无线微功率网络定位系统及其定位方法

专利名称：无线微功率网络定位系统及其定位方法
技术领域：
本发明涉及定位技术，特别涉及一种无线微功率网络定位技术及其定位方法。
背景技术：
定位技术到目前为止，都是采用的无线信号定位的方法。现有定位系统，基本上可 以分为以GPS为代表的定位系统和以移动通信网络为代表的无线网络(包括GSM、 CDMA网 络)定位系统。
GPS定位技术 被定位物体通过与之相连的GPS接收终端，同时接收四颗(至少三颗)GPS卫星发 射的定位信号，计算出该物体所处的经纬度和高度坐标(X， Y， Z)而实现定位。这种X， Y， Z位置坐标信息，在一般实际应用中，必须与电子地图配合使用，而且，往往还需要转换为我 们所熟悉的地理位置信息，例如街道名称，具体参考地点等，才能真正方便使用。在对移动 目标，例如车辆定位时，还需要将所算出位置信息，通过现有移动通信网络，传给控制中心， 才能真正到达定位的目的——对车辆的管理、监控。就移动目标定位而言，GPS定位系统至 少需要GPS卫星、GPS接收机、移动通信网络、移动通信终端(GMS或CDMA收发模块)及控 制中心才能实现。GPS定位系统的缺点，除了建立定位系统的成本及运营成本高以外(包括 移动网络使用费)，它的使用在城市中还受到极大的限制。因为使用GPS设备的重要前提之 一，是GPS接收机与卫星之间有直射路径，而GPS信号在建筑物密集的城区及建筑物内部存 在信号接收盲区。另外GPS定位还要受到多径效应和许多其他因素的影响，包括初始定位 信号捕获时间较长等(通常为0. 5 15min)。现场实验表明，在高楼林立的城市，安装GPS 接收机的公交车辆，能够正常接收GPS定位信号的概率大约为70X左右。在一些特殊场合， 如钢筋混凝土建筑物内、地下室或矿井中，则完全收不到GPS信号。
移动通信网络定位技术 基于移动通信网络的定位技术，除了要对现有移动网络的布局，网络基站和移动 终端的软件和硬件做较大的改变外，它的使用，还要受到城市中非视距传播、多径效应和多 址干扰等因素的极大影响。在网络布局上， 一般要求移动终端，能够同时与3个或3个以上 基站，进行直接通信，通过各种复杂的测距、测向来确定移动终端的位置。而现有移动通信 网络，主要考虑的是语音通信，因而，很难满足定位的要求。 综上所述，现有定位技术和方法的主要缺点是，结构复杂，投资大，运营费用高，不 能在城市，或矿山井下等复杂的环境条件下工作，因而不能满足许多实际应用的需要。

发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是针对现有定位系统结构复杂，成本高，运营费用高，使用场合受限的缺点，提供一种不依赖于GPS和现有移动通信网络的，无线微功率网络 定位系统及其定位方法。 本发明解决其技术问题，采用的技术方案是通过组建一个由若干个具有固定位 置，可以与控制中心计算机进行通信的无线微功率收发机组成的网络，以及安装在需要定 位的可移动目标上的无线微功率收发机，组成的无线微功率网络定位系统，利用网络节点 和可移动目标的收发机的发射功率，接收灵敏度以及接收信号强度与传输距离之间的关 系，再利用已知的网络节点的位置，来实现对可移动目标的定位；并利用同一个网络，实现 可移动目标位置信息以及其它控制信息的传输。 网络中每一个具有固定位置的无线微功率收发机，被称为一个网络节点，安装在 需要定位的可移动目标上的无线微功率收发机，被称为移动目标；所述网络节点通过有线 或无线的方式与控制中心相连接以传输信息，其连接方式可以采用星状，树状，网状等多种 方式；所述网络与控制中心的计算机系统相联接；所述网络节点与移动目标之间通过无线 通信方式连接；所述计算机系统存储有网络节点的地址，移动目标的身份识别信息以及网 络管理软件；所述无线收发机由具有完整的无线发射和接收功能的集成电路芯片构成，它 们也可以只具有单一的无线发射或接收的功能，它们的发射功率，满足当地政府的相关规 定限制；当所述网络为Zigbee网络时，这些网络节点就是Zigbee网络的FFD ;移动目标就 是Zigbee网络的RFD。
采用上述无线微功率网络定位系统的定位方法有下面几种
第一种定位方法，称为几何中心定位法 建立网络节点与移动目标的通信联系，以收到移动目标信号最强的1-3个网络节 点的几何中心作为移动目标的位置； 这里所述的移动目标信号，可以是移动目标自身单方向发出的身份码信号，也可 以是移动目标收到系统的呼叫信号后，返还给网络节点的回应信号。 这里需要说明的是，呼叫回应信号不同于移动目标自身发出的信号，这两者的差 别是后者只取决于网络节点能否接收到移动目标的信号，它是一种单方向通信，而前者在 网络节点能够接收到移动目标的呼叫回应信号之前，首先移动目标要能接收到来自网络节 点的呼叫信号，它是一种双向通信过程。
第二种定位方法信号强度法 它是利用在给定定位区域内，预先通过现场实测建立起来的无线接收机所接收到 的信号强度，与到信号源距离的普遍关系，再通过测量网络节点(或移动目标)接收到的来 自移动目标(或网络节点)的信号强度，来确定移动目标与网络节点之间的距离；
第三种定位方法搜寻法 它是利用在给定定位区域内，预先通过现场实测建立起来的无线接收机离开信号 源的距离，与信号源临界发射功率的普遍关系，这里的临界发射功率，是指无线接收机在给 定距离位置处，能够接收到信号源信号时，信号源必须要有的最小发射功率，再通过改变网 络节点(或移动目标)的发射功率，找出对应于移动目标(或网络节点)所在位置处的临 界发射功率，来确定移动目标与网络节点之间的距离；
第四种定位方法指纹法 它包括信号强度指纹法，以及临界发射功率指纹法。这种方法不依赖于信号源发射功率或射频信号强度，与距离之间的普遍关系，而是依赖于该定位区域内，处在某个具体 位置的信号源及其发射功率，与区域内不同位置处的信号强度之间所存在的，完全依赖于 该区域内特定环境条件的特殊关系。 信号强度指纹法建立网络节点与移动目标的通信联系，利用在J个网络节点上 所量测到的，来自同一个移动目标的一组信号强度值，组成的信号强度指纹特征，与数据库 中预先通过现场实测所储存的，J个网络节点的不同信号强度指纹特征，与移动目标不同位 置的一一对应关系；或利用在移动目标处量测到的来自J个网络节点的一组信号强度值， 共同组成的信号强度指纹特征，与数据库中预先通过现场实测所储存的，对应于这J个网 络节点，移动目标的不同信号强度指纹特征，与移动目标在不同位置的一一对应关系，来确 定移动目标的具体位置，其中J> 1。 临界发射功率指纹法建立网络节点与移动目标的通信联系，通过改变网络节点 或移动目标的发射功率，找出对应于同一个移动目标位置的，Q个网络节点的一组临界发射 功率组成的指纹特征，或相对于这Q个网络节点，在移动目标处测得的一组临界发射功率 值，组成的指纹特征，与数据库中预先通过现场实测储存的，不同临界发射功率指纹特征， 与移动目标在不同位置的一一对应关系，来确定移动目标的位置，其中Q > 1。
在以上第三种"搜寻法"，和第四种"指纹法"中，都利用到临界发射功率的概念。它 实际上就是一个搜寻移动目标的过程。它利用改变网络节点或移动目标的发射功率，来改 变网络节点与移动目标之间，可以实现双向或单向通信的范围，通过找出两者之间能否接
收到对方信号的变化点，找出相应的临界发射功率，从而搜寻出移动目标的位置。由于一般 微功率单芯片收发机，都具有多级发射功率控制的功能，因而，我们可以很容易的通过控制
命令，来改变移动目标或网络节点的发射功率，从而达到搜寻移动目标的目的。 使用临界发射功率的概念来定位，与使用信号强度的概念来定位类似，都利用了
信号强度随距离而衰减的普遍规律，但相对于使用信号强度的概念来定位，使用临界发射
功率来定位，具有显而易见的优越性首先，在使用信号强度的概念来定位时，你所测得的
信号强度中，包括了许多与定位目的无关的，来自其他信号源的贡献，要将它们分开来，有
时十分困难；其次，现场实测表明，信号强度的量测，具有相当的难度，这主要是指测量时信
号的稳定性和精确性；最后，由于一般收发机往往不具有信号强度指示功能，因而使用信号
强度的概念来定位的方法，也就受到很大的局限。而使用临界发射功率的方法，则不存在这
些问题。 本发明的有益效果是结构简单，使用方便，成本低，技术成熟。本发明不需要复杂 的测量和计算，也可不需要电子地图，就能够满足实际定位需要；系统本身既是一个定位网 络，又是一个能够进行信息传输的通信网络，因而可以集定位和信息传输为一体，不仅方便 了实际应用，而且还大大降低了运营成本。


图1是本发明系统组成示意图； 图2是信号强度与离开信号源距离的关系示意图；
图3是无线发射机的信号覆盖半径示意图；
图4是无线接收机的定位半径示意5
图5是1个网络节点位置作为移动目标位置的示意图； 图6是2个网络节点位置的几何中心作为移动目标位置的示意图； 图7是3个网络节点位置的几何中心作为移动目标位置的示意图； 图8是根据计算的移动目标到3个网络节点的距离来确定移动目标位置的示意
图； 图9是临界发射功率示意图，Q > Qm， M可接收到0的信号，Q < Qm， M接收不到0 的信号； 图10是对应同一个移动目标位置，不同网络节点的不同临界发射功率； 图11是对应不同网络节点的位置，在某个具体位置的移动目标的不同临界发射
功率； 图12是Ta， Tb， Tc组成移动目标在位置0的信号强度指纹示意图； 图13是Qa， Qb， Qc组成移动目标在位置0的临界发射功率信号指纹示意图。
具体实施例方式
下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。 为便于理解本发明的技术方案，先将与本发明有关的几个概念简单介绍如下
无线信号的传输 在理想条件下， 一个无线发射机通过天线向外发射一定功率的射频信号，无线发 射机附近某点的射频信号强度，与该点距发射天线的距离的平方成反比，我们可以用公式 Tr = KQ/f来表示。这里Tr代表距离无线发射机R处的信号强度，Q代表无线发射机天线 端的信号强度，而K则可以简单考虑为衰减系数。在实际应用中，实际信号强度的大小与离 开信号源距离的关系，由于信号传输环境条件与理想情况有较大的差别，因而，也就不能简 单地用上面的公式来表示，但为了方便起见，人们仍然喜欢用使用上面公式的形式，来表达 这种关系，只不过式中的指数"2"，需要使用一个未知数"x"来代替，即公式改为Tr = KQ/ Rx，由于信号强度随距离的变化， 一般都是一种单调减弱的关系，因而式中"K"和"x"可以 通过简单的实际现场测量来获得。(图2) 对于一个给定的传输环境和给定的网络节点和移动目标而言，我们可以通过在现 场实际测量几组信号强度与距离的数值，求出公式中K和指数x的值，以更符合现场实际情 况。如果定位区域内环境条件变化不大，我们可以将定位区域内，在一个具有代表性传输环 境的位置处，所测得的K和x的值，用于整个定位区域。对于无线信号传输条件差别较大的 某些地方，则需要专门在这些地方进行实际测量，以得到专门适用于这些地方的计算公式。 利用我们通过现场实测所建立起来的计算公式，就可以很容易地利用前述的方法，对移动 目标进行定位了。 无线发射机的信号覆盖半径Rab : 无线接收机B能否收到另一个相隔一定距离，使用相同信道的无线发射机A所发 射的信号，既取决于无线发射机A所发射的信号到达无线接收机B处的信号强度Tb，也取决 于无线接收机B的接收灵敏度Brs。当Tb大于Brs时，B便可以收到A的信号。我们将距 离A某个位置处的信号强度，刚好等于无线接收机B的接收灵敏度Brs时的距离Rab，称作 A对应于无线接收机B的信号覆盖半径。Rab随A的发射功率的降低，或B的接收灵敏度的
6降低而减小。(图3)
定位半径Rba : 当A的位置固定，A的发射功率和B的接收灵敏度一定时，B只有当处于一个以A 为圆心，Rab为半径的一个固定范围内时，才能接收到A的信号。反之，将B的位置固定，则 只有当A进入到一个以B为圆心，Rab为半径的一个固定范围内时，B才能接收到A的信号。 信号覆盖半径与定位半径本质上是同一个东西，只不过前者以无线发射机为中心，后者以 无线接收机为中心而已。(图4)
临界发射功率 临界发射功率，是指对两个相隔一定距离的无线发射机和接收机而言，在无线接 收机能够接收到无线发射机的信号时，无线发射机必须具有的最小发射功率。必须要说明 的是在开阔地带，无线接收机离开无线发射机的距离越远，无线发射机的临界发射功率就 越大，但在存在建筑物等的复杂传输环境中，由于遮挡，反射和多径传输的原因，这种关系 则不一定总是成立。(图9)
信号指纹 在地形复杂的区域或建筑物内部，无线电信号传输对地形和传播障碍物具有依赖 性，因而呈现出非常强的接收站点特殊性。因此对于每一个接收点来说，该信道的多径结构 对每一个位置是惟一的。如果一个射频信号从某一个位置发射出来，我们在不同的接收位 置所接收到的信号强度，将不再遵从信号强度随离开信号源距离逐渐衰减的普遍规律，而 将呈现出一种对该区域特有的传输环境的依赖性。利用这种特殊性，我们可以使用在几个 接收站点测得的，来自同一个位置的信号源的一组信号强度值，组成该信号源位置的指纹 特征，来与信号源所在的位置相对应，建立起一种一一对应的关系。(图12)
建立这种一一对应关系所需的指纹特征，究竟应该由多少个接收站点的信号强度 组成，取决于实际定位的环境。例如，对煤矿井下人员定位，或对沿城市一定线路行驶的公 交车辆定位的目的， 一般选择1-2个站点就足够了 ，对其它的定位应用而言，选择三个接收 站点， 一般应该也就能建立起这种一一对应的关系了 。 如果我们预先通过现场实测，建立起移动目标在定位区域内的不同位置，与其对 应接收站点的信号强度指纹特征之间一一对应的关系，并存入数据库，我们就可以反过来， 利用在对应站点测量到的信号强度指纹特征，与数据库中的指纹特征进行比较，从而找出 对应的移动目标的位置，实现对移动目标的定位。 为了实现在复杂环境下对移动目标的定位，我们不仅可以使用在几个接收站点 处，所测量的来自同一个移动目标的信号强度组成的一组信号强度指纹，与移动目标具体 位置的对应关系；我们还可以使用在同一个移动目标位置处，所测量的来自几个网络节点 的不同信号强度组成的一组信号强度指纹特征，与移动目标具体位置的对应关系；同样的 道理，我们还可以使用对应于同一个移动目标的位置，几个网络节点不同的临界发射功率 值，所组成的一组临界发射功率指纹特征，与移动目标具体位置的对应关系，或对应于处于 不同位置的几个网络节点，移动目标的不同的临界发射功率值，所组成的一组信号指纹特 征，与移动目标具体位置的对应关系。(图13)
两个无线收发机之间的通信距离 两个无线收发机之间的通信，存在方向性的差别，网络节点发射信号，移动目标接收这个信号(上行)，与同一个移动目标发射信号，同一个网络节点接收这个信号(下行)， 是两个完全不同的通信方向，是完全不一样的两件事因为网络节点发射信号，移动目标接 收信号时的通信距离，只取决于网络节点的发射功率和移动目标的接收灵敏度，而与网络 节点的接收灵敏度和移动目标的发射功率无关，反之亦然。这如同你我两个人之间对话一 样，你的听力好，我的声音大，你可以在很远的地方听到我讲话的声音，反之，如果我的听力 差，你的声音也不大，我就只能在很近的地方才能听到你的声音。因而，前面讨论到的网络 节点处于发射，移动目标处于接收，和反过来移动目标处于发射，网络节点处于接收是两个 完全不同的状态，它们所涉及到的信号强度，临界发射功率当然也就不一样。除非两者之间 的发射功率和接收灵敏度都没有差别。
定位系统 定位系统是由网络节点，移动目标以及控制中心的计算机系统所组成。对于给定 发射功率的移动目标，网络节点的定位半径，只与网络节点的接收灵敏度，和移动目标的发 射功率有关；同样，网络节点的信号覆盖半径，只与网络节点的发射功率，和移动目标的接 收灵敏度有关。因而，我们可通过调整移动目标的发射功率，或改变网络节点的接收灵敏 度，来改变网络节点定位半径的大小；我们也可通过调整网络节点的发射功率，或改变移动 目标的接收灵敏度，来改变网络节点信号覆盖半径的大小。 移动目标能否收到网络节点的呼叫信号，取决于移动目标是否处于网络节点的信 号覆盖半径内；而网络节点要能收到移动目标发回来的呼叫返还信号，则移动目标首先要 能接收到网络节点发出的呼叫信号。因而，对于给定的移动目标而言，这既取决于网络节点 的信号覆盖半径的大小，也取决于网络节点的定位半径的大小，这就是说，只有移动目标与 网络节点之间的距离，比这两个半径中的任意一个都要小时，网络节点才可能收到移动目 标发回来的呼叫回应信号。 这样，当移动目标处于网络节点定位半径内，我们通过改变网络节点的发射功率， 来改变网络节点的信号覆盖半径时，从网络节点能否接收到呼叫回应信号情况的变化，可 以找出发生这个变化时的临界发射功率，以及对应的信号覆盖半径，这个信号覆盖半径就 是移动目标与对应的网络节点的距离。 在定位范围内的某些局部地区，环境条件可能比较复杂，此时，通过增加网络节点 的密度，縮小网络节点的定位半径，或信号覆盖半径的方法，或采用信号指纹定位法都可以 达到提高定位精度的目的。 这里需要注意的是，影响无线通信距离的，除了信号源的发射功率和无线接收机 的接收灵敏度以外，信号源与无线接收机的高度位置也有很大的影响。因而，在定位系统 中，应注意移动目标和网络节点的高度位置，应尽可能地保持一致。
无线微功率通信网络 我们这里所说的无线微功率通信网络，是包括Zigbee网络在内的所有无线微功 率通信网络。即这种网络的网络节点和移动目标的发射功率，原则上都符合国家所规定的 微功率收发机的范围，只在个别情况下，根据网络通信的实际需要，可将网络节点的发射功 率适当加以提高；其次，这种网络中网络节点的联结方式可以是有线的，例如大多数移动通 信网基站的联结方式，也可是无线的，例如Zigbee网络的联结方式。它们具有一般通信网 络所具有的，可在网络内传递信息的功能，它们可有不同的信息传输方式和协议。需要说明的是，我们这里所描述的定位方法，它也适用于一般的无线通信网络系统，例如现有的移动
通信网络，只不过将它用于无线微功率网络时更加方便简单而已。 Zigbee网络 Zigbee是一种新的无线网络通信标准，主要是为工业和家庭自动化为目的而制定 的。特点是低成本，低功耗，低数据量和高集成度。它本身是一个信息传输网络，要将它用 作为一个定位网络，我们只需以Zigbee网络系统中的主节点FFD(全功能装置)作为定位 系统中的网络节点，网络子节点RFD(简化功能装置)作为移动终端；同时，我们还需要根据 实际定位的需要，调整主节点和子节点的发射功率，必要时包括接收灵敏度，以使网络节点 的通信范围，和定位精度都能满足实际应用的需要。使用Zigbee网络作为定位系统，一般 情况下，要求作为网络节点的FFD具有固定的位置。
移动目标 是指由被定位对象(它可以是人员，车辆或其它能够移动的物体)所携带的微功 率收发机。 本发明的系统结构及其定位方法 本发明的系统结构如图l所示。移动目标M发射的，包含有移动目标M身份信息 的定位信号，被某个或某些网络节点收到，这个或这些网络节点，再将本身的地址信息，以 及所接受到的移动目标的身份码信息，信号强度信息或发射功率大小等信息(如果需要的 话)，传送到控制中心，控制中心根据这些信息以及预先通过现场实测得到的，储存在控制 中心计算机中的其它相关资料，以这个网络节点的位置，或这些网络节点位置的几何中心， 或通过前述的定位方法计算出的位置，作为移动目标的位置，从而完成对移动目标的定位。
网络节点与网络节点之间，以及网络节点与控制中心之间的通信，可以采用有线
通信，也可以采用无线通信。
实施例 首先确定需要定位的区域，定位精度和需要采用的定位方法，再根据定位方法和 定位精度要求，建立无线微功率通信网络(也可利用已有的无线通信网络)，对整个定位区 域进行信号覆盖，整个网络的拓扑结构可以是多样的，星状，树状，网状等。在特殊情况下， 也可采用间隔式的站点覆盖，例如公交车辆运行的固定线路、煤矿井下坑道中人员定位点， 高速公路上的监控站点等。每一个网络节点应建立相应的位置标识，网络节点的布置应与 具体采用的定位方法相一致。 对处于网络中的所有需要定位的移动目标进行标识，并安装无线微功率收发机，
一般情况下，用于移动目标的所有无线微功率收发机的设置应该完全一致。 在使用需要信号强度来定位的方法时，定位网络节点或移动目标还应具备有，接
收信号强度指示的功能(RSSI)。 在需要使用临界发射功率的方法来进行定位时，移动目标或网络节点，应具有发 射功率大小控制分级的功能。 我们下面分别就前述四种定位方法进行具体的描述 1.在对系统简单，精度要求不高的情况下，可以使用几何中心定位法，来确定移动 目标的位置 首先建立网络节点与移动目标的通信联系
当移动目标M发射的定位信号仅被某一网络节点A收到时，意味着M处于以A为 圆心，半径为3= (KQ/Tr)"x的范围内，如图5所示。此时，该网络节点A的位置，就是移动 目标M的位置。可以看出，移动目标M的发射功率越小、或网络节点A的接收灵敏度越低， 则这个半径a越小，移动目标M的实际位置就越接近网络节点A，定位精度也就越高。这种 情况同样适合以接收到定位信号最强的网络节点，作为移动目标位置的定位方法。
图6示出了 2个节点定位的情况。图中节点A和B同时收到了移动目标M的定位 信号，或者节点A、 B上的定位信号强度大于其它节点上的定位信号强度。这时我们以节点 A、 B的几何中心——节点A、 B连线的中点作为移动目标M位置。 图7是3个节点定位的情况，图中节点A、 B、 C同时都收到了移动目标M的定位信 号，或者节点A、B、C上的定位信号强度大于其他节点上的定位信号强度。这时我们以节点 A、 B、 C的几何中心——即A ABC三条中线的交点作为移动目标M的位置。
利用这个方法，我们可以很容易地利用现有的移动通信网络，来确定移动终端自 身的位置，我们只要在现有的移动通信网中增加一个功能，即当移动用户需要知道自身的 大概位置时，通过手机位置按键，向对应的移动通信系统发出提供位置信息请求时，附近的 基站将通过短信，回应一个该基站的具体位置信息，(例如，"你现在的位置是xx区，xx标 志性建筑物附近等，.....)则手机用户就可以将这个位置当作自己的位置，如果附近有几 个基站可以与之通信，我们就可以得到附近几个基站的位置信息，利用上面我们所讲的定 位方法，手机用户就可以比较清楚地知道自己的位置了。由于一般小灵通基站之间的距离 比较近，因而，这种方法对于小灵通系统而言，所得到的位置信息应该有一定的实用价值。
2.在传输环境相对简单的定位区域，当我们对移动目标的定位精度有更高的要求 时，我们可以使用信号强度法或搜寻法使用这个方法时，需要预先通过现场简单实测，建 立起定位区域内，信号强度与离开信号源距离的关系，或临界发射功率与接收距离的关系， 或找出前述计算公式中K和x的值。在实际应用中，除个别射频信号传输环境比较特殊的 网络节点外，我们可以将一个具有代表性网络节点的实测结果，用于定位区域内的其它网 络节点。利用这个实测结果关系，控制中心便可以利用前述的信号强度法，或搜寻法来计算 移动目标与网络节点之间的距离了 。 信号强度法根据某一个网络节点所接收到的来自移动目标的信号强度，或移动 目标所接收到的来自该网络节点的信号强度，利用预先经过现场实测建立起来的，接收信 号强度与到对应的信号源距离的关系，就可以计算出该网络节点与对应的移动目标之间的 实际距离。采用同样的方式，我们可以分别计算出同一个移动目标到不同网络节点之间的 距离，再利用这些网络节点本身的位置坐标，计算出移动目标的位置坐标。(图8)
搜寻法，这种方法又分两种情况 1)通过改变网络节点的发射功率来定位某个移动目标处于定位区域内的某个 位置，在该移动目标的周围，存在n个网络节点(图10)，这n个网络节点都能接收到移动目 标发来的信号，当网络呼叫该移动目标时，只要该移动目标能够接收到来自网络节点的呼 叫信号，这n个网络节点一定能接收到该移动目标的回应信号。它们与移动目标的距离分 别为，Ll， < L2， < L3， . . . < Ln(第n网络节点与移动目标的距离Ln最远)。假定这些网 络节点使用相同的某个发射功率呼叫移动目标时，移动目标都可以接收到来自所有这n个 网络节点的呼叫信号，但随着这这个呼叫发射功率的逐步降低，移动目标所接收到来自这n个网络节点的呼叫信号将变得越来越弱，当网络节点的发射功率刚刚低于Pn时，移动目标 将首先接收不到来自第n个网络节点的呼叫信号，第n个网络节点自然也就收不到来自移 动目标的回应信号。此时，Pn就是第n个网络节点对应于该移动目标的临界发射功率，Ln 就是网络节点使用Pn发射功率时，移动目标能够接收到第n个节点信号时的最远距离，它 也是第n个网络节点在发射功率为Pn时，对应于该移动目标的信号覆盖半径。利用预先经 过现场实测建立起来的，网络节点的临界发射功率与到移动目标距离的关系，我们很容易 计算得出移动目标到该网络节点的实际距离。 随着网络节点发射功率进一步的降低，移动目标将逐次收不到来自第n-l， n-2， . . . . 3， 2， 1个网络节点的信号，同样这些网络节点，也就逐次接收不到移动目标的回 应信号。这样，我们将依次得到对应的第n， n-l， ..... 3， 2， 1个网络节点的临界发射功率，
Pn-l，.....P3， P2， Pl，和计算出移动目标到相应网络节点的距离。同样，当网络节点从最
小的发射功率开始，逐步增大时，我们可以得到相同的结果，只不过此时，整个过程的方向 完全相反而已，即这些网络节点，将从离开移动目标最近的网络节点开始，逐次开始接收到 移动目标发来的回应信号。在实际定位时，我们往往只需要确定移动目标到最近的l-3个 网络节点的距离，就足以满足实际定位的要求了，例如城市公交线路上的公交车辆定位，和 煤矿井下坑道中的人员定位等。 2)通过改变移动目标的发射功率来定位某个移动目标处于定位区域内的某 个位置，在该移动目标的周围，有m个网络节点(图ll)，与它的距离分别为，H1，<H2， <H3，... 〈Hm(第m个网络节点与移动目标的距离Hm最远。当移动目标采用最大功率发 射时，这m个网络节点都能收到移动目标的发来的信号。假如我们将移动目标的发射功率 从大到小逐次降低，这m个网络节点所接收到来自移动目标的信号将变得越来越弱。当移 动目标的发射功率刚刚小于Qm时，离开移动目标最远的第m个网络节点将首先接收不到来 自该移动目标的信号。此时，Qm就是该移动目标对应于第m个网络节点的临界发射功率， Hm就是移动目标在发射功率为Qm时，第m个网络节点能够接收到该移动目标信号的最远距 离，也是移动目标在发射功率为Qm时，对应于第m个网络节点的信号覆盖半径。利用预先 经过现场实测建立起来的，移动目标的临界发射功率与到对应的网络节点距离的关系，我 们很容易计算得出移动目标到该网络节点的实际距离。 随着移动目标发射功率进一步的降低，网络节点将从远到近逐个收不到来自移动 目标的信号，这样，我们将依次得到对应于不同网络节点Hm-l，……H3， H2， HI的临界发射
功率Qm-l，.....Q3， Q2， Ql，和计算出移动目标到相应网络节点的距离。同样，当我们从最
小的发射功率开始，逐步增大发射功率时，我们可以得到相同的结果，只不过此时，整个过 程方向完全相反而已，即这些网络节点，将从离开移动目标最近的网络节点开始，逐次开始 接收到移动目标发来的信号。和前面所讨论的一样，在实际定位时，我们往往只需要确定离 移动目标最近的，l-3个网络节点到移动目标的距离，就足以满足实际定位的需要了。
这里还有一种应用情况，在这种情况下，我们仅仅需要让移动目标自己知道自身 所处的位置就行了。此时，我们可以通过改变移动目标的发射功率，向周围的网络节点发出 呼叫信号，并要求网络节点给以回应。例如，处于无线通信网络(小灵通，WLAN， Zigbee等 网络)信号覆盖范围内的移动通信终端，向周围的基站发出呼叫信号，并请求给以回应。此 时，如果，移动目标自身要能接收到网络节点的回应信号，则网络节点首先必须要接收到移动目标的呼叫信号，因而，通过从大到小或从小到大地改变移动目标的发射功率，我们可以 很容易的得到，对应于不同网络节点的移动目标的临界发射功率，再利用这些网络节点的 实际位置，从而得到移动目标与网络节点之间的实际距离(无线通信网络基站和移动终端 的距离)。在实际定位时，我们往往只需要知道1-3个网络节点到移动目标的距离，就足以 满足实际定位的需要了。显然，离移动目标最近的l-3个网络节点，无疑是最好的选择。如 果我们可以在以上各种无线通信网络的基站中，增加专门用于定位的，回应移动终端呼叫 等相关的功能，我们就可以很容易实现利用以上各种无线通信网络，来确定移动终端自身 位置的目的。 3.在定位区域环境十分复杂，而定位精度要求又很高的应用场合，我们可以采用 信号指纹定位法信号指纹定位法包括信号强度指纹定位法，和临界发射功率指纹定位法， 信号指纹定位法并不依赖于接收信号强度，与信号源的发射功率，或接收距离之间的普遍 规律，例如前述的计算公式，而是依赖于该定位区域内，处在某个具体位置的信号源的发射 功率，与区域内不同位置处的信号强度之间所存在的，完全依赖于该区域内特定环境条件 的特殊关系。 具体做法是建立网络节点与移动目标的通信联系，在需要定位的区域内，对于移 动目标在定位区域内的每一个位置，通过在与移动目标相邻的多个网络节点上，同时测量 一组信号强度值，或与该位置对应的一组临界发射功率值，或对应于这些不同网络节点，该 移动目标的一组临界发射功率值，建立起移动目标在定位区域内每一个具体位置，与所采 用的不同信号指纹定位方法相应的，信号指纹特征数据库。 信号强度指纹定位法建立网络节点与移动目标的通信联系，利用在J个网络节 点上，同时接收到来自同一个移动目标的不同的信号强度，共同形成的信号强度指纹特征， 和数据库中预先储存的不同信号强度指纹特征，与移动目标的不同具体位置的一一对应关 系，来确定移动目标的位置，其中1。 临界发射功率指纹定位法建立网络节点与移动目标的通信联系，利用在Q个网 络节点上测得的，对应于移动目标某个具体位置的一组临界发射功率值(或移动目标相对 于这Q个网络节点的一组临界发射功率值)，共同形成的临界发射功率指纹特征，和数据库 中预先储存的不同临界发射功率指纹特征，与移动目标不同具体位置的一一对应关系，来 确定移动目标的具体位置，其中Q^ 1。
本发明定位系统的组成和各部分功能 本发明定位系统，由具有固定标识位置的无线微功率收发机构成的网络节点，安 装有无线微功率收发机的移动目标，控制中心计算机，以及网络管理软件组成。网络节点与 移动目标之间，可以进行无线通信。例如，移动目标可以向网络节点发射带有自身标识码的 定位信号，也可接收来自网络节点的其它信号；网络节点和移动目标，可以是只具有单一发 射功能的无线微功率发射机，或只具有单一接收功能的无线微功率接收机，它们可以具有 接收信号强度显示功能，或发射功率控制功能，具体的功能要求，取决于所采用的具体定位 方法。 所述网络节点都通过有线或无线的通信方式与控制中心计算机相联接。网络节点 在定位系统中既是一个位置参照点，也是一个网络通信的中继站点。 所述网络管理软件，用于管理移动目标与网络节点之间，网络节点与网络节点之间，以及它们与控制中心计算机之间的信息传输； 所述控制中心计算机用于运行网络管理软件，和相关定位信号的处理。 本发明的定位系统可同时具有对移动目标定位，和将移动目标位置信息，和其它
控制管理信息在整个微功率通信网络上进行传输的功能。 本定位系统的优越性和社会经济效益 本发明结构简单，技术成熟，经济实用。构成本系统网络节点的市场售价不超过 600元，移动目标的市场售价不超过人民币100元，(而现有一个移动通信基站的造价一般 都在百万元左右)；网络节点和移动目标的发射功率可从0.01毫瓦，到IOO毫瓦或更大，定 位精度可从几米到几百米。 由于网络节点成本低廉，本定位系统网络节点间距可以做得很密，甚至可以做到 每个房间一个节点，这样，就将现有移动通信网络必须要面对的，大覆盖范围内的复杂不均 匀信号传输环境，变为小覆盖范围内相对简单均匀的环境，同时大大提高了定位精度。
本定位系统模块集成度高，工作可靠，体积小，耗电量小，安装灵活，维护方便。另 外，它还可以直接嵌入到设备系统中，因而使用十分方便。 本定位系统，将现有GPS定位监控系统所包括的定位部分(GPS)，和信号传输部分 (现有移动通信网络)两者合而为一，从而大大降低了定位系统建设成本和运营成本。因而 本发明能以极低的成本，有效地解决城市以及其它诸多领域中，许多急待解决的实际定位 问题(例如公交车辆定位，煤矿井下人员定位等)。
应用实例说明 我们以城市中一条公交线路的智能化为例来加以说明 在整个公交线路沿线的每一个十字路口中央的红绿灯杆上，或其它电杆上，以及 公交线路的终点站，设置一个具有远距离(1500米左右)无线通信能力的网络节点(固定 位置网络节点)，在保证相邻两个网络节点之间的距离不大于600-800米的前提下，对于那 些公交线路不拐弯，同时彼此相距又太近十字路口，可以不设置网络节点。同时，在每一辆 公交车上，也安装一个同样的无线微功率收发机(移动目标)，在每一个公交车站上，安装 一个近距离(30米左右)站台通信模块，站台通信模块通过有线的方式，与站台显示设备相 联接，通过无线的方式与移动目标，以及固定位置网络节点相连。固定网络节点之间可以通 过有线或无线的方式进行通信，使用无线方式时，可以使用Zigbee网络通信管理软件进行 管理。这里需要说明的是由于站台近距离通信模块，与网络节点之间的差别，主要是发射 功率的差别，因而，站台通信模块可以收到来自远处的网络节点，或移动目标(公交车)发 来的信号，而移动目标只有在离开车站30米距离以内，才可以收到站台通信模块发来的信 号。 当公交车停靠某个公交站台时，移动目标将收到该站台通信模块发来的该站台的 编码信号，并记录停靠该站台的时间，并通过安装在十字路口的固定位置网络节点，将这些 信息，必要时包括上下车人数的信息，传往控制中心，以及前方站台。当公交车行驶在两个 设置了网络节点的十字路口之间时，这两个网络节点将接收到来自公交车的信号，以及对 应的信号强度指示，利用事先在现场测试得到的，公交车位置与这两个网络节点所接收到 的信号强度的关系，我们可以很容易得到公交车在这两个十字路口之间的具体位置，然后 通过网络传给车辆即将到达的前方各车站。
现场实测效验为了避免可能出现的差错，在正式起用定位系统前，还需要实际驾 驶车辆，沿公交车辆的实际运行线路，进行实际位置与信号强度，或临界发射功率关系的测 系统的优化，在实际网络的布置中，在保证传输网络通信可靠，定位系统简单准确 的情况下，根据具体环境条件，完全可以对网络节点的数量进行增减，位置进行调整，以达 到最佳效果。 本案例中，无线发射机使用的频段为2.4Ghz的免费频段，采用直序扩频通信方 式，全向发射天线。 经济成本核算假如这条线路上有20辆公交车，双向50个车站，连同线路网络节 点在内，一共需要100个左右的无线微功率收发机。加上计算机系统，软件等，整个定位系 统的成本不超过20万元。相比现有用于智能公交的GPS定位系统，本定位系统在实际应用 上，更加可靠和切实可行；在经济上，不仅大大降低了系统的硬件和安装成本，而且，由于不 需要使用现有移动通信网络，因而避免了现有GPS定位系统每月要交纳的网络使用费。
权利要求
一种无线微功率网络定位方法，用于无线微功率网络定位系统，其特征在于，所述方法包括如下步骤a.建立网络节点与移动目标的通信联系；b.通过现场实测，建立定位区域内，对应于Q个网络节点的，移动目标的Q个临界发射功率值所组成的不同指纹特征，与移动目标在定位区域内不同位置的一一对应关系；c.通过改变移动目标的发射功率，找出对应于这Q个网络节点的，移动目标不同临界发射功率值共同组成的指纹特征，再根据数据库中预先通过现场实测储存的，对应于这Q个网络节点，移动目标的临界发射功率指纹特征，与移动目标在定位区域内不同位置的一一对应关系，来确定移动目标的位置，此时Q≥1。
2. 根据权利要求1所述的无线微功率网络定位方法，其特征在于，所述无线微功率网 络定位系统包括具有固定位置的无线微功率收发机组成的网络节点，与所述网络节点相连 的控制中心计算机系统，安装有无线微功率收发机的移动目标，所述网络节点与移动目标 之间通过无线通信方式连接，所述网络节点与控制中心计算机系统之间，通过无线或有线 通信的方式进行连接；所述控制中心计算机系统存储有网络节点的地址，移动目标的身份 码识别信息，以及与移动目标定位有关的其它信息和网络管理软件；所述无线微功率收发 机是由具有单一接收，或单一发射功能，或接收和发射功能同时兼备的高度集成的单芯片 收发机构成；所述网络既是一个定位网络，又是一个信息传输网络，移动目标通过这个网络 就可以直接与控制中心计算机系统进行通信。
3. 根据权利要求2所述的无线微功率网络定位方法，其特征在于，所述无线微功率网 络定位系统中所有无线微功率收发机的发射功率，在国际通用的2. 4G ISM免费频段上，不 大于lOOmW，在其他频段上，除满足国家对相关频段上的功率使用限制，不超过1W。
4. 根据权利要求2或3所述的无线微功率网络定位方法，其特征在于，所述无线微功率 收发机所使用的频率，是国际通用的2.4G ISM免费频段，并采用了直序扩频通信技术。
全文摘要
本发明涉及定位技术，特别涉及无线微功率网络定位技术及其定位方法。本发明解决了现有定位系统结构复杂，投资大，运营费用高，不能在城市等复杂环境条件下，满足许多实际应用需要的缺点，公开了一种无线微功率网络定位技术及其定位方法。本发明以网络节点的位置为参考，根据定位区域内信号源，接收机，发射功率和信号强度之间的普遍关系，和依赖于环境特征的特定关系，来确定移动目标的位置。本发明结构简单，成本低，技术成熟，不需要复杂的测量和计算，也可不需要电子地图，就能满足实际定位需要；本系统既是一个定位网络，又是一个可传输位置信息和控制信息的通信网络，不仅简化了结构，方便了使用，而且大大降低了运营成本。
文档编号H04W24/08GK101795467SQ200910259930
公开日2010年8月4日 申请日期2006年11月2日 优先权日2006年11月2日
发明者孙长征, 廖应成 申请人:西安西谷微功率数据技术有限责任公司