CN102413563B - 无线信号源定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种无线信号源定位方法，包括以下步骤：设置至少5个传感器，所述至少5个传感器不在同一平面内；根据所述传感器接收到信号的时间差定位信号源的位置。上述无线信号源定位方法实现了三维空间定位，从而使得定位结果更加准确。

Description

无线信号源定位方法及系统

【技术领域】

本发明涉及无线测量和位置定位技术领域，特别涉及一种无线信号源定位方法及系统。

【背景技术】

无线信号源定位是指根据传感器测得的信号估计出某一时刻信号源所处的空间位置。无线信号源定位方法通过测量物理参量并根据测量获得的物理参量计算出距离信息，其精确度在一定程度上依赖于测量物理参量的精确度。

传统的无线信号源定位方法中，通常选取传感器接收信号的信号强度、接收角度、信号到达时间(Time of Arrival，TOA)和信号到达时间差(Time Delayof Arrival，TDOA)作为测量的物理参量。其中，利用TDOA作为物理参量的定位方法是指利用多个传感器接收到的信号的到达时间差对信号源的位置进行估计。

传统技术中，利用TDOA作为物理参量的无线信号源定位方法是采用4个传感器实现的。传统的无线信号源定位方法不能完全实现三维空间定位，通常会计算出多个位置，唯一性不能保证，从而使得信号源的定位不准确。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种能提高定位的准确性的无线信号源定位方法。

一种无线信号源定位方法，包括以下步骤：

设置至少5个传感器，所述至少5个传感器不在同一平面内；

根据所述至少5个传感器接收到信号的时间差定位信号源的位置。

优选的，所述传感器为5个；所述5个传感器中，第一、第二和第三传感器的连线构成三角形，第四传感器位于所述三角形任意一条边与所述边的高线的交点位置，第五传感器位于经过所述第四传感器且与所述三角形平面垂直的连线上。

优选的，所述第四传感器到其他四个传感器的距离相等。

优选的，所述根据所述传感器接收到信号的时间差定位信号源的位置的步骤之前还包括：

获取所述信号的传播速度。

优选的，根据所述至少5个传感器接收到信号的时间差定位信号源的位置的步骤具体为：

选取第一传感器组和第二传感器组，所述第一传感器组由任意至少4个传感器组成；所述第二传感器组由至少4个传感器组成，所述第二传感器组至少包括一个不属于第一传感器组的传感器，且构成第一传感器组和第二传感器组的传感器不在同一平面上；

根据所述信号的传播速度和所述第一传感器组接收到信号的时间差，通过联立方程组获取表示信号源位置的第一近似解；

根据所述信号的传播速度和所述第二传感器组接收到信号的时间差，通过联立方程组获取表示信号源位置的第二近似解；

根据所述第一近似解和第二近似解定位信号源的位置。

优选的，所述根据所述第一近似解和第二近似解定位信号源的位置的步骤具体为：

将所述第一近似解中的位置坐标与第二近似解中的位置坐标配对，得到最接近或重合的一组位置坐标，通过计算所述最接近或重合的一组位置坐标的平均值定位信号源。

优选的，所述通过计算所述位置坐标的平均值定位信号源之前还包括：

去除所述最接近或重合的一组位置坐标中误差超过阈值的位置坐标。

优选的，所述传感器接收到的信号包括红外信号、无线电波信号、射频信号、可闻声信号和超声波信号

此外，还有必要提供一种能提高定位的准确性的无线信号源定位系统。

一种无线信号源定位系统，包括定位模块和至少5个传感器，所述至少5个传感器不在同一平面内；所述定位模块用于根据所述至少5个传感器接收到的信号的时间差定位信号源的位置。

优选的，所述传感器为5个；所述5个传感器中，第一、第二和第三传感器的连线构成三角形，第四传感器位于所述三角形任意一条边与所述边的高线的交点位置，第五传感器位于经过所述第四传感器且与所述三角形平面垂直的连线上。

优选的，所述第四传感器到其他四个传感器的距离相等。

优选的，所述定位模块还用于获取所述信号的传播速度。

优选的，所述定位模块还用于选取第一传感器组和第二传感器组，所述第一传感器组由任意至少4个传感器组成；所述第二传感器组由至少4个传感器组成，且所述第二传感器组至少包括一个不属于第一传感器组的传感器，且构成第一传感器组和第二传感器组的传感器不在同一平面上；

所述定位模块还用于根据所述信号的传播速度和所述第一传感器组接收到信号的时间差，通过联立方程组获取表示信号源位置的第一近似解；

所述定位模块还用于根据所述信号的传播速度和所述第二传感器组接收到信号的时间差，通过联立方程组获取表示信号源位置的第二近似解；

所述定位模块还用于根据所述第一近似解和第二近似解定位信号源。

优选的，所述定位模块还用于将所述第一近似解中的位置坐标与第二近似解中的位置坐标配对，得到最接近或重合的一组位置坐标，通过计算所述最接近或重合的一组位置坐标的平均值定位信号源。

优选的，所述定位模块还用于去除所述位置最接近或重合的一组位置坐标中误差超过阈值的位置坐标。

优选的，所述传感器接收到的信号包括红外信号、无线电波信号、射频信号、可闻声信号和超声波信号。

上述无线信号源定位方法和系统，利用了信号到达至少5个的传感器的时间差来定位信号源的位置，由于该至少5个传感器不在同一平面内，因此实现了完全的三维空间定位，从而使得计算出的信号源的位置具有唯一性，进而提高了定位的准确性。

【附图说明】

图1为一个实施例中无线信号源定位方法的流程图；

图2为一个实施例中7个传感器设置的位置的空间拓扑结构图；

图3为一个实施例中4个传感器设置的位置的空间拓扑结构图；

图4为图3中传感器组的误差分布图；

图5为一个实施例中4个传感器设置的位置的空间拓扑结构图；

图6为图5中传感器组的误差分布图；

图7为一个实施例中5个传感器设置的位置的空间拓扑结构图；

图8为一个实施例中无线信号源定位系统的结构示意图。

【具体实施方式】

在一个实施例中，如图1所示，一种无线信号源定位方法，包括以下步骤：

步骤S102，设置至少5个传感器，该至少5个传感器不在同一平面内。

在一个实施例中，如图2所示，传感器的数量为7个，安装于支架(图中未标示)上，且5个传感器不在同一平面上，其中S为信号源。7个传感器分别为，第一传感器10、第二传感器20、第三传感器30、第四传感器40、第五传感器50、第六传感器60和第七传感器70。

选择第一传感器10作为基准传感器，建立坐标系，则第一传感器10为坐标系的原点，坐标为(0，0，0)。第二传感器至第七传感器的坐标依次为(x₂，y₂，z₂)、…(x₇，y₇，z₇)。其中，第一传感器10与第二传感器20、第三传感器30和第四传感器40在空间上构成三角锥形的第一传感器组A，第一传感器10与第五传感器50、第六传感器60和第七传感器70在空间上构成三角锥形的第二传感器B。

由于第一传感器10至第七传感器70仅仅为编号不同，均为用于接收信号并记录接收到信号的时间的传感器，因此，坐标系的建立可以是以任意传感器作为原点，也可以以任意方向作为坐标轴方向，不影响定位结果，只需要至少5个传感器不在同一平面上即可。

步骤S104，根据至少5个传感器接收到信号的时间差定位信号源的位置。

本实施例中，根据至少5个传感器接收到信号的时间差定位信号源的位置之前还要先获取信号的传播速度。传感器接收到的信号包括红外信号、无线电波信号、射频信号、可闻声信号和超声波信号。这些信号在介质中的传播速度是固定值，可通过预先测量获得。在获取信号的传播速度时，先获取接收到信号的类型，然后再根据信号的类型获取预先测量得到的该类信号在介质中的传播速度。

在获取了信号的传播速度之后，先选取第一传感器组和第二传感器组，第一传感器组由任意至少4个传感器组成；第二传感器组由至少4个传感器组成，且第二传感器组至少包括一个不属于第一传感器组的传感器。且构成第一传感器组和第二传感器组中的传感器不在同一平面上。本实施例中，选取的第一传感器组和第二传感器组为前述的第一传感器组A和第二传感器组B。

选取了第一传感器组和第二传感器组后，再获取第一传感器组和第二传感器组中各个传感器的三维坐标。然后先根据信号的传播速度和第一传感器组接收到信号的时间差，通过联立方程组获取表示信号源位置的第一近似解。

例如，若信号的传播速度为c，信号到达第一传感器10、第二传感器20、第三传感器30和第四传感器40的时间为t₁、t₂、t₃和t₄，则第二传感器20、第三传感器30和第四传感器40到第一传感器10时间差分别为t₁₂、t₁₃、t₁₄。

则第一传感器10到第二传感器20、第三传感器30和第四传感器40的距离d₁₂、d₁₃和d₁₄分别为：

d₁₂＝c×t₁₂；

d₁₃＝c×t₁₃；

d₁₄＝c×t₁₄；

然后，可以根据信号源S到传感器的距离差联立三元二次方程组：

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{x^2+y^2+z^2}-\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2+{(z-z_2)}^2}=d_{12}\\ \sqrt{x^2+y^2+z^2}-\sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2+{(z-z_3)}^2}=d_{13}\\ \sqrt{x^2+y^2+z^2}-\sqrt{{(x-x_4)}^2+{(y-y_4)}^2+{(z-z_4)}^2}=d_{14}\end{array}\right.$

再通过解该方程组可以得到标识信号源位置的第一近似解(由于为二次方程组，则可能存在多个解)。

然后再根据信号的传播速度和第二传感器组接收到信号的时间差，通过联立方程组获取表示信号源位置的第二近似解。

进一步的，可以采用解析法解出上述第一近似解和第二近似解。采用解析法解出的解为解析解。求得解析解后，可以预先将变量x、y、z表示成由位置参数(x₂，y₂，z₂)、…(x₇，y₇，z₇)组成的解析表达式，然后在下次测量定位时，直接将d₁₂、d₁₃、……、d₁₇代入该解析表达式即可快速求得x、y、z的值。相较于数值法利用最小有限元的趋近估算式解法，计算量小，因此能更加快速的定位。本实施例中，由前述可以容易得到，根据第一传感器10到第五传感器50、第六传感器60和第七传感器70的距离d15、d16和d17可联立三元二次方程组：

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{x^2+y^2+z^2}-\sqrt{{(x-x_5)}^2+{(y-y_5)}^2+{(z-z_5)}^2}=d_{15}\\ \sqrt{x^2+y^2+z^2}-\sqrt{{(x-x_6)}^2+{(y-y_6)}^2+{(z-z_6)}^2}=d_{16}\\ \sqrt{x^2+y^2+z^2}-\sqrt{{(x-x_7)}^2+{(y-y_7)}^2+{(z-z_7)}^2}=d_{17}\end{array}\right.$

通过解此方程组又可以得到表示信号源位置的第二近似解。然后根据第一近似解和第二近似解定位信号源的位置。

具体的，先将第一近似解中的位置坐标与第二近似解中的位置坐标配对，得到最接近或重合的一组位置坐标，通过计算最接近或重合的一组位置坐标的平均值定位信号源的位置。

本实施例中，由于信号源S的位置坐标必然既满足第一近似解和第二近似解，因此，在不考虑误差的情况下，必然存在一个坐标值，使得第一近似解和第二近似解都包括这个坐标值。在考虑到误差的情况下，则在第一近似解和第二近似解中取出距离最接近的坐标。

例如，若第一近似解为{(a₁，b₁，c₁)，(a₂，b₂，c₂)}，第二近似解为{(a₃，b₃，c₃)，(a₄，b₄，c₄)}。若(a₂，b₂，c₂)到(a₃，b₃，c₃)，距离小于(a₂，b₂，c₂)到(a₄，b₄，c₄)的距离，且小于(a₁，b₁，c₁)到(a₃，b₃，c₃)的距离，且小于(a₁，b₁，c₁)到(a₄，b₄，c₄)的距离，则(a₂，b₂，c₂)和(a₃，b₃，c₃)为配对的一组解。

然后通过求平均值可得，((a₂+a₃)/2，(b₂+b₃)/2，(c₂+c₃)/2)即为定位到的信号源S的位置。

在其他实施例中，还可以选取多组传感器组，然后各自通过联立方程组解出多组近似解，然后将所有近似解中重合或最接近的坐标找出(因为信号源S的实际坐标必然满足所有近似解，因此每个近似解中必然包含了信号源S的坐标，由于误差可能有所偏差，因此取最接近)。然后通过计算找出的重合的或最接近的坐标的平均值来定位信号源S的位置。

进一步的，通过计算配对后重合或最接近的一组位置坐标的平均值定位信号源的位置之前还可以去除该组位置坐标中误差超过阈值的位置坐标。

若该组位置坐标中误差不超过阈值的位置坐标只有一个，则将该位置坐标作为信号源的位置。若该组位置坐标中的所有位置坐标的误差均大于阈值，则定位失败。

在测量过程中，误差的产生主要源于在计算距离时忽略了角度。测量方法假设了信号源、传感器和基准传感器三点一线，然后根据距离关系，通过联立方程组解出信号源的位置。因此，测量过程中的误差的大小与忽略的角度大小有关。

如图3所示，传感器20，传感器30和传感器40构成一个等腰直角三角形，传感器10位于该等腰直角三角形的斜边的垂直平分线上。当传感器10，传感器20，传感器30，传感器40按照图3摆设等腰直角三角形时，经过抽样测量统计可得，误差的大小和测量点在等腰直角三角形所处平面上的位置有关。具体的，如图4所示，测量误差较大的区域为一条直线。

再如图5所示，传感器10、传感器20，传感器30和传感器40构成一个等腰直角三角锥，传感器10位于等腰直角三角锥的顶点。经抽样测量统计后可得，测量误差与测量点在坐标平面上的关系如图6所示，测量误差较大的区域为一条曲线。

进一步的，在传感器接收到信号源发出的信号之前，还要同步传感器的时钟。

上述无线信号源定位方法，利用了信号到达至少5个的传感器的时间差来定位信号源的位置，由于该至少5个传感器不在同一平面内，因此实现了完全的三维空间定位，从而使得计算出的信号源的位置具有唯一性，进而提高了定位的准确性。

在另一个实施例中，如图7所示，设有5个传感器，包括第一传感器10、第二传感器20、第三传感器30、第四传感器40和第五传感器50。选择第四传感器40作为基准传感器，建立坐标系。5个传感器中，第一传感器10、第二传感器20和第三传感器30的连线构成三角形，第四传感器40位于该三角形任意一条边与该边的高线的交点位置(垂足)，第五传感器50位于经过第四传感器40且与该三角形平面垂直的连线上。优选的，第四传感器40到其他四个传感器的距离相等。第一至第五传感器仅仅为编号不同，在满足空间拓扑形状的前提下，5个传感器可以任意排列。

在测量时，可先选择第一传感器10、第二传感器20、第三传感器30、第四传感器40作为第一传感器组计算出第一近似解，然后再选择第一传感器10、第二传感器20、第四传感器40和第五传感器50作为第二传感器组计算出第二近似解。然后再如前所述，根据第一近似解和第二近似解定位信号源的位置。

设置5个不在同一平面的传感器来定位信号源的位置，可以在设置的传感器个数最少的情况下联立两个方程组来解出信号源的位置，从而降低了成本。

请同时参考图3、图5和图7，第一传感器10、第二传感器20、第三传感器30和第四传感器40构成的第一传感器组的空间拓扑结构为等腰直角三角形，第一传感器10、第二传感器20、第四传感器40和第五传感器50构成的第二传感器组的空间拓扑结构为等腰直角三角锥，则第一传感器组的误差分布如图4所示，第二传感器组的误差分布如图6所示。同时参考图4和图6可知，第一传感器组和第二传感器组的误差分布中，误差较大的区域没有产生交集，因此，将第一近似解中的位置坐标与第二近似解中的位置坐标配对后，得到最接近或重合的一组位置坐标中，至少存在一个解小于误差的阈值，从而避免了由于最接近或重合的一组位置坐标中所有解的误差都大于阈值的情况，从而使得定位更加准确。

一个实施例中，如图8所示，一种无线信号源定位系统，包括定位模块100和至少5个传感器，该至少5个传感器不在同一平面内。定位模块100用于根据该至少5个传感器接收到的信号的时间差定位信号源的位置。

在一个实施例中，如图2所示，传感器的数量为7个，安装于支架(图中未标示)上，且至少5个传感器不在同一平面上，其中S为信号源。7个传感器分别为，第一传感器10、第二传感器20、第三传感器30、第四传感器40、第五传感器50、第六传感器60和第七传感器70。

选择第一传感器10作为基准传感器，建立坐标系，则第一传感器10为坐标系的原点，坐标为(0，0，0)。第二传感器至第七传感器的坐标依次为(x₂，y₂，z₂)、…(x₇，y₇，z₇)。其中，第一传感器10与第二传感器20、第三传感器30和第四传感器40在空间上构成三角锥形的第一传感器组A，第一传感器10与第五传感器50、第六传感器60和第七传感器70在空间上构成三角锥形的第二传感器组B。

由于第一传感器10至第七传感器70仅仅为编号不同，均为用于接收信号并记录接收到信号的时间的传感器，因此，坐标系的建立可以是以任意传感器作为原点，也可以以任意方向作为坐标轴方向，不影响定位结果，只需要至少5个传感器不在同一平面上即可。

本实施例中，根据至少5个传感器接收到信号的时间差定位信号源的位置之前，定位模块100还要先获取信号的传播速度。传感器接收到的信号包括红外信号、无线电波信号、射频信号、可闻声信号和超声波信号。这些信号在介质中的传播速度是固定值，可通过预先测量获得。在获取信号的传播速度时，先获取接收到信号的类型，然后再根据信号的类型获取预先测量得到的该类信号在介质中的传播速度。

在获取了信号的传播速度之后，具体的，定位模块100用于先选取第一传感器组和第二传感器组，第一传感器组由任意至少4个传感器组成；第二传感器组由至少4个传感器组成，且第二传感器组至少包括一个不属于第一传感器组的传感器。且构成第一传感器组和第二传感器组的传感器不在同一平面上。本实施例中，选取的第一传感器组和第二传感器组为前述的第一传感器组A和第二传感器组B。

定位模块100选取了第一传感器组和第二传感器后，再获取第一传感器组和第二传感器组中各个传感器的三维坐标。然后先根据信号的传播速度和第一传感器组接收到信号的时间差，通过联立方程组获取表示信号源位置的第一近似解。

例如，若信号的传播为c，信号到达第一传感器10、第二传感器20、第三传感器30和第四传感器40的时间为t₁、t₂、t₃和t₄，则第二传感器20、第三传感器30和第四传感器40到第一传感器10时间差分别为t₁₂、t₁₃、t₁₄。

则第一传感器10到第二传感器20、第三传感器30和第四传感器40的距离d₁₂、d₁₃和d₁₄分别为：

d₁₂＝c×t₁₂；

d₁₃＝c×t₁₃；

d₁₄＝c×t₁₄；

然后，可以根据信号源S到传感器的距离差联立三元二次方程组：

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{x^2+y^2+z^2}-\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2+{(z-z_2)}^2}=d_{12}\\ \sqrt{x^2+y^2+z^2}-\sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2+{(z-z_3)}^2}=d_{13}\\ \sqrt{x^2+y^2+z^2}-\sqrt{{(x-x_4)}^2+{(y-y_4)}^2+{(z-z_4)}^2}=d_{14}\end{array}\right.$

再通过解该方程组可以得到标识信号源位置的第一近似解(由于为二次方程组，则可能存在多个解)。

然后再根据信号的传播速度和第二传感器组接收到信号的时间差，通过联立方程组获取表示信号源位置的第二近似解。

进一步的，可以采用解析法解出上述第一近似解和第二近似解。采用解析法解出的解为解析解。求得解析解后，可以预先将变量x、y、z表示成由位置参数(x₂，y₂，z₂)、…(x₇，y₇，z₇)组成的解析表达式，然后在下次测量定位时，直接将d₁₂、d₁₃、……、d₁₇代入该解析表达式即可快速求得x、y、z的值。相较于数值法利用最小有限元的趋近估算式解法，计算量小，因此能更加快速的定位。

本实施例中，由前述可以容易得到，根据第一传感器10到第五传感器50、第六传感器60和第七传感器70的距离d15、d16和d17可联立三元二次方程组：

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{x^2+y^2+z^2}-\sqrt{{(x-x_5)}^2+{(y-y_5)}^2+{(z-z_5)}^2}=d_{15}\\ \sqrt{x^2+y^2+z^2}-\sqrt{{(x-x_6)}^2+{(y-y_6)}^2+{(z-z_6)}^2}=d_{16}\\ \sqrt{x^2+y^2+z^2}-\sqrt{{(x-x_7)}^2+{(y-y_7)}^2+{(z-z_7)}^2}=d_{17}\end{array}\right.$

通过解此方程组又可以得到表示信号源位置的第二近似解。然后根据第一近似解和第二近似解定位信号源的位置。

具体的，先将第一近似解中的位置坐标与第二近似解中的位置坐标配对，得到最接近或重合的一组位置坐标，通过计算最接近或重合的一组位置坐标的平均值定位信号源的位置。

本实施例中，由于信号源S的位置坐标必然既满足第一近似解和第二近似解，因此，在不考虑误差的情况下，必然存在一个坐标值，使得第一近似解和第二近似解都包括这个坐标值。在考虑到误差的情况下，则在第一近似解和第二近似解中取出距离最接近的坐标。

如，若第一近似解为{(a₁，b₁，c₁)，(a₂，b₂，c₂)}，第二近似解为{(a₃，b₃，c₃)，(a₄，b₄，c₄)}。若(a₂，b₂，c₂)到(a₃，b₃，c₃)，距离小于(a₂，b₂，c₂)到(a₄，b₄，c₄)的距离，且小于(a₁，b₁，c₁)到(a₃，b₃，c₃)的距离，且小于(a₁，b₁，c₁)到(a₄，b₄，c₄)的距离，则(a₂，b₂，c₂)和(a₃，b₃，c₃)为配对的一组解。

然后通过求平均值可得，((a₂+a₃)/2，(b₂+b₃)/2，(c₂+c₃)/2)即为定位到的信号源S的位置。

在其他实施例中，还可以选取多组传感器组，然后各自通过联立方程组解出多组近似解，然后将所有近似解中重合或最接近的坐标找出(因为信号源S的实际坐标必然满足所有近似解，因此每个近似解中必然包含了信号源S的坐标，由于误差可能有所偏差，因此取最接近)。然后通过计算找出的重合的或最接近的坐标的平均值来定位信号源S的位置。

进一步的，通过计算配对后重合和最接近的一组位置坐标的平均值定位信号源的位置之前还可以去除该组位置坐标中误差超过阈值的位置坐标。

若该组位置坐标中误差不超过阈值的位置坐标只有一个，则将该位置坐标作为信号源的位置。若该组位置坐标中的所有位置坐标的误差均大于阈值，则定位失败。

在测量过程中，误差的产生主要源于在计算距离时忽略了角度。测量方法假设了信号源、传感器和基准传感器三点一线，然后根据距离关系，通过联立方程组解出信号源的位置。因此，测量过程中的误差的大小与忽略的角度大小有关。

如图3所示，传感器20，传感器30和传感器40构成一个等腰直角三角形，传感器10位于该等腰直角三角形的斜边的垂直平分线上。当传感器10，传感器20，传感器30，传感器40按照图3摆设等腰直角三角形时，经过抽样测量统计可得，误差的大小和测量点在等腰直角三角形所处平面上的位置有关。具体的，如图4所示，测量误差较大的区域为一条直线。

再如图5所示，传感器10、传感器20，传感器30和传感器40构成一个等腰直角三角锥，传感器10位于等腰直角三角锥的顶点。经抽样测量统计后可得，测量误差与测量点在坐标平面上的关系如图6所示，测量误差较大的区域为一条曲线。

进一步的，定位模块还用于同步传感器的时钟。

上述无线信号源定位系统，利用了信号到达至少5个的传感器的时间差来定位信号源的位置，由于该至少5个传感器不在同一平面内，因此实现了完全的三维空间定位，从而使得计算出的信号源的位置具有唯一性，进而提高了定位的准确性。

在另一个实施例中，如图7所示，设有5个传感器，包括第一传感器10、第二传感器20、第三传感器30、第四传感器40和第五传感器50。选择第四传感器40作为基准传感器，建立坐标系。5个传感器中，第一传感器10、第二传感器20和第三传感器30的连线构成三角形，第四传感器40位于该三角形任意一条边与该边的高线的交点位置(垂足)，第五传感器50位于经过第四传感器40且与该三角形平面垂直的连线上。优选的，第四传感器40到其他四个传感器的距离相等。第一至第五传感器仅仅为编号不同，在满足空间拓扑形状的前提下，5个传感器可以任意排列。

在测量时，可先选择第一传感器10、第二传感器20、第三传感器30、第四传感器40作为第一传感器组计算出第一近似解，然后再选择第一传感器10、第二传感器20、第四传感器40和第五传感器50作为第二传感器组计算出第二近似解。然后再如前所述，根据第一近似解和第二近似解定位信号源的位置。

设置5个不在同一平面的传感器来定位信号源的位置，可以在设置的传感器个数最少的情况下联立两个方程组来解出信号源的位置，从而降低了成本。

请同时参考图3、图5和图7，由于第一传感器10、第二传感器20、第三传感器30和第四传感器40构成的第一传感器组的空间拓扑结构为等腰直角三角形，第一传感器10、第二传感器20、第四传感器40和第五传感器50构成的第二传感器组的空间拓扑结构为等腰直角三角锥，因此第一传感器组的误差分布如图4所示，因此第二传感器组的误差分布如图6所示。同时参考图4和图6可知，第一传感器组和第二传感器组的误差分布中，误差较大的区域没有产生交集，因此，将第一近似解中的位置坐标与第二近似解中的位置坐标配对后，得到最接近或重合的一组位置坐标中，至少存在一个解小于误差的阈值，从而避免了由于最接近或重合的一组位置坐标中所有解的误差都大于阈值的情况，从而使得定位更加准确。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种无线信号源定位方法，包括以下步骤：

设置至少5个传感器，所述至少5个传感器不在同一平面内；

获取所述至少5个传感器接收到的信号的传播速度；

在所述至少5个传感器中选取第一传感器组和第二传感器组，所述第一传感器组由任意至少4个传感器组成；所述第二传感器组由至少4个传感器组成，所述第二传感器组至少包括一个不属于第一传感器组的传感器，且构成第一传感器组和第二传感器组的传感器不在同一平面上；

根据所述信号的传播速度和所述第一传感器组接收到信号的时间差，通过联立方程组获取表示信号源位置的第一近似解；

根据所述信号的传播速度和所述第二传感器组接收到信号的时间差，通过联立方程组获取表示信号源位置的第二近似解；

根据所述第一近似解和第二近似解定位信号源的位置。

2.根据权利要求1所述的无线信号源定位方法，其特征在于，所述根据所述第一近似解和第二近似解定位信号源的位置的步骤具体为：

将所述第一近似解中的位置坐标与第二近似解中的位置坐标配对，得到最接近或重合的一组位置坐标，通过计算所述最接近或重合的一组位置坐标的平均值定位信号源。

3.根据权利要求2所述的无线信号源定位方法，其特征在于，所述通过计算所述位置坐标的平均值定位信号源之前还包括：

去除所述最接近或重合的一组位置坐标中误差超过阈值的位置坐标。

4.根据权利要求1所述的无线信号源定位方法，其特征在于，所述传感器为5个；所述5个传感器中，第一、第二和第三传感器的连线构成三角形，第四传感器位于所述三角形任意一条边与所述边的高线的交点位置，第五传感器位于经过所述第四传感器且与所述三角形平面垂直的连线上。

5.根据权利要求4所述的无线信号源定位方法，其特征在于，所述第四传感器到其他四个传感器的距离相等。

6.一种无线信号源定位系统，其特征在于，所述系统包括定位模块和至少5个传感器，所述至少5个传感器不在同一平面内；所述定位模块用于获取所述至少5个传感器接收到的信号的传播速度；所述定位模块还用于在所述至少5个传感器中选取第一传感器组和第二传感器组，所述第一传感器组由任意至少4个传感器组成；所述第二传感器组由至少4个传感器组成，且所述第二传感器组至少包括一个不属于第一传感器组的传感器，且构成第一传感器组和第二传感器组的传感器不在同一平面上；

所述定位模块还用于根据所述信号的传播速度和所述第一传感器组接收到信号的时间差，通过联立方程组获取表示信号源位置的第一近似解；

所述定位模块还用于根据所述信号的传播速度和所述第二传感器组接收到信号的时间差，通过联立方程组获取表示信号源位置的第二近似解；

所述定位模块还用于根据所述第一近似解和第二近似解定位信号源。

7.根据权利要求6所述的无线信号源定位系统，其特征在于，所述定位模块还用于将所述第一近似解中的位置坐标与第二近似解中的位置坐标配对，得到最接近或重合的一组位置坐标，通过计算所述最接近或重合的一组位置坐标的平均值定位信号源。

8.根据权利要求7所述的无线信号源定位系统，其特征在于，所述定位模块还用于去除所述位置最接近或重合的一组位置坐标中误差超过阈值的位置坐标。

9.根据权利要求6所述的无线信号源定位系统，其特征在于，所述传感器为5个；所述5个传感器中，第一、第二和第三传感器的连线构成三角形，第四传感器位于所述三角形任意一条边与所述边的高线的交点位置，第五传感器位于经过所述第四传感器且与所述三角形平面垂直的连线上。

10.根据权利要求9所述的无线信号源定位系统，其特征在于，所述第四传感器到其他四个传感器的距离相等。

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