CN102098782B - 一种基于调频广播的终端定位方法及专用定位装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于调频广播的终端定位方法，其能解决现有移动定位技术的缺陷和不足，成本低、稳定可靠、精度较高、续航能力强，其包括以下步骤：步骤一：定位装置依次在调频广播规定频段内的所有频点上接收广播信号，并记录下接收到广播的频点和信号接收强度值，获得一组来自多个广播发射台发射的广播信号强度值；步骤二：定位装置通过步骤一得到的一组来自多个广播发射台发射的广播信号强度值获得以上所记录的频点接收到的广播发射台的地理位置和发射功率信息；步骤三：定位装置依据各频点广播接收强度值、调频广播的频率、发射功率信息和广播发射台的地理位置计算所述待测终端的位置。本发明还提供了专用定位装置，其包括处理器单元、调频广播接收模块、存储模块，处理器单元与调频广播接收模块、存储模块之间分别通过总线电控连接。
Description
技术领域
本发明属于移动通信领域，尤其涉及一种终端定位方法和一种终端定位装置，具体为一种基于调频广播的终端定位方法及专用定位装置。
背景技术
移动定位技术在交通运输、生活服务、生产安全保障等诸多领域中有着越来越普及的应用。在交通运输业中，车载移动定位终端被用于目标车辆的定位和轨迹监控，实现了失窃车辆的追踪、物流运输跟踪调度、交通流量的监视预警等功能；在生活服务业中，手持移动定位终端将位置信息提交至信息检索服务器处理，向用户推荐附近的餐饮、旅游、购物场所并提供线路导航；在井下开采、野外勘探、远洋渔业中，随身携带的移动定位终端当险情发生时，定期向服务器发送被困者的位置信息，以便搜索人员准确定位，及时搜救。据Frost & Sullivan公司预测，2013年亚太地区定位服务市场收入将达到8亿美元。
随着移动定位应用需求的快速增长，商业化定位服务对定位技术在便携性、准确性、可靠性和成本方面提出了更高要求，推动移动定位技术不断创新。目前，移动定位技术大体上可分为四类方法：短距离无线定位技术、基于移动网络定位、基于全球卫星定位系统定位方法和混合的移动定位方法。
1） 短距离无线定位技术
WLAN、RFID、蓝牙、UWB、ZIGBEE等无线信号在短距离定位方向被广泛使用。短距离无线定位采用信号衰减计算距离：无线信号在空间传播过程中，随着传播距离的增大，会产生不同程度的衰减。通过测量信号频率和接收时的能量得到能量衰减，根据能量衰减公式可计算出发射端与接收端的距离。利用以上计算距离方法，分别计算出同一个发射端（终端）到三个接收端的距离，通过三角定位方法，确定终端坐标。
短距离无线定位方法在室内环境使用时，通过提高接收节点密度，多组距离数据相互参照，可以减小定位误差，实现精度较高的定位。然而，其在大规模应用时受精度、成本、使用范围等诸多限制：现实的无线网络环境中，存在不同密度的障碍物、信号干扰源等情况，导致无线信号传播产生漫反射、反射以及被吸收等情况，求得的距离与实际距离存在很大的偏差，导致短距离无线定位误差较大；短距离无线定位技术的节点成本与部署成本相对较高，低功耗WIFI，ZIGBEE节点价格动辄几十元到几百元，而WIFI接收端节点价格更是居高不下，且需要消耗时间成本进行部署和定位训练；短距离无线定位受成本和功耗限制，难以在户外大规模部署，限制了其使用范围。
2） 基于移动网络定位技术
基于移动通信网络的无线定位方法，是利用当前蜂窝网络中位置已知的基站作为参考位置，并通过利用无线信号的传输特性使用特定的算法判断被测物体的位置。一般包括：
基于Cell ID的定位，利用蜂窝网络的蜂窝结构，将终端所处的小区认为是终端的位置，这种方法的优点是实现简单，终端侧不需要作任何软件或硬件的修改，网络侧不需要增加新的网络定位实体。缺点是定位精度不高，特别是由于多径效应的存在，其定位精度有时甚至达不到小区或扇区级；
基于来波到达角AOA(Angle of arrival)的定位，由两个或更多基站利用天线阵列测出电波的到达方向，进而测量来自终端的信号的到达角，来估计移动用户位置，在障碍物较多的环境中，由于无线传输的多径效应，导致测量误差增大，定位精度较低，尤其是当移动台距离基站较远时，基站定位角度的微小偏差会导致测位线距离的较大误差；
基于来波到达时间TOA(Time of Arrival)的定位，通过测量移动台信号到达多个基站的传播时间来确定移动用户位置的方法。该方法需要有三个以上的基站能接收到移动台的信号，然后利用三角定位算法计算出移动台的位置。该方法的优点是无需修改现有终端，但需要在基站附加硬件，网络建设成本高。
基于来波到达时间差TDOA(Time Different of Arrival)的定位方法，通过检测移动台信号到达两个基站的时间差来确定移动台的位置，此时的移动台，必定位于以两个基站为焦点的双曲线上，确定移动台的二维位置坐标需要建立两个以上双曲线方程，也就是说需要至少三个以上的基站接收到移动台信号，而两个双曲线的交点即为移动台的二维位置坐标；
基于移动网络定位利用和改造已有运营商网络设备可广域定位，成本相对低。然而由于蜂窝网络信号衰减较快，在基站较少的区域无法提供的服务，该定位方法精度依赖运营商网络部署密度，可靠性差。
3） 基于全球卫星定位系统定位技术
全球卫星定位系统（Global Positioning System）是美国提供的中距离圆型轨道卫星导航系统。使用者只需拥有GPS终端机即可使用该服务，无需另外付费。目前比较实用的GPS定位方法是网络辅助的GPS定位，即在定位时，网络通过跟踪GPS卫星信号，解调出GPS导航信号，并将这些信息传送给移动台，移动台利用这些信息可以快速的搜索到有效的GPS卫星，接收到卫星信号后，计算移动台位置的工作可以由网络实体或移动台完成。基于GPS的定位方法的优点是定位精度较高，定位半径可达到几米、十几米，因此利用该种定位技术．可满足对定位精度要求较高业务的需要，如在电子地图上显示用户位置等。
基于GPS的无线定位技术的定位精度虽然较高，在成本、耗电、安全和稳定性上均有不足：GPS芯片成本较高，且耗电量大，不适合大量部署；由于GPS由美国军方控制，安全性将无法保证；GPS定位精度受终端所处环境的影响也较大，如用户在室内或在高大建筑物之间时，由于可跟踪到的GPS卫星数量较少，定位精度将降低，甚至无法完成定位。
4）混合定位
混合定位技术，即在一个系统中，综合使用上述三类定位技术中的两种或多种方法。在野外，可以利用GPS定位提供高精度的位置信息，同时网络侧可以提供辅助信息来缩短定位时间和提高定位精度；在城市，可以利用基站、无线热点密集的优势，采用基于移动网络信号与短距离无线定位结合的定位方式，或者采用混合利用GPS信号和移动网络信号的定位方式，实现在复杂环境下（如室内、城市高楼之间）的定位。混合无线定位技术，实际上是前三类方法的组合，只是在不同的环境中使用不同的技术，因此没有从根本上解决前三类技术的缺陷。
综上所述，一方面随着商用无线定位服务业务的发展，用户对定位精度的要求日趋增高；另一方面，现有的无线定位技术又存在各种的缺陷。开发一种精度高、成本低、可靠性好的无线定位方法是十分必要和紧迫的。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种基于高频广播的终端定位方法，其能解决现有移动定位技术的缺陷和不足，成本低、稳定可靠、精度较高、续航能力强，为此本发明还提供了专用定位装置。
一种基于调频广播的终端定位方法，其特征在于：
其包括以下步骤：
步骤一：定位装置依次在调频广播规定频段内的所有频点上接收广播信号，并记录下接收到广播的频点和信号接收强度值(Received Signal Strength Indication)，从而获得一组来自多个广播发射台发射的广播信号强度值；
步骤二：所述定位装置通过步骤一得到的所述一组来自多个广播发射台发射的广播信号强度值获得以上所记录的频点接收到的广播发射台的地理位置和发射功率信息；
步骤三：所述定位装置依据所述各频点广播接收强度值、调频广播的频率、发射功率信息和广播发射台的地理位置计算所述定位装置的位置。
其进一步特征在于：
所述步骤二中获得频点所接收到的广播发射台的地理位置和发射功率方法包括：事先测量所有广播发射台的地理位置以及发射功率信息并存储在所述定位装置中，并建立所述频点和广播发射台的对应关系，当所述定位终端接收到特定频点的广播信号时通过查表获得该广播发射台的位置和发射功率信息；当所述定位装置使用支持RDS（Radio Data System）的FM接收机时，RDS自动检测和解调调频广播信号中的数字内容，进而获得当前广播发射台的位置和发射功率信息；
所述步骤三中计算定位装置位置包含以下步骤：
(1)通过所述步骤二获得接收到的N个广播发射台的位置，用<xi,yi,zi>表示第i个发射台的位置，用RSSIi表示接受到的第i个广播发射台的信号强度；
(2)根据自由空间无线电传播路径损耗模型，用已知量表示定位装置到N个发射台的距离；
自由空间无线电传播路径损耗模型如下： 。其中，Lbf为自由空间损耗(dB)，D为距离(km)，F为频率(MHz)，n为路径衰减因子，取值为2～4，为取值范围在32-35之间的常数。接收点接收到的信号强度模型如下： 。RSSI代表接收信号强度指示，为发射功率，为接收增益和损耗的结果,同一终端定位装置可认为是某未知常量；
设标号为i的广播信号接收端信号强度为，其发射功率为，其频率为，定位装置到发射台距离为，代入路径损耗模型和信号强度模型并化简：
其中，、、已知，c为某未知常量，路径衰减因子n可采用室温空气中近似值2，也可根据具体部署场景，通过测量两个定位装置到某电台距离比和两定位装置接收信号强度之差，计算得到：
(3)根据定位装置到N个发射台的距离与发射台位置，采用加权质心算法计算移动终端位置：加权质心算法的基本思想是在质心算法中，通过加权因子来体现信标节点对质心坐标决定权的大小，利用加权因子体现各信标节点对质心位置的影响程度，反映它们间的内在关系，其计算公式如下：
其中(xi,yi,zi)分别表示第i个发射台的位置坐标，(x,y,z)标示定位装置的位置坐标。将代入，通过分子分母提取并约分未知常量，最终定位装置坐标(x,y,z)可由已知量n,,,，,,(i=1,2,…N)计算得出。
相应的，本发明还提供了一种专用定位装置，其特征在于：其包括处理器单元、调频广播接收模块、存储模块，所述调频广播接收模块，用于接收发射台发射的广播信号，可以在指定的频点上接收广播信号，能测量所接收信号的接收信号强度值；存储模块，用于存储已知的发射台编码、发射台位置及发射功率；所述处理器单元与所述调频广播接收模块、存储模块之间分别通过总线电控连接。
其进一步特征在于：其还包括附加功能模块，所述附加功能单元与所述处理器单元通过所述总线电控连接；所述附加功能模块根据无线定位装置的不同实际使用要求进行加载，所述附加功能模块可以为GPS芯片或WIFI芯片，也可以为显示模块与通信模块的组合；所述GPS芯片或WIFI芯片可以用于满足定位装置定位精度、功耗、稳定性的要求；所述显示模块与通信模块的组合可以用于定位与收发信息使用。
使用本发明方法进行移动终端定位，其有益效果在于：其利用调频广播信号定位，在每一应用场所，采用在该场所所能接受到的源于不同距离发射台的调频电磁波信号强度的实测数据作为参考标准，对终端进行定位。与现有技术中将针对特定的网络环境获得的衰减模型应用于其他任意网络环境的定位方式相比，可以显著提高定位的准确性。同时，调频广播覆盖范围广，且调频广播信号障碍物穿透能力强，在野外、室内、地下室均可接收，使用调频广播信号，可提供稳定无间断的定位服务；调频广播接收芯片（FM芯片）功耗低，相比于GPS等定位模块，功耗大大降低，且使用调频广播定位的无线定位装置构造简单，耗电量小。可提供续航时间长的定位服务；调频广播的接收芯片成本低廉，便于普及。FM芯片批量供货成本不足3元，2009年在国内手机上的使用量达1.2亿，基本上已成为目前移动电话的标配，也很容易集成到各种其它待定位终端中。
附图说明
图1是本发明中提供的无线网络中终端的定位方法流程图；
图2是本发明中提供的定位装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，以下结合具体事例以及定位流程图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明无线定位方法包括以下几个步骤：
步骤一：定位装置依次在调频广播规定频段内的所有频点上接收广播信号，并记录下接收到广播的频点和信号接收强度值(Received Signal Strength Indication)，从而获得一组来自多个广播发射台发射的广播信号强度值；
步骤二：定位装置通过步骤一得到的一组来自多个广播发射台发射的广播信号强度值获得以上所记录的频点接收到的广播发射台的地理位置和发射功率信息：事先测量所有广播发射台的地理位置和发射功率并存储在定位装置中，建立电台频点和发射台的对应关系，当所述定位装置接收到特定频点的广播信号时通过查表获得该电台的位置和发射功率；当定位装置使用支持RDS（Radio Data System）的FM接收机时，可以检测和解调调频广播信号中的数字内容，进而获得当前广播发射台的位置和发射功率信息；
步骤三：定位装置依据所述各频点广播接收强度值、调频广播频率、发射功率信息和广播发射台的地理位置计算所述定位装置的位置：
(1)通过所述步骤二获得接收到的N个广播发射台的位置，用<xi,yi,zi>表示第i个发射台的位置，用RSSIi表示接受到的第i个广播发射台的信号强度。
(2)根据自由空间无线电传播路径损耗模型，用已知量表示定位装置到N个发射台的距离。
自由空间无线电传播路径损耗模型如下： 。其中，Lbf为自由空间损耗(dB)，D为距离(km)，F为频率(MHz)，n为路径衰减因子，取值为2～4，为取值范围在32-35之间的常数。接收点接收到的信号强度模型如下： 。RSSI代表接收信号强度指示，为发射功率，为接收增益和损耗的结果,同一终端定位装置可认为是某未知常量。
设标号为i的广播信号接收端信号强度为,其发射功率为，其频率为，移动终端到发射台距离为，代入路径损耗模型和信号强度模型并化简：
其中，、、已知，c为某未知常量。路径衰减因子n可采用室温空气中近似值2，也可根据具体部署场景，通过测量两个移动终端到某电台距离比和两终端接收信号强度之差，计算得到：
(3)根据移动终端到N个发射台的距离与发射台位置，采用加权质心算法计算移动终端位置。加权质心算法的基本思想是在质心算法中，通过加权因子来体现信标节点对质心坐标决定权的大小，利用加权因子体现各信标节点对质心位置的影响程度，反映它们间的内在关系，其计算公式如下：
其中(xi,yi,zi)分别表示第i个发射台的位置坐标，(x,y,z)标示终端定位装置的位置坐标。将代入，通过分子分母提取并约分未知常量，最终终端定位装置坐标(x,y,z)可由已知量n,,,，,,(i=1,2,…N)计算得出。
本发明的一种基于调频广播的专用定位装置，见图2其包括处理器单元1、调频广播接收模块2、存储模块3，调频广播接收模块2用于接收发射台发射的广播信号，可以在指定的频点上接收广播信号，能测量所接收信号的接收信号强度值；存储模块3，用于存储已知的发射台编码、发射台位置及发射功率；处理器单元1与调频广播接收模块2、存储模块3之间分别通过总线5连接。其还包括附加功能模块4，附加功能单元与处理器单元1通过总线5连接；附加功能模块4根据无线定位装置的不同实际使用要求进行加载，附加功能模块4可以为GPS芯片或WIFI芯片，也可以为显示模块与通信模块的组合； GPS芯片或WIFI芯片可以用于满足定位装置定位精度、功耗、稳定性的要求；显示模块与通信模块的组合可以用于定位与收发信息使用。
下面具体描述一下本发明专用定位装置的工作过程：
Sl01：打开定位装置，处理器单元1控制调频广播接收模块2内的FM接收机依次在FM允许频段内的所有频点上接收FM广播信号，并记录当前正在进行FM广播的频点、测量相应信号的接收信号强度值，并将所述频点信息与接收信号强度值信息存储于存储模块3内；
S102：获取各频点发射台的发射功率和位置坐标并存储：事先测量所有广播发射台的地理位置和发射功率信息并存储在定位装置的存储模块3中，如果调频广播接收模块2的FM接收机支持RDS（Radio Data System）方式，且发射台通过RDS广播发射台的发送功率和位置坐标，则直接通过FM接收机上的RDS解码数据获得发射台的发送功率和位置坐标；否则通过存储在定位装置存储模块3的FM发射台频点和广播发射台的对应关系，由处理器单元1进行查表从而获取该频点的广播发射台位置和发射功率信息；
S103：处理器单元1调取存储模块3中的上述所获得的各频点广播发射台的信号强度值、调频广播频率、发射功率和广播发射台的地理位置代入发射台到移动终端距离公式中，利用加权质心算法计算终端设备的位置：整个待测区域内分布N个调频广播发射台，其位置已知，第i个发射台Si的位置坐标为(xi,yi,zi)，待定位终端T的位置未知，通过定位装置上FM接收机获得所有发射台广播信号的接收信号强度值，用P i 表示编码为i的电台发射台的发射功率，用R i 表示待测终端接收到编码为i的电台发射信号的接收强度，路径衰减因子n可采用室温空气中近似值2。终端上存储模块所存储的编码为I 的发射台经度、维度、海拔高度分别表示为x i ,y i ,z i 。用x,y,z表示终端位置的经度、维度、海拔高度，则
在上述实施例中，一般终端设备包括笔记本电脑，手机，小灵通等。需要指出的是，以上所批露的仅为本发明优选实施例，因此依据本发明权利要求作出的同等变化，仍属于本发明保护范围。
Claims (4)
1.一种基于调频广播的终端定位方法，其特征在于：其包括以下步骤：
步骤一：定位装置依次在调频广播规定频段内的所有频点上接收广播信号，并记录下接收到广播的频点和信号接收强度值(Received Signal Strength Indication)，从而获得一组来自多个广播发射台发射的广播信号强度值；
步骤二：所述定位装置通过步骤一得到的所述一组来自多个广播发射台发射的广播信号强度值获得以上所记录的频点接收到的广播发射台的地理位置和发射功率信息；
步骤三：所述定位装置依据所述各频点广播接收强度值、调频广播的频率、发射功率信息和广播发射台的地理位置计算定位装置的位置；
所述步骤二中获得频点所接收到的广播发射台的地理位置和发射功率方法包括：事先测量所有广播发射台的地理位置以及发射功率信息并存储在所述定位装置中，并建立所述频点和广播发射台的对应关系，当所述定位装置接收到特定频点的广播信号时通过查表获得该广播发射台的位置和发射功率信息；当所述定位装置使用支持RDS（Radio Data System）的FM接收机时，RDS自动检测和解调调频广播信号中的数字内容，进而获得当前广播发射台的位置和发射功率信息；
所述步骤三中计算定位装置位置包含以下步骤：
(1)通过所述步骤二获得接收到的N个广播发射台的位置，用<xi,yi,zi>表示第i个发射台的位置，用RSSIi表示接受到的第i个广播发射台的信号强度；
(2)根据自由空间无线电传播路径损耗模型，用已知量表示定位装置到N个发射台的距离；
自由空间无线电传播路径损耗模型如下： ，其中，Lbf为自由空间损耗(dB)，D为距离(km)，F为频率(MHz)，n为路径衰减因子，取值为2～4，为取值范围在32-35之间的常数，接收点接收到的信号强度模型如下： ，
RSSI代表接收信号强度指示，为发射功率，为接收增益和损耗的结果,同一终端定位装置可认为是某未知常量；设标号为i的广播信号接收端信号强度为,其发射功率为，其频率为，移动终端到发射台距离为，代入路径损耗模型和信号强度模型并化简：
其中，、、已知，c为某未知常量，路径衰减因子n可采用室温空气中近似值2，也可根据具体部署场景，通过测量两个定位装置到某电台距离比和两终端接收信号强度之差，计算得到：
(3)根据定位装置到N个发射台的距离与发射台位置，采用加权质心算法计算移动终端位置：加权质心算法的基本思想是在质心算法中，通过加权因子来体现信标节点对质心坐标决定权的大小，利用加权因子体现各信标节点对质心位置的影响程度，反映它们间的内在关系，其计算公式如下：
其中(xi,yi,zi)分别表示第i个发射台的位置坐标，(x,y,z)标示终端位置坐标，将代入，通过分子分母提取并约分未知常量，最终定位装置坐标(x,y,z)可由已知量n,,,，,,(i=1,2,…N)计算得出。
2.根据权利要求1所述的一种调频广播的终端定位方法的专用定位装置，其特征在于：其包括处理器单元、调频广播接收模块、存储模块，
所述调频广播接收模块，用于接收发射台发射的广播信号，可以在指定的频点上接收广播信号，能测量所接收信号的接收信号强度值，并将频点信息与接收信号强度值信息存储于存储模块内；
存储模块，存储有已知的发射台编码、发射台位置及发射功率信息，以通过存储在所述存储模块内的已知的发射台编码、发射台位置及发射功率信息获取由所述调频广播接收模块接收到频点的广播发射台位置和发射功率信息；
处理器单元，所述处理器单元与所述调频广播接收模块、存储模块之间分别通过总线电控连接，用于调取存储模块中的所获得的各频点广播发射台的信号强度值、调频广播频率、发射功率和广播发射台的地理位置代入发射台到移动终端距离公式中，利用加权质心算法计算终端设备的位置。
3.根据权利要求2所述的一种调频广播的终端定位方法的专用定位装置，其特征在于：其还包括附加功能模块，所述附加功能模块与所述处理器单元通过所述总线电控连接。
4.根据权利要求3所述的一种调频广播的终端定位方法的专用定位装置，其特征在于：所述附加功能模块根据无线定位装置的不同实际使用要求进行加载，所述附加功能模块可以为GPS芯片或WIFI芯片，也可以为显示模块与通信模块的组合；所述GPS芯片或WIFI芯片可以用于满足定位装置定位精度、功耗、稳定性的要求；所述显示模块与通信模块的组合可以用于定位与收发信息使用。
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