本的在单一频率(例如，40KHz)上操作的窄带US发射器， 该窄带US发射器在受到触发时仅发射不包含任何信息的超声波脉冲。
超声波定位接收装置30在启动之后开始检测从超声波定位发射装置 20发射的同步信息，使用所检测到的同步信息来与超声波定位发射装置20 进行同步，然后顺序地检测从超声波定位信标发射装置20发射的US序列， 并使用所检测到的US序列来计算自身的位置。
在本实施例中，RF发射器作为示例被用作发射同步信息的设备。但是 本发明并不限于该具体示例。在其它实施例中，诸如微波发射器和红外光 发射器之类的设备可以被用来发射所述包括同步信息的信号。
此外，在本实施例中，定位信标包括超声波信号序列。但是，可替代
14的是，定位信标也可以包括声波序列、次超声波序列或者其他比电磁波信 号慢的机械波序列，用以取代在本实施例中使用的超声波信号序列。
图2所示的根据本实施例的结构化US发射机作为示例被示出为包括7
个us发射器且具有正六边形结构，但是，本发明并不限于此示例，而可以
按需增加或减少US发射器的数目，并且取决于应用场合可以采取任何结 构。此外，在图2中，接收装置30被示出为携带在人身上。但是本发明并 不限于此，而可以将接收装置30安装在任何需要定位或者导航的对象上。 <定位信标发射装置>
以下将描述根据本发明的定位信标发射装置的详细配置。本发明的定 位信标发射装置包括一个第一信号发射器和多个第二信号发射器。第一信 号例如是RF信号、微波信号或者红外光信号等；并且第二信号例如是声波 信号、次声波信号或者比电磁波信号慢的机械波信号等。
现在将以射频(RF)发射器和超声波信号(US)发射器为例来说明根 据本发明的定位信标发射装置。图3是示出根据本发明一个实施例的超声 波定位信标发射装置IOO的详细配置的框图。
如图3所示，根据本实施例的超声波定位信标发射装置100包括RF 发射器101，用于发射包括同步信息的RF信号(例如，RF分组)；结构 化US发射机102，包括多个US发射器102—1 102—n (n为自然数)，该 结构化US发射机102以预定时间间隔按预定顺序轮发超声波信号；以及发 射定时控制器103，用于控制RF发射器101和结构化US发射机102的发 射定时。
在一个示例中，RF发射器101还可以发送以下附加信息结构化US 发射机102的发射器位置确定信息、各个US发射器102—l 102_n的发射 时间间隔信息、和/或退避时间等。基于不同的应用场合，发射器位置确定 信息可以是各个US发射器的结构信息或者通过坐标等直接指示出各个US 发射器的位置的位置信息，其中，各个US发射器的结构信息是诸如US发 射器的数目、各个US发射器的相互之间的距离、结构化US发射机的拓扑 之类的信息，在接收机侧通过使用这些结构信息可以计算出各个US发射器 的位置。退避时间指的是用于谐调RF发射器101和结构化US发射机之间发射定时的时间延迟。附加信息和同步信息可以例如被封装成RF分组来同
时发射，或者可以分开来发射。
图3所示的发射定时控制器103包括定时生成装置1031和US发射控 制装置1032。定时生成装置1031按预定周期来生成RF发射定时信号，并 将所生成的RF发射定时信号输出到US发射控制装置1032和RF发射器 101。 RF发射器101根据从定时生成装置1031接收的RF发射定时信号来 发射RF信号。US发射控制装置1032根据从定时生成装置1031接收的RF
发射定时信号来生成以预定时间间隔的US发射定时信号序列Tp。uing，i
Tp。lling, n，并通过有线或无线方式将该US发射定时信号序列发送到结构化 US发射机102。具体而言，US发射控制装置1032在接收到由定时生成装 置1031生成的RF发射定时信号之后立即生成第一个US发射定时信号 Tp。lling,!并将其发送到US发射器102—1，然后，在间隔预定时间间隔Twi 之后US发射控制装置1032生成US发射定时信号Tp。lling, 2并将其发送到 US发射器102_2，依此类推直到US发射控制装置1032生成最后一个US 发射定时信号Tp。^g,n并将其发送到US发射器102—n。相应地，多个US发 射器102—1 102—n在接收到发送给其的US发射定时信号之后顺序地发射 超声波信号，通过这种方式，多个US发射器就实现了以预定时间间隔按预 定顺序来轮发超声波信号。至此，发射定时控制器103完成了一个轮发控 制周期，而结构化US发射机102完成了一个轮发周期。 <结构化US轮发机制〉
接下来，将参考图4来描述根据本发明一个实施例的超声波定位信标 发射装置200的结构化US轮发机制。图4是示出根据本实施例的结构化 US轮发机制的示意图，其中图4 (a)是以六边星型拓扑为例示出根据本实 施例的超声波定位信标发射装置200的结构的示意图，而图4 (b)是示出 根据本实施例的超声波定位信标发射装置200的结构化US轮发机制的框 图。
如图4 (a)所示，根据本实施例的超声波定位信标发射装置200包括 一个RF发射器和7个US发射器，其中，我们将与RF发射器同处中央的 US发射器编号为1，而周围的US发射器按预定方式(这里为按逆时针顺序)分别编号为2到7。这里，各个US发射器的编号用于示意性地表示各 个US发射器的发射顺序。
如图4 (b)所示， 一旦RP发射器发射包括同步信息的RF信号，所有 的US发射器就顺序地发射超声波信号。发射顺序为发射器1—发射器2—… —发射器7。当最后一个US发射器完成US发射之后，过程将返回到RF 发射器以等待RF发射触发，从而开始下一个US轮发周期。两个相邻的 US发射器之间的时间间隔固定为Tinterval，因此各个US发射器的发射定时 是精确确定的。这里，将RF发射器的RF发射周期定义为轮发周期。在不 考虑退避时间(即，第一个US发射器的发射定时相对于RF发射器的发射 定时的时间延迟)的情况下，编号为1的US发生器被配置为在RF发射器 发射RF信号的同时发射第一个US信号，所以轮发周期可以表示为下式
<结构化us发射机的发射时间间隔的选择>
以下将参考图5和图6来描述根据本发明的结构化US发射机的发射时
间间隔Tinter^的选择。图5是示出在发射时间间隔Tinterval选择错误的情况 下的三种接收情形的示意图，而图6是示出在发射时间间隔Tinte^选择正 确的情况下的一种接收情形的示意图。
如图5所示，US发射器1和US发射器2以固定时间间隔发送US信 号。因为超声波定位信标接收装置接近US发射器2而相对远离US发射器 1,所以US信号从US发生器1到超声波定位信标接收装置的传播时间将 比从US发射器2到该接收机的传播时间长，因此US脉冲到达接收机侧存 在三种可能情况(a)在US发射器2发送出US脉冲之后，超声波定位信 标接收装置接收到两个US脉冲；(b)超声波定位信标接收装置接收到混合 脉冲；和(c)超声波定位信标接收装置接收到US脉冲的顺序与这些US 脉冲被发送的顺序不一致，即，US脉冲的到达顺序是无序的。在这三种情 况中，超声波定位信标接收装置无法判断所接收的US脉冲是从哪个US发 射器发射的，因而超声波定位信标接收装置无法使用其来计算与US发射器 的距离，这将导致无法计算超声波定位信标接收装置自身的位置。
但是，通过适当地选择发射时间间隔Tinte^，可以避免上述错误情况。考虑到超声波信号在空气中传播的衰减很大，传播时间很短，所以发射时 间间隔Tinter^可以选择为大于超声波信号在空气中的消逝时间(S卩，从超 声波信号被发射到该超声波信号完全消逝所需的时间)。考虑到超声波信号
大约在30ms之后消逝，所以发射时间间隔Tinte^可以在30ms到40ms的 范围内选择。换而言之，应当保证在从前一个US发射器发射的US信号消 逝之后，下一个US发射器才开始发射其US信号。如图6所示，在US发 射器1发射的US信号被超声波定位信标接收装置接收且该US信号完全消 逝之后，US发射器2才发射其US信号。
本领域技术人员应当了解，取决于US发射器的发射功率，可以改变结 构化US发射机的发射时间间隔。 <定位信标接收装置的详细配置>
以下将详细描述根据本发明的用于接收包括第一信号和第二信号的定 位信标以计算对象的位置的接收装置的配置。如上所述，第一信号例如是 RF信号、微波信号或者红外光信号等；并且第二信号例如是声波信号、次 声波信号或者比电磁波信号慢的机械波信号等。
现在将以包括RF信号和US信号的定位信标为例来描述根据本发明一 个实施例的超声波定位信标接收装置300的详细配置。如图7所示，根据 本实施例的超声波定位信标接收装置300包括RF接收单元301、 US接收 单元302、同步单元303、顺序确定单元304、 TOA获取单元305、位置计 算单元306、存储单元307、以及显示器308。
在超声波定位信标接收装置300启动之后，RF接收单元301接收从超 声波定位信标发射装置发射的包括同步信息的RF信号，并将其发送到同步 单元303。根据本实施例的RF接收单元301可以包括US接收触发单元 3011，用于在检测到所述同步信息之后生成US接收触发信号并将其发送到 US接收单元302。
US接收单元302在接收到从US接收触发单元3011发送的US接收触 发信号之后开始检测US信号，并将所检测到的US信号发送到顺序确定单 元304。
同步单元303根据RF接收单元301所接收的RF信号中包括的同步信息来与超声波定位信标发射装置进行同步，并获得同步定时TQ。同步单元
303可以将所获得的同步定时To存储在存储单元307中。所述同步可以采 用任何现有的同步技术(例如，在RF分组中设定同步字节)。在从超声波 定位信标发射装置发射的RF信号包括上述附加信息的情况下，根据本实施 例的同步单元303可以包括附加信息提取单元3031，用于从所接收的RF 信号中提取除同步信息之外的附加信息。附加信息提取单元3031可以将所 提取的附加信息存储在存储单元307中。在替代实施例中，这些附加信息 也可以预先存储在存储单元307中，而无需从超声波定位信标发射装置接 收。
顺序确定单元304依次接收从US接收单元302发送而来的US信号， 获取所接收的各个US信号的接收定时，并根据这些接收定时和由同步单元 303获得的同步定时来确定所接收的各个US信号的发射顺序。这里，所接 收的各个US信号的发射顺序相当于各个US信号的发射源(例如，上述超 声波定位信标发射装置中包括的各个US发射器)的发射序号。
TOA获取单元305基于由顺序确定单元304确定的各个US信号的发 射序号来获取TOA信息序列，并将所获得的TOA信息序列发送到位置计 算单元306，其中，所述TOA信息序列包括与各个US信号相对应的TOA 信息样本(即，各个US信号的发射源到超声波定位信标接收装置300的到 达时间)。具体而言，TOA获取单元305根据各个US信号的接收定时TD,j (j二l， 2，…，N，其中N为超声波定位信标发射装置中包括的US发射 器的数目)和相应各个US信号的发射定时Tus,i (i二l， ...， N)来计算各 个TOA信息样本。TOA获取单元305可以将所获得的TOA信息序列存储 在存储单元307中。
在接收到第N个TOA信息TOAN时，这标志着超声波定位信标发射装 置已经完成一个轮发周期，则位置计算单元306根据由TOA获取单元305 获得的一个轮发周期内的所有TOA信息样本和与各个TOA信息样本相对 应的各个US发射器的位置来计算超声波定位信标接收装置300的位置。具 体而言，位置计算单元306将TOA信息序列中的各个TOA信息样本乘以 超声波速度，以得到各个US发射器到超声波定位信标接收装置300的距离，然后基于这些距离值和各个US发射器的位置、使用三角定位法
(triangulation)或多边定位法来计算超声波定位信标接收装置300的位置。 位置计算单元306可以将计算得到的接收机位置信息提供给存储单元307 以进行存储。
在一个示例中，位置计算单元306使用从超声波定位信标发射装置接 收的或者预先在本地存储的直接指示出各个US发射器的位置的位置信息 来进行位置计算。在替代实现方式中，位置计算单元306使用从超声波定 位信标发射装置接收的或者预先在本地存储的各个US发射器的结构信息 来计算各个US发射器的位置。在后一种情形中，在包括所述各个US发射 器的结构化US发射机具有中心对称的拓扑结构的情况下，位置计算单元 306自动地将中心US发射器的坐标设置为(x尸0，y产0,z产0)，则第i (i = 1， 2， ...， N，其中，N为US发射器的数目)个US发射器的坐标用下式
表不
x'=/'cos ~^rr^
(2)
、n J
显示器308向用户显示由位置计算单元306计算得到的接收机的位置， 从而实现对用户的导航。这里所使用的显示器308可以是诸如阴极射线管 (CRT)、液晶显示屏、等离子显示屏、电致发光屏之类的可以实现显示功 能的任何显示设备。
在替代实现方式中，超声波定位信标接收装置300还可以包括扬声器， 用于以语音方式向用户输出其自身的位置。 <顺序确定单元>
以下将参考图8来描述根据本发明一个实施例的顺序确定单元304的 详细配置。如图8所示，顺序确定单元304包括US接收定时获取部分3041、 US信号发射顺序判断部分3042、和US发射定时推断部分3043。
US接收定时获取部分3041接收从US接收单元302发送而来的US信 号，并获取接收到各个US信号时的接收定时TD,j (j = l， 2， ...， N，其中， N为超声波定位信标发射装置中的US发射器的数目，而j表示接收序号)。
20US接收定时获取部分3041可以将所获取的接收定时TDJ与接收序号j相关 联地存储在存储单元306中。
US信号发射顺序判断部分3042根据上述附加信息中包括的US发射时 间间隔信息Tinte^,来判断所接收的各个US信号的相应US发射器的发射序 号(在这里称为各个US信号的发射序号)，如果所接收的第j个US信号
的接收定时TD,j满足下式
T0+ (i—1) XTintervai《TD,j<To+iXTintervai (3) 其中，To是同步单元303 (参见图7)所获得的同步定时，则判定该US信 号的发射序号为i (i=l，...，N)。通过这种方式，使得每一个所接收US信号 的接收定时与发射该US信号的US发射器的发射序号相关联。US信号发 射顺序判断部分3042可以将各个所接收US信号的接收定时TD, i (i=l， 2， ...， N，其中，N为超声波定位信标发射装置中的US发射器的数目， 而i表示发射序号)与发射序号i相关联地存储在存储单元306中。
US发射定时推断部分3043根据US信号发射顺序判断部分3042所判 定的各个所接收US信号的发射序号(也就是相应超声波发射器的发射序 号)来推断各个所接收US信号的发射定时。在不考虑退避时间的情况下， 接收定时为TD,i的US信号的发射定时为
Tus,i=T0+ (i—1) XTinterval (4) 基于此，TOA获取部分305 (参见图7)可以根据由US接收定时获取 部分3041获取的各个所接收US信号的接收定时和由US发射定时推断部 分3043推断得到的相应的各个所接收US信号的发射定时来计算与各个所 接收US信号相对应的TOA信息样本，具体而言，将发射序号为i的US 信号被超声波定位信标接收装置300接收的接收定时TD,;减去该US信号的 发射定时Tus, i就可以得到发射序号为i的US发射器到超声波定位信标接 收装置300的TOAi:
TOAi=TD,i—Tus,i (5) 实践中，超声波定位信标接收装置300可能无法检测到所有US信号。 例如，如果发射序号为i的US发射器到接收机的距离太大，使得由该US 发射器发射的US信号到达超声波定位信标接收装置300时的信号强度低于系统所允许的SNR (信噪比)，则超声波定位信标接收装置300将无法检测 到该US信号。由此可见，超声波定位信标接收装置所接收到的第j (j = 1，2,...，N)个US信号有可能不是由第j个US发射器发射的，因此，如果简 单地将US信号接收序号视为US发射器的发射序号，则可能会导致位置计 算错误。但是，根据本发明的超声波定位信标接收装置300中的顺序确定 单元304很好地防止了这个问题。
此外，在超声波定位信标接收装置300中，由于软件开销和诸如硬件 中断和软件中断之类的干扰，所以虽然超声波定位信标接收装置300和超 声波定位信标发射装置很容易获得字节同步，但是它们之间可能存在比特 偏移，也就是说超声波定位信标接收装置所获得的同步定时T。可能延迟于 超声波定位信标发射装置的RF发射定时，这里用Td^y来表示这个同步延 迟量(比特同步误差)。为了消除这个同步延迟，可以在超声波定位信标接 收装置侧测量该比特偏移量并使用测量得到的比特偏移量来补偿同步延迟 Tdelay。补偿之后，超声波定位信标接收装置就可以获得精确的超声波定位 信标发射装置的RF发射定时T。_Tdday (校正后的同步定时)。
图9示出了根据本发明一个实施例的超声波定位信标接收装置在考虑 到超声波定位信标发射装置的退避时间Tbaek。ff和超声波定位信标接收装置 的同步延迟Tdehy的情况下的US信号发射顺序检测的示意性时间图。如图 9所示，超声波定位信标接收装置在时间T。获得与超声波定位信标发射装 置的同步，经过比特补偿，超声波定位信标接收装置可以得到校正后的RF 发射定时T。一Tdelay，随后将该校正后的RF发射定时加上退避时间可以得 到第一个US信号(在此示例中，由US发射器1发射的US信号)的发射 定时Tq—Tdelay+Tbaek。ff，随之就可以推断US发射器2、 US发射器3、…US 发身寸器n的发身寸定时分另'J为To—Tdelay+Tback0ff+Tinterval， T。一Tdelay+Tback0ff
+ 2Tintervai， ...T。一Td勿+ Tback0ff + (n — 1 ) T
interval0 在如图所示的情况下， 超声波定位信标接收装置在TD,,接收到第一个US信号，经判断TD，，处于[To
—Tdday + Tbackoff ， To — Tdelay + Tbackoff + T interval )的区间中，所以可以判定该
US信号是由第一个US发射器(US发射器1)发射的，因而记录To,i。随 后，超声波定位信标接收装置在TD, 2接收到第二个US信号，如图所示，乡圣,lj断TD,2处于[T。 —Tdelay + Tbackoff+2Tintervai， T0_Tdelay+Tbackoff+3Tintervai)
的区间中，所以可以判定该US信号是由第三个US发射器(US发射器3) 发射的，因而记录TD,3。通过这种方式，就可以判断超声波定位信标接收 装置所接收的各个US信号是由哪个US发射器发射的了。然后，将所获取 的各个US发射器的发射定时和所接收的各个US信号的接收定时代入式 (5)中就可以得到TOA信息序列。如上所述，结构化US发射机的发射时
间间隔Ti^r^应当足够长，以确保在该时间间隔内US信号能够消逝。
<连续三角位置计算单元>
在根据上述实施例的超声波定位信标接收装置300中的位置计算单元 306根据一个轮发周期内获得的所有TOA信息样本、使用三角定位法或多 边定位法来计算超声波定位信标接收装置300的位置。在这种情况下，超 声波定位信标接收装置300的位置每隔一个轮发周期更新一次。但是，当 携带超声波定位信标接收装置300的对象移动时，超声波定位信标接收装 置300所获得的TOA样本无疑将不是来自同一个位置。因此，如果使用这 些来自不同位置的TOA样本来计算超声波定位信标接收装置300的位置， 则将得到错误的定位结果。
鉴于上述原因，根据本发明一个实施例，可以采用连续三角位置计算 单元来取代上述的位置计算单元306。以下将参考图10来描述连续三角位 置计算单元的配置。图10是示出根据本实施例的连续三角位置计算单元406 的详细配置的框图。
如图IO所示，根据本实施例的连续三角位置计算单元406包括连续三 角定位部分4061、连续中值滤波部分4062和轨迹获取部分4063。
连续三角定位部分4061沿着由TOA获取单元305 (参见图7)获得的 TOA信息序列来应用长度为三的滑动窗。具体而言，如图ll所示，连续三 角定位部分4061使用时间上相邻的三个TOA信息样本来进行三角定位， 而不是像上述位置计算单元305那样使用一个轮发周期内的所有TOA样本 来进行三角定位。连续三角定位部分4061可以得到一系列的初始位置样本 Location'! 、 Location'2、 …、Location'N—2。
连续中值滤波部分4062对连续三角定位部分4061所获得的初始位置样本序列进行中值滤波以从该初始位置样本序列中去除异常值，从而得到 在本轮发周期内的超声波定位信标接收装置的实时位置
Locatioiii = Median(Location'j) (6) 其中，1=1， 2，…，N-2，而i二l， 2， ...n,其中，n^N-2。
轨迹获取部分4063根据来自连续中值滤波部分4062的实时位置样本 就可以得到超声波定位信标接收装置的实时移动轨迹。因而可以在显示器 上向用户显示其自身的实时移动轨迹。 <定位信标的轮发>
以下将以包括RF信号和US信号的定位信标为例来描述根据本发明一 个实施例的超声波定位信标轮发处理。图12是以图3所示的超声波定位信 标发射装置100为例来示出根据本实施例的超声波定位信标轮发处理的流 程图。
如图12所示，首先定时生成装置1031例如按预定周期生成RF发射定 时信号，并将所生成的RF发射定时信号发送给RF发射器101和US发射 控制装置1032 (步骤S1)。所述RF发射定时信号决定了RF发射器101的 RF发射周期(也称为轮发周期)。
在接收到该RF发射定时信号之后，RF发射器101发射包括同步信息 的RF信号(步骤S2)。在一个示例中，RF发射器101按需还可以发射以 下附加信息结构化US发射机102的发射器位置确定信息、各个US发射 机器的发射时间间隔信息、和/或退避时间等。基于不同的应用场合，发射 器位置确定信息可以是各个US发射器的结构信息或者通过坐标等直接指 示出各个US发射器的位置的位置信息，其中，各个US发射器的结构信息 是诸如US发射器的数目、各个US发射器的相互之间的距离、结构化US 发射机的拓扑之类的信息。
与此同时，US发射控制装置1032生成用于控制结构化US发射机102 中的各个US发射器以预定时间间隔按预定顺序来轮发US信号的US发射 定时信号序列，并将其发送给结构化US发射机102 (步骤S3)。取决于US 发射器的发射功率，所述预定时间间隔(S卩，US发射时间间隔Tinte^)应 当被选择为大于超声波信号在空气中的消逝时间，也就是说，在该时间间隔内由US发射器发射的US信号将完全消逝。此外，在考虑到超声波定位 信标发射装置的退避时间的情况下，肝发射周期=(超声波定位信标发射 装置100中包括的US发射器的数目一1)XUS发射时间间隔Tinter^+退避
时间Tback。ff。
随后，结构化US发射机102中包括的各个US发射器102—1 102—n 根据从US发射控制装置1032发送而来的US发射定时信号序列以预定时 间间隔来轮发US信号(步骤S4)。在完成一个轮发周期的US信号发射之 后，处理返回到步骤S1，然后重复步骤S1及其后步骤的处理。这样，超声 波定位信标发射装置100就有序地轮发包括同步信息的RF信号和US信号 序列。在替代实现方式中，定位信标发射处理在完成一个轮发周期的发射 之后就结束，而没有循环地轮发定位信标。 <定位信标的接收>
以下将以包括RF信号和US信号的定位信标为例，参考图13来描述 根据本发明一个实施例的超声波定位信标接收处理。图13是以图7所示的 超声波定位信标接收装置300为例来示出根据本实施例的超声波定位信标 接收处理的流程图。
如图13所示，在超声波定位信标接收装置300启动之后，RF接收单 元301接收从超声波定位信标发射装置发射的包括同步信息的RF信号(步 骤Sll)。如果检测到同步信息，则RF接收单元301生成US接收触发信号， 并将其发送给US接收单元302，然后处理前进到步骤S12，否则处理继续 在步骤Sll中进行检测。
在一个示例中，在步骤S11中，RF接收单元还接收包括上述附加信息 的RF信号，并将其发送给同步单元303。
在步骤S12中，US接收单元302在接收到来自RF接收单元301的US 触发信号之后开始接收US信号，并将接收到的US信号发送给顺序确定单 元304。随后，处理前进到步骤S13。
在步骤S13中，同步单元303根据RF接收单元301所接收的RF信号 中包括的同步信息来与超声波定位信标发射装置建立同步，并获取同步定 时T。。同步定时To表示超声波定位信标发射装置的RF发射定时，在不考虑退避时间T^k。ff的情况下还表示超声波定位信标发射装置发射第一个US
信号的定时。在RF接收单元301还接收包括上述附加信息的RF信号的情 况下，在步骤S13中，同步单元303还可以从该RF信号中提取该附加信息。 随后，处理前进到步骤S14。
在步骤S14中，顺序确定单元304顺序地接收从US接收单元302发送 而来的US信号，获取所接收的各个US信号的接收定时，并根据这些接收 定时和由同步单元303获得的同步定时来确定所接收的各个US信号的发射 顺序，也就是各个US信号的发射器的发射序号。随后处理前进到步骤S15。
在步骤S15中，TOA获取单元305基于由顺序确定单元304确定的各 个US信号的发射序号来获取TOA信息序列，并将所获得的TOA信息序列 发送到位置计算单元306。具体而言，TOA获取单元305根据各个US信号 的接收定时和相应各个US信号的发射定时来计算各个TOA信息样本。随 后，处理前进到步骤S16。
在步骤S16中，位置计算单元306判断是否接收到与最后一个US发射 器(在超声波定位信标发射装置存在n个US发射器的情况下，即发射序号 为n的US发射器)相对应的TOA信息样本，如果判定结果是否定的，则 处理返回到步骤S15以继续进行TOA信息获取。相反，如果判定结果是肯 定的，这指示出超声波定位信标发射装置已经完成一个轮发周期的发射， 则处理前进到步骤S17。
在步骤S17中，位置计算单元306根据这一轮发周期内的TOA信息序 列和与该TOA信息序列中包括的各个TOA样本相对应的US发射器的位置 来计算超声波定位信标接收装置300的位置。这里，位置计算单元306可 以使用三角定位法或多边定位法来进行位置计算。在一个示例中，位置计 算单元306使用从超声波定位信标发射装置接收的或者预先在本地存储的 直接指示出各个US发射器的位置的位置信息来进行位置计算。在替代实现 方式中，位置计算单元306使用从超声波定位信标发射装置接收的或者预 先在本地存储的各个US发射器的结构信息来计算各个US发射器的位置。
以下将参考图14来详细描述根据本发明一个实施例的US信号发射顺 序确定处理。图14是以图8所示的顺序确定单元304为例来示出根据本实施例的获取TOA信息的处理的流程图。如图所示，在步骤S21中，US接 收定时获取部分3041顺序地接收从US接收单元302发送而来的US信号， 并获取各个US信号的接收定时To,j (j = l， ...， N) (N为超声波定位信标 发射装置中包括的US发射器的数目)。
然后，在步骤S22中，US信号发射顺序判断部分3042根据上述附加
信息中包括的US发射时间间隔信息Tint^^来判断所接收的各个US信号是
从哪个US发射器发射的，也就是判断各个US信号的发射序号。具体而言， 可以将从第一个US发射器的发射定时开始的时间划分为若干区间，例如， 在不考虑退避时间和比特同步误差的情况下，区间i (i=l， 2...N)可以表 示为[To十(i —1) XTinterval， TQ+iXTinterval)，如果所接收的第j个US信号 的接收定时TD，j落在区间i中(也就是满足上式(3))，则表示该US信号 的发射序号为i。通过这种方式，使得每一个所接收US信号的接收定时与 发射该US信号的US发射器的发射序号相关联。随后，处理前进到步骤S23 。
在步骤S23中，US发射定时推断部分3043根据在步骤S22中判定的 各个所接收US信号的发射序号来推断各个所接收US信号的发射定时。在 上述示例中，接收定时为TD,i (表示发射序号为i的所接收US信号的接收 定时)的1^信号的发射定时为1^,1二丁()+ (i—1) XTinterval。随后，处理 前进到步骤S24。至此，就完成了US信号发射序号确定处理。
如果考虑到超声波定位信标发射装置的退避时间Tbaek。ff和超声波定位 信标接收装置的比特同步误差(比特偏移量)Tdelay，则无法使用在步骤S13 中获取的同步定时To来表示RF发射定时和第一个US信号的发射定时。此 时，可以推断RF发射定时为TQ—Tdelay，而第一个US信号的发射定时为 T0—Tdelay+Tbaek。ff。在这种情况下，在上述发射顺序确定处理中，判断US 信号的发射序号的区间应当表示为[1。一1^^+丁^1 ^+ (i_l) XTinterval， T0—Tdelay+Tback。ff+iXTinterval)。并且，接收定时为To,i的US信号的发射定
日寸变为Tus, i = To 一 Tdelay + Tbackoff + ( i — 1 ) X Tintervai 。
如上所述，如果携带超声波定位信标接收装置的对象移动，则使用简 单的三角定位法或多边定位法来计算接收机位置将导致错误的定位结果。
但是，使用根据本发明的连续三角位置计算方法可以克服这个问题。图15是示出根据本发明另一个实施例的超声波定位信标接收处理的流程图。在
图15中，步骤S31-S35的处理与图13中的步骤S11-S15的处理相同，因此 将省略对它们的重复描述。
在步骤S36中，连续三角定位部分4061 (参见图10)顺序地接收从 TOA获取单元305发送而来的TOA信息序列，对所接收的TOA序列应用 窗长为3的滑动窗口以使用时间上相邻的三个TOA信息样本来进行三角定 位，从而得到一系列的初始位置样本。
然后，在步骤S37中，连续中值滤波部分4062对在步骤S36中获得的 初始位置序列执行连续中值滤波，从该初始位置序列中去除异常值以获得 超声波定位信标接收装置的多个实时位置。
根据本实施例的超声波定位信标接收处理可以在一个轮发周期内获得 对象的多个实时位置，从而获得更优的定位精度。在一个实施例中，还可 以基于所获得的对象的实时位置来获取对象的实时移动轨迹。因而可以在 显示器上向用户显示其自身的实时移动轨迹。
根据本实施例的超声波定位信标接收处理还可以包括显示操作，用于 在显示器上显示对象的位置或实时移动轨迹。或者，根据本实施例的超声 波定位信标接收处理可以包括语音输出操作，用于以语音方式来输出对象 的位置。
通过上述处理，超声波定位信标接收装置只要没有被关断，就可以持 续获取其自身实时位置，从而实现导航功能。 <扩展例和变形例>
以上已经根据本发明的实施例来对本发明进行了描述，但是本领域技 术人员应当了解，这些实施例仅仅是示意性的而非限制性的。虽然已经参 考本发明的特定实施例描述了本发明，但以上公开中意欲包括一定范围的 修改、各种变化和替换，并且将会明白，在一些情况下，将会使用本发明 实施例的一些特征，但相应地不使用其他特征，这不脱离所记载的本发明 的精神和范围。因此，在本发明的实质范围和精神内，可对特定情形或要 素进行许多修改。本发明将包括落在所附权利要求的精神内的任何及所有 实施例和等同物。在上述实施例中，超声波定位信标发射装置包含分立的发射定时控制
器，用于控制RF发射器和结构化US发射机的发射定时，但是该发射定时 控制器也可以全部或部分地并入到RF发射器中。
另外，在上述实施例中，发射定时控制器生成US发射定时序列并顺序 地将各个US发射定时信号发送到各个US发射器。但是，发射定时控制器 也可以向各个US发射器发送RF发射定时信号，然后各个US发射器根据 该RF发射定时信号各自在预定的时间段之后发射US信号。事实上，可以 采用任何方式，只要使得结构化US发射机中的多个US发射器能够以预定 时间间隔按预定顺序轮发US信号即可。
另外，在上述实施例中，为了方便说明，RF发射器与第一个US发射 器是分立设置的。但是，这两个装置也可以合成为单个设备。
另外，在上述实施例中，RF接收单元包括US接收触发单元，用于触 发US接收单元的接收。但是，也可以不提供该US接收触发单元。顺序确 定单元可以只使用在获得同步定时之后的所接收US信号，而将获得RF同 步之前接收的US信号丢弃。
另外，在上述实施例中，结构化US发射机的发射时间间隔是均一的， 但是根据不同的应用场合，也可以按需设置不同的发射时间间隔。
此外，为了方便说明，根据上述实施例的超声波定位信标接收装置具 有与其它组件分立设置的存储单元，但是，也可以按需在各个组件中设置 存储单元。这里使用的存储单元例如可以是但不限于是电的、磁的、光的、 电磁的、红外的或半导体的存储器件、装置、系统、传播介质或计算机存 储器。
根据需要可以用硬件或软件来执行步骤。注意，在不脱离本发明范围 的前提下，可向本说明书中给出的流程图添加步骤、从中去除步骤或修改 其中的步骤。并且，包含在本说明书中的各种处理并不限于根据描述过程 按时间顺序来进行的那些处理，其还可以按需或者根据适于实现该处理的 装置的处理能力来并行地或单独地执行上述各种处理。 一般来说，流程图 只是用来指示用于实现功能的基本操作的一种可能的序列。
还将意识到，根据特定应用的需要，附图中示出的要素中的一个或多个可以按更分离或更集成的方式来实现，或者甚至在某些情况下被去除或 被停用。
此外，附图中的任何信号箭头应当被认为仅是示例性的，而不是限制 性的，除非另有具体指示。另外，除非另有指明，这里使用的术语"或" 一般是要指"和/或"。
权利要求
1.一种定位信标发射装置，包括第一信号发射器，用于发射包含同步信息的第一信号；多个第二信号发射器；以及第二信号发射控制装置，用于控制所述多个第二信号发射器在所述第一信号被发射之后以预定时间间隔按预定顺序来轮发第二信号。
2. 如权利要求1所述的发射装置，其中，所述第一信号发射器还发射 以下附加信息中的部分或全部所述多个第二信号发射器的发射器位置确 定信息、指示出所述预定时间间隔的信息以及作为所发射的第一个第二信 号的发射定时和所述第一信号的发射定时之间的时间延迟的退避时间。
3. 如权利要求2所述的发射装置，其中，所述附加信息被包括在所述 包含同步信息的第一信号中。
4. 如权利要求2所述的发射装置，其中，所述发射器位置确定信息是所述多个第二信号发射器的结构信息或者所述多个第二信号发射器的位置"(曰息。
5. 如权利要求1所述的发射装置，其中，所述第一信号是射频信号、微波信号或红外信号。
6. 如权利要求1所述的发射装置，其中，所述多个第二信号发射器具 有预定的拓扑结构。
7. 如权利要求1所述的发射装置，其中，所述第一信号发射器周期性 地发射所述包含同步信息的第一信号。
8. 如权利要求1所述的发射装置，其中，所述第二信号是超声波信号。
9. 一种定位信标接收装置，用于从发射装置接收定位信标，所述接收装置包括第一信号接收器，用于接收包含同步信息的第一信号； 第二信号接收器，用于顺序地接收第二信号；同步单元，用于利用所述第一信号中包含的同步信息来执行与所述发 射装置的同步，并获取同步定时；顺序确定单元，用于根据所述同步定时来确定由所述第二信号接收器接收的各个第二信号的发射顺序；TOA获取单元，用于基于由所述顺序确定单元确定的所述各个第二信 号的发射顺序来获取与所述各个第二信号相对应的TOA信息序列；以及位置计算单元，用于根据由所述第二信号接收器接收的各个第二信号 的发射源的位置和由所述T0A获取单元获得的T0A信息序列来计算所述接 收装置的位置。
10. 如权利要求9所述的接收装置，其中，所述第一信号是射频信号、 微波信号或红外信号。
11. 如权利要求9所述的接收装置，其中，所述第二信号是超声波信号。
12. 如权利要求9所述的接收装置，其中，所述第一信号接收器还接 收所述各个第二信号的发射源的发射源位置确定信息、这些第二信号发射 源的发射时间间隔信息以及作为第一个所述发射源的发射定时和所述包含 同步信息的第一信号的发射定时之间的时间延迟的退避时间中的部分或全 部。
13. 如权利要求9所述的接收装置，还包括存储器，该存储器预先存 储所述各个第二信号的发射源的发射源位置确定信息、这些第二信号发射 源的发射时间间隔信息以及作为第一个所述发射源的发射定时和所述包含 同步信息的第一信号的发射定时之间的时间延迟的退避时间中的部分或全 部。
14. 如权利要求12或13所述的接收装置，其中，所述发射源位置确 定信息是所述各个第二信号的发射源的结构信息或者所述各个第二信号的 发射源的位置信息，并且所述位置计算单元根据所述结构信息或者所述位 置信息来确定所述各个第二信号的发射源的位置。
15. 如权利要求14所述的接收装置，其中，所述顺序确定单元包括 发射序号判断部分，将从第一个第二信号发射源的发射定时开始的时间段分成间隔所述发射时间间隔的n个区间，如果所接收的第二信号的接 收定时处于第i区间，则判定该第二信号的发射序号为i，其中，n为所述第二信号发射源的数目，并且i二l， 2， ...n;禾口第二信号发射定时推断部分，用于基于由所述发射序号判断部分判定 的所述发射序号来推断所接收的各个第二信号的发射定时。
16. 如权利要求15所述的接收装置，其中，所述TOA获取单元通过将所述各个第二信号的接收定时减去相应所述各个第二信号的发射定时来 计算与所述各个第二信号相对应的TOA信息序列。
17. 如权利要求15所述的接收装置，其中，所述第一个第二信号发射 源的发射定时为所述同步定时或者将所述同步定时和所述退避时间相加而 得到的定时。
18. 如权利要求17所述的接收装置，其中，所述同步单元包括比特同 步部分，用于利用比特同步技术来补偿比特同步误差，并且通过将所述同 步定时减去所述比特同步误差来得到校正后的同步定时。
19. 如权利要求9所述的接收装置，从所述第一信号接收器接收到第 一个所述第一信号到其接收到第二个所述第一信号之间的时间段为一个发 射周期，其中，所述位置计算单元还包括连续三角位置计算部分，用于沿着由所述TOA获取单元获得的所述 TOA信息序列来应用长度为三的滑动窗并利用三角定位法、基于所述各个 第二信号发射源的位置和一个发射周期内的时间上相邻的三个TOA信息样 本来实时地计算所述接收装置的位置，从而在所述发射周期内获得所述接 收装置的一系列位置信息；和连续中值滤波部分，用于从所述一系列位置信息中去除异常值，从而 得到所述接收装置在所述发射周期内的多个实时位置。
20. 如权利要求9所述的接收装置，还包括显示器，用于显示由所述位置计算单元计算得到的所述接收装置的位置或位置轨迹。
21. 如权利要求9所述的接收装置，还包括扬声器，用于以语音形式 来输出由所述位置计算单元计算得到的所述接收装置的位置。
22. —种发射定位信标的方法，包括以下步骤 发射包含同步信息的第一信号；和在所述第一信号被发射之后以预定时间间隔按预定顺序轮发第二信号。
23. 如权利要求22所述的方法，还包括发射以下附加信息中的部分或全部轮发所述第二信号的多个第二发射器的发射器位置确定信息、指示出所述预定时间间隔的信息和作为所发射的第一个第二信号的发射定时和 所述包含同步信息的第一信号的发射定时之间的时间延迟的退避时间。
24. 如权利要求23所述的方法，其中，所述附加信息被包括在所述包 含同步信息的第一信号中。
25. 如权利要求23所述的方法，其中，所述发射器位置确定信息是所 述多个第二信号发射器的结构信息或者所述多个第二信号发射器的位置信'H、 o
26. 如权利要求22所述的方法，其中，所述第一信号是射频信号、微 波信号或红外信号。
27. 如权利要求22所述的方法，其中，所述包含同步信息的第一信号 被周期性地发射。
28. 如权利要求22所述的方法，其中，所述第二信号是超声波信号。
29. —种用于在接收装置中从发射装置接收定位信标的方法，所述方 法包括以下步骤接收包含同步信息的第一信号，利用所述同步信息来执行与所述发射 装置的同步，并获取同步定时； 顺序地接收第二信号；根据所述同步定时来确定所接收的各个第二信号的发射顺序； 基于所确定的发射顺序来获取与所述各个第二信号相对应的TOA信息 序列；以及根据所述各个第二信号的发射源的位置和所获得的TOA信息序列来计 算所述接收装置的位置。
30. 如权利要求29所述的方法，其中所述第一信号是射频信号、微波 信号或红外信号。
31. 如权利要求29所述的方法，其中所述第二信号是超声波信号。
32. 如权利要求29所述的方法，还包括以下步骤接收或者在本地预先存储所述各个第二信号的发射源的发射源位置确 定信息、这些第二信号发射源的发射时间间隔信息以及作为第一个所述发 射源的发射定时和所述第一信号的发射定时之间的时间延迟的退避时间中 的部分或全部。
33. 如权利要求32所述的方法，其中，所述发射源位置确定信息是所 述各个第二信号的发射源的结构信息或者所述各个第二信号的发射源的位 置信息，并且在计算所述接收装置的位置的步骤中，根据所述结构信息或 者所述位置信息来确定所述各个第二信号的发射源的位置。
34. 如权利要求33所述的方法，其中，所述确定所接收的各个第二信 号的发射顺序的步骤包括将从第一个第二信号发射源的发射定时开始的时间段分成间隔所述发 射时间间隔的n个区间，如果所接收的第二信号的接收定时处于第i区间， 则判定该第二信号的发射序号为i，其中，n为所述第二信号发射源的数目， 并且〖=1， 2，…n;和基于在所述第二信号发射序号判断步骤中判定的所述发射序号来推断 所接收的各个第二信号的发射定时。
35. 如权利要求34所述的方法，其中，在所述获取TOA信息序列的 步骤中，通过将所述各个第二信号的接收定时减去相应各个所述第二信号 的发射定时来计算与所述各个第二信号相对应的TOA信息序列。
36. 如权利要求34所述的方法，其中，所述第一个第二信号发射源的 发射定时为所述同步定时或者将所述同步定时和所述退避时间相加而得到 的定时。
37. 如权利要求36所述的方法，其中，所述获取同步定时的步骤包括 利用比特同步技术来补偿比特同步误差，并且通过将所述同步定时减去所 述比特同步误差来得到校正后的同步定时。
38. 如权利要求29所述的方法，从接收到第一个所述第一信号到接收 到第二个所述第一信号之间的时间段为一个发射周期，其中，计算所述接 收装置的位置的步骤包括连续三角位置计算步骤，其中，沿在所述获取TOA信息序列的步骤中获得的所述TOA信息序列来应用长度为三的滑动窗，并利用三角定位法、基于所述各个第二信号发射源的位置和一个发射周期内的时间上相邻的三个TOA信息样本来实时地计算所述接收装置的位置，从而在所述发射周期 内获得所述接收装置的一系列位置信息；和连续中值滤波步骤，其中，从所述一系列位置信息中去除异常值，从 而得到所述接收装置在所述发射周期内的多个实时位置。
39. 如权利要求29所述的方法还包括显示在计算所述接收装置的位置 的步骤中计算得到的所述接收装置的位置或位置轨迹的步骤。
40. 如权利要求29所述的方法，还包括以语音形式来输出在计算所述 接收装置的位置的步骤中计算得到的所述接收装置的位置的步骤。
全文摘要
本发明提供了一种自治超声波室内定位系统、装置和方法。自治超声波室内定位系统包括定位信标发射装置和定位信标接收装置。其中，定位信标发射装置被配置为在发射包括同步信息的信号之后按预定顺序以预定时间间隔地轮发多个超声波信号；并且定位信标接收装置被配置为在检测到同步信息之后执行与定位信标发射装置的同步，基于所获得的同步定时来确定接收到的各个超声波信号的发射顺序，根据该发射顺序来推断所接收的各个超声波信号的发射定时，使用所接收的各个超声波信号的发射定时和接收定时来计算与各个所接收超声波信号相对应的TOA信息，并基于发射装置中的各个超声波发射器的位置和所计算得到的TOA信息序列来确定定位信标接收装置的位置。
文档编号G01S11/16GK101592727SQ200810111009
公开日2009年12月2日 申请日期2008年5月29日 优先权日2008年5月29日
发明者王永才, 赵军辉 申请人:日电(中国)有限公司