專利名稱：無線微功率網絡定位系統(tǒng)及其定位方法
技術領域：
本發(fā)明涉及定位技術，特別涉及一種無線微功率網絡定位技術及其定位方法。
背景技術：
定位技術到目前為止，都是采用的無線信號定位的方法?，F(xiàn)有定位系統(tǒng)，基本上可 以分為以GPS為代表的定位系統(tǒng)和以移動通信網絡為代表的無線網絡(包括GSM、 CDMA網 絡)定位系統(tǒng)。
GPS定位技術 被定位物體通過與之相連的GPS接收終端，同時接收四顆(至少三顆)GPS衛(wèi)星發(fā) 射的定位信號，計算出該物體所處的經緯度和高度坐標(X， Y， Z)而實現(xiàn)定位。這種X， Y， Z位置坐標信息，在一般實際應用中，必須與電子地圖配合使用，而且，往往還需要轉換為我 們所熟悉的地理位置信息，例如街道名稱，具體參考地點等，才能真正方便使用。在對移動 目標，例如車輛定位時，還需要將所算出位置信息，通過現(xiàn)有移動通信網絡，傳給控制中心， 才能真正到達定位的目的——對車輛的管理、監(jiān)控。就移動目標定位而言，GPS定位系統(tǒng)至 少需要GPS衛(wèi)星、GPS接收機、移動通信網絡、移動通信終端(GMS或CDMA收發(fā)模塊)及控 制中心才能實現(xiàn)。GPS定位系統(tǒng)的缺點，除了建立定位系統(tǒng)的成本及運營成本高以外(包括 移動網絡使用費)，它的使用在城市中還受到極大的限制。因為使用GPS設備的重要前提之 一，是GPS接收機與衛(wèi)星之間有直射路徑，而GPS信號在建筑物密集的城區(qū)及建筑物內部存 在信號接收盲區(qū)。另外GPS定位還要受到多徑效應和許多其他因素的影響，包括初始定位 信號捕獲時間較長等(通常為0. 5 15min)?，F(xiàn)場實驗表明，在高樓林立的城市，安裝GPS 接收機的公交車輛，能夠正常接收GPS定位信號的概率大約為70X左右。在一些特殊場合， 如鋼筋混凝土建筑物內、地下室或礦井中，則完全收不到GPS信號。
移動通信網絡定位技術 基于移動通信網絡的定位技術，除了要對現(xiàn)有移動網絡的布局，網絡基站和移動 終端的軟件和硬件做較大的改變外，它的使用，還要受到城市中非視距傳播、多徑效應和多 址干擾等因素的極大影響。在網絡布局上， 一般要求移動終端，能夠同時與3個或3個以上 基站，進行直接通信，通過各種復雜的測距、測向來確定移動終端的位置。而現(xiàn)有移動通信 網絡，主要考慮的是語音通信，因而，很難滿足定位的要求。 綜上所述，現(xiàn)有定位技術和方法的主要缺點是，結構復雜，投資大，運營費用高，不 能在城市，或礦山井下等復雜的環(huán)境條件下工作，因而不能滿足許多實際應用的需要。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題，就是針對現(xiàn)有定位系統(tǒng)結構復雜，成本高，運營費用
3高，使用場合受限的缺點，提供一種不依賴于GPS和現(xiàn)有移動通信網絡的，無線微功率網絡 定位系統(tǒng)及其定位方法。 本發(fā)明解決其技術問題，采用的技術方案是通過組建一個由若干個具有固定位 置，可以與控制中心計算機進行通信的無線微功率收發(fā)機組成的網絡，以及安裝在需要定 位的可移動目標上的無線微功率收發(fā)機，組成的無線微功率網絡定位系統(tǒng)，利用網絡節(jié)點 和可移動目標的收發(fā)機的發(fā)射功率，接收靈敏度以及接收信號強度與傳輸距離之間的關 系，再利用已知的網絡節(jié)點的位置，來實現(xiàn)對可移動目標的定位；并利用同一個網絡，實現(xiàn) 可移動目標位置信息以及其它控制信息的傳輸。 網絡中每一個具有固定位置的無線微功率收發(fā)機，被稱為一個網絡節(jié)點，安裝在 需要定位的可移動目標上的無線微功率收發(fā)機，被稱為移動目標；所述網絡節(jié)點通過有線 或無線的方式與控制中心相連接以傳輸信息，其連接方式可以采用星狀，樹狀，網狀等多種 方式；所述網絡與控制中心的計算機系統(tǒng)相聯(lián)接；所述網絡節(jié)點與移動目標之間通過無線 通信方式連接；所述計算機系統(tǒng)存儲有網絡節(jié)點的地址，移動目標的身份識別信息以及網 絡管理軟件；所述無線收發(fā)機由具有完整的無線發(fā)射和接收功能的集成電路芯片構成，它 們也可以只具有單一的無線發(fā)射或接收的功能，它們的發(fā)射功率，滿足當?shù)卣南嚓P規(guī) 定限制；當所述網絡為Zigbee網絡時，這些網絡節(jié)點就是Zigbee網絡的FFD ;移動目標就 是Zigbee網絡的RFD。
采用上述無線微功率網絡定位系統(tǒng)的定位方法有下面幾種
第一種定位方法，稱為幾何中心定位法 建立網絡節(jié)點與移動目標的通信聯(lián)系，以收到移動目標信號最強的1-3個網絡節(jié) 點的幾何中心作為移動目標的位置； 這里所述的移動目標信號，可以是移動目標自身單方向發(fā)出的身份碼信號，也可 以是移動目標收到系統(tǒng)的呼叫信號后，返還給網絡節(jié)點的回應信號。 這里需要說明的是，呼叫回應信號不同于移動目標自身發(fā)出的信號，這兩者的差 別是后者只取決于網絡節(jié)點能否接收到移動目標的信號，它是一種單方向通信，而前者在 網絡節(jié)點能夠接收到移動目標的呼叫回應信號之前，首先移動目標要能接收到來自網絡節(jié) 點的呼叫信號，它是一種雙向通信過程。
第二種定位方法信號強度法 它是利用在給定定位區(qū)域內，預先通過現(xiàn)場實測建立起來的無線接收機所接收到 的信號強度，與到信號源距離的普遍關系，再通過測量網絡節(jié)點(或移動目標)接收到的來 自移動目標(或網絡節(jié)點)的信號強度，來確定移動目標與網絡節(jié)點之間的距離；
第三種定位方法搜尋法 它是利用在給定定位區(qū)域內，預先通過現(xiàn)場實測建立起來的無線接收機離開信號 源的距離，與信號源臨界發(fā)射功率的普遍關系，這里的臨界發(fā)射功率，是指無線接收機在給 定距離位置處，能夠接收到信號源信號時，信號源必須要有的最小發(fā)射功率，再通過改變網 絡節(jié)點(或移動目標)的發(fā)射功率，找出對應于移動目標(或網絡節(jié)點)所在位置處的臨 界發(fā)射功率，來確定移動目標與網絡節(jié)點之間的距離；
第四種定位方法指紋法 它包括信號強度指紋法，以及臨界發(fā)射功率指紋法。這種方法不依賴于信號源發(fā)射功率或射頻信號強度，與距離之間的普遍關系，而是依賴于該定位區(qū)域內，處在某個具體 位置的信號源及其發(fā)射功率，與區(qū)域內不同位置處的信號強度之間所存在的，完全依賴于 該區(qū)域內特定環(huán)境條件的特殊關系。 信號強度指紋法建立網絡節(jié)點與移動目標的通信聯(lián)系，利用在J個網絡節(jié)點上 所量測到的，來自同一個移動目標的一組信號強度值，組成的信號強度指紋特征，與數(shù)據(jù)庫 中預先通過現(xiàn)場實測所儲存的，J個網絡節(jié)點的不同信號強度指紋特征，與移動目標不同位 置的一一對應關系；或利用在移動目標處量測到的來自J個網絡節(jié)點的一組信號強度值， 共同組成的信號強度指紋特征，與數(shù)據(jù)庫中預先通過現(xiàn)場實測所儲存的，對應于這J個網 絡節(jié)點，移動目標的不同信號強度指紋特征，與移動目標在不同位置的一一對應關系，來確 定移動目標的具體位置，其中J> 1。 臨界發(fā)射功率指紋法建立網絡節(jié)點與移動目標的通信聯(lián)系，通過改變網絡節(jié)點 或移動目標的發(fā)射功率，找出對應于同一個移動目標位置的，Q個網絡節(jié)點的一組臨界發(fā)射 功率組成的指紋特征，或相對于這Q個網絡節(jié)點，在移動目標處測得的一組臨界發(fā)射功率 值，組成的指紋特征，與數(shù)據(jù)庫中預先通過現(xiàn)場實測儲存的，不同臨界發(fā)射功率指紋特征， 與移動目標在不同位置的一一對應關系，來確定移動目標的位置，其中Q > 1。
在以上第三種"搜尋法"，和第四種"指紋法"中，都利用到臨界發(fā)射功率的概念。它 實際上就是一個搜尋移動目標的過程。它利用改變網絡節(jié)點或移動目標的發(fā)射功率，來改 變網絡節(jié)點與移動目標之間，可以實現(xiàn)雙向或單向通信的范圍，通過找出兩者之間能否接
收到對方信號的變化點，找出相應的臨界發(fā)射功率，從而搜尋出移動目標的位置。由于一般 微功率單芯片收發(fā)機，都具有多級發(fā)射功率控制的功能，因而，我們可以很容易的通過控制
命令，來改變移動目標或網絡節(jié)點的發(fā)射功率，從而達到搜尋移動目標的目的。 使用臨界發(fā)射功率的概念來定位，與使用信號強度的概念來定位類似，都利用了
信號強度隨距離而衰減的普遍規(guī)律，但相對于使用信號強度的概念來定位，使用臨界發(fā)射
功率來定位，具有顯而易見的優(yōu)越性首先，在使用信號強度的概念來定位時，你所測得的
信號強度中，包括了許多與定位目的無關的，來自其他信號源的貢獻，要將它們分開來，有
時十分困難；其次，現(xiàn)場實測表明，信號強度的量測，具有相當?shù)碾y度，這主要是指測量時信
號的穩(wěn)定性和精確性；最后，由于一般收發(fā)機往往不具有信號強度指示功能，因而使用信號
強度的概念來定位的方法，也就受到很大的局限。而使用臨界發(fā)射功率的方法，則不存在這
些問題。 本發(fā)明的有益效果是結構簡單，使用方便，成本低，技術成熟。本發(fā)明不需要復雜 的測量和計算，也可不需要電子地圖，就能夠滿足實際定位需要；系統(tǒng)本身既是一個定位網 絡，又是一個能夠進行信息傳輸?shù)耐ㄐ啪W絡，因而可以集定位和信息傳輸為一體，不僅方便 了實際應用，而且還大大降低了運營成本。


圖1是本發(fā)明系統(tǒng)組成示意圖； 圖2是信號強度與離開信號源距離的關系示意圖；
圖3是無線發(fā)射機的信號覆蓋半徑示意圖；
圖4是無線接收機的定位半徑示意 圖5是1個網絡節(jié)點位置作為移動目標位置的示意圖； 圖6是2個網絡節(jié)點位置的幾何中心作為移動目標位置的示意圖； 圖7是3個網絡節(jié)點位置的幾何中心作為移動目標位置的示意圖； 圖8是根據(jù)計算的移動目標到3個網絡節(jié)點的距離來確定移動目標位置的示意
圖； 圖9是臨界發(fā)射功率示意圖，Q > Qm， M可接收到0的信號，Q < Qm， M接收不到0 的信號； 圖10是對應同一個移動目標位置，不同網絡節(jié)點的不同臨界發(fā)射功率； 圖11是對應不同網絡節(jié)點的位置，在某個具體位置的移動目標的不同臨界發(fā)射
功率； 圖12是Ta， Tb， Tc組成移動目標在位置0的信號強度指紋示意圖； 圖13是Qa， Qb， Qc組成移動目標在位置0的臨界發(fā)射功率信號指紋示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖及實施例，詳細描述本發(fā)明的技術方案。 為便于理解本發(fā)明的技術方案，先將與本發(fā)明有關的幾個概念簡單介紹如下
無線信號的傳輸 在理想條件下， 一個無線發(fā)射機通過天線向外發(fā)射一定功率的射頻信號，無線發(fā) 射機附近某點的射頻信號強度，與該點距發(fā)射天線的距離的平方成反比，我們可以用公式 Tr = KQ/f來表示。這里Tr代表距離無線發(fā)射機R處的信號強度，Q代表無線發(fā)射機天線 端的信號強度，而K則可以簡單考慮為衰減系數(shù)。在實際應用中，實際信號強度的大小與離 開信號源距離的關系，由于信號傳輸環(huán)境條件與理想情況有較大的差別，因而，也就不能簡 單地用上面的公式來表示，但為了方便起見，人們仍然喜歡用使用上面公式的形式，來表達 這種關系，只不過式中的指數(shù)"2"，需要使用一個未知數(shù)"x"來代替，即公式改為Tr = KQ/ Rx，由于信號強度隨距離的變化， 一般都是一種單調減弱的關系，因而式中"K"和"x"可以 通過簡單的實際現(xiàn)場測量來獲得。(圖2) 對于一個給定的傳輸環(huán)境和給定的網絡節(jié)點和移動目標而言，我們可以通過在現(xiàn) 場實際測量幾組信號強度與距離的數(shù)值，求出公式中K和指數(shù)x的值，以更符合現(xiàn)場實際情 況。如果定位區(qū)域內環(huán)境條件變化不大，我們可以將定位區(qū)域內，在一個具有代表性傳輸環(huán) 境的位置處，所測得的K和x的值，用于整個定位區(qū)域。對于無線信號傳輸條件差別較大的 某些地方，則需要專門在這些地方進行實際測量，以得到專門適用于這些地方的計算公式。 利用我們通過現(xiàn)場實測所建立起來的計算公式，就可以很容易地利用前述的方法，對移動 目標進行定位了。 無線發(fā)射機的信號覆蓋半徑Rab : 無線接收機B能否收到另一個相隔一定距離，使用相同信道的無線發(fā)射機A所發(fā) 射的信號，既取決于無線發(fā)射機A所發(fā)射的信號到達無線接收機B處的信號強度Tb，也取決 于無線接收機B的接收靈敏度Brs。當Tb大于Brs時，B便可以收到A的信號。我們將距 離A某個位置處的信號強度，剛好等于無線接收機B的接收靈敏度Brs時的距離Rab，稱作 A對應于無線接收機B的信號覆蓋半徑。Rab隨A的發(fā)射功率的降低，或B的接收靈敏度的降低而減小。(圖3)
定位半徑Rba : 當A的位置固定，A的發(fā)射功率和B的接收靈敏度一定時，B只有當處于一個以A 為圓心，Rab為半徑的一個固定范圍內時，才能接收到A的信號。反之，將B的位置固定，則 只有當A進入到一個以B為圓心，Rab為半徑的一個固定范圍內時，B才能接收到A的信號。 信號覆蓋半徑與定位半徑本質上是同一個東西，只不過前者以無線發(fā)射機為中心，后者以 無線接收機為中心而已。(圖4)
臨界發(fā)射功率 臨界發(fā)射功率，是指對兩個相隔一定距離的無線發(fā)射機和接收機而言，在無線接 收機能夠接收到無線發(fā)射機的信號時，無線發(fā)射機必須具有的最小發(fā)射功率。必須要說明 的是在開闊地帶，無線接收機離開無線發(fā)射機的距離越遠，無線發(fā)射機的臨界發(fā)射功率就 越大，但在存在建筑物等的復雜傳輸環(huán)境中，由于遮擋，反射和多徑傳輸?shù)脑?，這種關系 則不一定總是成立。(圖9)
信號指紋 在地形復雜的區(qū)域或建筑物內部，無線電信號傳輸對地形和傳播障礙物具有依賴 性，因而呈現(xiàn)出非常強的接收站點特殊性。因此對于每一個接收點來說，該信道的多徑結構 對每一個位置是惟一的。如果一個射頻信號從某一個位置發(fā)射出來，我們在不同的接收位 置所接收到的信號強度，將不再遵從信號強度隨離開信號源距離逐漸衰減的普遍規(guī)律，而 將呈現(xiàn)出一種對該區(qū)域特有的傳輸環(huán)境的依賴性。利用這種特殊性，我們可以使用在幾個 接收站點測得的，來自同一個位置的信號源的一組信號強度值，組成該信號源位置的指紋 特征，來與信號源所在的位置相對應，建立起一種一一對應的關系。(圖12)
建立這種一一對應關系所需的指紋特征，究竟應該由多少個接收站點的信號強度 組成，取決于實際定位的環(huán)境。例如，對煤礦井下人員定位，或對沿城市一定線路行駛的公 交車輛定位的目的， 一般選擇1-2個站點就足夠了 ，對其它的定位應用而言，選擇三個接收 站點， 一般應該也就能建立起這種一一對應的關系了 。 如果我們預先通過現(xiàn)場實測，建立起移動目標在定位區(qū)域內的不同位置，與其對 應接收站點的信號強度指紋特征之間一一對應的關系，并存入數(shù)據(jù)庫，我們就可以反過來， 利用在對應站點測量到的信號強度指紋特征，與數(shù)據(jù)庫中的指紋特征進行比較，從而找出 對應的移動目標的位置，實現(xiàn)對移動目標的定位。 為了實現(xiàn)在復雜環(huán)境下對移動目標的定位，我們不僅可以使用在幾個接收站點 處，所測量的來自同一個移動目標的信號強度組成的一組信號強度指紋，與移動目標具體 位置的對應關系；我們還可以使用在同一個移動目標位置處，所測量的來自幾個網絡節(jié)點 的不同信號強度組成的一組信號強度指紋特征，與移動目標具體位置的對應關系；同樣的 道理，我們還可以使用對應于同一個移動目標的位置，幾個網絡節(jié)點不同的臨界發(fā)射功率 值，所組成的一組臨界發(fā)射功率指紋特征，與移動目標具體位置的對應關系，或對應于處于 不同位置的幾個網絡節(jié)點，移動目標的不同的臨界發(fā)射功率值，所組成的一組信號指紋特 征，與移動目標具體位置的對應關系。(圖13)
兩個無線收發(fā)機之間的通信距離 兩個無線收發(fā)機之間的通信，存在方向性的差別，網絡節(jié)點發(fā)射信號，移動目標接
7收這個信號(上行)，與同一個移動目標發(fā)射信號，同一個網絡節(jié)點接收這個信號(下行)， 是兩個完全不同的通信方向，是完全不一樣的兩件事因為網絡節(jié)點發(fā)射信號，移動目標接 收信號時的通信距離，只取決于網絡節(jié)點的發(fā)射功率和移動目標的接收靈敏度，而與網絡 節(jié)點的接收靈敏度和移動目標的發(fā)射功率無關，反之亦然。這如同你我兩個人之間對話一 樣，你的聽力好，我的聲音大，你可以在很遠的地方聽到我講話的聲音，反之，如果我的聽力 差，你的聲音也不大，我就只能在很近的地方才能聽到你的聲音。因而，前面討論到的網絡 節(jié)點處于發(fā)射，移動目標處于接收，和反過來移動目標處于發(fā)射，網絡節(jié)點處于接收是兩個 完全不同的狀態(tài)，它們所涉及到的信號強度，臨界發(fā)射功率當然也就不一樣。除非兩者之間 的發(fā)射功率和接收靈敏度都沒有差別。
定位系統(tǒng) 定位系統(tǒng)是由網絡節(jié)點，移動目標以及控制中心的計算機系統(tǒng)所組成。對于給定 發(fā)射功率的移動目標，網絡節(jié)點的定位半徑，只與網絡節(jié)點的接收靈敏度，和移動目標的發(fā) 射功率有關；同樣，網絡節(jié)點的信號覆蓋半徑，只與網絡節(jié)點的發(fā)射功率，和移動目標的接 收靈敏度有關。因而，我們可通過調整移動目標的發(fā)射功率，或改變網絡節(jié)點的接收靈敏 度，來改變網絡節(jié)點定位半徑的大小；我們也可通過調整網絡節(jié)點的發(fā)射功率，或改變移動 目標的接收靈敏度，來改變網絡節(jié)點信號覆蓋半徑的大小。 移動目標能否收到網絡節(jié)點的呼叫信號，取決于移動目標是否處于網絡節(jié)點的信 號覆蓋半徑內；而網絡節(jié)點要能收到移動目標發(fā)回來的呼叫返還信號，則移動目標首先要 能接收到網絡節(jié)點發(fā)出的呼叫信號。因而，對于給定的移動目標而言，這既取決于網絡節(jié)點 的信號覆蓋半徑的大小，也取決于網絡節(jié)點的定位半徑的大小，這就是說，只有移動目標與 網絡節(jié)點之間的距離，比這兩個半徑中的任意一個都要小時，網絡節(jié)點才可能收到移動目 標發(fā)回來的呼叫回應信號。 這樣，當移動目標處于網絡節(jié)點定位半徑內，我們通過改變網絡節(jié)點的發(fā)射功率， 來改變網絡節(jié)點的信號覆蓋半徑時，從網絡節(jié)點能否接收到呼叫回應信號情況的變化，可 以找出發(fā)生這個變化時的臨界發(fā)射功率，以及對應的信號覆蓋半徑，這個信號覆蓋半徑就 是移動目標與對應的網絡節(jié)點的距離。 在定位范圍內的某些局部地區(qū)，環(huán)境條件可能比較復雜，此時，通過增加網絡節(jié)點 的密度，縮小網絡節(jié)點的定位半徑，或信號覆蓋半徑的方法，或采用信號指紋定位法都可以 達到提高定位精度的目的。 這里需要注意的是，影響無線通信距離的，除了信號源的發(fā)射功率和無線接收機 的接收靈敏度以外，信號源與無線接收機的高度位置也有很大的影響。因而，在定位系統(tǒng) 中，應注意移動目標和網絡節(jié)點的高度位置，應盡可能地保持一致。
無線微功率通信網絡 我們這里所說的無線微功率通信網絡，是包括Zigbee網絡在內的所有無線微功 率通信網絡。即這種網絡的網絡節(jié)點和移動目標的發(fā)射功率，原則上都符合國家所規(guī)定的 微功率收發(fā)機的范圍，只在個別情況下，根據(jù)網絡通信的實際需要，可將網絡節(jié)點的發(fā)射功 率適當加以提高；其次，這種網絡中網絡節(jié)點的聯(lián)結方式可以是有線的，例如大多數(shù)移動通 信網基站的聯(lián)結方式，也可是無線的，例如Zigbee網絡的聯(lián)結方式。它們具有一般通信網 絡所具有的，可在網絡的是，我們這里所描述的定位方法，它也適用于一般的無線通信網絡系統(tǒng)，例如現(xiàn)有的移動
通信網絡，只不過將它用于無線微功率網絡時更加方便簡單而已。 Zigbee網絡 Zigbee是一種新的無線網絡通信標準，主要是為工業(yè)和家庭自動化為目的而制定 的。特點是低成本，低功耗，低數(shù)據(jù)量和高集成度。它本身是一個信息傳輸網絡，要將它用 作為一個定位網絡，我們只需以Zigbee網絡系統(tǒng)中的主節(jié)點FFD(全功能裝置)作為定位 系統(tǒng)中的網絡節(jié)點，網絡子節(jié)點RFD(簡化功能裝置)作為移動終端；同時，我們還需要根據(jù) 實際定位的需要，調整主節(jié)點和子節(jié)點的發(fā)射功率，必要時包括接收靈敏度，以使網絡節(jié)點 的通信范圍，和定位精度都能滿足實際應用的需要。使用Zigbee網絡作為定位系統(tǒng)，一般 情況下，要求作為網絡節(jié)點的FFD具有固定的位置。
移動目標 是指由被定位對象(它可以是人員，車輛或其它能夠移動的物體)所攜帶的微功 率收發(fā)機。 本發(fā)明的系統(tǒng)結構及其定位方法 本發(fā)明的系統(tǒng)結構如圖l所示。移動目標M發(fā)射的，包含有移動目標M身份信息 的定位信號，被某個或某些網絡節(jié)點收到，這個或這些網絡節(jié)點，再將本身的地址信息，以 及所接受到的移動目標的身份碼信息，信號強度信息或發(fā)射功率大小等信息(如果需要的 話)，傳送到控制中心，控制中心根據(jù)這些信息以及預先通過現(xiàn)場實測得到的，儲存在控制 中心計算機中的其它相關資料，以這個網絡節(jié)點的位置，或這些網絡節(jié)點位置的幾何中心， 或通過前述的定位方法計算出的位置，作為移動目標的位置，從而完成對移動目標的定位。
網絡節(jié)點與網絡節(jié)點之間，以及網絡節(jié)點與控制中心之間的通信，可以采用有線
通信，也可以采用無線通信。
實施例 首先確定需要定位的區(qū)域，定位精度和需要采用的定位方法，再根據(jù)定位方法和 定位精度要求，建立無線微功率通信網絡(也可利用已有的無線通信網絡)，對整個定位區(qū) 域進行信號覆蓋，整個網絡的拓撲結構可以是多樣的，星狀，樹狀，網狀等。在特殊情況下， 也可采用間隔式的站點覆蓋，例如公交車輛運行的固定線路、煤礦井下坑道中人員定位點， 高速公路上的監(jiān)控站點等。每一個網絡節(jié)點應建立相應的位置標識，網絡節(jié)點的布置應與 具體采用的定位方法相一致。 對處于網絡中的所有需要定位的移動目標進行標識，并安裝無線微功率收發(fā)機，
一般情況下，用于移動目標的所有無線微功率收發(fā)機的設置應該完全一致。 在使用需要信號強度來定位的方法時，定位網絡節(jié)點或移動目標還應具備有，接
收信號強度指示的功能(RSSI)。 在需要使用臨界發(fā)射功率的方法來進行定位時，移動目標或網絡節(jié)點，應具有發(fā) 射功率大小控制分級的功能。 我們下面分別就前述四種定位方法進行具體的描述 1.在對系統(tǒng)簡單，精度要求不高的情況下，可以使用幾何中心定位法，來確定移動 目標的位置 首先建立網絡節(jié)點與移動目標的通信聯(lián)系
當移動目標M發(fā)射的定位信號僅被某一網絡節(jié)點A收到時，意味著M處于以A為 圓心，半徑為3= (KQ/Tr)"x的范圍內，如圖5所示。此時，該網絡節(jié)點A的位置，就是移動 目標M的位置。可以看出，移動目標M的發(fā)射功率越小、或網絡節(jié)點A的接收靈敏度越低， 則這個半徑a越小，移動目標M的實際位置就越接近網絡節(jié)點A，定位精度也就越高。這種 情況同樣適合以接收到定位信號最強的網絡節(jié)點，作為移動目標位置的定位方法。
圖6示出了 2個節(jié)點定位的情況。圖中節(jié)點A和B同時收到了移動目標M的定位 信號，或者節(jié)點A、 B上的定位信號強度大于其它節(jié)點上的定位信號強度。這時我們以節(jié)點 A、 B的幾何中心——節(jié)點A、 B連線的中點作為移動目標M位置。 圖7是3個節(jié)點定位的情況，圖中節(jié)點A、 B、 C同時都收到了移動目標M的定位信 號，或者節(jié)點A、B、C上的定位信號強度大于其他節(jié)點上的定位信號強度。這時我們以節(jié)點 A、 B、 C的幾何中心——即A ABC三條中線的交點作為移動目標M的位置。
利用這個方法，我們可以很容易地利用現(xiàn)有的移動通信網絡，來確定移動終端自 身的位置，我們只要在現(xiàn)有的移動通信網中增加一個功能，即當移動用戶需要知道自身的 大概位置時，通過手機位置按鍵，向對應的移動通信系統(tǒng)發(fā)出提供位置信息請求時，附近的 基站將通過短信，回應一個該基站的具體位置信息，(例如，"你現(xiàn)在的位置是xx區(qū)，xx標 志性建筑物附近等，.....)則手機用戶就可以將這個位置當作自己的位置，如果附近有幾 個基站可以與之通信，我們就可以得到附近幾個基站的位置信息，利用上面我們所講的定 位方法，手機用戶就可以比較清楚地知道自己的位置了。由于一般小靈通基站之間的距離 比較近，因而，這種方法對于小靈通系統(tǒng)而言，所得到的位置信息應該有一定的實用價值。
2.在傳輸環(huán)境相對簡單的定位區(qū)域，當我們對移動目標的定位精度有更高的要求 時，我們可以使用信號強度法或搜尋法使用這個方法時，需要預先通過現(xiàn)場簡單實測，建 立起定位區(qū)域內，信號強度與離開信號源距離的關系，或臨界發(fā)射功率與接收距離的關系， 或找出前述計算公式中K和x的值。在實際應用中，除個別射頻信號傳輸環(huán)境比較特殊的 網絡節(jié)點外，我們可以將一個具有代表性網絡節(jié)點的實測結果，用于定位區(qū)域內的其它網 絡節(jié)點。利用這個實測結果關系，控制中心便可以利用前述的信號強度法，或搜尋法來計算 移動目標與網絡節(jié)點之間的距離了 。 信號強度法根據(jù)某一個網絡節(jié)點所接收到的來自移動目標的信號強度，或移動 目標所接收到的來自該網絡節(jié)點的信號強度，利用預先經過現(xiàn)場實測建立起來的，接收信 號強度與到對應的信號源距離的關系，就可以計算出該網絡節(jié)點與對應的移動目標之間的 實際距離。采用同樣的方式，我們可以分別計算出同一個移動目標到不同網絡節(jié)點之間的 距離，再利用這些網絡節(jié)點本身的位置坐標，計算出移動目標的位置坐標。(圖8)
搜尋法，這種方法又分兩種情況 1)通過改變網絡節(jié)點的發(fā)射功率來定位某個移動目標處于定位區(qū)域內的某個 位置，在該移動目標的周圍，存在n個網絡節(jié)點(圖10)，這n個網絡節(jié)點都能接收到移動目 標發(fā)來的信號，當網絡呼叫該移動目標時，只要該移動目標能夠接收到來自網絡節(jié)點的呼 叫信號，這n個網絡節(jié)點一定能接收到該移動目標的回應信號。它們與移動目標的距離分 別為，Ll， < L2， < L3， . . . < Ln(第n網絡節(jié)點與移動目標的距離Ln最遠)。假定這些網 絡節(jié)點使用相同的某個發(fā)射功率呼叫移動目標時，移動目標都可以接收到來自所有這n個 網絡節(jié)點的呼叫信號，但隨著這這個呼叫發(fā)射功率的逐步降低，移動目標所接收到來自這n個網絡節(jié)點的呼叫信號將變得越來越弱，當網絡節(jié)點的發(fā)射功率剛剛低于Pn時，移動目標 將首先接收不到來自第n個網絡節(jié)點的呼叫信號，第n個網絡節(jié)點自然也就收不到來自移 動目標的回應信號。此時，Pn就是第n個網絡節(jié)點對應于該移動目標的臨界發(fā)射功率，Ln 就是網絡節(jié)點使用Pn發(fā)射功率時，移動目標能夠接收到第n個節(jié)點信號時的最遠距離，它 也是第n個網絡節(jié)點在發(fā)射功率為Pn時，對應于該移動目標的信號覆蓋半徑。利用預先經 過現(xiàn)場實測建立起來的，網絡節(jié)點的臨界發(fā)射功率與到移動目標距離的關系，我們很容易 計算得出移動目標到該網絡節(jié)點的實際距離。 隨著網絡節(jié)點發(fā)射功率進一步的降低，移動目標將逐次收不到來自第n-l， n-2， . . . . 3， 2， 1個網絡節(jié)點的信號，同樣這些網絡節(jié)點，也就逐次接收不到移動目標的回 應信號。這樣，我們將依次得到對應的第n， n-l， ..... 3， 2， 1個網絡節(jié)點的臨界發(fā)射功率，
Pn-l，.....P3， P2， Pl，和計算出移動目標到相應網絡節(jié)點的距離。同樣，當網絡節(jié)點從最
小的發(fā)射功率開始，逐步增大時，我們可以得到相同的結果，只不過此時，整個過程的方向 完全相反而已，即這些網絡節(jié)點，將從離開移動目標最近的網絡節(jié)點開始，逐次開始接收到 移動目標發(fā)來的回應信號。在實際定位時，我們往往只需要確定移動目標到最近的l-3個 網絡節(jié)點的距離，就足以滿足實際定位的要求了，例如城市公交線路上的公交車輛定位，和 煤礦井下坑道中的人員定位等。 2)通過改變移動目標的發(fā)射功率來定位某個移動目標處于定位區(qū)域內的某 個位置，在該移動目標的周圍，有m個網絡節(jié)點(圖ll)，與它的距離分別為，H1，<H2， <H3，... 〈Hm(第m個網絡節(jié)點與移動目標的距離Hm最遠。當移動目標采用最大功率發(fā) 射時，這m個網絡節(jié)點都能收到移動目標的發(fā)來的信號。假如我們將移動目標的發(fā)射功率 從大到小逐次降低，這m個網絡節(jié)點所接收到來自移動目標的信號將變得越來越弱。當移 動目標的發(fā)射功率剛剛小于Qm時，離開移動目標最遠的第m個網絡節(jié)點將首先接收不到來 自該移動目標的信號。此時，Qm就是該移動目標對應于第m個網絡節(jié)點的臨界發(fā)射功率， Hm就是移動目標在發(fā)射功率為Qm時，第m個網絡節(jié)點能夠接收到該移動目標信號的最遠距 離，也是移動目標在發(fā)射功率為Qm時，對應于第m個網絡節(jié)點的信號覆蓋半徑。利用預先 經過現(xiàn)場實測建立起來的，移動目標的臨界發(fā)射功率與到對應的網絡節(jié)點距離的關系，我 們很容易計算得出移動目標到該網絡節(jié)點的實際距離。 隨著移動目標發(fā)射功率進一步的降低，網絡節(jié)點將從遠到近逐個收不到來自移動 目標的信號，這樣，我們將依次得到對應于不同網絡節(jié)點Hm-l，……H3， H2， HI的臨界發(fā)射
功率Qm-l，.....Q3， Q2， Ql，和計算出移動目標到相應網絡節(jié)點的距離。同樣，當我們從最
小的發(fā)射功率開始，逐步增大發(fā)射功率時，我們可以得到相同的結果，只不過此時，整個過 程方向完全相反而已，即這些網絡節(jié)點，將從離開移動目標最近的網絡節(jié)點開始，逐次開始 接收到移動目標發(fā)來的信號。和前面所討論的一樣，在實際定位時，我們往往只需要確定離 移動目標最近的，l-3個網絡節(jié)點到移動目標的距離，就足以滿足實際定位的需要了。
這里還有一種應用情況，在這種情況下，我們僅僅需要讓移動目標自己知道自身 所處的位置就行了。此時，我們可以通過改變移動目標的發(fā)射功率，向周圍的網絡節(jié)點發(fā)出 呼叫信號，并要求網絡節(jié)點給以回應。例如，處于無線通信網絡(小靈通，WLAN， Zigbee等 網絡)信號覆蓋范圍內的移動通信終端，向周圍的基站發(fā)出呼叫信號，并請求給以回應。此 時，如果，移動目標自身要能接收到網絡節(jié)點的回應信號，則網絡節(jié)點首先必須要接收到移動目標的呼叫信號，因而，通過從大到小或從小到大地改變移動目標的發(fā)射功率，我們可以 很容易的得到，對應于不同網絡節(jié)點的移動目標的臨界發(fā)射功率，再利用這些網絡節(jié)點的 實際位置，從而得到移動目標與網絡節(jié)點之間的實際距離(無線通信網絡基站和移動終端 的距離)。在實際定位時，我們往往只需要知道1-3個網絡節(jié)點到移動目標的距離，就足以 滿足實際定位的需要了。顯然，離移動目標最近的l-3個網絡節(jié)點，無疑是最好的選擇。如 果我們可以在以上各種無線通信網絡的基站中，增加專門用于定位的，回應移動終端呼叫 等相關的功能，我們就可以很容易實現(xiàn)利用以上各種無線通信網絡，來確定移動終端自身 位置的目的。 3.在定位區(qū)域環(huán)境十分復雜，而定位精度要求又很高的應用場合，我們可以采用 信號指紋定位法信號指紋定位法包括信號強度指紋定位法，和臨界發(fā)射功率指紋定位法， 信號指紋定位法并不依賴于接收信號強度，與信號源的發(fā)射功率，或接收距離之間的普遍 規(guī)律，例如前述的計算公式，而是依賴于該定位區(qū)域內，處在某個具體位置的信號源的發(fā)射 功率，與區(qū)域內不同位置處的信號強度之間所存在的，完全依賴于該區(qū)域內特定環(huán)境條件 的特殊關系。 具體做法是建立網絡節(jié)點與移動目標的通信聯(lián)系，在需要定位的區(qū)域內，對于移 動目標在定位區(qū)域內的每一個位置，通過在與移動目標相鄰的多個網絡節(jié)點上，同時測量 一組信號強度值，或與該位置對應的一組臨界發(fā)射功率值，或對應于這些不同網絡節(jié)點，該 移動目標的一組臨界發(fā)射功率值，建立起移動目標在定位區(qū)域內每一個具體位置，與所采 用的不同信號指紋定位方法相應的，信號指紋特征數(shù)據(jù)庫。 信號強度指紋定位法建立網絡節(jié)點與移動目標的通信聯(lián)系，利用在J個網絡節(jié) 點上，同時接收到來自同一個移動目標的不同的信號強度，共同形成的信號強度指紋特征， 和數(shù)據(jù)庫中預先儲存的不同信號強度指紋特征，與移動目標的不同具體位置的一一對應關 系，來確定移動目標的位置，其中1。 臨界發(fā)射功率指紋定位法建立網絡節(jié)點與移動目標的通信聯(lián)系，利用在Q個網 絡節(jié)點上測得的，對應于移動目標某個具體位置的一組臨界發(fā)射功率值(或移動目標相對 于這Q個網絡節(jié)點的一組臨界發(fā)射功率值)，共同形成的臨界發(fā)射功率指紋特征，和數(shù)據(jù)庫 中預先儲存的不同臨界發(fā)射功率指紋特征，與移動目標不同具體位置的一一對應關系，來 確定移動目標的具體位置，其中Q^ 1。
本發(fā)明定位系統(tǒng)的組成和各部分功能 本發(fā)明定位系統(tǒng)，由具有固定標識位置的無線微功率收發(fā)機構成的網絡節(jié)點，安 裝有無線微功率收發(fā)機的移動目標，控制中心計算機，以及網絡管理軟件組成。網絡節(jié)點與 移動目標之間，可以進行無線通信。例如，移動目標可以向網絡節(jié)點發(fā)射帶有自身標識碼的 定位信號，也可接收來自網絡節(jié)點的其它信號；網絡節(jié)點和移動目標，可以是只具有單一發(fā) 射功能的無線微功率發(fā)射機，或只具有單一接收功能的無線微功率接收機，它們可以具有 接收信號強度顯示功能，或發(fā)射功率控制功能，具體的功能要求，取決于所采用的具體定位 方法。 所述網絡節(jié)點都通過有線或無線的通信方式與控制中心計算機相聯(lián)接。網絡節(jié)點 在定位系統(tǒng)中既是一個位置參照點，也是一個網絡通信的中繼站點。 所述網絡管理軟件，用于管理移動目標與網絡節(jié)點之間，網絡節(jié)點與網絡節(jié)點之間，以及它們與控制中心計算機之間的信息傳輸； 所述控制中心計算機用于運行網絡管理軟件，和相關定位信號的處理。 本發(fā)明的定位系統(tǒng)可同時具有對移動目標定位，和將移動目標位置信息，和其它
控制管理信息在整個微功率通信網絡上進行傳輸?shù)墓δ堋?本定位系統(tǒng)的優(yōu)越性和社會經濟效益 本發(fā)明結構簡單，技術成熟，經濟實用。構成本系統(tǒng)網絡節(jié)點的市場售價不超過 600元，移動目標的市場售價不超過人民幣100元，(而現(xiàn)有一個移動通信基站的造價一般 都在百萬元左右)；網絡節(jié)點和移動目標的發(fā)射功率可從0.01毫瓦，到IOO毫瓦或更大，定 位精度可從幾米到幾百米。 由于網絡節(jié)點成本低廉，本定位系統(tǒng)網絡節(jié)點間距可以做得很密，甚至可以做到 每個房間一個節(jié)點，這樣，就將現(xiàn)有移動通信網絡必須要面對的，大覆蓋范圍內的復雜不均 勻信號傳輸環(huán)境，變?yōu)樾「采w范圍內相對簡單均勻的環(huán)境，同時大大提高了定位精度。
本定位系統(tǒng)模塊集成度高，工作可靠，體積小，耗電量小，安裝靈活，維護方便。另 外，它還可以直接嵌入到設備系統(tǒng)中，因而使用十分方便。 本定位系統(tǒng)，將現(xiàn)有GPS定位監(jiān)控系統(tǒng)所包括的定位部分(GPS)，和信號傳輸部分 (現(xiàn)有移動通信網絡)兩者合而為一，從而大大降低了定位系統(tǒng)建設成本和運營成本。因而 本發(fā)明能以極低的成本，有效地解決城市以及其它諸多領域中，許多急待解決的實際定位 問題(例如公交車輛定位，煤礦井下人員定位等)。
應用實例說明 我們以城市中一條公交線路的智能化為例來加以說明 在整個公交線路沿線的每一個十字路口中央的紅綠燈桿上，或其它電桿上，以及 公交線路的終點站，設置一個具有遠距離(1500米左右)無線通信能力的網絡節(jié)點(固定 位置網絡節(jié)點)，在保證相鄰兩個網絡節(jié)點之間的距離不大于600-800米的前提下，對于那 些公交線路不拐彎，同時彼此相距又太近十字路口，可以不設置網絡節(jié)點。同時，在每一輛 公交車上，也安裝一個同樣的無線微功率收發(fā)機(移動目標)，在每一個公交車站上，安裝 一個近距離(30米左右)站臺通信模塊，站臺通信模塊通過有線的方式，與站臺顯示設備相 聯(lián)接，通過無線的方式與移動目標，以及固定位置網絡節(jié)點相連。固定網絡節(jié)點之間可以通 過有線或無線的方式進行通信，使用無線方式時，可以使用Zigbee網絡通信管理軟件進行 管理。這里需要說明的是由于站臺近距離通信模塊，與網絡節(jié)點之間的差別，主要是發(fā)射 功率的差別，因而，站臺通信模塊可以收到來自遠處的網絡節(jié)點，或移動目標(公交車)發(fā) 來的信號，而移動目標只有在離開車站30米距離以內，才可以收到站臺通信模塊發(fā)來的信 號。 當公交車?？磕硞€公交站臺時，移動目標將收到該站臺通信模塊發(fā)來的該站臺的 編碼信號，并記錄?？吭撜九_的時間，并通過安裝在十字路口的固定位置網絡節(jié)點，將這些 信息，必要時包括上下車人數(shù)的信息，傳往控制中心，以及前方站臺。當公交車行駛在兩個 設置了網絡節(jié)點的十字路口之間時，這兩個網絡節(jié)點將接收到來自公交車的信號，以及對 應的信號強度指示，利用事先在現(xiàn)場測試得到的，公交車位置與這兩個網絡節(jié)點所接收到 的信號強度的關系，我們可以很容易得到公交車在這兩個十字路口之間的具體位置，然后 通過網絡傳給車輛即將到達的前方各車站。
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現(xiàn)場實測效驗為了避免可能出現(xiàn)的差錯，在正式起用定位系統(tǒng)前，還需要實際駕 駛車輛，沿公交車輛的實際運行線路，進行實際位置與信號強度，或臨界發(fā)射功率關系的測 系統(tǒng)的優(yōu)化，在實際網絡的布置中，在保證傳輸網絡通信可靠，定位系統(tǒng)簡單準確 的情況下，根據(jù)具體環(huán)境條件，完全可以對網絡節(jié)點的數(shù)量進行增減，位置進行調整，以達 到最佳效果。 本案例中，無線發(fā)射機使用的頻段為2.4Ghz的免費頻段，采用直序擴頻通信方 式，全向發(fā)射天線。 經濟成本核算假如這條線路上有20輛公交車，雙向50個車站，連同線路網絡節(jié) 點在內，一共需要100個左右的無線微功率收發(fā)機。加上計算機系統(tǒng)，軟件等，整個定位系 統(tǒng)的成本不超過20萬元。相比現(xiàn)有用于智能公交的GPS定位系統(tǒng)，本定位系統(tǒng)在實際應用 上，更加可靠和切實可行；在經濟上，不僅大大降低了系統(tǒng)的硬件和安裝成本，而且，由于不 需要使用現(xiàn)有移動通信網絡，因而避免了現(xiàn)有GPS定位系統(tǒng)每月要交納的網絡使用費。
權利要求
一種無線微功率網絡定位方法，用于無線微功率網絡定位系統(tǒng)，其特征在于，所述方法包括如下步驟a.建立網絡節(jié)點與移動目標的通信聯(lián)系；b.通過現(xiàn)場實測，建立定位區(qū)域內，不同網絡節(jié)點臨界發(fā)射功率與對應移動目標距離的普遍關系；c.通過改變n個網絡節(jié)點的發(fā)射功率，分別找出它們能夠接收到移動目標回應信號時的臨界發(fā)射功率值，再根據(jù)該定位區(qū)域內，預先測得的網絡節(jié)點的臨界發(fā)射功率，與移動目標距離的普遍關系，來確定移動目標的位置，此時n≤3。
2. 根據(jù)權利要求1所述的無線微功率網絡定位方法，其特征在于，所述無線微功率網 絡定位系統(tǒng)包括具有固定位置的無線微功率收發(fā)機組成的網絡節(jié)點，與所述網絡節(jié)點相連 的控制中心計算機系統(tǒng)，安裝有無線微功率收發(fā)機的移動目標，所述網絡節(jié)點與移動目標 之間通過無線通信方式連接，所述網絡節(jié)點與控制中心計算機系統(tǒng)之間，通過無線或有線 通信的方式進行連接；所述控制中心計算機系統(tǒng)存儲有網絡節(jié)點的地址，移動目標的身份 碼識別信息，以及與移動目標定位有關的其它信息和網絡管理軟件；所述無線微功率收發(fā) 機是由具有單一接收，或單一發(fā)射功能，或接收和發(fā)射功能同時兼?zhèn)涞母叨燃傻膯涡酒?收發(fā)機構成；所述網絡既是一個定位網絡，又是一個信息傳輸網絡，移動目標通過這個網絡 就可以直接與控制中心計算機系統(tǒng)進行通信。
3. 根據(jù)權利要求2所述的無線微功率網絡定位系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)中所有無線微 功率收發(fā)機的發(fā)射功率，在國際通用的2.4G ISM免費頻段上，不大于100mW，在其他頻段 上，除滿足國家對相關頻段上的功率使用限制，不超過iw。
4. 根據(jù)權利要求2或3所述的無線微功率網絡定位系統(tǒng)，其特征在于，所述無線微功率 收發(fā)機所使用的頻率，是國際通用的2.4G ISM免費頻段，并采用了直序擴頻通信技術。
全文摘要
本發(fā)明涉及定位技術，特別涉及無線微功率網絡定位技術及其定位方法。本發(fā)明解決了現(xiàn)有定位系統(tǒng)結構復雜，投資大，運營費用高，不能在城市等復雜環(huán)境條件下，滿足許多實際應用需要的缺點，公開了一種無線微功率網絡定位技術及其定位方法。本發(fā)明以網絡節(jié)點的位置為參考，根據(jù)定位區(qū)域內信號源，接收機，發(fā)射功率和信號強度之間的普遍關系，和依賴于環(huán)境特征的特定關系，來確定移動目標的位置。本發(fā)明結構簡單，成本低，技術成熟，不需要復雜的測量和計算，也可不需要電子地圖，就能滿足實際定位需要；本系統(tǒng)既是一個定位網絡，又是一個可傳輸位置信息和控制信息的通信網絡，不僅簡化了結構，方便了使用，而且大大降低了運營成本。
文檔編號H04W64/00GK101795488SQ20091025993
公開日2010年8月4日 申請日期2006年11月2日 優(yōu)先權日2006年11月2日
發(fā)明者孫長征, 廖應成 申請人:西安西谷微功率數(shù)據(jù)技術有限責任公司