专利名称:一项用于室内定位的新技术的制作方法
技术领域:
本发明涉及到一项用于室内定位的新技术。
背景技术:
移动设备有了位置信息将创造更多的服务人的机会。GPS定位 系统在户外和野外运用地非常成功,但是它无法用在室内定位中。GPS的高功 耗和高成本也限制了它在能量很有限的无线传感网络和其他低能地方的运用。 当前室内定位技术概述,位置信息通常是通过测量节点间的距离来推算出的, 在有固定参考点的情况下(多数室内定位系统和一些无线传感网络就是这种情 况),特定的不同的技术可以用来测量目标和各个固点参考点之间的距离。以 各个固定参考点为球心,距离为半径的多个球相交就给出了目标的位置信息。 在没有固定参考点的情况下,这些测量距离的技术同样可以用来测量节点与其 它相邻节点之间的距离。整个系统的相对位置可以通过求解系统最小能量的方 法解的。接下来我们将对每一种测量距离的技术进行介绍和比较。
接收信号强度信息(RSSI):离发射节点越远,所接收到的信号也就越 弱。 一般来说,接收信号强度(RSSI)和接收节点距离r有以下的关系RSSI al/ra。 a取决于环境,典型的取值是4。 WiFi室内定位系统就是利用RSSI 进行定位的一个例子。基于RSSI定位的技术通常不能有好的精度,因为多路 衰减效应使a随环境的变化而快速的变化。
超声波测距:超声波测距利用了声音在空气中的传输速度要比电波的速度 慢得多的现象。超声波在两个节点间传输所需时间可以通过同时发出的电波和声波到达接收节点所需的不同时间来精确的估算出来。超声波测距和声波到达 接收节点所需的不同时间来精确的估算出来。超声波测距的一个例子是麻省理
工学院的Cricket系统。超声波测距能提供很高的定位精度,但它需要额外的 昂贵的超声波发生装置和接收装置。超声波很强的方向性使得要在不同方向上 安装多套发生和接收装置大大提高了成本。另外,超声波的传输范围只有几米, 这大大限制了它的应用范围。
数字电视同步信号Rosum公司有一项技术是利用数字电视台发出的同步 信号来测量目标和电视台之间的距离。如果目标附近有几个数字电视的话,目 标便能根据它与这几个电视台的距离推算出自己的位置。这项技术在室内定位 方面很有前景,但是它运用的前提是有好多不在同一个地理位置的数字电视 台,这大大限制了它的运用地点。
电波干涉测距2005年AMC会议上,Maroti等人提出了一种利用电波干 涉波相位测距的技术。Maroti的技术利用两个节点同时发送电波来产生干涉 波。如果两个电波的频率相差甚微,那么干涉波的轮廓将是一个低频的信号, 这个低频信号的相位可利用无线传感网络节点上的低成本,简单的硬件来测 量。如果用两个节点同时接收来自两个同时发送的节点的电波,两个接收节点 各自测到各自接收的干涉波的相位。这两个相位差取决于四个节点的相对位置 和电波的频率。通过在至少8个节点的网络进行多次这样的测量,我们可以得 到三维的节点间的相互位置。这项技术的定位精度很高。但是它的缺点是必须 进行多次测量来获得一个目标的位置信息,这就使它不能应用在实时要求高的应用中,也就是说,目标不能快速移动。另外,多次的测量也大大的提高了系 统的功耗。
本发明专利提出了一项能在室内环境中低功耗地实时地提供位置信息的
新技术。这项技术基于Maroti等人在2005年提出的利用电波干涉法测量距离 定位的技术1。在我们的技术中,许多固定点同时发出频率相差甚微的电 波。目标移动设备将测量低频率的干涉波的相位。所测得的相位直接反应了目 标移动设备与固定点之间的距离,从而推出目标移动设备的位置信息。在没有 固定点的应用中,我们可以用同样的原理测量出目标与其它移动设备之间的相 对距离。干涉波的低频率确保了低成本,低速的硬件可以用在目标移动设备中 测量干涉波的相位。在另一方面,载波的高频率使得高精度的定位成为可能。 在433MHz/2.4GHz波段的载波能使定位精确到厘米级。如果可能,绝对位置 可以通过在固定点上安装GPS来获得。与在室内定位中流行的超声波定位技术 相比,我们的新技术省去了许多附加的硬件,节约了成本,并提高了测量范围。 同时,通过有效的信号处理算法,我们的新技术具有很好的抗多路衰落效应 (Multipath Fading)。多路衰落效应使得另一种流行的室内技术建立在接收 信号强度基础上的定位技术的精度大打折扣。
与1中的方法相比,我们的新技术可以用来实时地获得位置信息,而1中的技术只能用在静态的或移动较慢的运用中。
发明内容
本发明的目的就是要提供一项用于室内定位的新技术,该技术克服了Maroti的技术的缺点,可以实时的获取快速移动地目标的位置 信息。本发明的目的是这样实现的,我们假设有固定参考点的存在,而且固定 参考点的位置是已知的。四个固定参考点发射出频率几乎一样的电波,假设固 定点#1的电波频率为fl,弁2的频率为fl+A, f3的频率为fl+3A, #4 的频率为fl+7A。对这些频率的要求是任意两个频率的差值是A的整数倍, 并且差值不能重复,移动目标将会探测到复杂的合成干涉波;合成干涉波具有 低频的轮廓,因此可以由低精度硬件使用接收信号强度(RSSI)电路来处理; 合成干涉波有(23) =6个频率成分,他们分别是A ( # 1和# 2之间的干涉), 2/\(#2禾口#3), 3A(并1禾口弁3), 4A(并3禾口并4), 6A(#2 和#4), 7^(#1禾口#4;各个频率成分的相位取决于移动目标和各自的 两个相互干涉的固定点的距离和fl;这样,我们可以就可以一次求得移动目 标的位置。大多数的室内定位是这种情况,虽然我们假设有固定参考点,但 我们的新技术也可以用在没有固定参考点的情况下获取节点间的相互位置。为 了简化推导,我们进一步假设有4个固定点。请注意,固定参考点的个数不限 制于4个。参考点个数越多,定位精度越高。
图1是我们提出的用于测量各个频率成分的相位的电路。
1. CosXA是频率为XA的余弦,共一个周期长,X是整数
2. SinXA是频率为XA的正弦,共一个周期长。 3.I&D是积分采样电路。
具体实施例方式图1所示是一个单元电路。共有六个这样的单元电路来测 量各个频率的相位。在测得各个频率成分的相位后,各个频率成分的相位取决 于目标到产生这个干涉频率的一对固定参考点的距离差。根据多个距离差,我 们可以推出目标的位置。由于各个干涉波是一次性形成,相位也是一次性测出, 所以该技术可以用于实时测量快速移动目标的位置。为了进一步提高精度,可 以增设一个或若干个己知位置的参考节点来接收信号以进行参分定位。在商 场、医院、体育馆、展览馆等场所,存在对室内定位与导航的大量需求。以往 的定位技术由于过于昂贵,无法在大量人群中推广使用。使用本专利,当用户 进入一个陌生、复杂的场所时,就可以迅速找到所需要的地点与信息。例如, 在医院里,可以使用本专利制成手持式的定位与导航设备。在医院大楼中部署 若干个固定参考点,发射具有细微频率差别的高频无线电信号。手持式定位与 导航设备接受来自不同参考点的无线信号,利用各个频率的相位差,可以计算 出自己所在的位置。用户从这个设备中,可以看到自己的楼层与位置,再通过 査找各种科室、病房、以及洗手间、电梯等设施的楼层与位置,并根据设备给 出的路线建议,就可以最快地到达目的地,从而大大节省了用户的治疗时间。
同样,在商场等室内环境中,这种应用于低速的低成本定位技术具有广 阔的应用前景。
本发明的新技术可以用来在室内环境中实时地获取无线移动设备(如 PDA,笔记本电脑,手机,财产监控,目标跟踪,应急人员,无线传感网络中 的节点)的位置信息。我们利用固定点发出的电波相互干涉的现象来测量位置。尽管载波的频率高,干涉波形的轮廓具有低频率。因此移动设备可用低速、便 宜的硬件来测量干涉波形的相位。干涉波形的相位直接反应了移动设备和固定
点之间的距离。载波的高频率则保证了定位的高精确度。433M Hz/2. 4G Hz波 段的载波可以使定位精确到几厘米。该技术可以在GPS失效的室内环境提供稳 定可靠的定位,因为该技术产生的信号在室内要比GPS利用的卫星信号强得 多,同时该技术功耗要比GPS功耗小得多,因此,可用在无线传感网络和对室 内/外目标进行高精确度的定位/跟踪。
权利要求
1.一项用于室内定位的新技术,是设有四个固定参考点,每个固定参考点发射出频率几乎一样的电波,假设固定点#1的电波频率为f1,#2的频率为f1+Δ,#3的频率为f1+3Δ,#4的频率为f1+7Δ;对这些频率的要求是任意两个频率的差值是Δ的整数倍,并且差值不能重复,移动目标将会探测到复杂的合成干涉波;合成干涉波具有低频的轮廓,可以由低精度硬件使用接收信号强度(RSSI)电路来处理;合成干涉波有(23)=6个频率成分,他们分别是Δ(#1和#2之间的干涉),2Δ(#2和#3),3Δ(#1和#3),4Δ(#3和#4),6Δ(#2和#4),7Δ(#1和#4);各个频率成分的相位取决于移动目标和各自的两个相互干涉的固定点的距离和f1。
全文摘要
本发明涉及到一项用于室内定位的新技术,它是设有四个固定参考点,每个固定参考点发射出频率几乎一样的电波,通过采用专用电路测得各个频率成分的相位后,各个频率成分的相位取决于目标到产生这个干涉频率的一对固定参考点的距离差。根据多个距离差,我们可以推出目标的位置,由于各个干涉波是一次性形成,相位也是一次性测出,所以该技术可以用于实时测量快速移动目标的位置。本发明具有能在室内定位的优点,且定位信息准确,使用方便。
文档编号G01S5/14GK101598778SQ20081012353
公开日2009年12月9日 申请日期2008年6月6日 优先权日2008年6月6日
发明者刘承平, 刘靖峰, 季海江, 露 戴, 许浩坤 申请人:许浩坤