CN101706568B - 一种主从式定位的系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种主从式定位的系统及其方法，该装置可以随时定位人或物的位置，可应用在贵重资产定位、追踪等领域，但本发明的主要应用领域为特定范围的儿童定位保护。该系统包括移动终端设备、四个接收装置和一个控制中心，移动终端设备均包括主终端设备和从终端设备。本发明待定位场所布置4-6个接收装置，接收装置构成一定的几何形状，各接收装置的坐标位置要进行精确测量，然后从终端设备向接收装置定期发送信息，通过该信息计算出从终端设备到各个接收装置的距离，通过求解定位方程获得从终端设备的位置信息。本发明的原理简便，使用灵活，实现起来非常简单，非常容易在商场、公园、游乐园等公共场所得到广泛的应用。

Description

一种主从式定位的系统及其方法

技术领域：

本发明是一种主从式定位的系统及其方法，该装置可以随时定位人或物的位置，可应用在贵重资产定位、追踪等领域，但本发明的主要应用领域为特定范围的儿童定位保护。如儿童在主题公园里走丢，在商场与父母失去联系等等，这些问题都可以利用本发明的实时定位系统来解决。

背景技术：

人们一般使用全球定位系统(GPS，Global Positioning System)实现定位和导航，用户通过接收多颗卫星发出的信号实现三维定位。

据美联社报道，目前美国市场上已开始出售一种微型手表式卫星定位系统接收器。与过去又大又笨重的接收器相比，这款接收器只有指甲那么大，小孩外出时带在手腕上，既能当手表，又能作为报警器，无论走多远，父母都能在一分钟之内准确找到他所在的位置，这对于防止儿童迷路和帮助警察侦破绑架儿童案将会发挥重要作用。

报道说，这种“个人定位器”是由美国硅谷惠里菲无线电公司开发的。它有两个功能键：定位键和呼叫键。如果小孩单独外出时感觉身陷危险，可以按定位键，锁定定位器，父母即可在六十秒之内找到小孩所在的位置；如按呼叫键，警察可及时赶到现场营救。但是这一新科技产品价格昂贵，标价为3999美元，外加每月服务费25美元，高价格不利于市场推广。而且本商品目前只供应美国市场。

发明内容：

本发明涉及一种主从式定位的系统及其方法，该装置可以对在某一场所内的移动终端进行定位，本系统具有成本低等优点。

本发明的基本思想是：在对布设的需定位场所内的接收装置本身的位置坐标进行测量校准后，则它们的位置坐标是已知的量。各个接收装置都连接着一路接收、检测信号预处理电路。通过测量目标信号源到各个接收装置的间的斜距值，用解析法来确定目标的位置。

本系统包括若干对移动终端设备、四个接收装置和一个控制中心，每对移动终端设备均包括主终端设备和从终端设备，其中从终端设备给儿童佩戴的，主终端设备给儿童监护人佩戴的。所述的控制中心为一台计算机，所述的接收装置包括DSP和与DSP相连的无线发射接收模块，所述的主终端设备包括MCU和与MCU相连接的无线发射接收模块、显示模块以及按键，所述的从终端设备包括MCU和与MCU相连接的无线发射接收模块。

在本系统中，首先确定四个接收装置在安装场中的坐标位置，其三维空间坐标分别为R₁(x₁，y₁，z₁)，R₂(x₂，y₂，z₂)、R₃(x₃，y₃，z₃)和R₄(x₄，y₄，z₄)。这里可能有超过四个接收装置，但是位置计算中我们只用到4个信号。每一个接收装置与坐标原点间的距离分别为：

d_i＝(x_i ²+y_i ²+z_i ²)^1/2  (i＝1，2，3，4)                    (1)

各个接收装置向从终端设备发送信号，相应的从终端设备接收信息，立即向外发送信号，各个接收装置根据时间差计算出斜距。但是由于接收装置和从设备终端在接收、发送，处理信息时有时延，即接收装置时间偏移误差τ。因此，上面接收装置计算出来的斜距称为伪距，简写为PR_i。

另外，本发明采用的通信与定位电磁波的频率选择为2.45GHz，因为这个频段的飞行时间效率高，适合近距离的无线通信；此频段上已有wifi，蓝牙和zigbee等应用系统，并且这个频段是免费的。

PR_i可由接收装置(第i个)发送信号，到接收到想对应信号的传播时延T_i计算得出，已知2.45GHz频段的电磁波的传播速度速率c＝3×10⁸m/s。

PR_i＝T_i×c/2  (i＝1，2，3，4)                            (2)

四个接收装置将计算得到的上述四个伪距数值不同，并分别传给控制中心，控制中心进行处理得到从终端设备的位置信息，具体处理方法如下：

四个接收装置计算得到的上述四个伪距数值不同，接收装置分别将各自计算的伪距传给控制中心，控制中心进行处理得到从终端设备的位置信息，具体处理方法如下：

各个接收装置测得的目标斜距r_i分别为：

r_i＝PR_i-τ×c/2  (i＝1，2，3，4)                         (3)

目标从设备的坐标T(x，y，z)，并同时可以得到目标与坐标原点O之间的斜距为：

r＝[x²+y²+z²]^1/2                                                      (4)

将式(3)展开，并结合(1)、(4)式得到：

r_i ²＝(x-x_i)²+(y-y_i)²+(z-z_i)²＝r²+d_i ²-2(x_ix+y_iy+z_iz)(i＝1，2，3，4)    (5)

将四个接收装置的伪距与时延联系在一起的方程称为距离方程，具体为

$\left\{\begin{array}{c}{r}^2+{d_1}^2-2(x_{1}x+y_{1}y+z_{1}z)=P{R}_1-\mathrm{\τ}\×c/2\\ r^2+{d_2}^2-2(x_{2}x+y_{2}y+z_{2}z)=P{R}_2-\mathrm{\τ}\×c/2\\ r^2+{d_3}^2-2(x_{3}x+y_{3}y+z_{3}z)=P{R}_3-\mathrm{\τ}\×c/2\\ r^2+{d_4}^2-2(x_{4}x+y_{4}y+z_{4}z)=P{R}_4-\mathrm{\τ}\×c/2\end{array}\right.---\left(6\right)$

利用标准的解非线性模拟方程的数字技术求解距离方程，以求出四个未知量x，y，z，τ(由于方程中含有平方项，所以称为非线性)。

整个定位系统分由若干对终端设备、4个接收装置和一个控制中心组成。控制中心主要是由一台高性能的计算机来实现的。控制中心与各个接收装置通过Ethernet连接，采用TCP/IP协议通信。控制中心根据各个接收装置提供的伪距PR_i来计算目标从终端设备的位置。具体计算采用公式(6)。

为了提高系统的定位精度，可以利用差分定位技术。在本系统中采用了最简单的差分定位技术，在需要定位的场所中事先固定一个从终端设备，并测得其相应的坐标G(X，Y，Z)。每次定位目标从终端设备时，同时通过四个固定的接收装置测量G点的位置，并经过公式(6)计算得到其坐标位置为(X′，Y′，Z′)；将测到的坐标与实际已知的坐标相比较，并且以(ΔX，ΔY，ΔZ)差值(见式7)的形式应用到目标从终端设备定位中；从而得到从设备经过差分修正后的坐标T_d(x_d，y_d，z_d)，见公式(8)。

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ΔX}=X-X^{\′}\\ \mathrm{\ΔY}=Y-Y^{\′}\\ \mathrm{\ΔZ}=Z-Z^{\′}\end{array}\right.---\left(7\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{x}_d=x+\mathrm{\ΔX}\\ y_d=y+\mathrm{\ΔY}\\ z_d=z+\mathrm{\ΔZ}\end{array}\right.---\left(8\right)$

从终端设备有两种工作模式，分为普通模式和紧急模式。普通模式为每隔3-10分钟刷新一次位置信息，紧急模式情况下每隔1分钟刷新一次位置信息。终端的工作模式(普通或紧急)可通过接收装置进行设定。

主终端设备可以通过向控制中心发出相应的请求命令，把其从终端设备设备设置为紧急模式；同时也可以请求控制中心取消其从终端设备的紧急模式，从而设置为普通模式。

本发明是同样是利用电子设备随时定位人或物的位置，但并不利用全球定位系统信息，而是利用接收装置与接收信号之间的位置关系进行定位。可应用在贵重资产定位、追踪等领域，但本发明的主要应用领域为特定范围的儿童定位保护。如儿童在主题公园里走丢，在商场与父母失去联系等，这些问题都可以利用本发明的实时定位系统来解决，同时本系统相对于全球定位系统具有成本低的优势。

附图说明

图1接收装置定位；

图2系统的拓扑结构简图；

图3从终端设备接收装置的结构框图；

图4主终端设备接收装置的结构框图；

图5接收装置的结构框图。

具体的实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

本发明涉及一种主从式定位的系统及其方法的实现。其采用的通信与定位电磁波的频率选择为2.45GHz，因为这个频段的飞行时间效率高，适合近距离的无线通信，同时该频段是免费的。在对布设的接收装置本身的位置坐标进行测量校准后，则它们的位置坐标是已知的量。并且各个接收装置后面都接着一路接收、检测信号预处理电路。通过测量目标信号源到各个接收装置的间的斜距值，用解析法来确定目标的位置。

确定目标位置的定位原理可以根据图1中所示由四个接收装置在安装场中的坐标位置，其三维空间坐标分别为R₁(x₁，y₁，z₁)，R₂(x₂，y₂，z₂)、R₃(x₃，y₃，z₃)和R₄(x₄，y₄，z₄)。每一个接收装置与坐标原点间的距离分别为：d_i＝(x_i ²+y_i ²+z_i ²)^1/2(i＝1，2，3，4)。

在本实例中，整个定位系统分由若干对终端、4个接收装置、一个固定好位置的从终端设备和一个控制中心组成，其相应的结构图如图2所示。其中终端为一对便携式的电子装置，一个佩戴于儿童手腕上，另外一个佩带于监护人的手腕上；4个接收装置需预先固定好位置；控制中心主要由一台高性能的计算机实现。

佩戴于儿童手腕上的电子装置(从终端设备)没有任何功能键，根据图3中所示，从终端设备是由一个MCU(微处理器)和与MCU相连接的无线发射接收模块组成的；其功能只能被动的接收和发生信息。佩戴于监护人腕上的电子装置(主终端设备)有相应的功能按键，可以主动的通过无线通信的方式给控制中心发送信息，主终端设备是有一个MCU和与MCU相连接的无线发射接收模块、显示模块(LED)以及一个按键，即如图4所示。接收装置是由一个DSP(数字信号处理器)与DSP(数字信号处理器)相连接的无线发射接收模块组成，即如图5所示；接收装置通过TCP/IP与控制中心通信，通过无线的方式与从终端设备通信。

各个接收装置同时向目标从终端设备(其相应的三维坐标T(x，y，z))发送信号，相应的从终端设备接收信息，立即向外发送信号，各个接收装置根据时间差计算出斜距。但是由于接收装置和从设备终端在接收、发送，处理信息时有时延，即接收装置时间偏移误差τ。因此，上面接收装置计算出来的斜距称为伪距，简写为PR_i。

PR_i可由接收装置(第i个)发送信号，到接收到想对应信号的传播时延T_i计算得出，已知2.45GHz频段的电磁波的传播速度速率c＝3×10⁸m/s。

根据公式(2)、(3)、(4)、(5)和(6)；并利用标准的解非线性模拟方程的数字技术求解距离方程，以求出四个未知量x，y，z，τ。

为了提高系统的定位精度，可以利用差分定位技术。在本系统中采用了最简单的差分定位技术，在需要定位的场所中事先固定一个从终端设备，并测得其相应的坐标G(X，Y，Z)。每次定位目标从终端设备时，同时通过四个固定的接收装置测量G点的位置，并经过公式(6)计算得到其坐标位置为(X′，Y′，Z′)；将测到的坐标与实际已知的坐标相比较，并且以(ΔX，ΔY，ΔZ)差值(见式7)的形式应用到目标从终端设备定位中；从而得到从设备经过差分修正后的坐标T_d(x_d，y_d，z_d)，见公式(8)。

从终端设备有两种工作模式，分为普通模式和紧急模式。普通模式为每隔5分钟刷新一次位置信息，紧急模式情况下每隔1分钟刷新一次位置信息。从终端设备的工作模式可通过接收装置进行设定。

控制中心发现某从终端设备不在该公园或者商场的物理空间范围之内时，会立即把其的工作模式设置为紧急模式；与此同时发送相应的命令，通知相应的主终端设备，告之其儿童目前已经不在该场所的物理空间范围之类，主终端设备收到相应的命令时，若没有和儿童走散，则需向控制中心发送取消紧急模式的请求命令。

当儿童的监护人发现和其儿童走散时，可以通过向控制中心发送请求将从终端设备设置为紧急模式；控制中心收到请求命令后，立刻把其主终端设备的从终端设备的工作模式设定为紧急模式。当监护人在本系统提供的定位信息引导下找到其儿童时，向控制中心发送请求取消其从终端设备紧急模式的命令。

控制中心与接收装置通过Ethernet连接，采用TCP/IP协议通信，可以保证通信内容的安全性。控制中心根据各个接收装置提供的信息来计算终端设备的位置。具体计算采用公式(2)、(3)、(6)、(7)和(8)。

在本实例中，进行定位和控制的主要步骤如下：

(i)从终端设备上电后，开始工作，按照间隔为5min向外发送含有信息的命令，提供给控制中心用于定位；

(ii)控制中心通过从4个固定的接收装置传回来的斜距值，经过解析运算和差分运算，计算出当前该从终端设备的三维坐标位置；

(iii)若从终端设备已经不在该场所的物理空间范围之类时，则立刻把其工作状态设置为紧急模式；

(iv)当主终端设备发送相应的命令请求把其从终端设备的工作状态设置为紧急模式；并由步骤(ii)计算出从终端设备的具体位置，工作人员通过广播等平台向其监护人播报该儿童的位置信息；

(v)监护人找到其儿童后，要向控制中心发送取消其从设备终端的紧急模式命令，此后其从设备终端的工作模式为普通模式。

当儿童和其监护人离开该场所时，归还该主从终端设备后，工作人员会给控制中心发送相应的命令，不再对此从终端设备进行定位。

Claims (4)

1.一种主从式定位系统的主从式定位方法，该系统包括移动终端设备、四个接收装置和一个控制中心，移动终端设备均包括主终端设备和从终端设备；所述的控制中心为一台计算机，所述的接收装置包括DSP和与DSP相连的无线发射接收模块，所述的主终端设备包括MCU和与MCU相连接的无线发射接收模块，所述的从终端设备包括MCU和与MCU相连接的无线发射接收模块；其特征在于：

四个接收装置固定安装在需定位场所，主终端设备和控制中心之间、以及接收装置和从终端设备之间均通过无线通信的方式进行通讯；

四个接收装置在安装场中的坐标位置已知，设其三维空间坐标分别为R₁(x₁，y₁，z₁)，R₂(x₂，y₂，z₂)、R₃(x₃，y₃，z₃)和R₄(x₄，y₄，z₄)，则每一个接收装置与坐标原点间的距离分别为：

d_i＝(x_i ²+y_i ²+z_i ²)^1/2    其中：i＝1，2，3，4    (1)

定位时，各个接收装置同时向从终端设备发送信号，从终端设备接收到信号后，立即向外发送信号，各个接收装置再接收从终端设备发送的信号，设从接收装置发送信号到接收装置接收到从终端设备返回来的信号之间的时间为T_i，各个接收装置根据信号传送的时间T_i来计算斜距，所述的斜距为从终端设备到各个接收装置的距离；由于接收装置和从终端设备在接收、发送、处理信息时有时延，即接收装置时间偏移误差τ，因此，上面接收装置计算出来的斜距称为伪距，简写为PR_i，其中i＝1，2，3，4；

所述的接收装置和从终端设备之间、以及主终端设备和控制中心之间的通信与定位电磁波的频率选择为2.45GHz，已知2.45GHz频段的电磁波的传播速度速率c＝3×10⁸m/s；

PR_i由下式计算得出：

PR_i＝T_i×c/2    其中：i＝1，2，3，4    (2)

四个所述的接收装置计算得到的四个伪距数值不同，接收装置分别将各自计算得到的伪距传给控制中心，控制中心进行处理得到从终端设备的位置信息，具体处理方法如下：

各个接收装置到从终端设备的实际目标斜距r_i分别为： 

r_i＝PR_i-τ×c/2    其中：i＝1，2，3，4    (3)

设目标从终端设备的坐标为T(x，y，z)，目标从终端设备与坐标原点O之间的斜距为：

r＝[x²+y²+z²]^1/2    (4)

将式(3)展开，并结合(1)、(4)式得到：

r_i ²＝(x-x_i)²+(y-y_i)²+(z-z_i)²＝r²+d_i ²-2(x_ix+y_iy+z_iz)(i＝1，2，3，4)    (5)

将四个接收装置的伪距与时延联系在一起的方程称为距离方程，具体为：

对(6)式求解，得到目标从终端设备的坐标及时间偏移误差x，y，z，τ。

2.根据权利要求1所述的主从式定位方法，其特征在于：还包括固定安装在需定位场所的坐标已知的从终端设备B，设其坐标为G(X，Y，Z)，每次定位从终端设备时，同时通过四个固定的接收装置测量G点的位置，并经过公式(6)计算得到从终端设备B的坐标位置为(X′，Y′，Z′)；将经过公式(6)计算得到的坐标(X′，Y′，Z′)与从终端设备B的实际坐标(X，Y，Z)相比较，并且以(ΔX，ΔY，ΔZ)差值的形式对从终端设备的坐标进行修订，从而得到从终端设备的坐标T_d(x_d，y_d，z_d)

3.根据权利要求1所述的主从式定位方法，其特征在于：所述的从终端设备的工作模式有两种，即普通模式和紧急模式，所述的普通模式为在接收装置的控制下，从终端设备以3-10分钟的时间间隔向接收装置发送信息，所述的紧急模式为从终端设备以1分钟为间隔向接收装置发送信息。 

4.根据权利要求3所述的一种主从式定位方法，其特征在于：所述的紧急模式的设置能够通过主终端设备向控制中心发送相应的命令请求，控制中心通过控制接收装置把从终端设备的工作状态设置为紧急模式。 

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