本发明属于定位领域，尤其涉及一种高精度无线室内定位方法及系统。
背景技术：
室外的定位系统主要代表为全球定位(globalpositionsystem，gps)系统以及北斗定位系统。但室内定位由于各种技术限制，还没有成熟的应用方案。其中，由于使用的无线电频率的原因，gps和北斗系统在室内接收不到相关的信号，其在室内定位概率为0。而且各种短距离无线通信技术如红外线、蓝牙、wifi、移动通信基站(2g、3g、4g)等，其室内定位精度高于gps，但其覆盖的范围很小。例如，蓝牙通过ibeacon方式发布的定位信息最大只能达到30m，平均定位信息的覆盖范围在10m以内。因此，如果利用蓝牙方式在室内定位的话，则需要部署成千上万相关的蓝牙基站。而wifi虽然有大约在小于50m的范围内的定位距离，但是使用普通接收信号强度(rssi)方式，定位精度较差，而如果使用wifirssi构建wifi指纹方式，虽然提高了精度但是如果wifi环境发生变化，则需要重新构建地图，无法大规模使用。而使用例如gsm、cdma、3g和4g的无线通信网网络，则可以基于通信基站的定位系统应用于室内。但是无线通信网网络的定位精度在200到300米以内。所以迄今为止，现有技术中并未有可大规模使用的定位距离小于1m的室内定位技术。
技术实现要素：
为解决现有技术存在的室内无法精确定位、定位精度低、定位范围小的缺陷，本发明提供了一种高精度无线室内定位方法。
本发明的技术方案为：一种高精度无线室内定位方法，包括以下步骤：
s1：发射端以时间ta和频率fa发出无线信号；
s2：接收端以时间tj1和频率fj1接收无线信号；
s3：在所述接收端放大接收到的无线信号；
s4：所述接收端以时间tj2和频率fj2将放大的无线信号发出；
s5：所述发射端以时间taj和频率faj接收返回的无线信号；
s6：计算所述发射端和所述接收端之间的相对距离和相对速度；
其中，所述相对距离为无线信号的传播速度与在两者之间的传播时间的乘积。
优选的，在所述s4中，所述接收端还将所述时间tj2、tj1和所述频率fj2、fj1的信息发送至所述发射端。
优选的，所述接收端包括分别位于三个不同的位置的第一接收端、第二接收端和第三接收端。
优选的，在所述s6，需要计算所述发射端与所述第一接收端之间的第一相对距离和第一相对速度，计算所述发射端与所述第二接收端之间的第二相对距离和第二相对速度，所述发射端与所述第三接收端之间的第三相对距离和第三相对速度。
优选的，所述发射端和所述接收端之间的相对距离saj＝v×((taj-ta)-(tj2-tj1))/2。
优选的，所述发射端和所述接收端之间的相对速度vaj＝{v×((fj1-fa)/fa)+v×((faj-fj2)/fj2)}/2。
根据本发明的另一个方面，本发明还提供了一种高精度无线室内定位系统，包括：
发射端，其设置于移动装置，所述发射端用于向接收端发出无线信号，并接收从所述接收端返回的无线信号；
多个接收端，其分别设置于多个不同的位置，每一所述接收端用于接收来自所述发射端的无线信号，并向所述发射端发出经过放大后的无线信号；
其中，所述发射端还用于汇集无线信号在传输过程中的每一时间和每一频率，并计算所述发射端和每一所述接收端之间的相对距离和相对速度。
优选的，所述接收端包括分别位于三个不同的位置的第一接收端、第二接收端和第三接收端。
优选的，所述位置为移动通信基站。
有益效果：本发明的接收端通过信号处理将无线信号放大。而且，接收端还可以将无线信号在放大基础上进行变频。然后，接收端将放大变频后的无线信号主动发射返回发射端，以使得返回的无线信号的强度增强，从而使得反射波在室内环境下可以被接收，以用于得到更准确的定位精度。本发明所使用的无线频率小于1ghz，无线覆盖的范围较广。例如无线信号使用433mhz频段，则覆盖范围最大可以达到10公里，相对比同样使用多普勒效应的24ghz/77ghz汽车微波雷达在室外覆盖范围为500米，本发明适用的范围更广。
在本发明优选的实施例中，本发明能够在基站模式下可以直接使用。系统与基站之间的协议简单，只需在基站中增加相应的模块，就可以组网完成基于移动通信基站的广泛使用。同时本发明的系统应用简单方便，每次每个基站只需接收一个无线信号，发射二个无线信号就能够完成定位。而且，计算定位数据主要由终端完成，基站不能利用接收的数据计算相应的定位数据，实现了终端定位的安全性。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1为本发明一种高精度无线室内定位方法的流程图；
图2为本发明一种高精度无线室内定位系统的一个实施例的示意图；
图3为本发明一种高精度无线室内定位系统的另一个实施例的示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。
本发明的高精度无线室内定位方法及系统是通过测量无线信号在空中传输的时间来计算待测点与固定点这两点之间的距离，并通过三点定位法测量待测点的空间位置。在本发明中，待测点就是发射端，固定点就是接收端。发射端设置于移动装置，例如设置于手机中，用于向接收端发出无线信号，并接收从所述接收端返回的无线信号。而接收端可以设置于移动通信基站或者指定的位置。多个接收端之间能够通过基站组网的方式分布。每一接收端用于接收来自所述发射端的无线信号，并向所述发射端发出经过放大后的无线信号，从而辅助发射端完成具体室内位置的计算。
如图2所示的一个实施例中，本发明通过在发射端的a点以时间ta和频率fa发射无线信号(基于室内的无线电传播特性，无线电频率小于1ghz)。并在接收端的b点以时间tj1和频率fj1接收无线信号。接收端在接收到无线信号以后，对接收到的无线电信号进行放大。并且，接收端还可以选择性地将接受到的无线电信号进行变频，以使得发出的反射信号可与接收信号的频率相同或不同。因此，所述接收端以时间tj2和频率fj2将放大的无线信号发出，fj2可以与fj1相同或不同。发射端以时间taj和频率faj接收到接收端发射的反射信号，并将反射信号与接收端发出的原始信号相比较，可以得出两信号的频率偏差，然后利用多普勒效应可计算a、b两点间的相对距离和相对速度。
因此，在发射端a和接收端b之间，本发明的高精度无线室内定位方法能够通过时间测量出两点间的距离。具体包括以下步骤：
s1：发射端以时间ta和频率fa发出无线信号；
s2：接收端以时间tj1和频率fj1接收无线信号；
s3：在所述接收端放大接收到的无线信号；
s4：所述接收端以时间tj2和频率fj2将放大的无线信号发出；
s5：所述发射端以时间taj和频率faj接收返回的无线信号；
s6：计算所述发射端和所述接收端之间的相对距离和相对速度。
其中，在所述s4中，所述接收端还随着放大的无线信号同时将所述时间tj2、tj1和所述频率fj2、fj1的信息发送至所述发射端。因此，接收端根据这些数据计算相对距离和相对速度。相对距离为saj＝v×((taj-ta)-(tj2-tj1))/2。相对速度为vaj＝{v×((fj1-fa)/fa)+v×((faj-fj2)/fj2)}/2。v为无线电波在空气中传播的速度。
如图1和图3所示的另一个实施例中，为了得到发射端的具体空间位置，还需要设置多个接收端。在本实施例中，接收端设置为位于三个不同的位置的第一接收端、第二接收端和第三接收端。在发射端a和接收端b、c、d之间，本发明的高精度无线室内定位方法能够通过时间分别测量出a与b、a与c、a与d之间的距离，然后确定a的空间位置。具体包括以下步骤。
s1：发射端以时间ta和频率fa发出无线信号。
在第一接收端中，包括以下步骤：
s201：第一接收端以时间tb1和频率fb1接收无线信号；
s301：在所述第一接收端放大接收到的无线信号；
s401：所述第一接收端以时间tb2和频率fb2将放大的无线信号发出；
s501：所述发射端以时间tab和频率fab接收返回的无线信号。
其中，s401中，所述第一接收端还随着放大的无线信号同时将所述时间tb2、tb1和所述频率fb2、fb1的信息发送至所述发射端。
在第二接收端中，包括以下步骤：
s202：第二接收端以时间tc1和频率fc1接收无线信号；
s302：在所述第二接收端放大接收到的无线信号；
s402：所述第二接收端以时间tc2和频率fc2将放大的无线信号发出；
s502：所述发射端以时间tac和频率fac接收返回的无线信号。
其中，s402中，所述第二接收端还随着放大的无线信号同时将所述时间tc2、tc1和所述频率fc2、fc1的信息发送至所述发射端。
在第三接收端中，包括以下步骤：
s203：第三接收端以时间td1和频率fd1接收无线信号；
s303：在所述第三接收端放大接收到的无线信号；
s403：所述第三接收端以时间td2和频率fd2将放大的无线信号发出；
s503：所述发射端以时间tad和频率fad接收返回的无线信号。
其中，s403中，所述第三接收端还随着放大的无线信号同时将所述时间td2、td1和所述频率fd2、fd1的信息发送至所述发射端。
上述的第一接收端、第二接收端、第三接收端分别在接收到发射端的无线信号就开始工作。
并在s6：发射端根据所有的数据，计算所述发射端与所述第一接收端之间的第一相对距离和第一相对速度，计算所述发射端与所述第二接收端之间的第二相对距离和第二相对速度，所述发射端与所述第三接收端之间的第三相对距离和第三相对速度。
其中，任一接收端和发射端之间的相对距离可以参见saj＝v×((taj-ta)-(tj2-tj1))/2的计算公式。任一接收端和发射端之间的相对速度可以参加vaj＝{v×((fj1-fa)/fa)+v×((faj-fj2)/fj2)}/2的计算公式。
通过上述设定的高精度无线室内定位方法及系统，本发明使用已成熟的多普勒效应，并在此基础上做出相应的改进，使之可以应用于室内的定位。本发明的接收端通过信号处理将无线信号放大变频以后主动向原先的发射端发射，从而使得信号的强度增强，并使得反射的无线信号在室内环境中可以被接收，以用于频率和时间的计算。
本发明的接收端能够主动记录信号处理时间。同时时间的精度主要取决于单个晶振的精度，发射端与接收端并不需要时间和频率同步，只需单个晶振在毫秒级保持相应的稳定性，就达到时间测量10ps(皮秒)级精度，从而使得整个系统达到0.3m到1m的定位精度。相对速度的精度能够达到约为0.5m/s至1.0m/s。同时相比于其它定位系统，本发明对频率的稳定度要求较低，只需使用普通的tcxo(0.1ppm)就可满足需求，并不需要如gps卫星需要原子钟，从而降低了整个系统的成本。
本发明所使用的无线频率小于1ghz，无线覆盖的范围较广。例如无线信号使用433mhz频段，则覆盖范围最大可以达到10公里，相对比同样使用多普勒效应的24ghz/77ghz微波汽车雷达在室外覆盖范围为500米，本发明适用的范围更广。
本发明能够在基站模式下可以直接使用。系统与基站之间的协议简单，只需在基站中增加相应的模块，就可以组网完成基于移动通信基站的广泛使用。同时本发明的系统应用简单方便，每次每个基站只需接收一个无线信号，发射一个返回的无线信号和一个返回的包含时间频率信息的信号就能够完成定位。而且，计算定位数据主要由终端完成，基站不能利用接收的数据计算相应的定位数据，实现了终端定位的安全性。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。