专利名称：无线信号源定位方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线测量和位置定位技术领域，特别涉及一种无线信号源定位方法及系统。
背景技术：
无线信号源定位是指根据传感器测得的信号估计出某一时刻信号源所处的空间位置。无线信号源定位方法通过测量物理参量并根据测量获得的物理参量计算出距离信息，其精确度在一定程度上依赖于测量物理参量的精确度。传统的无线信号源定位方法中，通常选取传感器接收信号的信号强度、接收角度、 信号到达时间(Time of Arrival，T0A)和信号到达时间差(Time Delay of Arrival,TDOA) 作为测量的物理参量。其中，利用TDOA作为物理参量的定位方法是指利用多个传感器接收到的信号的到达时间差对信号源的位置进行估计。传统技术中，利用TDOA作为物理参量的无线信号源定位方法是采用4个传感器实现的。传统的无线信号源定位方法不能完全实现三维空间定位，通常会计算出多个位置，唯一性不能保证，从而使得信号源的定位不准确。
发明内容基于此，有必要提供一种能提高定位的准确性的无线信号源定位方法。一种无线信号源定位方法，包括以下步骤设置至少5个传感器，所述至少5个传感器不在同一平面内；根据所述至少5个传感器接收到信号的时间差定位信号源的位置。优选的，所述传感器为5个；所述5个传感器中，第一、第二和第三传感器的连线构成三角形，第四传感器位于所述三角形任意一条边与所述边的高线的交点位置，第五传感器位于经过所述第四传感器且与所述三角形平面垂直的连线上。优选的，所述第四传感器到其他四个传感器的距离相等。优选的，所述根据所述传感器接收到信号的时间差定位信号源的位置的步骤之前还包括获取所述信号的传播速度。优选的，根据所述至少5个传感器接收到信号的时间差定位信号源的位置的步骤具体为选取第一传感器组和第二传感器组，所述第一传感器组由任意至少4个传感器组成；所述第二传感器组由至少4个传感器组成，所述第二传感器组至少包括一个不属于第一传感器组的传感器，且构成第一传感器组和第二传感器组的传感器不在同一平面上；根据所述信号的传播速度和所述第一传感器组接收到信号的时间差，通过联立方程组获取表示信号源位置的第一近似解；根据所述信号的传播速度和所述第二传感器组接收到信号的时间差，通过联立方程组获取表示信号源位置的第二近似解；根据所述第一近似解和第二近似解定位信号源的位置。优选的，所述根据所述第一近似解和第二近似解定位信号源的位置的步骤具体为将所述第一近似解中的位置坐标与第二近似解中的位置坐标配对，得到最接近或重合的一组位置坐标，通过计算所述最接近或重合的一组位置坐标的平均值定位信号源。优选的，所述通过计算所述位置坐标的平均值定位信号源之前还包括去除所述最接近或重合的一组位置坐标中误差超过阈值的位置坐标。优选的，所述传感器接收到的信号包括红外信号、无线电波信号、射频信号、可闻声信号和超声波信号此外，还有必要提供一种能提高定位的准确性的无线信号源定位系统。一种无线信号源定位系统，包括定位模块和至少5个传感器，所述至少5个传感器不在同一平面内；所述定位模块用于根据所述至少5个传感器接收到的信号的时间差定位信号源的位置。优选的，所述传感器为5个；所述5个传感器中，第一、第二和第三传感器的连线构成三角形，第四传感器位于所述三角形任意一条边与所述边的高线的交点位置，第五传感器位于经过所述第四传感器且与所述三角形平面垂直的连线上。优选的，所述第四传感器到其他四个传感器的距离相等。优选的，所述定位模块还用于获取所述信号的传播速度。优选的，所述定位模块还用于选取第一传感器组和第二传感器组，所述第一传感器组由任意至少4个传感器组成；所述第二传感器组由至少4个传感器组成，且所述第二传感器组至少包括一个不属于第一传感器组的传感器，且构成第一传感器组和第二传感器组的传感器不在同一平面上；所述定位模块还用于根据所述信号的传播速度和所述第一传感器组接收到信号的时间差，通过联立方程组获取表示信号源位置的第一近似解；所述定位模块还用于根据所述信号的传播速度和所述第二传感器组接收到信号的时间差，通过联立方程组获取表示信号源位置的第二近似解；所述定位模块还用于根据所述第一近似解和第二近似解定位信号源。优选的，所述定位模块还用于将所述第一近似解中的位置坐标与第二近似解中的位置坐标配对，得到最接近或重合的一组位置坐标，通过计算所述最接近或重合的一组位置坐标的平均值定位信号源。优选的，所述定位模块还用于去除所述位置最接近或重合的一组位置坐标中误差超过阈值的位置坐标。优选的，所述传感器接收到的信号包括红外信号、无线电波信号、射频信号、可闻声信号和超声波信号。上述无线信号源定位方法和系统，利用了信号到达至少5个的传感器的时间差来定位信号源的位置，由于该至少5个传感器不在同一平面内，因此实现了完全的三维空间定位，从而使得计算出的信号源的位置具有唯一性，进而提高了定位的准确性。
图1为一个实施例中无线信号源定位方法的流程图；图2为一个实施例中7个传感器设置的位置的空间拓扑结构图；图3为一个实施例中4个传感器设置的位置的空间拓扑结构图；图4为图3中传感器组的误差分布图；图5为一个实施例中4个传感器设置的位置的空间拓扑结构图；图6为图5中传感器组的误差分布图；图7为一个实施例中5个传感器设置的位置的空间拓扑结构图；图8为一个实施例中无线信号源定位系统的结构示意图。
具体实施方式在一个实施例中，如图1所示，一种无线信号源定位方法，包括以下步骤步骤S102，设置至少5个传感器，该至少5个传感器不在同一平面内。在一个实施例中，如图2所示，传感器的数量为7个，安装于支架(图中未标示) 上，且5个传感器不在同一平面上，其中S为信号源。7个传感器分别为，第一传感器10、第二传感器20、第三传感器30、第四传感器40、第五传感器50、第六传感器60和第七传感器 70。选择第一传感器10作为基准传感器，建立坐标系，则第一传感器10为坐标系的原点，坐标为(0，0，0)。第二传感器至第七传感器的坐标依次为(X2，y2，Z2),…(x7，y7, z7)。 其中，第一传感器10与第二传感器20、第三传感器30和第四传感器40在空间上构成三角锥形的第一传感器组A，第一传感器10与第五传感器50、第六传感器60和第七传感器70 在空间上构成三角锥形的第二传感器B。由于第一传感器10至第七传感器70仅仅为编号不同，均为用于接收信号并记录接收到信号的时间的传感器，因此，坐标系的建立可以是以任意传感器作为原点，也可以以任意方向作为坐标轴方向，不影响定位结果，只需要至少5个传感器不在同一平面上即可。步骤S104，根据至少5个传感器接收到信号的时间差定位信号源的位置。本实施例中，根据至少5个传感器接收到信号的时间差定位信号源的位置之前还要先获取信号的传播速度。传感器接收到的信号包括红外信号、无线电波信号、射频信号、 可闻声信号和超声波信号。这些信号在介质中的传播速度是固定值，可通过预先测量获得。 在获取信号的传播速度时，先获取接收到信号的类型，然后再根据信号的类型获取预先测量得到的该类信号在介质中的传播速度。在获取了信号的传播速度之后，先选取第一传感器组和第二传感器组，第一传感器组由任意至少4个传感器组成；第二传感器组由至少4个传感器组成，且第二传感器组至少包括一个不属于第一传感器组的传感器。且构成第一传感器组和第二传感器组中的传感器不在同一平面上。本实施例中，选取的第一传感器组和第二传感器组为前述的第一传感器组A和第二传感器组B。选取了第一传感器组和第二传感器组后，再获取第一传感器组和第二传感器组中各个传感器的三维坐标。然后先根据信号的传播速度和第一传感器组接收到信号的时间差，通过联立方程组获取表示信号源位置的第一近似解。
例如，若信号的传播速度为c，信号到达第一传感器10、第二传感器20、第三传感器30和第四传感器40的时间为、、t2、t3和t4，则第二传感器20、第三传感器30和第四传感器40到第一传感器10时间差分别为t12、t13、t14。则第一传感器10到第二传感器20、第三传感器30和第四传感器40的距离d12、d13 和d14分别为d12 = c X t12 ；d13 = CXt13 ；d14 = CXt14 ；然后，可以根据信号源S到传感器的距离差联立三元二次方程组 ^x2 + y2 + ζ2 -,J(x-X2)2 +(y-y2)2 +(z-Z2)2 = dn
权利要求
1.一种无线信号源定位方法，包括以下步骤设置至少5个传感器，所述至少5个传感器不在同一平面内；根据所述至少5个传感器接收到信号的时间差定位信号源的位置。
2.根据权利要求1所述的无线信号源定位方法，其特征在于，所述根据所述传感器接收到信号的时间差定位信号源的位置的步骤之前还包括 获取所述信号的传播速度。
3.根据权利要求2所述的无线信号源定位方法，其特征在于，根据所述至少5个传感器接收到信号的时间差定位信号源的位置的步骤具体为选取第一传感器组和第二传感器组，所述第一传感器组由任意至少4个传感器组成； 所述第二传感器组由至少4个传感器组成，所述第二传感器组至少包括一个不属于第一传感器组的传感器，且构成第一传感器组和第二传感器组的传感器不在同一平面上；根据所述信号的传播速度和所述第一传感器组接收到信号的时间差，通过联立方程组获取表示信号源位置的第一近似解；根据所述信号的传播速度和所述第二传感器组接收到信号的时间差，通过联立方程组获取表示信号源位置的第二近似解；根据所述第一近似解和第二近似解定位信号源的位置。
4.根据权利要求3所述的无线信号源定位方法，其特征在于，所述根据所述第一近似解和第二近似解定位信号源的位置的步骤具体为 将所述第一近似解中的位置坐标与第二近似解中的位置坐标配对，得到最接近或重合的一组位置坐标，通过计算所述最接近或重合的一组位置坐标的平均值定位信号源。
5.根据权利要求4所述的无线信号源定位方法，其特征在于，所述通过计算所述位置坐标的平均值定位信号源之前还包括去除所述最接近或重合的一组位置坐标中误差超过阈值的位置坐标。
6.根据权利要求1所述的无线信号源定位方法，其特征在于，所述传感器为5个；所述 5个传感器中，第一、第二和第三传感器的连线构成三角形，第四传感器位于所述三角形任意一条边与所述边的高线的交点位置，第五传感器位于经过所述第四传感器且与所述三角形平面垂直的连线上。
7.根据权利要求6所述的无线信号源定位方法，其特征在于，所述第四传感器到其他四个传感器的距离相等。
8.根据权利要求1所述的无线信号源定位方法，其特征在于，所述传感器接收到的信号包括红外信号、无线电波信号、射频信号、可闻声信号和超声波信号。
9.一种无线信号源定位系统，其特征在于，所述系统包括定位模块和至少5个传感器， 所述至少5个传感器不在同一平面内；所述定位模块用于根据所述至少5个传感器接收到的信号的时间差定位信号源的位置。
10.根据权利要求9所述的无线信号源定位系统，其特征在于，所述定位模块还用于获取所述信号的传播速度。
11.根据权利要求10所述的无线信号源定位系统，其特征在于，所述定位模块还用于选取第一传感器组和第二传感器组，所述第一传感器组由任意至少4个传感器组成；所述第二传感器组由至少4个传感器组成，且所述第二传感器组至少包括一个不属于第一传感器组的传感器，且构成第一传感器组和第二传感器组的传感器不在同一平面上；所述定位模块还用于根据所述信号的传播速度和所述第一传感器组接收到信号的时间差，通过联立方程组获取表示信号源位置的第一近似解；所述定位模块还用于根据所述信号的传播速度和所述第二传感器组接收到信号的时间差，通过联立方程组获取表示信号源位置的第二近似解；所述定位模块还用于根据所述第一近似解和第二近似解定位信号源。
12.根据权利要求11所述的无线信号源定位系统，其特征在于，所述定位模块还用于将所述第一近似解中的位置坐标与第二近似解中的位置坐标配对，得到最接近或重合的一组位置坐标，通过计算所述最接近或重合的一组位置坐标的平均值定位信号源。
13.根据权利要求12所述的无线信号源定位系统，其特征在于，所述定位模块还用于去除所述位置最接近或重合的一组位置坐标中误差超过阈值的位置坐标。
14.根据权利要求9所述的无线信号源定位系统，其特征在于，所述传感器为5个；所述5个传感器中，第一、第二和第三传感器的连线构成三角形，第四传感器位于所述三角形任意一条边与所述边的高线的交点位置，第五传感器位于经过所述第四传感器且与所述三角形平面垂直的连线上。
15.根据权利要求14所述的无线信号源定位系统，其特征在于，所述第四传感器到其他四个传感器的距离相等。
16.根据权利要求9所述的无线信号源定位系统，其特征在于，所述传感器接收到的信号包括红外信号、无线电波信号、射频信号、可闻声信号和超声波信号。
全文摘要
一种无线信号源定位方法，包括以下步骤设置至少5个传感器，所述至少5个传感器不在同一平面内；根据所述传感器接收到信号的时间差定位信号源的位置。上述无线信号源定位方法实现了三维空间定位，从而使得定位结果更加准确。
文档编号H04W64/00GK102413563SQ201110352528
公开日2012年4月11日 申请日期2011年11月9日 优先权日2011年11月9日
发明者刘营, 吴新宇, 徐扬生, 李晓云, 熊国刚, 苏士娟 申请人:中国科学院深圳先进技术研究院