CN101799530A - 一种无线室内定位方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线室内定位方法和系统。该方法包括户外地面数字电视信号的引入步骤和室内定位的实现步骤，其中室内定位的实现步骤包括：b1、室内接收机以广播的形式发送定位请求信号；b2、数字电视接收机接收信号后启动自身内部的定位处理模块，进入定位状态；b3、数字电视接收机求出接收天线的空间位置；b4、数字电视接收机将接收天线的位置信息和系统的时间信息以UWB信号的形式通过有线传输，传给接收天线；b5、接收天线将此UWB信号发送给待定位接收机；b6、待定位接收机根据不同情况处理，实现定位。本发明的技术方案能够实现高精度、全方位定位。
Description
技术领域
本发明涉及无线定位技术领域，尤其涉及小范围的高精度的室内无线定位的实现方法和系统。
背景技术
针对现在应用最广的全球定位(Global Position System，GPS)系统，由于存在多径效应，卫星轨道误差、电离层延迟效应等现象的存在，信号衰减严重，到达地面的信号微弱，GPS在市区实现定位的概率为60％，室内定位概率则为0。而随着短距离无线通信技术的发展，逐渐出现了小范围的定位系统，如红外线、蓝牙、WiFi等，用于室内定位，虽然定位精度高于GPS，却容易受噪声信号的干扰，定位误差存在不稳定性，而且设备昂贵，耗能高，使用起来不方便。
面对这种情况，随着家用电视从模拟走向数字化以及我国地面数字电视在人们生活中的普及，考虑到地面数字电视信号(下文简称“DTV-T信号”)具有较强的抗多径能力，传输速率较高，同时具备较好的发射站分布，且发射站位置不变，不像GPS系统中基于卫星定位要进行频繁更新，所以人们开始利用DTV-T信号来实现定位。对于户外的接收机，采用国家地面数字电视标准理论上可实现0.4m～4m的测距误差，而GPS系统的误差为5m～20m，相对来说提高了定位精度，而且解决了GPS冷启动慢的缺点，但是DTV-T信号经过长距离的传输，受到的干扰大，衰减比较严重。对于室内接收机，当接收机位于DTV-T信号强覆盖的区域时，到达室内的信号强度大，可实现室内定位，但当接收机位于DTV-T信号微弱或者无法到达的区域时，再加上室内信号多径效应强，接收机就很难接收到DTV-T信号，且信号的干扰大，定位误差在米级以上甚至无法实现定位。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够实现高精度、全方位定位的无线室内定位方法和系统。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
本发明提供一种无线室内定位方法：
包括户外地面数字电视信号的引入步骤和室内定位的实现步骤；
所述户外地面数字电视信号的引入步骤包括：
a1、每个DTV发射塔接收四颗以上GPS卫星发出的位置信息和时间信息，实现自身的定位，然后位置保持不变，在后续的时间里与GPS卫星进行时间校对；
a2、在DTV-T信号覆盖范围内的数字电视接收机通过室外的接收天线，接收附近四个DTV发射塔发出的信号，并提取信号中有关DTV发射塔的位置信息和时间信息，启动自身的定位处理模块，实现对接收天线的定位；
a3、数字电视接收机将接收天线的位置信息和系统的时间信息以UWB信号的形式通过有线传输，传给接收天线；
a4、接收天线发射UWB信号给待定位接收机；
所述室内定位的实现步骤包括：
b1、室内接收机需要定位时，以广播的形式发送定位请求信号；
b2、数字电视接收机接收到此定位请求信号，启动自身内部的定位处理模块，进入定位状态；
b3、数字电视接收机获得接收天线发送过来的信号后，从信号中提取出四台DTV发射塔的位置信息和系统的时间信息，通过定位处理模块中的TDOA定位算法，求出接收天线的空间位置；
b4、数字电视接收机将接收天线的位置信息和系统的时间信息以UWB信号的形式通过有线传输，传给接收天线；
b5、接收天线将此UWB信号发送给待定位接收机；
b6、待定位接收机接收到四根接收天线发出的UWB信号后，若自身有定位处理模块，通过模块中的定位算法实现自我定位；若自身没有定位处理模块，将接收到的位置信号和时间信号汇总，统一发送给计算机定位中心，然后由计算机定位中心负责待定位接收机位置信息的计算，并将此位置信息发给待定位接收机，实现对室内待定位接收机的定位。
优选的，所述数字电视接收机利用室外的接收天线将户外数字电视信号引入室内，再利用UWB信号在室内传送接收天线的位置信息和时间信息。
优选的，所述UWB信号的有线传输共用接收天线连接数字电视接收机的同轴电缆。
优选的，所述接收天线在接收户外的数字电视信号的同时反向发射UWB信号。
本发明提供一种无线室内定位系统：
包括户外数字电视信号传递组件和对室内UWB信号进行处理的组件；
所述户外数字电视信号传递组件包括：
(1)用于设定整个无线定位系统时间信息的GPS卫星；
(2)作为接收天线的参考基站的DTV发射塔；
(3)用于接收户外数字电视信号，发射UWB信号和作为待定位接收机的参考基站的接收天线；
所述对室内UWB信号进行处理的组件包括：
(1)用于处理接收天线传过来的信号，并产生UWB信号的数字电视接收机；
(2)用于放大接收到的来自待定位接收机的信号再转发出去给计算机定位中心的差转台；
(3)用于处理差转台发送过来的信号，实现对待定位接收机的定位计算的计算机定位中心。
优选的，所述的DTV发射塔以GPS卫星为参考基站；
所述的接收天线选取DTV发射塔作为参考基站，通过同轴电缆连接到对应的数字电视接收机进行定位计算；
所述的待定位接收机以接收天线为参考基站。
优选的，所述数字电视接收机内部包括定位处理模块和UWB脉冲形成模块。
优选的，所述接收天线利用多频滤波器实现只允许DTV-T信号和UWB信号两频段的信号通过。
上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
(1)对于户外接收机，可以直接利用DTV发射塔发出的地面数字电视信号进行定位，基于DBM-T技术，定位精度为0.4m～4.0m。相对GPS定位系统，定位精度较高，基本上满足了户外定位的要求。
(2)由于UWB信号具有较好的时间分辨力和穿透能力，可以减少信号干扰，而且UWB信号本身具有精确定位的优势，所以对于室内接收机，定位精度可达到厘米级，符合在复杂的室内环境中人们对定位的要求。
(3)由于DTV发射塔的位置基本保持不变，无需像GPS系统中基于卫星定位需要不断的更新，解决了GPS系统中冷启动慢的缺点，有利于进行及时的定位，可以减少危急情况下的损失。
(4)只要用户家中有数字电视接收机，并且该数字电视接收机处在DTV-T信号的覆盖范围内，就可以进行高精度的室内定位。
附图说明
图1是本发明的户外地面数字电视信号的引入过程的流程图；
图2是本发明的室内定位的实现过程的流程图；
图3是本发明实施例的无线室内定位系统的结构组成框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
现已经出现超宽带(Ultra Wide Band，UWB)技术，超宽带技术具有自身功耗低、系统复杂度低、抗多径效果好、能实现精确定位等优点，理论上可实现厘米级的定位精度，相比于其他无线短距离通信技术，是实现高精度室内定位的首选，符合了未来无线定位技术发展的方向。
本发明综合利用超宽带技术和地面数字电视技术，提供基于超宽带信号和地面数字电视信号的无线室内定位系统和方法。
本发明主要在现已研究成熟的基于数字电视信号的无线定位基础上，通过数字电视接收机的作用，引进定位精度更高的UWB技术作为室内定位的实现技术，使整个系统在实现高精度的户外定位时又能在复杂的室内环境中实现更高精度的室内定位，给人们的生活带来更大的便捷。
本发明的无线室内定位方法，包括户外地面数字电视信号的引入和室内定位的实现两步骤。户外的地面数字电视信号通过数字电视接收机的接收天线接收，然后传输到数字电视接收机进行定位处理；当数字电视接收机计算出接收天线的空间位置后，数字电视接收机将接收天线的位置信息和系统的时间信息以UWB信号的形式通过线缆传给接收天线；接收天线发射UWB信号给待定位接收机；待定位接收机对UWB信号进行接收并处理，实现自我定位。
本发明系统的数字电视接收机不仅能显示节目信号，还能够实现对接收天线的定位计算和产生UWB信号。
本发明的UWB信号的有线传输共用了接收天线连接数字电视接收机的同轴电缆，在基本不占频道资源的情况下增加了信号传输量，而且不影响原有数字电视信号的传输，实现了信号的双向传输。
本发所述接收天线既可以接收户外的数字电视信号，又可以反向发射UWB信号。
以下对户外地面数字电视信号的引入和室内定位的两步骤分别进行详细介绍：
(一)户外地面数字电视信号的引入步骤，参见图1：
a1、每个DTV发射塔接收四颗以上GPS卫星发出的位置信息和时间信息，实现自身的定位，然后位置保持不变，在后续的时间里只需与GPS卫星进行时间校对；
a2、在DTV-T信号覆盖范围内的数字电视接收机通过室外的接收天线，接收附近四个DTV发射塔发出的信号，并提取信号中有关DTV发射塔的位置信息和时间信息，启动自身的定位处理模块，实现对接收天线的定位；
a3、数字电视接收机将接收天线的位置信息和系统的时间信息以UWB信号的形式通过有线传输，传给接收天线；
a4、接收天线发射UWB信号给待定位接收机。
(二)室内定位的实现步骤，参见图2：
b1、室内接收机需要定位时，以广播的形式发送定位请求信号。广播信号的覆盖范围可以设为50m或其他距离。
b2、在50m内的数字电视接收机接收到此定位请求信号，启动自身内部的定位处理模块，进入定位状态；
b3、数字电视接收机获得接收天线发送过来的信号后，从信号中提取出四台DTV发射塔的位置信息和系统的时间信息，通过定位处理模块中的TDOA定位算法，求出接收天线的空间位置；
b4、数字电视接收机将接收天线的位置信息和系统的时间信息以UWB信号的形式通过有线传输，传给接收天线；
b5、接收天线将此UWB信号发送给待定位接收机；
b6、待定位接收机接收到50m范围内四根接收天线发出的UWB信号后，若自身有定位处理模块，就可以通过模块中的定位算法实现自我定位；若自身没有定位处理模块，就将接收到的位置信号和时间信号汇总，统一发送给计算机定位中心，然后由计算机定位中心负责待定位接收机位置信息的计算，并将此位置信息发给待定位接收机，实现对室内待定位接收机的定位。
本发明无线室内定位的方法，通过将户外DTV-T信号引入室内，并在室内利用UWB信号实现定位，有效的克服了室内信号的多径效应，减少信号衰减，实现了室内定位低误差，定位系统简单化的设计目标。
户外DTV-T信号的引入通过数字电视接收机的户外接收天线实现，而室内定位的实现则利用UWB信号实现。DTV发射塔时刻在发射数字电视节目信号，并且将自身的位置信息和系统的时间信息随同数字电视节目信号一起发射出去，方便用户接收机随时随地的进行定位。处于DTV-T信号覆盖范围内的数字电视接收机，通过安置在室外的接收天线接收DTV-T信号，然后将接收到的信号传给数字电视接收机，完成了对户外DTV-T信号的引入工作。数字电视接收机接收到室内待定位接收机的定位请求信号时，就会启动自身的定位处理模块，进入定位状态，从接收天线获取的信号中提取出DTV发射塔的位置信息和时间信息，利用定位处理模块中的TDOA算法，求解得到接收天线的空间位置坐标，然后将接收天线的位置信息和系统的时间信息通过UWB脉冲生成器处理生成相应的UWB信号，再将该UWB信号通过接收天线和数字电视接收机之间的连接线传给接收天线。接收天线接收到此UWB信号后，就将该信号发射出去，以便待定位接收机接收。当待定位接收机接收到四根接收天线发出的UWB信号时，若本身携带有定位处理模块，就会启动自身的定位处理模块，进行自我定位；若接收机本身没有定位处理模块，无法对此UWB信号进行定位计算，则可以将来自四根接收天线的UWB信号汇总，以适于远距离传输的信号形式发射出去，到达计算机定位中心进行定位计算，当计算机定位中心完成定位计算，再将结果发给待定位接收机，完成定位。
本发明的无线定位方法，当完成一次对室内待定位接收机的定位之前，首先要完成对数字电视接收机接收天线的定位，这样待定位接收机才能将接收天线作为参考基站，通过接收天线提供的UWB信号，实现自我定位。不管是对接收天线还是对待定位接收机进行定位，每一次定位都需要有四个以上的参考基站提供相应的位置信息。针对不同的定位精度要求，可以增加参考基站的数量，以提高定位精度。
图3示为本发明实施例的无线室内定位系统的结构组成框图。如图3所示，本实施例基于超宽带信号和地面数字电视信号的无线室内定位系统，具体包括：
(1)用于设定整个无线定位系统时间信息的GPS卫星；
(2)作为接收天线的参考基站的DTV发射塔；
(3)用于接收户外数字电视信号，将DTV-T信号引入室内，发射UWB信号和作为待定位接收机的参考基站的接收天线；
(4)用于处理接收天线传过来的信号，并产生UWB信号的数字电视接收机；
(5)用于放大接收到的来自待定位接收机的信号再转发出去给计算机定位中心的差转台；
(6)用于处理差转台发送过来的信号，实现对待定位接收机的定位计算的计算机定位中心；
所述的DTV发射塔以GPS卫星为参考基站；所述的接收天线选取DTV发射塔作为参考基站，通过对应的数字电视接收机进行定位计算；所述的待定位接收机以接收天线为参考基站，数字电视接收机离待定位接收机的距离不宜过远，才能确保接收天线发出的UWB信号到达待定接收机时，信号的强度足够进行相应的算法运算。
其中，GPS卫星的分布使得地面用户在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图像，提供了在时间上连续的全球定位能力。随着数字电视的不断普及，为了使人们能随时随地收看高清晰的电视节目，DTV发射塔的数量应该足够多，保证所有的数字电视接收机均处于DTV-T信号的覆盖区域内。数字电视接收机一般安装在用户室内，而接收天线通常安装在室外，有助于获取高质量的DTV-T信号。
本发明系统中所说的数字电视接收机与传统的数字电视接收机不一样，本文所述的数字电视接收机除了能满足人们观看电视节目的要求外，还具有能够实现定位计算和产生UWB信号的能力，所以在原有的数字电视接收机内部应该加入定位处理模块和UWB脉冲生成器，以实现上述功能。接收天线和数字电视接收机是有线连接的，该连接线也是UWB信号进行有线传输的介质。接收天线属于多频天线，允许DTV-T信号的接收和UWB信号的发射。差转台的数量要足够多，才能确保各处的待定位接收机发出的信号能经差转台放大后，到达计算机定位中心有足够的信号强度，有利于提高定位精度。计算机定位中心接收到待定位接收机发出的信号时，就启动定位处理器，利用相应的定位算法实现对待定位接收机的定位，然后再把计算出来的定位结果发给待定位接收机，完成整个定位功能。
本系统中所有的定位处理模块中均选用基于到达时间差定位(TDOA)算法实现对参考基站位置信息的处理。为了获取待定位点的三维空间位置坐标，每一次定位算法的使用都得选用四个参考基站，才能根据相应的计算公式实现空间位置坐标的求解。为了减少定位误差，可选用四个以上的参考基站，提高定位精度。而且所述的所有的系统组件，相同的组件间，必须通过接收前面相同组件的时间信息，保持同一级组件间的时间同步。
本发明无线室内定位的系统，利用UWB信号定位精度高的优势实现了室内定位，提高了定位的精确性。数字电视接收机求得接收天线的空间位置后，将接收天线的位置时间信息通过UWB脉冲产生器调制，以UWB信号的形式通过有线传输到达接收天线，然后由接收天线发射此UWB信号。待定位接收机接收此UWB信号后，若本身携带有定位处模块，就可实现自我定位；若接收机本身没有定位处理模块，就会将接收到的UWB信号复用，然后以适于远距离传输的信号形式发射出去，到达计算机定位中心进行定位计算，最后计算机定位中心将计算结果发回待定位接收机，从而实现对待定位接收机的定位。
本发明系统所述的数字电视接收机，满足数字电视接收机与待定位接收机的空间距离不超过50m这一要求，目的是为了确保UWB信号到达待定位接收机时有足够的信号强度。考虑到UWB信号的传输速率、发射功率和传输距离可以互换的特性，针对室内这个特殊的环境，为了确保UWB信号不对人体造成伤害，所以将UWB的发射功率限制在-41.3dBm/MHz。而UWB信号的有效传输距离为10m，在此距离内可实现500Mbps以上的高数据率，但在这距离以外，随着距离的增大，数据传输率急剧下降，而且由于室内环境复杂，信号衰减就更厉害。所以电视接收机和待定位接收机的距离不宜过远。针对UWB技术的中低速传输，传输速率在1Mbps～30Mbps之间，传输距离可达100m以上，所以选取50m这个通信距离，可有效的保证接收信号的强度。
如图3所示，本实施例基于超宽带信号和地面数字电视信号的无线室内定位方法如下：
(1)当室内待定位接收机需要定位时，就会以广播的形式发送定位请求信号。考虑到后面数字电视接收机的接收天线发送UWB信号时，UWB信号的传输速率和传输距离之间的互换关系，为了保证待定位接收机能够接收到足够大的UWB信号强度，将定位请求信号的传输范围控制在50m内；
(2)在50m广播范围内的数字电视接收机接收到此定位请求信号时，启动自身的定位处理模块，从接收天线传输过来的DTV-T信号中提取各DTV发射塔的位置信息和系统的时间信息。数字电视接收机为了实现对接收天线空间位置的定位，必须同时从接收天线的DTV-T信号中获得四台DTV发射塔的位置信息，然后通过TDOA算法算出接收天线的三维空间位置坐标；
(3)数字电视接收机计算得出接收天线的空间位置后，将此位置信息和系统的时间信息以UWB信号的形式通过连接线传给接收天线，由接收天线发射此UWB信号；
待定位接收机为了实现空间位置三维坐标的计算，要求在50m内的范围内，至少存在四台数字电视接收机，才能实现同时具有四根接收天线对待定位接收机发送位置信号；
(4)待定位接收机如果本身具有定位处理模块，就可以直接接收四根接收天线发出的UWB信号，并根据信号到达时间的不同算出每两个UWB信号到达的时间差，然后利用四根接收天线的位置信息和信号到达的时间差，根据TDOA算法算出自己的空间坐标，实现自我定位。若待定位接收机没有定位处理模块，待定位接收机接收到UWB信号后，将各接收天线的位置信息和时间差值以普通的信号方式汇总发送到计算机定位中心，由计算机定位中心来进行定位计算，然后计算机定位中心再将计算出来的有关待定位接收机的位置坐标信息发给待定位接收机，完成定位。
本发明在原有的GPS卫星和地面数字电视无线广播相结合实现全方位定位的基础上，利用人们所熟悉的数字电视接收机和接收天线引入户外DTV-T信号并对信号进行相应的处理，引进UWB技术作为室内定位的实现技术，大大提高了室内的定位精度，而且相对于利用DTV-T信号进行室内定位的系统，还降低了对发射塔发射信号的功率要求，减少了定位系统的耗能成本，降低了电磁波污染。还有针对UWB信号独有的技术特点，选择到达时间差定位(TDOA)算法作为定位处理模块的核心技术，不仅能充分发挥UWB信号高带宽的优势，提高了定位精度，还减少了系统确定待定位接收机位置的计算量和简化系统对接收机与基站需时间同步的要求。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁盘或光盘等。
以上对本发明实施例所提供的一种无线室内定位方法和系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种无线室内定位方法，其特征在于：
包括户外地面数字电视信号的引入步骤和室内定位的实现步骤；
所述户外地面数字电视信号的引入步骤包括：
a1、每个DTV发射塔接收四颗以上GPS卫星发出的位置信息和时间信息，实现自身的定位，然后位置保持不变，在后续的时间里与GPS卫星进行时间校对；
a2、在DTV-T信号覆盖范围内的数字电视接收机通过室外的接收天线，接收附近四个DTV发射塔发出的信号，并提取信号中有关DTV发射塔的位置信息和时间信息，启动自身的定位处理模块，实现对接收天线的定位；
a3、数字电视接收机将接收天线的位置信息和系统的时间信息以UWB信号的形式通过有线传输，传给接收天线；
a4、接收天线发射UWB信号给待定位接收机；
所述室内定位的实现步骤包括：
b1、室内接收机需要定位时，以广播的形式发送定位请求信号；
b2、数字电视接收机接收到此定位请求信号，启动自身内部的定位处理模块，进入定位状态；
b3、数字电视接收机获得接收天线发送过来的信号后，从信号中提取出四台DTV发射塔的位置信息和系统的时间信息，通过定位处理模块中的TDOA定位算法，求出接收天线的空间位置；
b4、数字电视接收机将接收天线的位置信息和系统的时间信息以UWB信号的形式通过有线传输，传给接收天线；
b5、接收天线将此UWB信号发送给待定位接收机；
b6、待定位接收机接收到四根接收天线发出的UWB信号后，若自身有定位处理模块，通过模块中的定位算法实现自我定位；若自身没有定位处理模块，将接收到的位置信号和时间信号汇总，统一发送给计算机定位中心，然后由计算机定位中心负责待定位接收机位置信息的计算，并将此位置信息发给待定位接收机，实现对室内待定位接收机的定位。
2.根据权利要求1所述的无线室内定位方法，其特征在于：
所述数字电视接收机利用室外的接收天线将户外数字电视信号引入室内，再利用UWB信号在室内传送接收天线的位置信息和时间信息。
3.根据权利要求1或2所述的无线室内定位方法，其特征在于：
所述UWB信号的有线传输共用接收天线连接数字电视接收机的同轴电缆。
4.根据权利要求1或2所述的基于超宽带信号和地面数字电视信号的无线室内定位方法，其特征在于：
所述接收天线在接收户外的数字电视信号的同时反向发射UWB信号。
5.一种无线室内定位系统，其特征在于：
包括户外数字电视信号传递组件和对室内UWB信号进行处理的组件；
所述户外数字电视信号传递组件包括：
(1)用于设定整个无线定位系统时间信息的GPS卫星；
(2)作为接收天线的参考基站的DTV发射塔；
(3)用于接收户外数字电视信号，发射UWB信号和作为待定位接收机的参考基站的接收天线；
所述对室内UWB信号进行处理的组件包括：
(1)用于处理接收天线传过来的信号，并产生UWB信号的数字电视接收机；
(2)用于放大接收到的来自待定位接收机的信号再转发出去给计算机定位中心的差转台；
(3)用于处理差转台发送过来的信号，实现对待定位接收机的定位计算的计算机定位中心。
6.根据权利要求5所述的无线室内定位系统，其特征在于：
所述的DTV发射塔以GPS卫星为参考基站；
所述的接收天线选取DTV发射塔作为参考基站，通过同轴电缆连接到对应的数字电视接收机进行定位计算；
所述的待定位接收机以接收天线为参考基站。
7.根据权利要求5或6所述的无线室内定位系统，其特征在于：
所述数字电视接收机内部包括定位处理模块和UWB脉冲形成模块。
8.根据权利要求5或6所述的无线室内定位系统，其特征在于：
所述接收天线利用多频滤波器实现只允许DTV-T信号和UWB信号两频段的信号通过。
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