移动终端定位方法、声波定位收发器、移动终端及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及移动终端定位技术领域，尤其涉及一种移动终端定位方法、声波定位 收发器、移动终端及系统。
【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微米(μπι)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。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种移动终端定位方法、声波定位收发器、移动终端及系 统，能在降低定位成本的同时，提高移动终端的定位精度。
[0005] 本发明提供一种移动终端定位方法，包括以下步骤：
[0006] 在某定位区域部署至少三个网络同步但频率不同的声波定位收发器，并通过网络 的时间同步使所有声波定位收发器同步发出声波信号；
[0007] 所述移动终端进入所述定位区域后接收至少三个所述声波定位收发器的声波信 号，并从接收的所有声波信号中辨识出各个声波定位收发器以及获取相应的数据流；
[0008] 从所述数据流中获取所述各个声波定位收发器之间的信号传输时间差；
[0009] 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进行TD0A计算， 以确定所述移动终端在所述定位区域中的位置。
[0010]进一步的，每个声波定位收发器发射的声波频率为20Hz~100MHz。
[0011] 进一步的，所有声波定位收发器通过独立于所有声波定位收发器之外的网关设备 或者通过与任一声波定位收发器集成为一体的网关设备部署在同一个网络中，并实现网络 的时间同步。
[0012] 进一步的，所有声波定位收发器同步发出声波信号的步骤包括：
[0013] 每个声波定位收发器各自根据所述网络的时间同步信号进行网络同步；
[0014] 同步后，每个声波定位收发器对待发射的信号进行包含身份信息和时间戳信息的 编码；
[0015] 每个声波定位收发器对编码好之后的信号进行调制，并将其转化为模拟信号；
[0016] 每个声波定位收发器将所述模拟信号经放大后通过其扬声器或超声波换能器发 射播放到所述定位区域中。
[0017] 进一步的，一定位服务器或所述移动终端或所述各个声波定位收发器中的至少一 个声波定位收发器从所述数据流中获取所述各个声波定位收发器之间的信号传输时间差。
[0018] 进一步的，在所述定位区域部署好每个所述声波定位收发器后，将每个所述声波 定位收发器的位置提交到所述定位服务器上保存，或者直接发送至所述移动终端保存。
[0019] 进一步的，当需要确定所述移动终端的三维位置时，需要在所述定位区域内部署 至少四个所述声波定位收发器，且所述移动终端接收至少四个所述声波定位收发器同步发 出的声波信号；当需要确定所述移动终端的二维位置时，需要在所述定位区域内部署至少 三个所述声波定位收发器，且所述移动终端接收至少三个所述声波定位收发器同步发出的 声波信号。
[0020]进一步的，确定所述移动终端在所述定位区域中的三维位置的TD0A计算步骤包 括：
[0021] 设所述移动终端的位置为(x，y，z)，所述移动终端接收的声波信号对应的四个所 述声波定位收发器的位置分别为(11，71，叾1)、（12,72,22)、（13,73,23)、（14,74,24);
[0022] 设所述移动终端分别接收所述四个声波定位收发器的声波信号的时间为t^ts、 t3、t4;
[0023] 则计算所述移动终端的三维位置的公式如下：
[0024]
[0025]
[0026]
[0027]
[0028]
[0029]
[0030] 或者，确定所述移动终端在所述定位区域中的二维位置的TD0A计算步骤包括：
[0031] 设所述移动终端的位置为(x，y)，所述移动终端接收的声波信号对应的三个所述 声波定位收发器的位置分别为(XI，yi)、（X2，y2)、（X3，y3);
[0032] 设所述移动终端分别接收所述三个声波定位收发器的声波信号的时间为t^ts、 ?3 ；
[0033] 则计算所述移动终端的二维位置的公式如下：
[0034]
[0035]
[0036]
[0037] 其中上述各式中的c为声波传输速度；
[0038]进一步的，所述TD0A计算在定位服务器上完成，或者在所述移动终端上完成，或者 在所述各个声波定位收发器中的至少一个声波定位收发器上完成。
[0039] 本发明还提供一种声波定位收发器，与其他至少两个不同频率的声波定位收发器 安装在某定位区域中并接入同一网络，并向移动终端同步发射声波信号，用于辅助移动终 端的定位，所述声波定位收发器包括：
[0040] 网络同步模块，用于与所述其他至少两个不同频率的声波定位收发器接入同一网 络并接收所述网络的时间同步信号，实现与所述其他至少两个不同频率的声波定位收发器 的信号同步以及以下各个模块的时间同步；
[0041] 编码模块，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； [0042]信号调制模块，用于将编码后的声波信号调制到发射要求的频率上；
[0043] DAC模块，用于将调制后的声波信号转为模拟信号；
[0044]声波功率放大模块，用于将所述模拟信号进行功率放大；
[0045]扬声器或超声波换能器，用于将放大后的信号播放到所述定位区域。
[0046]进一步的，所述网络同步模块接入的网络为ZigBee网络、WiFi网络、蓝牙网络或任 何具备时间同步功能的有线网络。
[0047]进一步的，所述信号调制模块调制后的声波信号的频率为20Hz~100MHz。
[0048]进一步的，所述声波定位收发器还包括解码模块，用于在所述移动终端对接收各 个所述声波定位收发器的声波信号解调而获取的数据流后，从所述数据流中获取所述各个 声波定位收发器之间的信号传输时间差。
[0049] 进一步的，所述声波定位收发器还包括定位计算模块，用于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进行TD0A计算，以确定所述移动终端在所述定 位区域中的位置，并将所述位置反馈给所述移动终端。
[0050] 本发明还提供一种移动终端，包括：
[0051] 声波信号采集模块，用于采集某定位区域部署的至少三个网络同步但频率不同的 声波定位收发器发射的声波信号；
[0052]信号解调模块，用于对采集到的所有声波信号进行解调，获取所有声波信号对应 的各个声波定位收发器的身份信息以及所有声波信号中的数据流；
[0053]位置显示模块，用于显示所述移动终端当前在所述定位区域中的位置。
[0054]进一步的，所述移动终端还包括解码模块，用于根据所述信号解调模块传送的数 据流，获取所述各个声波定位收发器之间的信号传输时间差。
[0055]进一步的，所述移动终端还包括定位模块，用于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进行TD0A计算，获得所述移动终端在所述定位区域中的位置， 或者将所述信号传输时间差传输至定位服务器，以使所述定位服务器或所述各个声波定位 收发器中相应的声波定位收发器进行TD0A计算，获得所述移动终端在所述定位区域中的位 置。
[0056]进一步的，所述位置显示模块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。
[0057]进一步的，所述声波信号采集模块采集信号的时间差精度为lys~lms。
[0058] 进一步的，所述移动终端为手持设备或者穿戴设备。
[0059] 本发明还提供一种移动终端定位系统，包括：
[0060] 部署在某定位区域的至少三个声波定位收发器，所有声波定位收发器接入同一网 络，网络同步但频率不同，并通过网络的时间同步信号同步发出声波信号；
[0061] 网关设备，用于将所有的声波定位收发器接入到同一网络中，并向所有的声波定 位收发器发射所述网络的时间同步信号；
[0062] 移动终端，用于在进入所述定位区域后接收至少三个声波定位收发器的声波信 号，并从接收的所有声波信号中辨识出各个声波定位收发器以及获取相应的数据流；
[0063] 定位服务器，连接所述网关设备，用于配置自身或所述移动终端或者所述各个声 波定位收发器中的至少一个声波定位收发器从所述数据流中获取所述各个声波定位收发 器之间的信号传输时间差，以及用于配置自身或所述移动终端或者所述各个声波定位收发 器中的至少一个声波定位收发器根据各个声波定位收发器的位置及所述信号传输时间差 进行TD0A计算，以获得所述移动终端在所述定位区域中的位置。
[0064] 进一步的，所述网关设备为独立于所有声波定位收发器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。
[0065]进一步的，所述定位服务器包括：
[0066]解码模块，用于从所述数据流中获取所述各个声波定位收发器之间的信号传输时 间差；
[0067]定位算法模块，用于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 间差进行TDOA计算，确定所述移动终端在所述定位区域中的位置；
[0068] 地图引擎模块，用于存储所述定位区域的地图，并将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；
[0069] 设备管理模块，用于对所述网关设备、所述移动终端和所有的声波定位收发器进 行管理，并配置自身或所述移动终端或者所述各个声波定位收发器中的至少一个声波定位 收发器从所述数据流中获取所述各个声波定位收发器之间的信号传输时间差，以及配置自 身或所述移动终端或者所述各个声波定位收发器中的至少一个声波定位收发器进行所述 TD0A计算。
[0070] 本发明还提供一种移动终端定位系统，包括：
[0071] 部署在某定位区域的至少三个上述的声波定位收发器，所有的声波定位收发器网 络同步但频率不同，并通过网络的时间同步信号同步发出声波信号；
[00