移动终端定位系统的制作方法

移动终端定位系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种移动终端定位系统，包括移动终端、定位服务器、网关设备以及至少两个声波定位收发器，所述声波定位收发器安装在所述移动终端所进入的定位区域并与所述移动终端通过声波信号进行通信连接，所述移动终端与所述定位服务器通过无线网络连接，所述声波定位收发器与所述定位服务器通信连接，所述网关设备将所述定位区域中所有的声波定位收发器以及所述移动终端接入到同一网络中的，并与所述定位服务器之间通过因特网连接。本实用新型的技术方案在降低移动终端定位成本的同时，提高移动终端的定位精度和可靠性。
【专利说明】
移动终端定位系统
技术领域
[0001 ]本实用新型涉及移动终端定位技术领域，尤其涉及一种移动终端定位系统。
【背景技术】
[0002] 随着全球卫星定位技术、地理信息系统及互联网技术的飞速发展，数据业务和多 媒体业务的快速增加，通信网络以及移动终端设备的迅速普及，人们对于室内位置服务的 需求也与日倶增。精确的室内位置服务，能够对可用空间和库存物质实现高效地管理，可以 为警察、消防人员、医务工作人员导航来完成特定的室内任务。因此，室内定位，即在室内环 境中实现位置定位，具有广阔的应用前景，正逐步成为多种学科领域的研究热点。因GPS卫 星信号从发射到地面，信号已经衰减，在室内无法接收到精准的可供室内参考有效信号，最 后一公里的精准定位成为了室内定位技术发挥的温床。目前业界比较通用室内无线定位技 术主要包括WiFi、iBeacon类蓝牙、RFID(射频识别）、UWB(超宽带）、LED光、ZigBee和超声波， 其中支持移动互联网手机端的定位方法有WiFi、BlueT 〇〇th、LED光等定位手段。WiFi、 BlueTooth(蓝牙)和ZigBee定位技术的原理一般分网络侧和发射侧，但都利用信号强度衰 减程度来实现定位，这两种定位技术的最大的问题是信号往往会受到环境中各种因素的影 响，如墙壁的阻挡、反射和衍射、人员走动、时间、天气等，引起信号的漂移，导致了信号无法 正确被接收，定位精度最高也只能达到lm，这样就导致了这些室内定位产品的可复制性低 下，尤其是ZigBee定位技术还需要大量的传感器组成网络，从而影响了整个室内定位产品 的扩张。RFID定位原理就是通过在室内部署多个定位信号源或者是定位信号标签，从而利 用与室外定位类似的强度或时延计算方式对室内用户进行定位，但是这种定位的方法需要 部署大量的定位信号源，在没有部署定位信号源的地方无法实现定位，这样不仅使得室内 定位的成本较高，并且定位的准确性也较低。UWB定位原理是采用UWB(超宽带)脉冲信号，由 多个传感器采用TD0A和Α0Α定位算法对标签位置进行分析，多径分辨能力强、精度高，定位 精度可达亚米级，但UWB难以实现大范围室内覆盖，且手机不支持UWB，定位成本非常高。LED 光定位原理是通过监测光信号的明暗来定位，这种技术要求移动终端通过摄像头来检测 光源的信号变化从而完成定位，大大增加了移动终端的成本。而超声波定位技术恰恰摒弃 了电磁波以及光在室内定位中由室内环境因素带来的不确定性及高精度问题，利用声波速 度慢的特征，在从发出声波到接收到该声波的时间段内有一个可以被手机检测记录的时 间，从而利用时间相位来实现室内定位，这种定位方法可靠的解决了室内的GPS信号问题， 精度可以随着时间差最终达到毫米级。
[0003] 因此，需要一种基于声波定位技术的移动终端定位方案，可以在降低定位成本的 同时，提高定位精度。 【实用新型内容】
[0004] 本实用新型的目的在于提供一种移动终端定位系统，能在降低定位成本的同时， 提高移动终端的定位精度。
[0005] 本实用新型提供一种移动终端定位系统，包括:移动终端、定位服务器以及至少两 个声波定位收发器，所述声波定位收发器安装在所述移动终端所进入的定位区域并与所述 移动终端通过声波信号进行通信连接，所述移动终端与所述定位服务器通过无线网络连 接，所述声波定位收发器与所述定位服务器通信连接，所述网关设备将所述定位区域中所 有的声波定位收发器以及所述移动终端接入到同一网络中的，并与所述定位服务器之间通 过因特网连接。
[0006] 进一步的，所述的移动终端定位系统中，所述网关设备ZigBee网关设备、WIFI网关 设备或蓝牙网关设备，与所述所有的声波定位收发器和移动终端通过相应的ZigBee、WIFI 或蓝牙无线方式连接。
[0007] 进一步的，所述网关设备为独立于所有声波定位收发器和所述移动终端之外的网 关设备，或者与任一所述声波定位收发器集成为一体，或者与所述移动终端集成为一体。
[0008] 进一步的，所述定位服务器包括解码模块、定位算法模块、地图引擎模块以及设备 管理模块;所述解码模块与所述移动终端或者各个所述声波定位收发器信号连接，所述定 位算法模块为单片机或可编程逻辑器件，所述地图引擎模块包括存储所述定位区域地图的 存储器以及连接所述存储器和所述定位算法模块的位置渲染器;所述设备管理模块与所述 移动终端和所有的声波定位收发器通信连接。
[0009] 进一步的，所述声波定位收发器包括声波信号采集模块以及连接所述声波信号采 集模块的信号解调模块。
[0010] 进一步的，所述声波定位收发器还包括网络同步模块，与所述其他至少一个声波 定位收发器以及所述移动终端接入同一网络。
[0011] 进一步的，所述声波定位收发器还包括与自身内部的信号解调模块或者所述移动 终端内部的信号解调模块通信的解码模块。
[0012] 进一步的，所述声波定位收发器还包括与自身内的解码模块或者所述定位服务器 的解码模块或者所述移动终端的解码模块通信的定位计算模块，所述定位计算模块为微处 理芯片或者可编程逻辑器件。
[0013] 进一步的，所述移动终端包括:依次连接的编码模块、信号调制模块、DAC模块、声 波功率放大模块、播放模块以及位置显示模块，所述播放模块为扬声器或超声波换能器，所 述位置显示模块为显示屏。
[0014] 进一步的，所述移动终端还包括同步模块，与所述定位区域部署的至少两个声波 定位器一起接入同一网络。
[0015] 进一步的，所述移动终端还包括与声波定位收发器内部的信号解调模块通信的解 码模块。
[0016] 进一步的，所述移动终端还包括与自身内部的解码模块或者所述定位服务器的解 码模块或者所述声波定位收发器内部的解码模块通信的定位模块，所述定位模块为微处理 芯片。
[0017] 进一步的，所述移动终端为手持设备或者穿戴设备。
[0018] 与现有技术相比，本实用新型的技术方案具有以下有益效果：
[0019] 1、本实用新型的技术方案可以用于移动终端的二维定位和三维定位，在某定位区 域最少部署两个或三个与移动终端同步的声波定位收发器来接收进入所述定位区域的移 动终端发射的声波信号，就可以通过TOA定位方式最终准确定位出位于所述定位区域中的 移动终端的二维或三维位置，在某定位区域最少部署三个或四个声波定位收发器，就可以 通过TD0A定位方式最终准确定位出位于所述定位区域中的移动终端的二维位置或三维位 置，从网络部署上减少了同步网关设备，降低了室内定位成本；
[0020] 2、根据声波定位收发器接收移动终端的声波信息的时间精度，可以使得对移动 终端的定位精度达到mm级；
[0021] 3、利用声波定位技术可以避免现有的电磁波室内定位技术中的弊端，能解决环境 因素带来的不确定性及高精度问题，且声波定位收发器的结构相对简单，制造成本低，具有 抗干扰能力强及编解码简单快捷的特点，非常适用于运算功能有限的移动终端的室内定 位，实用性好，易于推广。
【附图说明】
[0022] 图1是本实用新型具体实施例的移动终端定位系统结构示意图；
[0023] 图2是本实用新型具体实施例的声波定位收发器的结构示意图；
[0024] 图3是本实用新型具体实施例的移动终端的结构示意图；
[0025] 图4是本实用新型具体实施例的定位服务器的结构示意图；
[0026] 图5是本实用新型具体实施例的移动终端定位方法流程图；
[0027]图6是本实用新型具体实施例的进行TD0A三维定位的方法流程图；
[0028]图7是本实用新型具体实施例的进行Τ0Α三维定位的方法流程图。
【具体实施方式】
[0029] 为使本实用新型的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实 施方式作进一步的说明，然而，本实用新型可以用不同的形式实现，不应只是局限在所述的 实施例。
[0030] 本实用新型的技术方案主要是基于现有的TD0A或Τ0Α定位计算算法而布设的一种 新的移动终端定位系统，能够利用声波相关信息的收发装置来实现移动终端在室内的精确 定位，创新点在于移动终端定位系统中的各个装置的设置及其之间的连接关系。
[0031] 请参考图1，本实用新型提供一种移动终端定位系统，包括:移动终端2、定位服务 器3、网关设备4以及至少两个声波定位收发器1，所述声波定位收发器1安装在所述移动终 端2所进入的定位区域并与所述移动终端2通过声波信号进行通信连接，所述移动终端2与 所述定位服务器3通过无线网络连接，所述声波定位收发器3与所述定位服务器3通信连接， 所述网关设备将所述定位区域中所有的声波定位收发器以及所述移动终端接入到同一网 络中的，并与所述定位服务器之间通过因特网连接，所述移动终端2、定位服务器3或者至少 一个声波定位收发器1中设有基于TD0A定位方法或者Τ0Α定位方法的处理芯片或者可编程 逻辑器件，其中，所述处理芯片可以是集成了TD0A/T0A定位方法的STC89C52RC芯片、 STC12C5A60S2 芯片、TMS320F28027 芯片、ATMEGAL128L 芯片、NAN0PAN5375、STM32F103RC、 CC2531芯片等现有的计算芯片。
[0032] 具体地，请参考图1，本实用新型提供的一种移动终端定位系统中，
[0033] 移动终端2，用于在进入某定位区域后，向所述定位区域发射声波信号；
[0034] 部署在所述定位区域内的至少两个声波定位收发器1(至少部署两个声波定位收 发器A、B与移动终端2同步用于Τ0Α二维定位，或者至少部署三个不要求与移动终端2同步的 声波定位收发器A、B、C用于TD0A二维定位;或者至少部署三个声波定位收发器A、B、C与移动 终端2同步用于Τ0Α三维定位，或者至少部署四个不要求与移动终端2同步的声波定位收发 器A、B、C、D用于TD0A三维定位），用于接收所述声波信号，并从所述声波信号中获取相应的 数据流；
[0035] 定位服务器3，用于配置自身或所述移动终端2或者所述各个声波定位收发器1中 的至少一个声波定位收发器1从所述数据流中获取所述移动终端2的声波信号传输至各个 所述声波定位收发器1的信号传输时间或者信号传输时间差，以及用于配置自身或所述移 动终端2或者所述各个声波定位收发器1中的至少一个声波定位收发器1，根据所述各个声 波定位收发器1的位置及所述信号传输时间差进行TD0A计算或者根据所述各个声波定位收 发器1的位置及所述信号传输时间进行Τ0Α计算，以获得所述移动终端2在所述定位区域中 的位置。
[0036] 进一步的，所述的移动终端定位系统还包括网关设备4,用于将所述定位区域中所 有的声波定位收发器1以及所述移动终端2接入到同一网络中，并向所述所有的声波定位收 发器1和所述移动终端2发送所述网络的时间同步信号，以实现所述所有的声波定位收发器 1和所述移动终端2的时间同步。本实施例中，所述网关设备4可以为ZigBee网关设备、WIFI 网关设备或蓝牙网关设备等无线网关设备，也可以是任何具备时间同步功能的有线网络的 网关设备，而且网关设备4可以独立于所有声波定位收发器1和所述移动终端2之外的网关 设备，或可以与任一所述声波定位收发器集成为一体，或可以与所述移动终端2集成为一 体。网关设备4通过其所建网络向所述定位区域部署的所有声波定位收发器1(例如用于Τ0Α 二维定位的声波定位收发器A、B)和移动终端2,或者用于Τ0Α三维定位的声波定位收发器 A、B、C)和移动终端2传输时间同步信号，所述所有声波定位收发器1移动终端2在该时间同 步信号的控制下同步。网关设备4与定位服务器3可通过Internet网传输数据和信号等，因 此该网络中传输的时间同步信号可以由定位服务器3通过网关设备4发出。移动终端2与定 位服务器3之间通过WIFI或GPRS方式连接和信号传输。
[0037]请参考图4,本实施例中，所述定位服务器3包括解码模块30、定位算法模块31、地 图引擎模块32和设备管理模块33。
[0038]解码模块30,用于从所述数据流中获取所述移动终端的声波信号传输至各个所述 声波定位收发器的信号传输时间或者信号传输时间差；
[0039]定位算法模块31中集成有现有的TD0A或Τ0Α定位计算算法，可以将各个所述声波 定位收发器的位置及所述信号传输时间差送入到其中的TD0A定位算法集成单元中进行 TD0A计算，而确定所述移动终端在所述定位区域中的位置，或者将各个所述声波定位收发 器的位置及所述信号传输时间送入到其中的Τ0Α定位算法集成单元中进行Τ0Α计算，而确定 所述移动终端在所述定位区域中的位置。具体的计算过程如下：
[0040]当需要对移动终端2进行TD0A三维定位时，设所述移动终端2的位置为(X，y，z )，接 收所述移动终端的声波信号的四个所述声波定位收发器A、B、C、D的位置分别为(X1，yi， Z1)、 (X2，y2，Z2 )、（X3，y3，Z3 )、（ X4，y4，Z4)，并设所述移动终端2的声波信号分别传输至所述四个声 波定位收发器A、B、C、D的时间为丨1山山、丨 4肩加(^计算所述移动终端2的三维位置的公式 如下：
[0041]
[0042]
[0043]
[0044]
[0045]
[0046]
[0047 ]其中上述各式中的c为声波信号的传输速度，c = 340m/s，采用chan算法、Fang算法 或Taylor级数展开法等求解上述方程组中的（x，y，z)，以获得移动终端2的准确的三维位 置；
[0048]当需要对移动终端2进行TD0A二维定位时，设所述移动终端2的位置为(x，y)，接收 所述移动终端2的声波信号的三个所述声波定位收发器A、B、C的位置分别为(X1，yi)、（ X2， 72)、（13,73)，并设所述移动终端2的声波信号分别传输至所述三个声波定位收发器4、8、(：的 时间为丨 1山山，则了0(^计算所述移动终端2的二维位置的公式如下：
[0049]
[0050]
[0051] ^ \ 二./ \ \. J / .V， ，一. / \ - 」.-/
[0052]其中上述各式中的c为声波信号的传输速度，c = 340m/s，采用现有的chan算法、 Fang算法或Taylor级数展开法等求解上述方程组中的(X，y )，以获得移动终端2的准确的二 维位置;此后定位服务器3将其计算结果反馈至移动终端2即可；
[0053]当需要对移动终端2进行Τ0Α三维定位时，设所述移动终端2的位置为(x，y，z)，接 收所述移动终端2的声波信号的三个与所述移动终端2同步的声波定位收发器A、B、C的位置 分别为(11，7 1，21)、（12,72,22)、（1 3,73,23)，并设所述移动终端2发射声波信号的时间为1所 述三个声波定位收发器A、B、C分别接收所述声波信号的时间为^、^、^，则^^^计算所述移 动终端的三维位置的公式如下：
[0054；
[0055；
[0056；
[0057]其中上述各式中的c为声波信号的传输速度，c = 340m/s，采用最小二乘法、LSE(参 考点定位)算法、DFP (变尺度)算法、遗传算法或Chan算法等求解上述方程组中的（X，y，z)， 从而可以通过三个声波定位收发器A、B、C的坐标及其各自与移动终端的距离，获得移动终 端2的准确三维位置，之后可以将计算出的位置坐标渲染到所述定位区域的地图中，反馈给 移动终端2;
[0058]当需要对移动终端2进行Τ0Α二维定位时，设所述移动终端2的位置为（x，y)，接收 所述移动终端2的声波信号的两个声波定位收发器A、B的位置分别为(^，71)、（12, 72)，并设 所述移动终端2发射声波信号的时间为t，所述两个声波定位收发器A、B分别接收所述声波 信号的时间为ti、t 2,则Τ0Α计算所述移动终端2的二维位置的公式如下：
[0059]
[0060]
[00611其中上述各式中的c为声波传输速度，c = 340m/s，采用最小二乘法、LSE (参考点定 位)算法、DFP(变尺度)算法、遗传算法或Chan算法等求解上述方程组中的(x，y)，从而可以 通过三个声波定位收发器A、B、C的坐标及其各自与移动终端的距离，获得移动终端2的准确 二维位置，之后可以将计算出的位置坐标渲染到所述定位区域的地图中，反馈给移动终端 2；
[0062]所述地图引擎模块32用于存储所述定位区域的地图，并将计算出的所述移动终端 在所述定位区域中的位置渲染到所述定位区域的地图上，以反馈给所述移动终端2。
[0063]设备管理模块33,用于对所述移动终端2和所有的声波定位收发器1进行管理，并 配置自身或所述移动终端2或者所述各个声波定位收发器1中的至少一个声波定位收发器1 从所述数据流中获取所述信号传输时间差或信号传输时间，以及配置自身或所述移动终端 2或者所述各个声波定位收发器1中的至少一个声波定位收发器1进行所述TD0A计算或所述 Τ0Α计算。
[0064]需要说明的是，在本实用新型的其他实施例的移动终端定位系统中，从声波定位 收发器1传送的数据流中获取所述各个声波定位收发器1之间的信号传输时间差或相应的 信号传输时间的解码计算过程还可以在具备解码能力的移动终端2中计算，或者还可以在 具备解码能力的所述各个声波定位收发器1中的任意一个或多个中计算。同样地，根据所述 各个声波定位收发器1的位置及其之间的信号传输时间差进行的所述TD0A计算，也可以在 具备TD0A计算能力的移动终端2中完成，或者还可以在具备TD0A计算能力的所述各个声波 定位收发器1中的任意一个或多个中完成;根据所述各个声波定位收发器1的位置及其相应 的信号传输时间进行的所述Τ0Α计算，也可以在具备Τ0Α计算能力的移动终端2中完成，或者 还可以在具备Τ0Α计算能力的所述各个声波定位收发器1中的任意一个或多个中完成。具体 选用移动终端2、声波定位收发器1、定位服务器3中的哪个设备去完成所述信号传输时间差 或信号传输时间的计算以及所述TD0A或Τ0Α计算，可以由定位服务器3的设备管理模块33 自动配置，或者有移动终端2的用户去主动选择，或者根据收集的移动终端2、各个声波定位 收发器1、定位服务器3的设备能力去配置，而相应的TD0A或Τ0Α计算设备为了能够利用现有 TD0A或Τ0Α定位算法来实现移动终端的室内定位，而仅仅做了 一些适应性的集成设置编程 工作，并未对其中TD0A或Τ0Α定位算法进行创新性改进，因此TD0A或Τ0Α定位算法不是本实 用新型的创新点所在。
[0065]由此，利用上述的移动终端定位系统，在实现移动终端实时定位的同时，还从网络 部署上减少了同步网关设备，降低了定位成本，移动终端的定位精度可以达到μπι级，非常适 用于运算功能有限的移动终端的室内定位，实用性好，易于推广，适用于室内和室外的移动 终端的定位。
[0066] 请参考图1和图2,本实用新型还提供一种移动终端定位系统，包括至少两个声波 定位收发器1、移动终端2以及定位服务器3,与图1所述的移动终端定位系统相比，其区别在 于，定位区域部署的每个声波定位收发器1均包括：
[0067] 声波信号采集模块12,用于采集所述定位区域内的所述移动终端2发射的声波信 号，优选的，所述声波信号采集模块12可以为麦克风等录音设备，其采集信号的时间差精度 为ms级；
[0068] 信号解调模块13,与声波信号采集模块12连接，用于对声波信号采集模块12采集 到的声波信号进行解调，获取所述声波信号的移动终端2的身份信息以及所述声波信号中 的数据流。
[0069] 可选的，所述声波定位收发器1还包括网络同步模块11，与所述其他至少一个声波 定位收发器1以及所述移动终端2通过网关设备4接入同一网络，并接收所述网络的时间同 步信号，实现与所述其他至少一个声波定位收发器1和所述移动终端2的时间同步以及所述 声波定位收发器1内部的其他各个模块的时间同步，由此可以使得后续可以从信号解调模 块13获取的数据流中获取所述移动终端2的声波信号传输至各个所述声波定位收发器1的 信号传输时间或者信号传输时间差。所述网络同步模块11可以与其他声波定位收发器1的 网络同步模块以及移动终端2-起连接至独立于所有声波定位收发器1和移动终端2之外的 网关设备4,以接入同一个网络，接收来自所述网络的时间同步信号。在本实用新型的其他 实施例中，所述网络同步模块11还可以直接作为网关设备4,接受其他声波定位收发器1和 移动终端2的接入，以与所述其他声波定位收发器1和移动终端2接入同一个网络，接收来 自所述网络的时间同步信号。而且网络同步模块11接入的网络可以是ZigBee网络、WiFi网 络、蓝牙网络等无线网络，也可以是任何具备时间同步功能的有线网络（以太网）。
[0070] 可选的，所述声波定位收发器1还包括解码模块14,用于根据所述信号解调模块13 传送的数据流，获取所述移动终端2的声波信号传输至其声波信号采集模块12和其他各个 所述声波定位收发器1的声波信号采集模块的信号传输时间或者信号传输时间差。
[0071] 可选的，所述声波定位收发器1还包括定位计算模块15,用于根据所述各个声波定 位收发器1的位置及所述信号传输时间差进行TD0A计算，或者根据所述各个声波定位收发 器1的位置及所述信号传输时间进行Τ0Α计算，以获得所述移动终端2在所述定位区域中的 位置，并将所述位置反馈给所述移动终端2。其中定位计算模块15中需要的所述各个声波定 位收发器1的位置信息可以通过定位服务器3的数据库直接提供，也可以通过定位服务器3 转发移动终端2中存储的所述各个声波定位收发器1的位置信息来获取，定位计算模块15中 需要的所述信号传输时间差或者所述信号传输时间则从所述信号传输时间差或所述信号 传输时间的计算位置（即解码设备)处获取，例如，如果所述信号传输时间差或所述信号传 输时间由该声波定位收发器的解码模块14计算出，贝lj定位计算模块15从解码模块14处获 取，如果所述信号传输时间差或所述信号传输时间由定位服务器3计算出，则定位计算模块 15从定位服务器3处获取，如果所述信号传输时间差或所述信号传输时间由移动终端2计算 出，则定位计算模块15需要通过定位服务器3从移动终端2处获取。因此，当移动终端2和定 位服务器3中至少有一个具有相当于上述的解码模块14的功能模块和相当于上述的定位计 算模块15的功能模块时，上述的解码模块14和定位计算模块15均是可选模块，可有可无，并 不影响本实用新型技术目的的达成。
[0072]此外，还需要说明的是，当需要对定位区域中的移动终端进行三维定位时，定位移 动终端的一个三维位置，需要四个上述的声波定位收发器的位置及其之间的信号传输时间 差，或者需要三个与移动终端同步的上述的声波定位收发器及相应的信号传输时间，才能 建立方程组，T0DA或Τ0Α求解出所述三维位置，因此需要在定位区域中部署至少三个与移动 终端同步的或者至少四个不要求与移动终端同步的上述的声波定位收发器;而需要对定位 区域中的移动终端进行二维定位时，定位移动终端的一个二维位置，需要三个上述的声波 定位收发器的位置及其之间的信号传输时间差，或者需要两个与移动终端同步的上述的声 波定位收发器及相应的信号传输时间，才能建立方程组，求解出所述二维位置，因此需要在 定位区域中部署至少两个与移动终端同步的或者至少三个不要求与移动终端同步的上述 的声波定位收发器。
[0073]由此，使用上述的移动终端定位系统，在实现移动终端实时定位的同时，可以避免 现有的电磁波室内定位技术中的弊端，能解决环境因素带来的不确定性及高精度问题，而 且声波定位收发器的结构相对简单，制造成本低，具有抗干扰能力强及编解码简单快捷的 特点，非常适用于运算功能有限的移动终端的室内定位，实用性好，易于推广，适用于室内 和室外的移动终端的定位。
[0074]请参考图1和图3,本实用新型还提供一种移动终端定位系统，包括至少三个声波 定位收发器1、移动终端2以及定位服务器3,与图2所示的移动终端定位系统相比，其区别在 于，移动终端2包括以下模块：
[0075] 编码模块21，用于对待发射的声波信号进行包含身份信息和时间戳信息的编码；
[0076] 信号调制模块22,用于将编码后的声波信号调制到发射要求的频率上；
[0077] DAC模块23,用于将调制后的声波信号转为模拟信号；
[0078] 声波功率放大模块24，可以功率放大器，用于将所述模拟信号进行功率放大；
[0079] 扬声器或超声波换能器25,用于将放大后的信号播放到该移动终端2所进入的定 位区域；
[0080] 位置显示模块28,可以为触摸显示屏，用于显示所述移动终端2当前在所述定位区 域中的位置。
[0081] 所述编码模块21采用m序列等编码方式对声波信号进行编码，在给出该声波定位 收发器的身份信息（即ID信息或位置信息）、时间戳等信息的同时，还可以提高声波信号的 以确保抗侦破、抗干扰能力，其中编码模块21的编码与声波定位收发器的位置或身份对应 关系事先由定位服务器3或者移动终端2知晓，由此才能在后续的计算过程中，使得移动终 端2或者定位服务器3或者相应的声波定位收发器1对各个声波定位收发器1获取的数据流 进行解码，以能够从数据流中得到接收移动终端2发射的声波信号的各个声波定位收发器 1之间的信号传输时间差或者所述声波信号传输至所述各个声波定位收发器1的信号传输 时间，进而使得具有TD0A或Τ0Α定位计算能力的定位服务器3或者移动终端2或者相应的声 波定位收发器1能够根据所述各个声波定位收发器的位置信息及所述信号传输时间差进行 TD0A计算，或根据所述各个声波定位收发器的位置信息及所述信号传输时间进行Τ0Α计算。 [0082]所述信号调制模块22采用MSK、FSK或PSK等调制方式将声波信号的频率调制到 20Hz~1 OOMHz，由此保证调制后的信号能量的99.5 %被限制在数据传输速率的1.5倍的带 宽内，降低信号所受干扰，同时保证恒定的信号包络性能。
[0083]可选的，所述移动终端2还包括同步模块20与其他至少两个声波定位收发器的网 络同步模块一起连接至一网关设备4,以接入同一个网络，接收来自所述网络的时间同步信 号，以用于后续的所述信号传输时间的获取以及Τ0Α计算。同步模块20可以与定位区域中所 有声波定位收发器1的网络同步模块一起连接至独立于所有声波定位收发器1和移动终端2 之外的网关设备4,以接入同一个网络，接收来自所述网络的时间同步信号。在本实用新型 的其他实施例中，所述同步模块20还可以直接作为网关设备4,接受定位区域中所有声波定 位收发器1的接入，以将移动终端2与所述所有声波定位收发器1接入同一个网络，接收来自 所述网络的时间同步信号。而且同步模块20接入的网络可以是ZigBee网络、WiFi网络、蓝牙 网络等无线网络，也可以是任何具备时间同步功能的有线网络（以太网）。本实施例中，同步 模块20、编码模块21、信号调制模块22以及DAC模块23可以通过现有的一些微处理器芯片中 相应的功能模块来实现，这些微处理器芯片可选用适应网关设备4的网络同步功能的芯片， 例如当网关设备4为ZigBee网关设备时，微处理器芯片可以是TICC 2530ZigBee通信微处理 器芯片等，当网关设备4为WIFI网关设备或蓝牙网关设备时，微处理器芯片可以选用ARM STM32F107 芯片等。
[0084]可选的，所述移动终端2还包括解码模块26,用于根据声波定位收发器1传送的所 述数据流，获取所述各个声波定位收发器1之间的信号传输时间差或者所述各个声波定位 收发器1对应的信号传输时间。
[0085]可选的，所述移动终端2还包括定位模块27,为TD0A计算芯片或者Τ0Α计算芯片，用 于根据所述各个声波定位收发器1的位置及所述信号传输时间差进行TD0A计算，或者根据 所述各个声波定位收发器1的位置及所述信号传输时间进行Τ0Α计算，获得所述移动终端2 在所述定位区域中的位置。其中定位模块24中需要的所述各个声波定位收发器1的位置信 息可以通过移动终端2的存储卡直接获取，也可以由定位服务器3的数据库提供。定位模块 24中需要的所述信号传输时间差或所述信号传输时间则从所述信号传输时间差或所述信 号传输时间的计算位置(即解码设备)处获取，例如如果所述信号传输时间差或信号传输时 间由相应的声波定位收发器的解码模块14计算出，则定位模块27需要通过定位服务器3间 接从所述声波定位收发器的解码模块14处获取，如果所述信号传输时间差或信号传输时间 由定位服务器3计算出，则定位模块27需要从定位服务器3处获取，如果所述信号传输时间 差或信号传输时间由移动终端2的解码模块26计算出，则定位模块24直接从解码模块26处 获取。因此，当所有声波定位收发器1和定位服务器3中至少有一个具有相当于上述的解码 模块26的功能模块和相当于上述的定位模块27的功能模块时，上述的解码模块26和定位模 块27均是可选模块，可有可无，并不影响本实用新型技术目的的达成，由此可以大大降低对 移动终端2的计算能力的要求，使得一些低端的移动终端也能实现在定位区域中的定位。 [0086]本实施例中，所述移动终端2的位置显示模块28还用于存储和显示所述定位区域 的地图，并将获得的所述移动终端2在所述定位区域中的位置渲染显示在所述定位区域的 地图上。
[0087]本实施例中的所述移动终端2可以为智能手机、平板电脑、电子卡等手持设备，也 可以为智能手表、智能手环、智能纽扣、智能眼镜、耳机等穿戴设备。
[0088] 需要说明的是，当需要对定位区域中的移动终端2进行三维定位时，定位移动终端 2的一个三维位置，需要四个不要求与移动终端2同步的声波定位收发器1的位置及其之间 的信号传输时间差，或者需要三个与移动终端3同步的声波定位收发器及其相应的信号传 输时间，才能建立TD0A或Τ0Α方程组，求解出所述三维位置，因此需要在移动终端2所在的定 位区域中部署至少四个不要求与移动终端2同步的声波定位收发器1或者部署至少三个与 移动终端2同步的声波定位收发器1，用于移动终端的三维定位;而需要对定位区域中的移 动终端2进行二维定位时，定位移动终端2的一个二维位置，需要三个不要求与移动终端2同 步的声波定位收发器1的位置及其之间的信号传输时间差，或者需要两个与移动终端2同 步的声波定位收发器1的位置及其相应的信号传输时间，才能建立TD0A或Τ0Α方程组，求解 出所述二维位置，因此需要在移动终端2所在的定位区域中部署至少三个不要求与移动终 端2同步的声波定位收发器1或者部署至少两个与移动终端2同步的声波定位收发器1，用于 移动终端的二维定位。此外，当移动终端2的定位模块、声波定位收发器1和定位服务器3都 具有定位计算能力时，用户可以根据需要自己选择TD0A或Τ0Α的计算位置，或者系统自动优 选为通过定位服务器3进行TD0A或Τ0Α计算。
[0089] 由此，上述的移动终端定位系统中，用户携带上述的移动终端进入到部署有相应 数量和网络同步配置的声波定位收发器的定位区域时，即可通过移动终端实时获取自己在 所述定位区域的二维位置或三维位置，从而进一步的获得所述定位区域提供的个性化服 务，例如信息推荐、路径规划、区域导览等，适用于室内和室外的移动终端的定位。该移动终 端定位系统对移动终端的运算功能要求不高，且定位成本低，且移动终端的位精度可以达 到Ml级，实用性好，易于推广，适用于室内和室外的移动终端的定位。
[0090] 请参考图1、图2和图3,本实用新型还提供一种移动终端定位系统，包括至少三个 声波定位收发器1、移动终端2以及定位服务器3,与图2所示的移动终端定位系统相比，其区 别在于，定位区域部署的每个声波定位收发器均包括：
[0091] 声波信号采集模块12,用于采集所述定位区域内的所述移动终端2发射的声波信 号，优选的，所述声波信号采集模块12可以为麦克风等录音设备，其采集信号的时间差精度 为ms级；
[0092]信号解调模块13,用于对采集到的声波信号进行解调，获取所述声波信号的移动 终端的身份信息以及所述声波信号中的数据流；
[0093]以及，其移动终端2包括以下模块：
[0094] 编码模块21，用于对待发射的声波信号进行包含身份信息和时间戳信息的编码；
[0095] 信号调制模块22,用于将编码后的声波信号调制到发射要求的频率上；
[0096] DAC模块23,用于将调制后的声波信号转为模拟信号；
[0097] 声波功率放大模块24,用于将所述模拟信号进行功率放大；
[0098] 扬声器或超声波换能器25，用于将放大后的信号播放到移动终端2进入的定位区 域中；
[0099]位置显示模块28,用于显示所述移动终端2当前在所述定位区域中的位置。
[0100]进一步的，所述位置显示模块25还用于存储和显示所述定位区域的地图，并将获 得的所述移动终端2在所述定位区域中的位置渲染显示在所述定位区域的地图上。
[0101]可选的，所述声波定位收发器还包括网络同步模块11，与所述其他至少一个声波 定位收发器以及所述移动终端接入同一网络，并接收所述网络的时间同步信号，实现与所 述其他至少一个声波定位收发器和所述移动终端的时间同步以及所述声波定位收发器内 部的其他各个模块的时间同步，由此可以使得后续可以从信号解调模块13获取的数据流中 获取所述移动终端2的声波信号传输至各个所述声波定位收发器1的信号传输时间或者信 号传输时间差。
[0102] 可选的，所述声波定位收发器1还包括解码模块14,用于根据所述信号解调模块13 传送的数据流，获取所述移动终端2的声波信号传输至其声波信号采集模块12和其他各个 所述声波定位收发器1的声波信号采集模块的信号传输时间或者信号传输时间差。
[0103] 可选的，所述声波定位收发器1还包括定位计算模块15,用于根据所述各个声波定 位收发器1的位置及所述信号传输时间差进行TD0A计算，或者根据所述各个声波定位收发 器1的位置及所述信号传输时间进行Τ0Α计算，以获得所述移动终端2在所述定位区域中的 位置，并将所述位置反馈给所述移动终端2。
[0104] 可选的，所述移动终端2还包括同步模块20与其他至少两个声波定位收发器的网 络同步模块一起连接至一网关设备4,以接入同一个网络，接收来自所述网络的时间同步信 号，以用于后续的所述信号传输时间的获取以及Τ0Α计算。本实施例中，同步模块20、编码模 块21、信号调制模块22以及DAC模块23可以通过现有的一些微处理器芯片中相应的功能模 块来实现，这些微处理器芯片可选用适应网关设备4的网络同步功能的芯片，例如当网关设 备4为ZigBee网关设备时，微处理器芯片可以是TICC 2530ZigBee通信微处理器芯片等，当 网关设备4为WIFI网关设备或蓝牙网关设备时，微处理器芯片可以选用ARM STM32F107芯片 等。
[0105] 可选的，所述移动终端2还包括解码模块26,用于根据声波定位收发器1传送的所 述数据流，获取所述各个声波定位收发器1之间的信号传输时间差或者所述各个声波定位 收发器1对应的信号传输时间。
[0106] 可选的，所述移动终端2还包括定位模块27,用于根据所述各个声波定位收发器1 的位置及所述信号传输时间差进行TD0A计算，或者根据所述各个声波定位收发器1的位置 及所述信号传输时间进行Τ0Α计算，获得所述移动终端2在所述定位区域中的位置。
[0107] 需要说明的是，在上述移动终端定位系统中，从声波定位收发器1传送的数据流中 获取所述各个声波定位收发器1之间的信号传输时间差或者相应的信号传输时间的解码计 算过程，可以在具备解码能力的移动终端2的解码模块26中计算，或者还可以在具备解码能 力的所述各个声波定位收发器1中的任意一个或多个中的解码模块14计算，或者还可以在 定位服务器3的定位算法模块31中计算；同样地，并根据所述各个声波定位收发器的位置及 其之间的信号传输时间差或者相应的信号传输时间进行的所述TD0A或Τ0Α计算，也可以在 具备TD0A或Τ0Α计算能力的移动终端2的定位模块27中完成，或者还可以在具备TD0A或Τ0Α 计算能力的所述各个声波定位收发器1中的任意一个或多个中的定位计算模块15中完成， 或者还可以在定位服务器3的定位算法模块31中完成。具体选用移动终端2、声波定位收发 器1、定位服务器3中的哪个设备去完成所述各个声波定位收发器之间的信号传输时间差或 相应的信号传输时间的计算以及所述TD0A或Τ0Α计算，可以由定位服务器3的设备管理模块 33自动配置，或者有移动终端2的用户去主动选择，或者根据收集的移动终端2、各个声波定 位收发器1、定位服务器3的设备能力去配置。
[0108] 请参考图5,本实用新型提供一种利用上述的移动终端定位系统的工作方法，包括 以下步骤：
[0109] S1，一移动终端进入到某定位区域后向所述定位区域发射声波信号；
[0110] S2,部署在所述定位区域内的两个以上的声波定位收发器接收所述声波信号，并 从所述声波信号中获取相应的数据流；
[0111] S3，从所述数据流中获取所述移动终端的声波信号传输至各个所述声波定位收发 器的信号传输时间或者信号传输时间差；
[0112] S4,根据所述各个声波定位收发器的位置及所述信号传输时间进行Τ0Α计算，或根 据所述各个声波定位收发器的位置及所述信号传输时间差TD0A计算，以确定所述移动终端 在所述定位区域中的位置。
[0113] 请参考图1和图5,在步骤S1中，移动终端2作为信号发射端，向定位区域广播发射 的声波频率为20Hz~100MHz，可以选择人耳能够听到的自然界的优美声音，相当于背景音 乐，由此给所述定位区域中的人们带来听觉享受的同时，不会对所述定位区域中的环境造 成声音干扰。优选的，每个声波定位收发器1发射的声波频率为15KHz~23KHz，这个频段的 声波信号是人耳无法听见，但是可以被部署在所述定位区域内的声波定位收发器1接收到， 因此可以完全保证在所述定位区域环境中不产生噪声污染。
[0114] 在步骤S1中，移动终端2发出声波信号的过程包括：
[0115] 对待发射的信号进行包含身份信息（ID)和时间戳的编码;编码方式可以使用m序 列等方式，其中m序列是目前广泛应用的一种伪随机序列，是最重要、最基本的一种伪随机 序列，它容易产生，规律性强，有很好的自相关性和较好的互相关特性；
[0116]信号编码好之后进行信号调制，信号调制方式可以为MSK、FSK、PSK等，信号调制好 后将其转化为模拟信号；
[0117]所述模拟信号经放大后通过其扬声器或超声波换能器发射播放出去，此时所有声 波定位收发器同时向定位区域中发射声波信号。
[0118] 请参考图1和图5,在步骤S2中，当需要对室内移动终端进行定位时，可以预先根据 室内空间大小，对室内空间进行区域划分，而后在这些区域的不同位置中部署相应的声波 定位收发器1作为信号接收端，接收进入各个定位区域的移动终端2发射的声波信号，以对 移动终端2进行分区域的精准定位。
[0119] 当需要通过Τ0Α定位计算来确定移动终端2的位置时，需要将每个定位区域中两个 以上的声波定位收发器1与移动终端2进行同步，这些声波定位收发器1与移动终端2均连接 到一网关设备4上，从而使得这些声波定位收发器1和移动终端2通过该网关设备4部署在同 一个网络中，并在网关设备4的时间同步信号（即控制这些声波定位收发器同步工作的时钟 信号）的控制下实现网络时间同步，网关设备4可以是ZigBee网关设备、WIFI网关设备或蓝 牙网关设备等无线网关设备，也可以是任何具备时间同步功能的有线网络的网关设备，而 且网关设备4可以独立于所有声波定位收发器1和所述移动终端2之外的网关设备，或可以 与任一所述声波定位收发器集成为一体，或可以与所述移动终端2集成为一体。网关设备4 可以使定位区域中所有声波定位收发器1和移动终端2同时接入相应的ZigBee网络、WIFI 网络或蓝牙网络等无线网路中或任何具备时间同步功能的有线网路，从而可以接受该网络 中传输的时间同步信号，实现启用和工作时间同步。网关设备4与定位服务器3可通过 Internet网传输数据和信号等，因此该网络中传输的时间同步信号可以由定位服务器3通 过网关设备4发出。
[0120]其中，在定位区域中可最少设置两个声波定位收发器1(如设置声波定位收发器A、 B)与移动终端2同步，来用于移动终端2的Τ0Α二维定位;可最少设置三个声波定位收发器1 (如设置声波定位收发器A、B、C)与移动终端2同步，来用于移动终端2的Τ0Α三维定位；当所 述定位区域中部署三个以上的声波定位收发器时，可以将三个声波定位收发器视为一组， 用于获得移动终端的一个位置坐标，最后对所有组获得的移动终端的位置坐标取平均值， 以作为移动终端最终的位置；当所述定位区域中部署两个以上的声波定位收发器时，可以 将每两个声波定位收发器视为一组，用于获得移动终端的一个位置坐标，最后对所有组获 得的移动终端的位置坐标取平均值，以作为移动终端最终的二维位置，由此来进一步提高 移动终端定位的精度。
[0121] 而当需要通过TD0A定位计算来确定移动终端2的位置时，需要所述定位区域中三 个以上的声波定位收发器1来接收移动终端2的声波信号，这些声波定位收发器之间可不完 全同步，也可完全同步，还可完全不同步，当然可与移动终端2同步，也可与移动终端2完全 不同步，其中，可最少设置三个声波定位收发器1(如设置声波定位收发器A、B、C)用于移动 终端2的TD0A二维定位;可最少设置四个声波定位收发器1(如设置声波定位收发器A、B、C、 D)用于移动终端2的TD0A三维定位，当所述定位区域中部署四个以上的声波定位收发器时， 可以将每四个声波定位收发器视为一组，用于获得移动终端的一个位置坐标，最后对所有 组获得的移动终端的位置坐标取平均值，以作为移动终端最终的三维位置;而当所述定位 区域中部署三个以上的声波定位收发器时，可以将每三个声波定位收发器视为一组，用于 获得移动终端的一个位置坐标，最后对所有组获得的移动终端的位置坐标取平均值，以作 为移动终端最终的二维位置，由此来进一步提高室内定位的精度。此外，对室内区域划分 后，不同区域的声波定位收发器1数量以及与移动终端2同步的数量来确定后续解码数据流 中的信号传输时间还是信号传输时间差，以及确定后续采用TD0A方式计算还是采用Τ0Α方 式计算。在后续可以基于移动终端2在所述定位区域的实时定位，为携带该移动终端的用户 提供相应的特色服务，此外，利用移动终端的室内定位为用户提供移动终端基于位置的服 务(Location Based Service，LBS)推荐业务，例如在购物中心里根据用户所处位置自动推 送商家打折和活动信息，使用室内导航帮助用户在所述定位区域更快地找到所需要的物品 等；在大型商场和写字楼里面借助室内各区域的地图导航帮助用户快速找到出口和电梯 等;在医疗行业中利用移动终端的室内定位进行重症病人跟踪监护、产房婴儿防盗、贵重医 疗设备监控;面向大型建筑物的应急疏散、公共安全、及灾后救援等。此外，在定位区域部署 好每个声波定位收发器1后，可以将每个声波定位收发器1的位置坐标提交到定位服务器3 上保存，或者直接发送至进入相应区域的移动终端2上保存，以用于后续定位的计算需要。
[0122] 在步骤S2中，移动终端2在进入某定位区域发出声波信号后，该定位区域中部署的 声波定位收发器1可以通过其麦克风等声波信号采集模块来接收该声波信号，并对接收的 声波信号进行解调，从中获取移动终端2的身份信息（ID)以及声波信号中时间戳等数据流 信息。
[0123] 在步骤S3中，当接收该声波信号的声波定位收发器1自身具有解码功能时，可以直 接对其获取的数据流信息进行解码处理，获取所述移动终端的声波信号传输至各个所述声 波定位收发器的信号传输时间（即声波信号从移动终端2发射开始计时，至传输到声波定位 收发器1接收后计时结束，这个过程所用的时长)或者信号传输时间差（即声波信号从移动 终端传输至两个声波定位收发器所用的时间之差）。当接收该声波信号的声波定位收发器1 自身不具备解码功能时可以将其获取的数据流信息传输至具有解码功能的一定位服务器3 或者通过定位服务器3回传至具有解码功能的移动终端2或者通过定位服务器3回传至其他 具备解码能力的声波定位收发器，以对其获取的数据流信息进行处理，获取所述各个信号 传输时间或各个信号传输时间差。当移动终端2、各个声波定位收发器1、定位服务器均具有 解码功能时，一方面，定位区域的管理员可以在定位服务器3上配置这些设备的解码优先 级，例如根据各个设备的解码资源占用率来配置优先级，或者直接配置定位服务器优先等， 从而能够及时对声波定位收发器1获取的数据流信息进行处理，获取所述各个信号传输时 间或各个信号传输时间差，以快速实现移动终端的定位；另一方面，移动终端2的用户可以 自主选择解码终端，例如直接选取该移动终端2处理所述数据流，或者将声波定位收发器1 获取的数据流发送至相应的声波定位收发器1或者定位服务器3上进行处理。
[0124] 在步骤S4中，当接收声波信号的声波定位收发器1具备相应的定位计算能力时，可 以直接获取的各个声波定位收发器的身份信息，进而提取到所述各个声波定位收发器的位 置坐标，并结合步骤S3中获取的所述各个信号传输时间差来进行TD0A计算或者结合步骤S3 中获取的所述各个信号传输时间来进行Τ0Α计算，确定出所述移动终端2的位置，同时显示 在其显示屏上以呈现给用户。而当接收声波信号的声波定位收发器1的自身不具备相应的 定位计算能力时，可以通过网关设备4将其在步骤S3中获取的所述各个信号传输时间差或 所述各个信号传输时间发送至具有定位计算能力的定位服务器3上进行TD0A或Τ0Α计算，或 者将其在步骤S3中获取的所述各个信号传输时间差或所述各个信号传输时间通过所述定 位服务器3转发至所述各个声波定位收发器1中具备相应的定位计算能力的某个或某几个 声波定位收发器1上进行相应的TD0A或Τ0Α计算，或者将其在步骤S3中获取的所述各个信号 传输时间差或所述各个信号传输时间通过所述定位服务器3转发至具备相应定位计算能力 的移动终端3进行相应的TD0A或Τ0Α计算，相应的定位计算设备会根据所述各个声波定位收 发器的ID获取所述各个声波定位收发器1的位置坐标，并结合所述各个信号传输时间差或 所述各个信号传输时间进行相应的TD0A或Τ0Α计算，以得出所述移动终端2的位置坐标。其 中，当定位服务器3的数据库中存储有各个声波定位收发器的位置坐标时，定位服务器3直 接从数据库中调用供自身使用或者转发至相应的声波定位收发器1或移动终端2使用；当定 位服务器3上没有存储各个声波定位收发器的位置坐标时，移动终端2中存储有各个声波定 位收发器的位置坐标时，移动终端2将各个声波定位收发器的位置坐标发送给定位服务器 3，以供定位服务器3自身使用或者进一步通过定位服务器3转发至相应的声波定位收发器1 使用；当定位服务器3和移动终端2上都没有存储各个声波定位收发器的位置坐标时，各个 声波定位收发器将其ID以及位置坐标均发送至定位服务器3或移动终端2。
[0125] 其中，在步骤S4中，不管哪个设备进行TD0A计算来确定所述移动终端在所述定位 区域的三维位置，均需执行以下步骤包括：
[0126] 设所述移动终端2的位置为(x，y，z)，接收所述移动终端2的声波信号的四个声波 定位收发器厶、8、<：、0的位置分别为(叉1，71，21)、（叉2,72,22)、（叉3,73,23)、（叉4,74,24);
[0127] 设所述移动终端2的声波信号分别传输至所述四个声波定位收发器A、B、C、D所用 的时间为tl、t2、t3、t4;
[0128] 则TD0A计算移动终端2的三维位置的公式如下：
[0129]
[0130]
[0131]
[0132]
[0133]
[0134]
[0135]其中上述各式中的c为声波信号的传输速度，c = 340m/s，采用chan算法、Fang算法 或Taylor级数展开法等求解上述方程组中的（X，y，z)，以获得移动终端2的准确三维位置， 计算出的三维位置坐标可以渲染到移动终端2的所述定位区域的地图中，以呈现给所述移 动终端2的用户。
[0136] 相应的，在步骤S4中，不管哪个设备进行TD0A计算来确定所述移动终端在所述定 位区域的二维位置，均需执行以下步骤包括：
[0137] 设所述移动终端的位置为(x，y)，接收所述移动终端的声波信号的三个所述声波 定位收发器的位置分别为(XI，yi)、（X2，y2)、（X3，y3);
[0138] 设所述移动终端的声波信号分别传输至所述三个声波定位收发器所用的时间为 tl、t2、t3;
[0139] 则TD0A计算所述移动终端的二维位置的公式如下：
[0140]
[0141]
[0142]
[0143]其中上述各式中的c为声波传输速度，c = 340m/s，采用chan算法、Fang算法或 Taylor级数展开法等求解上述方程组中的(X，y)，以获得移动终端2的准确二维位置，计算 出的二维位置坐标可以渲染到移动终端2的所述定位区域的地图中，以呈现给所述移动终 端2的用户。需要说明的是，移动终端2的二维定位可以看做是三维定位的特例，二维定位时 的TD0A计算实质上是将三维TD0A计算中的所有公式里边z设为0,公式数量相应的减少。
[0144] 其中，在步骤S4中，不管哪个设备进行Τ0Α计算来确定所述移动终端在所述定位区 域的三维位置，均需执行以下步骤包括：
[0145] 设所述移动终端2的位置为(x，y，z)，接收所述移动终端2的声波信号的三个与移 动终端2同步的声波定位收发器六、8、(：的位置分别为(11，71，21)、（12,72,22)、（13,73,23);
[0146] 设所述移动终端发射声波信号的时间（即时刻）为t，所述三个声波定位收发器A、 B、C分别接收所述声波信号的时间（即时刻)为所述声波信号传输从移动终端2至 声波定位收发器A的信号传输时间为t-t;所述声波信号从移动终端2传输至声波定位收发 器B的信号传输时间为t2-t;所述声波信号从移动终端2传输至声波定位收发器C的信号传 输时间为t3_t;
[0147] 贝IJT0A计算移动终端2的位置的公式如下：
[0148]
[0149]
[0150]
[0151] 其中上述各式中的c为声波信号的传输速度，c = 340m/s，采用最小二乘法、LSE(参 考点定位)算法、DFP (变尺度)算法、遗传算法或Chan算法等求解上述方程组中的（X，y，z)， 从而可以通过三个声波定位收发器A、B、C的坐标及其各自与移动终端的距离，获得移动终 端2的准确三维位置，之后可以将计算出的位置坐标渲染到所述定位区域的地图中，反馈给 移动终端2。
[0152]相应的，在步骤S4中，不管哪个设备进行Τ0Α计算来确定所述移动终端在所述定位 区域的二维位置，均需执行以下步骤包括：
[0153] 设所述移动终端的位置为(x，y)，接收所述移动终端的声波信号的与移动终端2同 步的两个声波定位收发器4、8的位置分别为(11，71)、（12,72);
[0154] 设所述移动终端发射声波信号的时间为t，所述两个声波定位收发器A、B分别接收 所述声波信号的时间为tl、t2 ;
[0155] 则Τ0Α计算所述移动终端的二维位置的公式如下：
[0156]
[0157]
[0158]其中上述各式中的c为声波传输速度，c = 340m/s，采用最小二乘法、LSE (参考点定 位)算法、DFP(变尺度)算法、遗传算法或Chan算法等求解上述方程组中的(x，y)，从而可以 通过声波定位收发器A、B的坐标及其各自与移动终端2的距离，获得移动终端2的准确二维 位置，之后可以将计算出的位置坐标渲染到所述定位区域的地图中，反馈给移动终端2,以 呈现给所述移动终端2的用户。需要说明的是，移动终端2的二维定位可以看做是三维定位 的特例，二维定位时的Τ0Α计算实质上是将三维Τ0Α计算中的所有公式里边z设为0，公式数 量相应的减少。
[0159] 进一步的，所述移动终端2上有所述定位区域的地图的显示界面，当移动终端2收 到当前其在所述定位区域中的位置的TD0A或Τ0Α计算结果后，在所述显示界面上将其自身 位置渲染显示在所述定位区域的地图中，以供用户直接查看。
[0160] 进一步的，基于用户通过移动终端实时获取的其在所述定位区域的地图上的位置 信息，可以实现路径规划、区域导览、信息推送、位置分享、自助购物、物品寻址等个性化服 务。
[0161] 本实用新型提供的移动终端定位系统，适用于室内和室外的移动终端的定位，能 够在某定位区域中最少可以仅仅部署两个与移动终端网络同步的声波定位收发器，利用移 动终端的声波信号分别到达两个声波定位收发器的传输时间来准确定位出移动终端在所 述定位区域的二维位置，或者在某定位区域中最少可以仅仅部署三个与移动终端网络同步 的声波定位收发器，利用移动终端的声波信号到达三个声波定位收发器的传输时间来准确 定位出移动终端在所述定位区域的三维位置，或者能够在某定位区域中最少可以仅仅部署 三个声波定位收发器，利用移动终端的声波信号分别到达三个声波定位收发器的传输时间 差来准确定位出移动终端在所述定位区域的二维位置，或者在某定位区域中最少可以仅仅 部署四个声波定位收发器，利用移动终端的声波信号到达四个声波定位收发器的传输时间 差来准确定位出移动终端在所述定位区域的三维位置。因此本实用新型的技术方案在解决 环境因素带来的不确定性及高精度问题的同时，还能降低定位成本，保证移动终端定位精 度。例如，当声波定位收发器接收移动终端的声波信号的时间精度为lms (毫秒)时，移动终 端的定位误差为 lms*340m/s = 0 · 34m = 34cm〇
[0162] 下面结合图6和图7详细说明上述的移动终端定位系统进行TD0A定位和Τ0Α定位的 过程。
[0163] 请参考图6,利用上述的移动终端定位系统进行移动终端2的TD0A三维定位的流程 如下：
[0164] 1、定位区域中部署的声波定位收发器A、B、C、D开启工作；
[0165] 2、移动终端2向所述定位区域发射声波信号：
[0166] 2.1，编码模块21对待发射的声波信号进行包含身份信息和时间戳信息的编码；
[0167] 2.2,信号调制模块22将编码后的声波信号调制到发射要求的频率上；
[0168] 2.3，DAC模块23将调制后的声波信号转为模拟信号；
[0169] 2.4，声波功率放大模块24将所述模拟信号进行功率放大；
[0170] 2.5,扬声器或超声波换能器25将放大后的信号播放到所述定位区域中；
[0171] 3、声波定位收发器A、B、C、D接收声波信号并获取相应信息：
[0172] 3.1，声波定位收发器A、B、C、D的声波信号采集模块12采集移动终端2的发射的声 波信号；
[0173] 3.2，信号解调模块13对采集到的声波信号进行解调，以获取移动终端2的ID(即身 份信息）以及其声波信号中传送的数据流；
[0174] 4、解码所述数据流以获取声波定位收发器A、B、C、D之间的信号传输时间差：
[0175] 4.1，系统是否配置声波定位收发器A、B、C、D的至少一个的解码模块14对声波定位 收发器A、B、C、D获取的数据流进行解码，若是，则利用选择的声波定位收发器的解码模块14 执行步骤4.4，若否，则执行步骤4.2;
[0176] 4.2,系统是否配置定位服务器3的解码模块30对声波定位收发器A、B、C、D获取的 数据流进行解码，若是，则利用选择的定位算法模块31执行4.4步骤，若否，则执行步骤4.3;
[0177] 4.3,系统配置移动终端2的解码模块23对声波定位收发器A、B、C、D获取的数据流 进行解码；
[0178] 4.4,利用系统所配置的解码设备相应的功能模块对声波定位收发器A、B、C、D获取 的数据流进行解码，并计算出声波定位收发器A、B、C、D之间的信号传输时间差；
[0179] 5、TD0A计算出移动终端2在所述定位区域的当前位置：
[0180] 5.1，系统是否配置声波定位收发器A、B、C、D的至少一个的定位计算模块15进行 TDOA计算，若是，则利用选择的声波定位收发器的定位计算模块15执行步骤5.4，若否，则执 行步骤5.2;
[0181] 5.2,系统是否配置定位服务器3的定位算法模块31进行TD0A计算，若是，则利用定 位服务器3的定位算法模块31执行步骤5.4，若否，则执行步骤5.3;
[0182] 5.3，系统配置移动终端2的定位模块27行TD0A计算；
[0183] 5.4,利用系统所配置的TD0A计算设备相应的功能模块从定位服务器3的数据库或 移动终端2的存储器中获取声波定位收发器A、B、C、D的位置坐标，并从所配置的解码设备的 相应功能模块处获取计算出的声波定位收发器A、B、C、D之间的信号传输时间差，根据声波 定位收发器A、B、C、D的位置坐标及其之间的信号传输时间差进行TD0A计算，得出移动终端2 在所述定位区域中的三维位置；
[0184] 5.5,定位服务器3的地图引擎模块32或者移动终端2的位置显示模块25将得出的 所述移动终端的三维位置渲染显示到所述移动终端2的所述定位区域的地图上。
[0185] 需要说明的是，利用上述的移动终端定位系统进行移动终端2的二维定位，仅需要 接收两个声波定位收发器A、B、C的声波信号，具体地方法流程与图6所示的流程基本一致， 在此不再赘述。
[0186] 请参考图7,利用上述的移动终端定位系统进行移动终端2的Τ0Α内三维定位的流 程如下：
[0187] 1、网关设备4发出时间同步信号；
[0188] 2、移动终端2向定位区域发射声波信号：
[0189] 2.1，同步模块20接收所述时间同步信号，实现移动终端2与所述定位区域中部署 的声波定位收发器A、B、C的网络同步（即时间同步或时钟同步）以及移动终端2内部各模块 的时间同步；
[0190] 2.2,编码模块21对待发射的声波信号进行包含身份信息和时间戳信息的编码；
[0191] 2.3,信号调制模块22将编码后的声波信号调制到发射要求的频率上；
[0192] 2.4，DAC模块23将调制后的声波信号转为模拟信号；
[0193] 2.5，声波功率放大模块24将所述模拟信号进行功率放大；
[0194] 2.6,扬声器或超声波换能器25将放大后的信号播放到所述定位区域中；
[0195] 3、声波定位收发器A、B、C接收声波信号并获取相应信息：
[0196] 3.1，网络同步模块11接收所述时间同步信号，实现与移动终端2和其他声波定位 收发器的网络同步(即时间同步或时钟同步）以及内部各模块的时间同步；
[0197] 3.2，声波信号采集模块12采集移动终端2发射的声波信号；
[0198] 3.3,信号解调模块22对采集到的声波信号进行解调，以获取声波信号中传送的数 据流；
[0199] 4、解码所述数据流以获取声波定位收发器A、B、C的信号传输时间：
[0200] 4.1，系统是否配置声波定位收发器A、B、C的至少一个的解码模块14对声波定位收 发器A、B、C获取的数据流进行解码，若是，则利用选择的声波定位收发器的解码模块14执行 步骤4.4，若否，则执行步骤4.2;
[0201] 4.2,系统是否配置定位服务器3的解码模块30对声波定位收发器A、B、C获取的数 据流进行解码，若是，则利用选择的定位算法模块31执行4.4步骤，若否，则执行步骤4.3;
[0202] 4.3,系统配置移动终端2的解码模块26对声波定位收发器A、B、C获取的数据流进 行解码；
[0203] 4.4,利用系统所配置的解码设备相应的功能模块对声波定位收发器A、B、C获取的 数据流进行解码，并分别计算出声波定位收发器A、B、C的信号传输时间；
[0204] 5、T0A计算出移动终端2在所述定位区域的当前位置：
[0205] 5.1，系统是否配置声波定位收发器A、B、C的至少一个的定位计算模块15进行Τ0Α 计算，若是，则利用选择的声波定位收发器的定位计算模块15执行步骤5.4,若否，则执行步 骤5.2;
[0206] 5.2，系统是否配置定位服务器3的定位算法模块31进行Τ0Α计算，若是，则利用定 位服务器3的定位算法模块31执行步骤5.4，若否，则执行步骤5.3;
[0207] 5.3，系统配置移动终端2的定位模块27行Τ0Α计算；
[0208] 5.4,利用系统所配置的Τ0Α计算设备相应的功能模块从定位服务器3的数据库或 移动终端2的存储器中获取声波定位收发器A、B、C的位置坐标，并从所配置的解码设备的相 应功能模块处获取计算出的声波定位收发器A、B、C的信号传输时间，根据声波定位收发器 A、B、C的位置坐标及其信号传输时间进行Τ0Α计算，得出移动终端2的位置；
[0209] 5.5,定位服务器3的地图引擎模块32或者移动终端2的位置显示模块25将得出的 所述移动终端的位置渲染显示到所述移动终端2的所述定位区域的地图上。
[0210] 需要说明的是，利用上述的移动终端定位系统进行二维定位，仅需要接收两个声 波定位收发器A、B的声波信号，具体地方法流程与图7所示的流程基本一致，在此不再赘述。
[0211] 由此可见，上述的移动终端定位系统，从网络部署上减少了同步网关设备，降低了 定位成本;而且其部署的声波定位收发器的结构相对简单，制造成本低，具有抗干扰能力强 及编解码简单快捷的特点，同时对移动终端的运算能力要求不高，实用性好，易于推广，适 用于室内和室外的移动终端的定位。
[0212] 显然，本领域的技术人员可以对实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新 型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其 等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。
【主权项】
1. 一种移动终端定位系统，其特征在于，包括:移动终端、定位服务器、网关设备以及至 少两个声波定位收发器，所述声波定位收发器安装在所述移动终端所进入的定位区域并与 所述移动终端通过声波信号进行通信连接，所述移动终端与所述定位服务器通过无线网络 连接，所述声波定位收发器与所述定位服务器通信连接，所述网关设备将所述定位区域中 所有的声波定位收发器以及所述移动终端接入到同一网络中的，并与所述定位服务器之间 通过因特网连接。2. 如权利要求1所述的移动终端定位系统，其特征在于，所述网关设备ZigBee网关设 备、WIFI网关设备或蓝牙网关设备，与所述所有的声波定位收发器和移动终端通过相应的 ZigBee、WIFI或蓝牙无线方式连接。3. 如权利要求2所述的移动终端定位系统，其特征在于，所述网关设备为独立于所有声 波定位收发器和所述移动终端之外的网关设备，或者与任一所述声波定位收发器集成为一 体，或者与所述移动终端集成为一体。4. 如权利要求1所述的移动终端定位系统，其特征在于，所述定位服务器包括解码模 块、定位算法模块、地图引擎模块以及设备管理模块;所述解码模块与所述移动终端或者各 个所述声波定位收发器信号连接，所述定位算法模块为单片机或可编程逻辑器件，所述地 图引擎模块包括存储所述定位区域地图的存储器以及连接所述存储器和所述定位算法模 块的位置渲染器;所述设备管理模块与所述移动终端和所有的声波定位收发器通信连接。5. 如权利要求1所述的移动终端定位系统，其特征在于，所述声波定位收发器包括声波 信号采集模块以及连接所述声波信号采集模块的信号解调模块。6. 如权利要求5所述的移动终端定位系统，其特征在于，所述声波定位收发器还包括网 络同步模块，与所述其他至少一个声波定位收发器以及所述移动终端接入同一网络。7. 如权利要求5所述的移动终端定位系统，其特征在于，所述声波定位收发器还包括与 自身内部的信号解调模块或者所述移动终端内部的信号解调模块通信的解码模块。8. 如权利要求7所述的移动终端定位系统，其特征在于，所述声波定位收发器还包括与 自身内的解码模块或者所述定位服务器的解码模块或者所述移动终端的解码模块通信的 定位计算模块，所述定位计算模块为微处理芯片或可编程逻辑器件。9. 如权利要求1所述的移动终端定位系统，其特征在于，所述移动终端包括:依次连接 的编码模块、信号调制模块、DAC模块、声波功率放大模块、播放模块以及位置显示模块，所 述播放模块为扬声器或超声波换能器，所述位置显示模块为显示屏。10. 如权利要求9所述的移动终端定位系统，其特征在于，所述移动终端还包括同步模 块，与所述定位区域部署的至少两个声波定位器一起接入同一网络。11. 如权利要求10所述的移动终端定位系统，其特征在于，所述移动终端还包括与声波 定位收发器内部的信号解调模块通信的解码模块。12. 如权利要求11所述的移动终端定位系统，其特征在于，所述移动终端还包括与自身 内部的解码模块或者所述定位服务器的解码模块或者所述声波定位收发器内部的解码模 块通信的定位模块，所述定位模块为微处理芯片。13. 如权利要求1所述的移动终端定位系统，其特征在于，所述移动终端为手持设备或 者穿戴设备。
【文档编号】H04W88/02GK205656300SQ201620233482
【公开日】2016年10月19日
【申请日】2016年3月24日 公开号201620233482.X, CN 201620233482, CN 205656300 U, CN 205656300U, CN-U-205656300, CN201620233482, CN201620233482.X, CN205656300 U, CN205656300U
【发明人】刘千喜, 胡琼方, 赵振纲
【申请人】上海酷远物联网科技有限公司