CN103826300A - 无基站室内定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明的特点主要体现在：①借助电力线在建筑体内广泛布设的优势，无需无线基站，降低工程投资；②利用电力线信道特点，引入信号指纹识别技术；③采用准实时反馈机制可有效克服电力线的时变性痼疾；④技术简单，产品设计和制造成本都相应降低。本发明有助于破解传统定位技术在室内应用之困局。

Description

无基站室内定位系统

技术领域

本发明涉及定位技术领域，尤其涉及一种基于电力线信号指纹信息，可抗电力线信道特性时变性的无基站室内定位系统。

背景技术

1.信号指纹定位技术

定位导航技术从来没有像今天这样为广大民众所熟悉和关注，现代人都或多或少感受到或听说了以GPS卫星导航技术为代表的无线导航定位技术在我们生活或工作环境中的应用普及。

然而，定位导航服务要真正融入百姓的工作和生活，还有一个必须逾越的门槛，那就是室内定位导航。赚足眼球的卫星导航技术也有它的局限性，它只适合在室外空旷场所的定位导航，定位导航终端必须同时视距接收到多颗导航卫星的信号时方能完成定位与导航，因此在卫星信号受到遮蔽的室内环境，卫星导航技术满足不了定位导航的需求，而其它适合室内环境的定位技术则还有待探索。但人们对室内定位技术的需求与室外定位技术一样的强烈，大家期待着室内定位技术早日实现突破。

传统的无线定位技术利用检测信标节点（无线基站或移动终端等）间信号的到达时间（TOA）、到达时间差（TDOA）、到达信号角度（AOA）、到达信号强度（RSS）信息确定移动终端的位置坐标，卫星导航技术只是这种基本原理的一种特殊实现方式（TDOA）。这些定位技术用于室内定位都因无线信道存在的视距遮挡、多径效应等问题，导致定位精度的恶化和系统构建的复杂化。

无线信号指纹识别技术是一种另辟蹊径的新定位技术，它借用模式识别技术领域识别人之指纹达到身份识别的方法和概念，在移动终端活动场所周边辐射源基本不变的前提条件下，把基本稳定的电磁场信号特征参量记录下来，与场点的地理位置信息绑定存储在计算机数据库中，用于现场即时获取的信号与其比对后映射查找到移动终端的位置坐标，从而实现定位。由于这些信号往往是经由复杂的传播途径或耗损方式而后抵达合成，不具有重复性，像人的指纹一样具有特征的唯一性，故称其为信号指纹或射频指纹。该技术避开了数学建模和精准测量计算等难题，可以有效绕过视距遮挡、多径效应对信号传播造成的影响，因而被业界普遍看好。

无线信号指纹识别技术已有大量的研究成果，相关技术已趋成熟，系统所用各种数据比对识别算法是当前的研究重点，目的是提升定位的准确性和比对的效率。

无线信号指纹识别技术为了降低系统建设成本通常借用无线通信网络的基站信号，这带来了系统性能的不确定性。系统要么检测公用无线通信系统的基站信号，如电信运营商的移动通信网基站信号，要么检测私有无线网络，如企业的WLAN基站信号，这些基站是为通信业务而配置，因而它们在运营过程中出现数量增减、信号强度调整，甚至位置变动等不测当属必然，这显然会影响数据库存储的经验数据的有效性，给定位系统的正常定位操作带来隐患，或者说存在着性能完好性问题。而且，一旦出现上述变化，系统的指纹信息数据库必须全面校正，工作量巨大。另外，无线信号因存在视距遮挡、多径效应、吸收衰耗等原因在室内环境中传播衰减很快，因而数量有限的非专门配置的信号源很难保证对室内各区域达成充分的无线信号覆盖，如果为增强信号覆盖效果而增设无线基站，甚至建立专用于定位的无线基站网络，成本则会迅速增加，而效果也会差强人意。

2.电力线通信信道环境与电力线定位技术

利用遍布室内的低压电力线进行通信或者信息传输，既节省投资又简单易行，这是人们很容易联想到的一种构想。很显然，电力线信号的地理覆盖性，甚至优于专门配置的无线定位信号网络。

虽然电力线的地理覆盖性无与伦比，但电力线是为输电和用电而设计，其作为信道的传输特性却相当恶劣。电力线上有可能接入大量电器，其接入断开的时间是随机的，它们会随时改变电力线的传输衰耗特性、输入阻抗特性，一天不同时段也随在用情况而变化，这表现出电力线信道的时变性；每个电器的接入（断开），都相当增加（撤销）部分负荷，这会影响电力线作为传输网络的频率特性，表现为电力线信道特有而复杂的频率选择性；在同一用电网内，即使相距不远的不同位置，由于接入电器的多寡或拓扑结构不同，同一时段内前述特性的差别也可能非常之大，这表现出信道特性对位置和距离的敏感性。

上述现象都体现出电力线信道环境的复杂性，给电力线通信技术的开发带来重重障碍，一直困扰着从事电力线通信产品开发的技术人员，也因此少有研究人员开展利用电力线进行定位的研究项目。

Ubicomp2006会议的文章载明，美国乔治亚理工的一项研究活动探索了一种基于电力线信号指纹的室内定位方法，用两个单频信号发生器相隔一定距离将信号耦合到电力线上，终端通过接收单频信号的RSS指纹信息进行室内自定位。研究结果表明，该定位系统的多项性能优于基于GSM基站或WLAN基站的信号指纹定位系统，如定位精度、技术复杂性、功耗和成本等。该课题组在Ubicomp2008会议发表了进一步的研究成果，把作为信号源的单频信号由两个扩展到44个，频段从数百KHz扩展到20MHz，进一步研究了利用多个单频信号作为信号源实现定位的可行性。

在国内，电子科技大学研究生李娇在2013年完成的硕士论文中，对基于电力线信号指纹的室内定位系统的分类预测算法进行了进一步研究，同时设计了一个多辅助信号源的自定位原型系统，以验证算法的适用性。

从中国专利信息库里目前查找不到关于基于电力线的定位方法的专利文件。

可以认为，目前国内外已开展了不多的基于电力线信号指纹的相关研究，目前的研究工作侧重于信号指纹比对算法的研究，其前提条件过于理想化，没有有效针对电力网上随机接入电器和断开电器对信道特性的影响，即时变性问题，而这正是电力线信道不同于无线信道的最显著的特征。

发明内容

——要解决的技术问题

由上面的分析可知，突破室内定位技术是定位导航技术真正融入人们的工作和生活所亟待逾越的一道门槛。基于电力线的室内定位技术有着天然的优势，但要达到实用阶段，必须针对时变性等特殊的电力线信道特性，引入有效的技术、机制和方案。

本发明的重点是：针对电力线信道特性引入指纹识别技术和信道认知技术，提供有助于克服时变性的定位辅助信号体制、数据库调整机制、信道优选等技术，提升系统对移动终端定位的准确性、有效性和定位效率。

——技术方案

1.系统基本原理与构成

本系统包括但不限于如下组成部分：辅助信号发生器（110）、电力线（120）、移动终端（130）、固定感应装置（140）、处理与控制单元（160）、信号指纹数据库（170）、由链路媒介A（151）、链路终端A1（1511）、链路终端A2（1512）所组成的链路A（15A）、由链路媒介B（152）、链路终端B1（1521）、链路终端B2（1522）所组成的链路B（15B）等，连接关系如图1所示。

本系统的移动终端（130）可利用接收到的辐射自电力线（120）的定位辅助信号的特征参量（称为信号指纹信息）与信号指纹信息数据库（160）存储的先前获取并存储的信号指纹信息（称为档案数据）的相似性比对来实现空间定位；系统可通过沿电力线布设的固定感应装置（140）频繁反馈的信息来准实时调整信号指纹信息数据库（160）中的档案数据，以应对电力线（120）信道特性的时变性。

本系统各组成部分的功能或作用为：

1)电力线（120），特指位于同一380V低压变压器用户线侧的所有电力线，其室内部分一般布设在房间或走道等室内区域的周边墙体中或墙体表面；

2)辅助信号发生器（110），该设备（或作为模块）生成定位辅助信号和其它辅助信息，通过电磁耦合电路将这些信息耦合至电力线上；前述定位辅助信号含有用于定位的信号指纹信息；该信号指纹信息包含但不限于以下部分信号特征参量或它们的统计特性信息：场强信息、功率信息、频率信息、相位信息、波形信息、时长信息；

3)移动终端（130），该设备在电力线（120）附近，特别在室内场点接收从周边电力线（120）辐射出来的无线信号，提取无线信号中源自辅助信号发生器（110）的定位辅助信号的信号指纹信息；该设备（130）将提取的信号指纹信息连同自身的身份识别信息通过上报链路传送到处理与控制单元（160），用于本系统对该设备（130）进行空间定位操作；

4)处理与控制单元（160），该设备（或作为模块）执行其内部存储的软件程序，管理和协调移动终端（130）和固定感应装置（140）向处理与控制单元（160）的信息上报过程和所需资源，检测移动终端（130）和固定感应装置（140）的上报信息；该设备（160）将移动终端（130）上报的信号指纹信息与信号指纹信息数据库（170）中的档案数据进行相似性比对，用相似性最优的比对结果索查实时位置信息，实现对本系统所管理的移动终端（130）的定位操作；该设备（160）接收并提取固定感应装置（140）上报的信号指纹信息的特征参量变化量，依此变化量按预先设定的规则调整信号指纹信息数据库（170）中存储的档案数据；

5)信号指纹信息数据库（170），该设备（或作为模块）与处理与控制单元（160）集成在一起或近距离连接，由处理与控制单元（160）对其进行管理；在该设备（170）中存储本系统管理范围内对应每一参考场点和每一固定感应装置（140）配置点的信号指纹信息的档案数据以及与其绑定存储的位置坐标；所述参考场点是在系统管理区域内的一组依据系统定位精度按几何规则选定的场点，该场点周边一定范围内的各场点的信号指纹信息都用该参考场点的信号指纹信息表征，参考场点所表征的全部场点完全覆盖且只覆盖本系统所管理的区域；

6)固定感应装置（140），该装置布设在本系统所管理的区域内电力线（120）沿线每一个子区域中一个固定场点，在处理与控制单元（160）或在信号指纹信息数据库（170）中预先存储该装置（140）所在位置信息与其身份识别信息的对应关系信息；该装置（140）从电力线（120）按一定频度提取信号指纹信息，将其传送给处理与控制单元（160）供其准实时调整信号指纹信息数据库（170）中部分参考场点的档案数据的数值，这部分参考场点与本固定感应装置（140）处在同一子区域内；子区域的划分规则为：影响子区域所属各参考场点电磁场的电力线辐射源情况（即周边电力线分布情况）和无线信号多径传播环境相近，例如一个小型办公室内部或一个大面积办公区的一隅；划分子区域的数量多少要适宜，既要足够多以满足全部子区域可不重叠地完全覆盖本系统所管理的室内区域，又不要因过多而增加系统配置成本和影响定位效率；

7)链路A（15A），由链路媒介A（151）与链路终端A1（1511）、链路终端A2（1512）组成，用做移动终端（130）与处理与控制单元（160）之间信息传输；链路媒介A（151）可以是无线媒介（空气）或导线等；链路A（15A）也代表其链接一个或多个与其组成相似的链路所形成的一条与其作用相同的传输链路，所述链接的链路的媒介可以是如下媒介之一：无线媒介（空气）、电力线、电缆、光缆；

8)链路B（15B），由链路媒介B（152）与链路终端B1（1521）、链路终端B2（1522）组成，用做固定感应装置（140）与处理与控制单元（160）之间的信息传输链路；链路媒介B（152）可以是电力线或无线媒介（空气）等；链路B（15B）也代表其链接一个或多个与其组成相似的链路所形成的一条与其作用相同的传输链路，所述链接的链路的媒介可以是如下媒介之一：无线媒介（空气）、电力线、电缆、光缆；

辅助信号发生器（110）通过电磁耦合电路与电力线（120）相连接；移动终端（130）通过空气媒介（即无线信道）从电力线（120）接收定位辅助信号；移动终端（130）经链路A（15A）与处理与控制单元（160）相连接；固定感应装置（140）或经电磁耦合电路从电力线（120）接收定位辅助信号，或与移动终端（130）一样经空气媒介（即无线信道）从电力线（120）接收定位辅助信号；固定感应装置（140）经链路B（15B）与处理与控制单元（160）相连接；处理与控制单元（160）则与信号指纹数据库（170）近距离连接或集成在一起。

本系统各组成部分在系统实施定位操作的过程中的相互作用与配合关系是：辅助信号发生器（110）周期性地将定位辅助信号耦合到电力线（120）上，该信号通过电力线（120）传导并辐射到电力线（120）沿线附近区域；在本系统管理区域内电力线（120）沿线附近区域内活动的移动终端（130）接收自其周边电力线（120）辐射出的无线信号，从中提取源自辅助信号发生器（110）的定位辅助信号的信号指纹信息，将该信号指纹信息与本移动终端（130）的身份识别信息一同经由链路A（15A）传给处理与控制单元（160）；处理与控制单元（160）将接收并提取的移动终端（130）即时信号指纹信息与信号指纹信息数据库（170）中存储的信号指纹档案数据进行比对，依据相似性最优的信号指纹档案数据查找与该档案数据绑定存储的位置坐标，将之作为当前位置坐标赋予与信号指纹信息一同获取的身份识别信息所对应的移动终端（130）；固定感应装置（140）按一定频度从电力线接收并提取辅助信号发生器（110）发出的定位辅助信号的信号指纹信息，连同本固定感应装置（140）位置坐标信息经由链路B（15B）传给处理与控制单元（160），供其依据该位置坐标信息索查到该固定感应装置（140）对应之档案数据，并根据前述实时获取的指纹信息特征参量与档案数据中特征参量的变化量，按预先设定的调整规则去调整信号指纹信息数据库（170）中对应该固定感应装置（140）所在子区域内各场点的档案数据之特征参量；同时，用新获取的信号指纹数据替代对应固定感应装置（140）的原档案数据。

2.技术体制和关键技术

1)利用频率选择性和距离位置敏感性的信号体制

从相关技术资料可知，电力线信道一个特点是信道特性的频率选择性，突出反映在输入阻抗和传输衰耗的频率特性上。另一个特点是传输衰耗对距离很敏感，并且随检测点所处位置的不同而差别很大，即距离位置敏感性。

本系统中，频率选择性和距离位置敏感性正是我们制定信号体制时可以利用的特性，它们反映出电力线附近每一个场点信号的衰耗特点，千姿百态，各不重复，选择表征这一特点的参量作为信号指纹信息就非常有利于指纹识别技术的运用。

如权利要求2所主张的定位辅助信号，由从数拾KHz到数百MHz频段内分布的不少于两个的单频信号线性合成，取各单频信号幅度组成的一个信号强度值集合为本系统的信号指纹信息，也称作信号指纹矢量；定位辅助信号的单频信号频点数量和频点频率的选择，主要考虑前期测量得知的辅助信号发生器（110）至本系统所管理区域内所有各场点之间电力线（120）信号传输幅频衰减特性变化最显著的频段，即选择多个因位置不同而信号幅度变化显著的频点；定位辅助信号的各单频信号幅值大小选择要保证足以在各场点可由移动终端（130）和固定感应装置（140）检测到；同时，应考虑避开在本系统安装现场前期测量得知的足以对定位辅助信号形成干扰的非随机干扰信号频率。另外，出于对无线技术定位应用的合法性的考虑，应尽量满足政府有关管理部门对频率管理的规范，虽然这是人为的限制而不属自然规律范畴。

根据电力线信道特性的时变性准实时地调整档案数据是本发明的核心思路，权利要求3给出了一种调整方法，其步骤为：①处理与控制单元（160）接收到固定感应装置（140）发来的信号指纹信息和身份识别信息后，根据身份识别信息索查信号指纹数据库（170）中对应该固定感应装置（140）的档案数据；②将索查到的信号指纹档案数据与接收到的信号指纹信息进行比较，得信号指纹矢量中各元素的相对变化比例值集合；③对本固定感应装置（150）所在子区域每个参考场点对应的信号指纹矢量档案数据集合，按前述比例值集合里每一元素（比例值）同比例调整相应维度元素值；④用前述新获取的信号指纹信息更新对应固定感应装置（140）的原档案数据。

2)信息传输体制与信道分配制式

本系统可采用双向非对称时分体制保证同时对多个移动终端（110）实施定位操作，以及固定感应装置（140）的信息的即时上报。

权利要求4给出了一种运用电力线信号工频过零点检测技术的同步技术，可以利用电力线上也已存在的周期信号信息作为系统的时钟同步基准。辅助信号发生器（110）发出的周期性的定位辅助信号与电力线（120）工频信号过零点同步，在设定的时间窗口发出定位辅助信号；移动终端（130）和固定感应终端（140）在与电力线（120）工频信号过零点同步的基础上从前述的时间窗口接收并提取定位辅助信号的信号指纹信息。

权利要求6给出用于信道分配的按需分配MAC协议，用于多个移动终端（130）和多个固定感应装置（140）以电力线（120）为传输媒介上报信息时的信道分配。该协议至少包含如下步骤：①在系统的时分帧结构中预先分配不少于一个的时间窗口用于移动终端（130）和固定感应装置（140）向处理与控制单元（160）上报信息；②处理与控制单元（160）在约定时间窗口向移动终端（130）和固定感应装置（140）发送信道分配指令，其中含有被要求立即上报信息的各移动终端（130）或固定感应装置（140）的身份识别信息和它们的上报时间窗口编号；③各移动终端（130）和固定感应装置（140）接收并解读该信道分配指令；④被点名的移动终端（110）或固定感应装置（140）随即按该信道分配指令所指定的上报时间窗口发送信号指纹信息和身份识别信息。

权利要求7给出了竞争型MAC协议，为本系统的多个信息传输信道在同一链路媒介的同一信道上实现信道共享，例如采用带冲突检测的载波侦听多路访问协议（CSMA/CD）；所述信息传输信道包括但不限于处理与控制单元160与移动终端130之间或与固定感应装置140之间的信息传输信道。

系统所管理的电力线（120）附近各场点至处理与控制单元（160）的信道特性差别很大，特别是频率选择性的特点更为突出，为保证移动终端（130）或固定感应装置（140）的上报信息被正确传输，上报频道的选择很重要。权利要求5给出了一种信道认知机制，通过实时探测信道特性，找出频率衰减最小的频道用于信息上报。系统预先设定不少于2个候选频道供移动终端（130）或固定感应装置（140）向处理与控制单元（160）发送信号指纹信息和身份识别信息时选用，这些频道的选用方法如下：①辅助信号发生器（110）周期性地在约定时间窗口向电力线（120）发送频道认知辅助信号，该信号由处于前述每一个候选频道之频段中的一个单频信号线性合成；②移动终端（130）或固定感应装置（140）在相应时间窗口检测该信号中各单频信号的幅值；③移动终端（130）或固定感应装置（140）优先选择频道认知辅助信号中幅值衰减较小的单频信号所对应的频道作为信号指纹信息和身份识别信息上报信道。

3)提高定位准确性和效率的方法

系统需要一组系统启动前固化的档案数据作为信号指纹数据库（170）中档案数据调整的初始参照数据集，合理选择作为参照数据的初始档案数据集有利于使本系统经训练尽快达到适应实时信道特性的状态，也可在系统进行初始化操作或复位重启操作时选用，使系统的准实时调整不因时间积累或信道特性的剧烈变化等其它原因而出现发散现象。因电力线信道特性在一天内会有较大的变化，分时段采集初始档案数据集有利于其充分发挥上述功效。权利要求8给出了分时段获得初始档案数据集的方法和一条重要规则。将一天划分为多个时段，分别建立初始档案数据集，即将不同分时段现场检测的参考场点的信号指纹信息按时段标记后存储于信号指纹信息数据库（170）；当系统进行初始化操作或复位重启操作时，按当时所处时段选用初始档案数据集作为档案数据调整的参照信息；前述时段的划分规则之一是：同一时段内各频点信号之间幅度相对衰减的比例值均不大于一个设定值，各时段的前述设定值大小在系统规划阶段根据幅度衰减的时变性特点设定。

指纹识别技术的比对工作量很大，如何提高与指纹信息数据库档案（170）数据的比对效率和确保比对的正确性，是大多相关研究工作的重点。权利要求9和权利要求10分别给出了快速定位的方法。

权利要求9主张的移动终端（130）首次定位方法为：①处理与控制单元（160）接收并提取移动终端（130）自现场发来的信号指纹信息F和身份识别信息S；②先与各固定感应终端（140）的映射档案数据进行比对，选取相似性最好的映射档案数据R’；③由R’逆映射找到对应的档案数据R；④用档案数据R通过索查确定一个作为参照的固定感应终端（140）T；⑤再用F与T所在子区域及其周边所有相邻子区域内各参考场点的档案数据比对，选择相似性最好的档案数据R0;⑥用R0索查出移动终端（130）的首次位置坐标L0；⑦将L0与S相关联，即实现首次定位；前述“映射档案数据”是指当固定感应装置（140）接收指纹信号的方式与移动终端（130）不同时（如通过电力线耦合接收与通过无线天线接收之间在接收方式上的不同），将固定感应装置（140）的信号指纹档案数据r映射转换为另一组数据r’，用于首次定位时进行信号指纹信息比对；数据r’为与固定感应装置（140）处于同一参考场点所表征范围的移动终端（130）在该参考场点接收并提取的信号指纹信息。

权利要求10给出了一种有助于加速档案数据的比对和减小比对处理工作量的方法。处理与控制单元（160）根据移动终端（130）当前获取的信号指纹信息索查移动终端（130）当前位置时，只与以本移动终端（130）上一次定位的位置坐标为基准点的附近空间区域内各个参考场点对应的档案数据进行比对处理；前述空间区域是指移动终端（130）的最大可能活动半径所覆盖区域；最大可能活动半径由移动终端（130）可能的最快移动速度乘以单一移动终端（130）定位操作时间间隔最大值得到。

——有益效果

本发明针电力线信道的复杂性，引入信号指纹识别技术，利用电力线在建筑体内广为布设的优势，为室内定位应用提供了一种可行且低成本的技术解决方案，和其它无线定位方案相比，无需配置无线基站，产品制造成本和工程投资都相应降低，有助于破解室内定位导航技术与应用之困局，可以满足社会对室内定位技术的广泛需求。

附图说明

●图1为系统组成框图，图中

110为辅助信号发生器；

120为电力线；

130为移动终端；

140为固定感应装置；

15A为链路A，由151、1511、1512组成；

151为链路媒介A；

1511为链路终端A1;

1512为链路终端A2；

15B为链路B，由152、1521、1522组成；

152为链路媒介B；

1521为链路终端B1;

1522为链路终端B2；

160为处理与控制单元；

170为信息指纹数据库。

●图2为实施例一室内自定位系统实施方案连接示意图，图中

部分编号所标示的实体参见图1说明；

210为低压变压器；

220示意室内空间；

230为便携式终端，含移动终端130、处理与控制单元160、信息指纹数据库170；

240为便携式终端230与电力线120之间的无线电波；

250为辅助信号发生器110与电力线120之间的耦合电路；

260为固定感应装置140与电力线120之间的耦合电路。

●图3为实施例二室内定位管理系统实施方案连接示意图，图中

部分编号所标示的实体参见图1、图2说明；

310为管理中心设备，包含处理与控制单元160和信号指纹数据库170；

320为具有短距离无线传输功能的移动终端，包含移动终端130和链路终端A1（1511）；

330为移动终端130与固定感应装置140之间的链路媒介A（151），即无线电波；

340为具有短距离无线传输功能的固定感应装置，包含固定感应装置140和链路终端A2（1512）。

由151、1511、1512组成的无线链路和140与110之间的电力线链路链接后，为130与160之间提供信息传输链路。

具体实施方式

无线定位导航技术的应用主要分为两类或两种应用模式：①基于终端自行定位导航；②对终端或终端载体的位置进行管理。前者典型应用包括我们熟知的手机自定位，车辆自导航，导弹制导等；后者典型应用包括对出租车的管理，对重要货品运输过程的定位与追踪管理等。下面分别给出两种应用模式的典型应用实施例。

实施例一室内自定位系统实施方案

本实施例即应用模式①，在一个低压变压器的用户线侧沿线区域实现便携终端230的自定位或自导航。本应用模式下，每一个便携终端230均可实现自定位，辅助信号发生器110和固定感应装置140为多个自定位系统所共用；每一个便携终端230均与其所依存的设备资源均构成本发明所描述系统的一个典型连接关系，参见图2所示连接关系图，系统的各部件和技术体制见前面“技术方案”一节和“附图说明”一节。

各个固定感应装置140与移动终端230（处理与控制单元160）间的信息传输链路采用权利要求7主张的技术实现信道共享。在权利要求4所述同步技术的基础上，各个固定感应装置140按CSMA/CD协议去抢占电力线的约定公用信道用于连同身份识别信息上报信号指纹信息，各便携终端230则在该约定公用信道检测到经校验正确的信息后交处理与控制单元160处理。

这种应用模式下，便携终端230具有较强的功能，定位系统的主要功能模块，包括处理与控制单元160、信号指纹数据库170、电子地图、用户界面软件以及无线接收机等都集成在便携终端230，或近距离连接。用户在便携终端230上就可以于电子地图上实现自定位或自导航。

系统开发运营分为规划设计阶段和实时定位阶段。

1.规划设计与准备阶段主要基础工作

1)勘察现场，绘制纸质与电子地图；

2)进行图上作业。在规划管理区域按定位精度要求绘出全覆盖的参考场点栅格图，并经现场考察去除无效参考场点；

3)选择适当位置作为接入辅助信号发生器110的接入点；

4)在规划管理区域的每一个典型空间（如小型办公室或开放式区域的一隅）设定不少于一个固定感应装置140连接点，将这些连接点位置信息与对应固定感应装置140身份识别信息的映射关系表存入移动终端230中的信号指纹数据库170；

5)用仪器及配套耦合装置检测自辅助信号发生器110的接入点到每一个固定感应装置140连接点的幅频传输特性图；

6)分析对应各固定感应装置140连接点的幅频传输特性图，按权利要求2所述方法选择定位辅助信号的各单频信号，形成定位辅助信号；

7)将辅助信号发生器110连接电力线120并连续发送定位辅助信号；

8)按权利要求8的方法，于参考场点栅格图的每一参考场点处测得信号指纹信息，作为档案数据录入移动终端230中的信号指纹数据库170；

9)按权利要求8的方法，于每一选定的固定感应装置140连接点测得信号指纹信息，作为档案数据录入移动终端230中的信号指纹数据库170；

10)输入系统的管理信息和指标，例如被管理移动终端230的身份识别信息，禁入子区域的位置信息，同一移动终端230两次定位操作的时间间隔（T），同一固定感应装置140的信息上报时间间隔等。

2.实时定位阶段系统操作要点

1)从移动终端230用户界面选定“定位”或“导航”操作；

2)选定“定位”功能后，系统即用权利要求9的方法进行首次定位，在电子地图上显示本终端所在位置；后续处理流程主要操作如下：

a)每隔时间T，运用权利要求10所述快速定位方法，移动终端230中的处理与控制单元160通过比对找到相似性最优档案数据对应的位置信息；

b)将本终端230的该新位置信息在用户界面的电子地图上即时显示，并标示历史轨迹信息；

c)进入步骤a)。

3)选定（自）“导航”功能后，系统即用权利要求9的方法进行首次定位，在电子地图上显示本终端230所在位置；用户随即按界面提示输入目的地位置信息后进入实时导航流程，该处理流程主要操作如下：

a)相隔时间T，系统经计算处理后在用户界面的电子地图上显示移动终端230自当前位置到目的地的最优路径；

b)运用权利要求10所述快速定位方法，移动终端230中的处理与控制单元160通过比对找到相似性最优档案数据对应的位置信息；

c)将该新位置信息在用户界面的电子地图上即时显示，并标示历史轨迹信息；

d)进入步骤a)。

本实施例中，固定感应装置140与电力线120通过耦合电路连接，即该装置140直接通过耦合电路从电力线120接收并提取定位辅助信号的指纹信息。

由于移动终端130和处理与控制单元160、信号指纹数据库170集成设计，不再需要配置移动终端130和处理与控制单元160之间的链路模块。

固定感应装置140与移动终端230中的处理与控制单元160之间的信息传输链路利用了电力线，该装置140向移动终端230中的处理与控制单元160反馈的上行信息与下行的定位辅助信号时分共享电力线。与移动终端130一样，移动终端230中的处理与控制单元160也是通过接收电力线辐射的信号获取固定感应装置140反馈的信息，这样就可以省去发射端（即固定感应装置140端）的天线装置。

实施例二室内定位管理系统实施方案

本实施例即应用模式②，在一个低压变压器的用户线侧沿线区域实现对移动终端320的位置管理。这种应用模式是有中心的无线点对多点连接结构，系统连接关系参见图3所示连接关系图，系统的各部件和技术体制见前面“技术方案”一节和“附图说明”一节。该示意图只标出系统中一个移动终端320的连接关系，其它移动终端320的连接关系与此类似。

这种应用模式下，移动终端320的功能相对简单，主要包括无线收发信机和指纹信息的预处理功能，而处理与控制单元160、信号指纹数据库170、电子地图、管理界面则集中在管理中心，集成为管理中心设备310，便于对全系统的移动终端320的定位或追踪管理。

系统按权利要求4主张采用基于电力线工频信号同步的时分非对称点对多点传输体制，各移动终端320按照权利要求6的信道分配协议上报信息；移动终端320和固定感应装置340的上报频道按权利要求5实时选择。

系统开发运营分为规划设计与准备阶段和实时定位管理阶段。

1.规划设计与准备阶段主要基础工作

1)勘察现场，绘制纸质与电子地图；

2)进行图上作业。在规划管理区域按定位精度要求绘出全覆盖的参考场点栅格图，并经现场考察去除无效参考场点；

3)选择适当位置为系统管理中心，管理中心包括集成了处理与控制单元160和信号指纹数据库170的管理中心设备310、辅助信号发生器110等，在该场点附近将辅助信号发生器110接入电力线120；

4)在规划管理区域的每一个典型空间（如小型办公室或开放式区域的一隅）设定不少于一个固定感应装置340连接点，将这些连接点位置信息与对应固定感应装置340身份识别信息的映射关系表存入管理中心设备310；

5)用仪器及配套耦合装置检测自辅助信号发生器110的接入点到每一个固定感应装置340连接点的幅频传输特性图；

6)分析各固定感应装置340连接点的幅频传输特性图，按权利要求2所述方法选择定位辅助信号的各单频信号，形成定位辅助信号；

7)将辅助信号发生器110连接电力线120并连续发送定位辅助信号；

8)按权利要求8的方法，于参考场点栅格图的每一参考场点处测得信号指纹信息，作为档案数据录入管理中心设备310；

9)按权利要求8的方法，于每一选定的固定感应装置340连接点测得信号指纹信息，作为档案数据录入管理中心设备310；

10)输入系统的管理信息和指标，例如被管理移动终端320的身份识别信息，禁入子区域的位置信息，同一移动终端320两次定位操作的时间间隔（T），同一固定感应装置340的信息上报时间间隔等。

2.实时定位管理阶段系统操作要点

1)管理中心设备310在接收到各个移动终端320发来的信号指纹信息后，分别用权利要求9的方法进行首次定位，在管理中心设备310管理界面的电子地图（可以是多页）上显示；

2)每隔时间T，运用权利要求10所述快速定位方法，管理中心设备310通过比对找到相似性最优档案数据对应的位置信息，并分别在电子地图上显示，同时显示各个移动终端320的历史轨迹；

3)当有移动终端320进入禁入子区域时通过管理中心设备310发出告警信号；

4)当选择某一移动终端320查询历史记录时，可追溯显示指定时间段的历史轨迹记录；

5)通过各类界面操作，可以向移动终端320发出警告信息。

本实施例中，固定感应装置340通过耦合电路直接从电力线接收并提取定位辅助信号的指纹信息。

固定感应装置340与管理中心设备310之间的信息传输链路为电力线通信链路；移动终端320通过无线传输链路与电力线传输链路的链接链路同管理中心设备310交换信息，其中无线传输链路选用UWB技术，移动终端320的上报信息传输至固定感应装置340之后再经电力线传输至管理中心设备310。

Claims (10)

1.一种基于电力线信号指纹信息的无基站室内定位系统（以下也简称本系统或系统），其特征在于：移动终端（130）可利用接收到的辐射自电力线（120）的定位辅助信号的特征参量（称为信号指纹信息）与信号指纹信息数据库（160）存储的先前获取并存储的信号指纹信息（称为档案数据）的相似性比对来实现空间定位；系统可通过沿电力线布设的固定感应装置（140）按一定频度反馈的信息来准实时调整信号指纹信息数据库（160）中的档案数据，以应对电力线（120）信道特性的时变性；

本系统包括但不限于如下组成部分：

1)电力线（120），特指位于同一380V低压变压器用户线侧的所有电力线，其室内部分一般布设在房间或走道等室内区域的周边墙体中或墙体表面；

2)辅助信号发生器（110），该设备（或作为模块）生成定位辅助信号和其它辅助信息，通过电磁耦合电路将这些信息耦合至电力线上；前述定位辅助信号含有用于定位的信号指纹信息；该信号指纹信息包含但不限于以下部分信号特征参量或它们的统计特性信息：场强信息、功率信息、频率信息、相位信息、波形信息、时长信息；

3)移动终端（130），该设备在电力线（120）附近，特别在室内场点接收从周边电力线（120）辐射出来的无线信号，提取无线信号中源自辅助信号发生器（110）的定位辅助信号的信号指纹信息；该设备（130）将提取的信号指纹信息连同自身的身份识别信息通过上报链路传送到处理与控制单元（160），用于本系统对该设备（130）进行空间定位操作；

4)处理与控制单元（160），该设备（或作为模块）执行其内部存储的软件程序，管理和协调移动终端（130）和固定感应装置（140）向处理与控制单元（160）的信息上报过程和所需资源，检测移动终端（130）和固定感应装置（140）的上报信息；该设备（160）将移动终端（130）上报的信号指纹信息与信号指纹信息数据库（170）中的档案数据进行相似性比对，用相似性最优的比对结果索查实时位置信息，实现对本系统所管理的移动终端（130）的定位操作；该设备（160）接收并提取固定感应装置（140）上报的信号指纹信息的特征参量变化量，依此变化量按预先设定的规则调整信号指纹信息数据库（170）中存储的档案数据；

5)信号指纹信息数据库（170），该设备（或作为模块）与处理与控制单元（160）集成在一起或近距离连接，由处理与控制单元（160）对其进行管理；在该设备（170）中存储本系统管理范围内对应每一参考场点和每一固定感应装置（140）配置点的信号指纹信息的档案数据以及与其绑定存储的位置坐标；所述参考场点是在系统管理区域内的一组依据系统定位精度按几何规则选定的场点，该场点周边一定范围内的各场点的信号指纹信息都用该参考场点的信号指纹信息表征，参考场点所表征的全部场点完全覆盖且只覆盖本系统所管理的区域；

6)固定感应装置（140），该装置布设在本系统所管理的区域内电力线（120）沿线每一个子区域中一个固定场点，在处理与控制单元（160）或在信号指纹信息数据库（170）中预先存储该装置（140）所在位置信息与其身份识别信息的对应关系信息；该装置（140）从电力线（120）按一定频度提取信号指纹信息，将其传送给处理与控制单元（160）供其准实时调整信号指纹信息数据库（170）中部分参考场点的档案数据的数值，这部分参考场点与本固定感应装置（140）处在同一子区域内；子区域的划分规则为：影响子区域所属各参考场点电磁场的电力线辐射源情况（即周边电力线分布情况）和无线信号多径传播环境相近，例如一个小型办公室内部或一个大面积办公区的一隅；划分子区域的数量多少要适宜，既要足够多以满足全部子区域可不重叠地完全覆盖本系统所管理的室内区域，又不要因过多而增加系统配置成本和影响定位效率；

7)链路A（15A），由链路媒介A（151）与链路终端A1（1511）、链路终端A2（1512）组成，用做移动终端（130）与处理与控制单元（160）之间信息传输；链路媒介A（151）可以是无线媒介（空气）或导线等；链路A（15A）也代表其链接一个或多个与其组成相似的链路所形成的一条与其作用相同的传输链路，所述链接的链路的媒介可以是如下媒介之一：无线媒介（空气）、电力线、电缆、光缆；

8)链路B（15B），由链路媒介B（152）与链路终端B1（1521）、链路终端B2（1522）组成，用做固定感应装置（140）与处理与控制单元（160）之间的信息传输链路；链路媒介B（152）可以是电力线或无线媒介（空气）等；链路B（15B）也代表其链接一个或多个与其组成相似的链路所形成的一条与其作用相同的传输链路，所述链接的链路的媒介可以是如下媒介之一：无线媒介（空气）、电力线、电缆、光缆；

辅助信号发生器（110）通过电磁耦合电路与电力线（120）相连接；移动终端（130）通过空气媒介（即无线信道）从电力线（120）接收定位辅助信号；移动终端（130）经链路A（15A）与处理与控制单元（160）相连接；固定感应装置（140）或经电磁耦合电路从电力线（120）接收定位辅助信号，或与移动终端（130）一样经空气媒介（即无线信道）从电力线（120）接收定位辅助信号；固定感应装置（140）经链路B（15B）与处理与控制单元（160）相连接；处理与控制单元（160）则与信号指纹数据库（170）近距离连接或集成在一起；

本系统各组成部分在系统实施定位操作的过程中的相互作用与配合关系是：辅助信号发生器（110）周期性地将定位辅助信号耦合到电力线（120）上，该信号通过电力线（120）传导并辐射到电力线（120）沿线附近区域；在本系统管理区域内电力线（120）沿线附近区域内活动的移动终端（130）接收自其周边电力线（120）辐射出的无线信号，从中提取源自辅助信号发生器（110）的定位辅助信号的信号指纹信息，将该信号指纹信息与本移动终端（130）的身份识别信息一同经由链路A（15A）传给处理与控制单元（160）；处理与控制单元（160）将接收并提取的移动终端（130）即时信号指纹信息与信号指纹信息数据库（170）中存储的信号指纹档案数据进行比对，依据相似性最优的信号指纹档案数据查找与该档案数据绑定存储的位置坐标，将之作为当前位置坐标赋予与信号指纹信息一同获取的身份识别信息所对应的移动终端（130）；固定感应装置（140）按一定频度从电力线接收并提取辅助信号发生器（110）发出的定位辅助信号的信号指纹信息，连同本固定感应装置（140）位置坐标信息经由链路B（15B）传给处理与控制单元（160），供其依据该位置坐标信息索查到该固定感应装置（140）对应之档案数据，并根据前述实时获取的指纹信息特征参量与档案数据中特征参量的变化量，按预先设定的调整规则去调整信号指纹信息数据库（170）中对应该固定感应装置（140）所在子区域内各场点的档案数据之特征参量；同时，用新获取的信号指纹数据替代对应固定感应装置（140）的原档案数据。

2.如权利要求1所述的基于电力线信号指纹的无基站室内定位系统，定位辅助信号由从数拾KHz到数百MHz频段内分布的不少于两个的单频信号线性合成，取各单频信号幅度组成的一个信号强度值集合为本系统的信号指纹信息，也称作信号指纹矢量；定位辅助信号的单频信号频点数量和频点频率的选择，主要考虑前期测量得知的辅助信号发生器（110）至本系统所管理区域内所有各场点之间电力线（120）信号传输幅频衰减特性变化最显著的频段，即选择多个因位置不同而信号幅度变化显著的频点；定位辅助信号的各单频信号幅值大小选择要保证足以在各场点可由移动终端（130）和固定感应装置（140）检测到；同时，应考虑避开在本系统安装现场前期测量得知的足以对定位辅助信号形成干扰的非随机干扰信号频率。

3.如权利要求1权利要求2所述的基于电力线信号指纹的无基站室内定位系统，信号指纹数据库（170）中的档案数据的调整方法为：①处理与控制单元（160）接收到固定感应装置（140）发来的信号指纹信息和身份识别信息后，根据身份识别信息索查信号指纹数据库（170）中对应该固定感应装置（140）的档案数据；②将索查到的信号指纹档案数据与接收到的信号指纹信息进行比较，得信号指纹矢量中各元素的相对变化比例值集合；③对本固定感应装置（150）所在子区域每个参考场点对应的信号指纹矢量档案数据集合，按前述比例值集合里每一元素（比例值）同比例调整相应维度元素值；④用前述新获取的信号指纹信息更新对应固定感应装置（140）的原档案数据。

4.如权利要求1所述的基于电力线信号指纹的无基站室内定位系统，辅助信号发生器（110）发出的周期性的定位辅助信号与电力线（120）工频信号过零点同步，在设定的时间窗口发出定位辅助信号；移动终端（130）和固定感应终端（140）在与电力线（120）工频信号过零点同步的基础上从前述的时间窗口接收并提取定位辅助信号的信号指纹信息。

5.如权利要求1所述的基于电力线信号指纹的无基站室内定位系统，系统预先设定不少于2个候选频道供移动终端（130）或固定感应装置（140）向处理与控制单元（160）发送信号指纹信息和身份识别信息时选用，这些频道的选用方法如下：①辅助信号发生器（110）周期性地在约定时间窗口向电力线（120）发送频道认知辅助信号，该信号由处于前述每一个候选频道之频段中的一个单频信号线性合成；②移动终端（130）或固定感应装置（140）在相应时间窗口检测该信号中各单频信号的幅值；③移动终端（130）或固定感应装置（140）优先选择频道认知辅助信号中幅值衰减较小的单频信号所对应的频道作为信号指纹信息和身份识别信息上报信道。

6.如权利要求1所述的基于电力线信号指纹的无基站室内定位系统，系统采用时分多址体制，通过按需分配MAC协议实现多个移动终端（130）和多个固定感应装置（140）的信息上报用信道的分配；协议至少包含如下步骤：①在系统的时分帧结构中预先分配不少于一个的时间窗口用于移动终端（130）和固定感应装置（140）向处理与控制单元（160）上报信息；②处理与控制单元（160）在约定时间窗口向移动终端（130）和固定感应装置（140）发送信道分配指令，其中含有被要求立即上报信息的各移动终端（130）或固定感应装置（140）的身份识别信息和它们的上报时间窗口编号；③各移动终端（130）和固定感应装置（140）接收并解读该信道分配指令；④被点名的移动终端（110）或固定感应装置（140）随即按该信道分配指令所指定的上报时间窗口发送信号指纹信息和身份识别信息。

7.如权利要求1所述的基于电力线信号指纹的无基站室内定位系统，系统采用竞争型MAC协议为本系统的多个信息传输链路在同一链路媒介上的公用信道上实现信道共享，例如带冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）协议；所述信息传输链路包括但不限于处理与控制单元160与移动终端130之间或与固定感应装置140之间的信息传输链路。

8.如权利要求1所述的基于电力线信号指纹的无基站室内定位系统，将一天划分为多个时段，分别建立初始档案数据集，即将不同分时段现场检测的参考场点的信号指纹信息按时段标记后存储于信号指纹信息数据库（170）；当系统进行初始化操作或复位重启操作时，按当时所处时段选用初始档案数据集作为档案数据调整的参照信息；前述时段的划分规则之一是：同一时段内各频点信号之间幅度相对衰减的比例值均不大于一个设定值，各时段的前述设定值大小在系统规划阶段根据幅度衰减的时变性特点设定。

9.如权利要求1所述的基于电力线信号指纹的无基站室内定位系统，移动终端（130）首次定位方法为：①处理与控制单元（160）接收并提取移动终端（130）自现场发来的信号指纹信息F和身份识别信息S；②先与各固定感应终端（140）的映射档案数据进行比对，选取相似性最好的映射档案数据R’；③由R’逆映射找到对应的档案数据R；④用档案数据R通过索查确定一个将作为参照的固定感应终端（140）T；⑤再用F与T所在子区域及其周边所有相邻子区域内各参考场点的档案数据比对，选择相似性最好的档案数据R0;⑥用R0索查出移动终端（130）的首次位置坐标L0；⑦将L0与S相关联，即实现首次定位；前述“映射档案数据”是指当固定感应装置（140）接收指纹信号的方式与移动终端（130）不同时（如通过电力线耦合接收与通过无线天线接收在接收方式上的不同），将固定感应装置（140）的信号指纹档案数据r映射转换为另一组数据r’，用于首次定位时进行信号指纹信息比对；数据r’为与固定感应装置（140）处于同一参考场点所表征范围的移动终端（130）在该参考场点接收并提取的信号指纹信息。

10.如权利要求1所述的基于电力线信号指纹的无基站室内定位系统，处理与控制单元（160）根据移动终端（130）当前获取的信号指纹信息索查移动终端（130）当前位置时，只与以本移动终端（130）上一次定位的位置坐标为基准点的附近空间区域内各个参考场点对应的档案数据进行比对处理；前述空间区域是指移动终端（130）的最大可能活动半径所覆盖区域；最大可能活动半径由移动终端（130）可能的最快移动速度乘以单一移动终端（130）定位操作时间间隔最大值得到。

Images