CN108519582A - 一种基于几何关系无需同步时间的空间定位系统及方法 - Google Patents

一种基于几何关系无需同步时间的空间定位系统及方法 Download PDF

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CN108519582A CN201810274507.4A CN201810274507A CN108519582A CN 108519582 A CN108519582 A CN 108519582A CN 201810274507 A CN201810274507 A CN 201810274507A CN 108519582 A CN108519582 A CN 108519582A
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Abstract

本发明提供一种基于几何关系无需同步时间的空间定位系统及方法，待定位点通过测量信号从构成几何关系以及系统已获知空间位置的定位信标之间传递的过程而根据几何关系实现空间位置定位的方法，解决目前定位系统对时钟同步的依赖，待定位点获得基本空间三维定位要素和信号传递过程协议后只需被动接收很少的信息就能计算出三维坐标位置，本发明能有效的降低目前定位系统特别是定位客户端的复杂程度，简化算法，提升定位速度，基于本发明普通智能手机在不增加硬件设备的情况下就能实现准确的室内三维超声波定位。

Description

一种基于几何关系无需同步时间的空间定位系统及方法
技术领域
本发明属于空间定位导航领域，涉及一种基于几何关系无需同步时间的空间定位系统及方法，本发明还介绍了各种波长的传媒基于本发明的空间定位及实现方法。
背景技术
随着卫星定位导航，物联网，机器人自动化，自动驾驶技术的高速发展。对于空间定位技术的依赖越来越高，目前常采用的定位技术有基于到达时间定位法(TOA)和基于到达时间差定位法（TDOA)。
基于此两种技术的系统及定位信标之间需要精确时间同步，众所周知的定位系统（GPS）配备价格昴贵的原子钟用于时钟的同步，实现时间同步需要发送接收较多的信息，需要占用更多定位端系统运算能力和硬件资源，系统复杂度高，并且定位速度较慢。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于几何关系无需同步时间的空间定位系统及方法, 待定位点通过测量信号从已获知空间位置并构成空间几何体的定位信标之间传递的过程而根据几何关系，待定位点只需被动接收少量定位信号数据就能实现空间位置定位，满足系统无需同步时间、定位算法简单、低成本、高效率的要求。
本发明公开了如下技术方案：
由三个不在同一直线的定位信标ABC构成平面三角形，AB定位信标之间距离a，BC定位信标之间距离b，CA定位信标之间距离c；
另一个定位信标Z位于ABC平面外，AZ定位信标之间距离j，BZ定位信标之间距离h，CZ定位信标之间距离i；
共4个定位信标构成几何四面体包括6条棱长、6个定位面夹角、4个定位面的基本空间三维定位要素，该基本空间三维定位要素在增加定位信标后可以增加定位的精度。
由定位信标发射、接收、传递其中的信号包括光，电磁波，声波，测量和调整信号在本定位信标传递停留时间，并告知系统及待定位点，系统通过本领域熟知的通迅技术与定位信标和待定位点参与数据的交换和计算存储，控制定位信标之间的通迅来获知所需要的定位要素物理量。
在已知空间位置布置定位信标视为系统已获知定位信标的绝对空间位置。
在未知空间位置布置定位信标则由系统测量所得，包括以下步骤：
（1）系统通过控制4个定位信标，由本领域熟知的任意介质传媒测距技术测量得到定位信标之间距离的6条棱长；
（2）以B定位信标为原点，x轴、y轴位于ABC定位平面，x轴与C定位信标相交，A定位信标方向为y轴，建立ABC定位平面的坐标系统，跟据公式包括：
，
计算出A定位信标坐标值为(x 0， y 0 )，B定位信标位于（0，0）坐标值为（x 1， y 1），C定位信标位于（b,0）坐标值为（x 2， y 2），待定位点位于ABC定位面的坐标为（x，y）；
（3）以B定位信标为原点，x4轴、y4轴位于ZBC定位平面，x4轴与C定位信标相交，A定位信标方向为y4轴，建立ZBC定位平面的坐标系统，跟据公式包括：
,
计算出Z定位信标坐标值为（x 3， y 3），B定位信标位于（0，0）坐标值为（x 1， y 1），C定位信标位于（b,0）坐标值为（x 2， y 2），待定位点位于ZBC定位面的坐标为（x 4， y 4）；
（4）以B定位信标为原点，x轴、y轴位于ABC定位平面，x轴与C定位信标相交，A定位信标方向为y轴，z轴相交于B定位信标并垂直于ABC定位平面，建立并确定相对空间坐标系；
（5）根据已知6条棱长解算ABC定位面与ZBC定位面夹角θ弧度值，符合公式包括：
，
根据定位需要可由6条棱长求得所述的四面体6个定位面夹角弧度值；
（6）系统所获知该基本空间三维定位要素信息及该信号传递过程信息由本领域熟知的通迅技术通过其它传媒间接告知待定位点，或直接调制在定位信号内由定位信标告知待定位点，动态活动的定位信标则跟据定位要求重复以上步骤。
待定位点位于所述的空间坐标系内并且能够接收到四个定位信标信号范围内的任意位置，获得所述的基本空间三维定位要素和信号传递过程后，通过接收定位信标的定位信号计算出位于空间坐标系的三维空间位置。
定位信号由其中一个定位信标发出；另外一个定位信标传递其定位信号，根据信号传递过程协议测量信号在本信标停留时间并告知系统及待定位点；待定位点根据信号传递过程协议测量收到两个定位信标信号的间隔时间，减去信号在定位信标的停留时间再乘以信号在介质的传播速度，得到一对定位信标之间的信号传递过程；
在同一绝对时间体系的一对定位信标，系统制定先后发出定位信号的绝对时间间隔减去系统约定延时时间值，刚好等于定位信号在该对定位信标之间传播所需要的时间值；待定位点根据信号传递过程协议测量收到两个定位信标信号的间隔时间，减去系统约定延时时间值再乘以信号在介质的传播速度，得到一对定位信标之间的信号传递过程。
系统根据信号特性被动或主动制定定位信标信号的调制解调方式、编码解码方式、误差修正方式、信号停留时间值、系统约定延时时间值、定位信标信号传递路径，而组成其中的信号传递过程协议。
待定位点在获得所述的基本空间三维定位要素后，根据几何关系，要实现二维定位最少需要获得一个定位面两对定位信标的信号传递过程，要实现三维定位最少还需要获得另一定位面一对定位信标信号传递过程，据此，系统制定实现三维定位最少信号传递路径；
在其中的定位最少信号传递路径基础上获得更多不同的定位信标的信号传递过程可以提高定位精度，系统根据定位要求制定定位信标定位信号的传递路径。
实现该三维定位最少信号传递路径包括：
定位信号按定位信标顺序传递；
定位信号由其中一个定位信标发出，剩余定位信标同时传递；
定位信号由其中一个定位信标发出，另一个定位信标接着进行传递，剩余定位信标同时传递；
定位信号由其中一个定位信标发出，另外两个定位信标同时传递，剩余定位信标选择所述述两个定位信标其中一个的定位信号进行传递。
其中的定位信号按定位信标顺序传递，待定位点测量定位信号传递过程包括以下步骤：
待定位点接收到A定位信标信号时开始计时到接收到B定位信标信号时停止，所得到的时间减去信号在B定位信标停留时间再乘以信号所在介质传播速度得到距离d；
待定位点接收到B定位信标信号时开始计时到接收到C定位信标信号时停止，所得到的时间减去信号在C定位信标停留时间再乘以信号所在介质传播速度得到距离e；
待定位点接收到C定位信标信号时开始计时到接收到Z定位信标信号时停止，所得到的时间减去信号在Z定位信标停留时间再乘以信号所在介质传播速度得到距离f1；
选择其它传递路径时，根据信号的传递路径构成的几何关系分配相对应的符号标号生成相对应的测量定位信号传递过程步骤。
待定位点获得的信号传递路径、基本空间三维定位要素、信号传递过程、构成的几何关系符合公式包括：
，
简化关系后得出信号于ABC定位信标面传递路径、基本空间三维定位要素、信号传递过程、构成的几何关系符合公式方程组包括：
，
，
用最小二乘法解算以上方程组，得出待定位点位于相对空间坐标数值(x,y)；
得出信号于ZBC定位信标面传递路径、基本空间三维定位要素、信号传递过程、构成的几何关系符合公式方程包括：
，
x轴与x 4轴重合，将x数值代入x 4 ，
用最小二乘法解算以上方程，得出待定位点位于ZBC平面坐标数值（y 4）；
由包括公式：
，
解算出待定位点位于相对空间坐标z轴数值（z）。
由已知绝对空间位置的待定位点推算出所建立的相对空间坐标的绝对值并标定，从而在下一次定位时能得到空间坐标的绝对值，该绝对空间位置包括地球坐标系统位置值。
本发明基于几何关系无需同步时间的空间定位系统及方法有以下几点有益效果：
定位信标不必刻意按位置布置，可自主生成空间坐标系统，定位算法简单，系统无需同步时间；
待定位点在获得该基本空间三维定位要素后只需要被动的接收定位信号就能定位，需要接收的信息量少，占用资源少，无容量限制，定位速度快。
附图说明
图1为系统布置及空间坐标系示意图；
图2为建立ABC定位信标平面坐标示意图；
图3为建立ZBC定位信标平面坐标示意图；
图4为ABC定位信标面信号传递过程、路径与定位要素构成的几何关系示意图；
图5为ZBC定位信标面信号传递过程、路径与定位要素构成的几何关系示意图；
图6为2面角,y,y4与z几何关系示意图；
图7为定位精度的规律示意图；
图8为第一个实施例激光一次定位信号传递路径过程示意图；
图9为第二个实施例超声波一次定位信号传递路径过程示意图；
图10为第一个实施例激光定位流程及信号构成示意图；
图11为第二个实施例超声波定位流程及信号构成示意图；
图12为第二个实施例智能手机接收一次定位信号的录音文件波型示意图；
图13为第二个实施例超声波室内小范围布置系统数据及实验数据示意图；
图14为第三个实施例无线电定位一种信息调制编码信号传递过程协议结构示意图。
具体实施方式
以下将参考附图来描述本发明的实施例，以帮助全面理解本发明的实施例，本发明的目的和效果将变得更加明显，但是，本领域的技术人员将 会意识到，没有这些具体细节中的一个或多个，或者利用其他传媒、装置、系统、组合、方法、组件、素材、部件等等也能实现本发明的实施例。在本说明书和附图中，相似的标号表示具有基本相同功能的结构元素，并且将省略对这些结构元素的重复说明。
如图10为第一个实施例激光定位流程及信号构成示意图，本实施例将说明使用激光信号利用本发明原理实现空间定位，以帮助全面理解本发明的原理。
脉冲式激光瞬时功率大，但平均功率小，同时满足了输出高功率激光和系统低能耗，本实施例描述的激光信号均采用纳秒级激光脉冲信号。
本实施例主要包含的硬件如图1包括：4个定位信标A,B,C,Z，接收信号的待定位装置D，通过无线电通迅装置控制定位信标制定定位过程协议及存储数据的主机系统。
定位信标含有激光发射接收测量装置，用于测量定位信标之间的距离，含有激光反射散射光学镜，用于将激光信号传递给待定位装置,含有激光分束信号发射装置，用于将激光信号发射到各个定位信标和待定位装置。
待定位装置含有独立接收分辩各个定位信标激光信号的接收装置，含有与定位系统主机通迅的无线电通迅装置，含有信号处理运算装置，并位于能够接收到4个定位信标激光信号范围内的任何空间位置。
本发明一种基于几何关系无需同步时间的空间定位系统及方法利用激光传媒的定位系统流程如图10所示，工作原理如下：
系统定位信标布置如图1，由三个不在同一直线的定位信标ABC构成平面三角形，AB定位信标之间距离a，BC定位信标之间距离b，CA定位信标之间距离c；
另一个定位信标Z位于ABC平面外，AZ定位信标之间距离j，BZ定位信标之间距离h，CZ定位信标之间距离i；
共4个定位信标构成几何四面体包括6条棱长、6个定位面夹角、4个定位面的基本空间三维定位要素。
由系统控制定位信标激光测距测量得到定位信标之间距离的6条棱长后，建立相对空间坐标系统，包括以下步骤：
（1）以B定位信标为原点，x轴、y轴位于ABC定位平面，x轴与C定位信标相交，A定位信标方向为y轴，建立ABC定位平面的坐标系统，跟据公式：
，
计算出A定位信标坐标值为(x 0， y 0 )，B定位信标位于（0，0）坐标值为（x 1， y 1），C定位信标位于（b,0）坐标值为（x 2， y 2），待定位点位于ABC定位面的坐标为（x，y）；
（2）以B定位信标为原点，x4轴、y4轴位于ZBC定位平面，x4轴与C定位信标相交，A定位信标方向为y4轴，建立ZBC定位平面的坐标系统，跟据公式：
，
计算出Z定位信标坐标值为（x 3， y 3），B定位信标位于（0，0）坐标值为（x 1， y 1），C定位信标位于（b,0）坐标值为（x 2， y 2），待定位点位于ZBC定位面的坐标为（x 4， y 4）；
（3）以B定位信标为原点，x轴、y轴位于ABC定位平面，x轴与C定位信标相交，A定位信标方向为y轴，z轴相交于B定位信标并垂直于ABC定位平面，建立并确定相对空间坐标系；
（4）根据已知6条棱长解算ABC定位面与ZBC定位面夹角θ弧度值，符合公式包括：
，
根据定位需要可由6条棱长求得所述的四面体6个定位面夹角弧度值；
（5）系统所获知基本空间三维定位要素及信号传递过程信息由本领域熟知的无线电通迅技术告知待定位装置。
由激光信号在定位信标0停留时间的传递过程特性，本实施例选择一个定位信标发射信号，其余定位信标传递的信号传递路径方式，激光信号定位一次的传递路径如图8，此种传递路径方式定位速度相对最快，但占用相对较多待定位端的硬件资源。
系统及待定位装置获得基本空间三维定位要素后进入定位信号发射流程如图10，待定位装置测量激光信号传递过程，
具体步骤如下：
步骤1、激光束脉冲信号由定位信标B发出，经过激光分束装置将激光信号同时向其余定位信标及待定位装置发射；
步骤2、定位信标A、C、Z利用激光反射散射光学镜将激光束脉冲信号传递给待定位装置；
步骤3、待定位装置接收到B定位信标激光信号开始计时到接收到A定位信标激光信号结束，所得到的时间乘以介质光速，得到的如图10所示符合如图4几何关系的距离g；
步骤4、待定位装置接收到B定位信标激光信号开始计时到接收到C定位信标激光信号结束，所得到的时间乘以介质光速，得到的如图10所示符合如图4、图5几何关系的距离e；
步骤5、待定位装置接收到B定位信标激光信号开始计时到接收到z定位信标激光信号结束，所得到的时间乘以介质光速，得到的如图10所示符合如图5几何关系的距离f。
根据所测量得到的传递过程数据解算出待定位点D的空间位置,具体步骤如下：
根据激光信号于ABC定位信标面传递路径、基本空间三维定位要素、信号传递过程、构成的几何关系符合公式方程组：
，
，
用最小二乘法解算以上方程组，得出待定位点D位于相对空间坐标数值(x,y)；
得出激光信号于ZBC定位信标面传递路径、基本空间三维定位要素、信号传递过程、构成的几何关系符合公式方程：
，
x轴与x 4轴重合，将x数值代入x 4 ，
用最小二乘法解算以上方程，得出待定位装置位于ZBC平面坐标数值（y 4）；
根据如图6几何关系，由公式：
，
解算出待定位点D位于相对空间坐标z轴数值（z）。
由已知绝对空间位置的待定位点推算出所建立的相对空间坐标的绝对值并标定，从而在下一次定位时能得到空间坐标的绝对值，该绝对空间位置包括地球坐标系统位置值。
如图11为第二个实施例超声波定位流程及信号构成示意图，本实施例将说明使用超声波信号利用本发明原理实现空间定位，以帮助全面理解本发明的原理。
普通智能手机麦克风对于20KHZ-22KHZ超声频段有良好的接收能力，本实施例将利用普通的智能手机，采用44.1KHZ采样率采集定位信标所发出的窄带21KHZ超声波定位信号实现室内三维空间定位。
超声波在空气传播时受气温影响速度，本实施例修正误差采用超声波速度公式：s=331.5+0.6t(m/s)，s为超声波传递速度，t为摄氏温度，单位（米/秒）。
本实施例主要包含的硬件如图1包括：布置成空间几何关系的4个定位信标A、B、C、Z，接收超声波信号的待定位点D智能手机，控制定位信标制定定位信号传递过程协议及接入互联网存储数据的主机系统,主机通过zigbee模块与定位信标通迅。
定位信标含有超声波发射接收装置，可用于测量定位信标之间的距离，进行超声波信号的传递，含有超声波信号测量和数据计算处理器装置，利用zigbee模块与系统主机通迅。
待定位智能手机利用麦克风接收定位信标发出的超声波定位信号，利用网络服务与定位系统主机通迅，本机处理超声波信号数据，计算得出空间定位坐标。
本发明一种基于几何关系无需同步时间的空间定位系统及方法利用超声波传媒的定位系统流程如图11所示，工作原理如下：
系统定位信标布局如实施例1系统定位信标布置步骤。
超声波在室内传播会产生多径效应,信号发出后会接收到一段较长的墙壁回音信号，在空间较大的室内更为严重,为了克服多径效应,本实施例选择了定位信号按定位信标顺序传递的传递路径方式，超声波信号定位一次的传递路径如图9，定位信号为统一的20微秒21KHZ不调制任何信息的窄带超声波信号，并在定位信标收到定位信号后延时一定的时间再进行传递，跟据环境多径效应情况本实施例设定为300微秒，此种传递路径方式定位速度相对最慢，但对待定位端的硬件资源要求最少。
定位信标之间超声波测距采用延时法，系统控制A定位信标发出测距超声信号，B定位信标收到测距信号后延时300微秒再发出测距回应信号，定位信标A根据发出测距信号到收到测距回应信号的间隔时间减去300微秒，得到的时间除2后再乘以修正误差后的超声波传播速度就能得出AB定位信标之间的距离a,依次测量得到定位信标之间距离构成几何四面体的6条棱长。
根据测量所得的6条棱长建立并确定空间坐标系，具体步骤如具体实施例1建立相对空间坐标系统步骤。
本实施例利用4个定位信标在室内布置的一个实例其实际实验数据如图13：（行3、20、23、26、29）。
系统及待定位装置获得基本空间三维定位要素后进入定位信号传递发射流程如图11，具体步骤如下：
步骤1、系统控制定位超声波信号由定位信标A发出，定位信标B收到定位信标A所发的定位超声波信号后延时300ms再发出定位超声波信号；
步骤2、系统控制定位信标C收到定位信标B所发的定位超声波信号后延时300ms再发出定位超声波信号；
步骤3、系统控制定位信标Z收到定位信标C所发的定位超声波信号后延时300ms再发出定位超声波信号；
步骤4、完成一次定位信号传递过程，系统根据定位需要延时一定时间再重复定位信号发射流程步骤。
基于在同一绝对时间体系的4个定位信标，系统获得绝对时间的方法由zigbee通信利用本领域熟知的同步算法完成，本实施例的又一子实施例的定位信号发射流程如图11，具体步骤如下：
步骤1、系统制定定位信号按信标顺序发射，每10秒重复发射一次，系统约定延时时间值300ms；
步骤2、定位信标A时间为整0分钟时，定位信标A发出超声波定位信号，下次在0︰10.00000的时刻定位信标A发出超声波定位信号，跟据规则重复发出定位信号。
步骤3、由测量所得定位要素可知，定位信标AB之间距离为2.55米，室内温度为21.8度的情况下超声波信号在定位信标AB之间传播需要7.39ms，加上系统约定延时时间值300ms，在定位信标B时间为0︰00.30739的时刻定位信标B发出超声波定位信号，下次在0︰10.30739的时刻定位信标B发出超声波定位信号，跟据规则重复发出定位信号。
步骤4、由测量所得定位要素可知，定位信标BC之间距离为3.5米，室内温度为21.8度的情况下超声波信号在定位信标BC之间传播需要10.15ms，加上系统约定延时时间值300ms，在定位信标C时间为0︰00.61754的时刻定位信标C发出超声波定位信号，下次在0︰10. 61754的时刻定位信标C发出超声波定位信号，跟据规则重复发出定位信号。
步骤5、由测量所得定位要素可知，定位信标CZ之间距离为1.93米，室内温度为21.8度的情况下超声波信号在定位信标CZ之间传播需要5.60ms，加上系统约定延时时间值300ms，在定位信标Z时间为0︰00.92314的时刻定位信标Z发出超声波定位信号，下次在0︰10.92314的时刻定位信标Z发出超声波定位信号，跟据规则重复发出定位信号。
如图12为智能手机接收到一次定位信号的录音信号波型图，包含了四个定位信标按ABCZ顺序所发出的四个超声波信号，该一次定位信号的录音信号波型包括如图11中的定位信号传递过程构成解析；超声波测距中通常采用信号阀值来采集超声波时间特征，在接收到的超声波信号后进行窄带滤波过滤环境吵音，
跟据阀值测量AB信号之间时间间隔减去300ms再乘以误差校准后的超声波速度得到的如图11所示符合如图4几何关系的距离d；
跟据阀值测量BC信号之间时间间隔减去300ms再乘以误差校准后的超声波速度得到的如图11所示符合如图4、图5几何关系的距离e；
跟据阀值测量CZ信号之间时间间隔减去300ms再乘以误差校准后的超声波速度得到的如图11所示符合如图5几何关系的距离f1；
在4个已知位置采样点依次测量得到如图13：（行9-16）的传递过程数据。
根据所测量得到的传递过程数据解算出智能手机的空间位置,具体步骤如下：
根据超声波信号于ABC定位信标面传递路径、基本空间三维定位要素、信号传递过程、构成的几何关系符合公式方程组：
，
，
用最小二乘法解算以上方程组，得出智能手机位于相对空间坐标数值(x,y)，如图13：（行19、22、25、28）；
根据超声波信号于ZBC定位信标面传递路径、基本空间三维定位要素、信号传递过程、构成的几何关系符合公式方程：
，
x轴与x 4轴重合，将x数值代入x 4 ，
用最小二乘法解算以上方程，得出待定位装置位于ZBC平面坐标数值（y 4）；
根据如图6几何关系，由公式：
，
解算出智能手机位于相对空间坐标z轴数值（z），如图13：（行19、22、25、28）。
由4个实际位置上的采样点数值解算得到了智能手机位于空间位置的测量数值（x，y，z），如图13：（行19、22、25、28），与实际空间位置如图13：（行20、23、26、29），对比得到最大误差值如图13：（行21、24、27、30）。
本发明的第三个实施例系统定位信标布置如第二个实施例，信号的传递路径和建立相对空间坐标系的步骤也一样，只要测量出如第二实施例所需的定位要素就能实现定位，但本实施例将获取定位要素所需信息混合调制在定位信号内由定位信标发出，待定位点直接能从定位信号中提取所需的定位要素，根据事先准备的定位协议就能实现定位，从而降低了待定位点对系统通迅的依赖。
如图14为第三个实施例无线电定位一种信息调制编码信号传递过程协议结构，基于UWB超宽带无线电信号，定位信标每次传递发送10位数据，其中定位信号第1位信息含定位系统协议识别，用来声明定位信号结构、路径等以便于待定位点选择原来已制定的协议；
其中第2位信息含本定位信标的编码和本次传递ID识别代号，传递ID识别代号由第一发出信号信标决定，后面传递的信标复制此信息，用来声明传递的是那一个定位信标的信号和该次传递的ID识别代号；
其中第3位信息含定位信号标定点，用来声明定位信号位于该段时域的某一点有效，即收到和发出定位信号的时间确定点；
其中第4位信息含本信标的绝对值坐标；
其中第5、6、7位信息含传递信标编码及信号ID停留时间值，由本定位信标测量第2位信息相同的定位信标所发出的信号，在第3位定位标定信号发出后测量计算各定位信标信号于本定位信标的时间停留值，写入相应位地址，并把信息发射出去；
其中第8、9、10位信息含信标测量出来的各个信标之间的距离值，本定位信标信号发出后，接收其它定位信标的信号数据，测量计算出定位信标之间的距离值，写入相应位地址，并把信息发射出去。
定位信标传递信号及测量过程包括以下步骤：
（1）信号由定位信标ABCZ顺序传递，信号由定位信标A发出。
（2）当定位信标B收到定位信标A的信号时开始计时到信号传递发出时结束，并把时间值调制在第5位信息中；
定位信标A收到当定位信标B信号计算得到如图9定位信标AB之间距离a，并把a值调制在第8位信息中；以便下次信号传递时将信息发送出去。
（3）当定位信标C收到定位信标B的信号时开始计时到信号传递发出时结束，并把时间值调制在第5位信息中；
当定位信标C收到定位信标A的信号时开始计时到信号传递发出时结束，并把时间值调制在第6位信息中；定位信标B收到当定位信标C信号计算得到如图9定位信标BC之间距离b，并把b值调制在第8位信息中，以便下次信号传递时将信息发送出去；
定位信标A收到当定位信标C信号计算得到如图9定位信标AC之间距离c，并把a值调制在第9位信息中，以便下次信号传递时将信息发送出去。
（4）当定位信标Z收到定位信标C的信号时开始计时到信号传递发出时结束，并把时间值调制在第5位信息中；
当定位信标Z收到定位信标B的信号时开始计时到信号传递发出时结束，并把时间值调制在第6位信息中，以便下次信号传递时将信息发送出去；
当定位信标Z收到定位信标A的信号时开始计时到信号传递发出时结束，并把时间值调制在第7位信息中，以便下次信号传递时将信息发送出去；
定位信标C收到当定位信标Z信号计算得到如图9定位信标CZ之间距离i，并把i值调制在第8位信息中，以便下次信号传递时将信息发送出去；
定位信标B收到当定位信标Z信号计算得到如图9定位信标BZ之间距离h，并把h值调制在第9位信息中，以便下次信号传递时将信息发送出去；
信号传递两次后待定位点从定位信标信号第8、9、10位信息中得到了如图9定位信标之间的距离值:a、b、c、h、i、j物理量值。
待定位点测量定位信标A、B、C、Z之间的定位信号标定点间距，根据定位信标B、C、Z信号第5位信息依次求得d、e、f1物理量数值。
本实施例在本次信号传递能获得上一次信号传递的定位信标之间的距离信息和本次信号传递过程信息，可根据第二实施例的方法计算出待定位点的位置，适用于部分活动的定位信标。
如定位信标已获得绝对坐标位置，并将坐标位置信息（x,y,z）调制在本信标第4位信息中，在传递定位信号时同时发出，在基本空间三维定位要素的基础上待定位点获得绝对空间位置后，待定位点增加信号传递能力就能转化为定位信标，可选择任一定位信标的信号进行跨传媒传递，根据绝对空间位置获得几何关系实现更高的定位精度，而转化为定位信标的待定位点将定位要素上传到系统，系统可以建立多定位信标网络定位系统。
通过上述实施例可以看出，位置定位精度处决于信号的波长和信号采样率及信号分析处理识别的精度，提高信号分析识别处理的技术将有效提高定位精度，根据几何关系，如图7待定位点远离定位信标外能接收到信号的位置也能实现定位，越接近定位信标几何关系的重心精度越高，反之误差越大。
基于激光信号的传递过程直观的表达出本发明的原理，利用本发明的定位方法，定位迅速，基于短波长的激光传媒定位，定位信标只需要光学传递激光信号而无需处理激光信号传递过程，定位信标及待定位点均无需同步时间，定位精度高。
基于超声波定位的智能手机通过网络服务获取基本空间三维定位要素和信号传递过程协议后，只需要分析同一时间轴上的录音信号，定位信标也可以同步时间以减少对定位信标测量硬件的依赖，智能手机无需同步时间，无需增加任何硬件就能实现三维室内空间定位，通过计算如图13中的4个采样点录音数据可得出本实施例在小范围内利用超声波定位的误差在0.2M左右，能满足一般室内定位应用，同时需要指出的是，一切具有麦克风或超声专用接收器的录音或信息处理装置也能利用本发明实现空间定位。
无线电波在广义上来说也属于一种光波，无线电波波长从公里级到毫米级，受测量技术所制约，理论上波长越短的无线电波所携带的信息在时域的分辨率越高，无线电通迅针对不同波长目前有种类繁多的通迅调制解调方式，利用无线电传媒实现定位信标信号发射传递的同时，携带更多的信息，实现定位信标自己检测自身位置以便下一轮信号传递时更新自身位置信息，制定协议后可脱离系统的支持，建立系统后可以实现多定位信标网络定位系统。
鉴于目前卫星导航技术的高速发展，原子钟精密度越来越高，星间链路测距技术也越来越准确，本发明实质上是基于测距技术和几何关系上的定位技术，实现方式灵活多样，如将本发明引入卫星系统如具体实施例2子例，必将能设计出更低系统复杂度、成本更低更可靠的定位客户服务硬件，或是作为目前同步时间系统的无需同步时间的备份系统。
上述定位信标空间位置获取过程和待定位点测量定位信号过程为实现三维空间定位最少信号传递要素所做的举例，本领域技术人员能够根据信号特性利用通迅技术及测量技术调整、变换、增加、减小信号传递的要素、排序、策略、步骤，让待定位点获得信号的传递过程为目的而根据几何关系实现的一维、二维、三维定位技术都落入本发明的保护范围。
还需要说明的是，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程，其中的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（Read— Only Memory，ROM) 、网络云主机等或随机存储记忆体（Random Access Memory，RAM)。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神各权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (11)

1.基于几何关系无需同步时间的空间定位系统及方法，其特征在于包括：
待定位点通过测量信号从已获知空间位置并构成空间几何体的定位信标之间传递的过程而根据几何关系实现无需同步时间的空间定位系统及方法。
2.根据权利要求1所述定位信标构成的空间几何体，其特征在包括：
由三个不在同一直线的定位信标ABC构成平面三角形，AB定位信标之间距离a，BC定位信标之间距离b，CA定位信标之间距离c；
另一个定位信标Z位于ABC平面外，AZ定位信标之间距离j，BZ定位信标之间距离h，CZ定位信标之间距离i；
共4个定位信标构成几何四面体包括6条棱长、6个定位面夹角、4个定位面的基本空间三维定位要素，所述的基本空间三维定位要素在增加定位信标后可以增加定位的精度。
3.根据权利要求1所述的定位信标，其特征在于包括:
由定位信标发射、接收、传递所述的信号包括光，电磁波，声波，测量和调整信号在本定位信标传递停留时间，并告知系统及待定位点，系统通过本领域熟知的通迅技术与定位信标和待定位点参与数据的交换和计算存储，控制定位信标之间的通迅来获知所需要的定位要素物理量。
4.根据权利要求1所述的获知定位信标的空间位置，其特征在于包括：
在已知空间位置布置定位信标视为系统已获知定位信标的绝对空间位置；
在未知空间位置布置定位信标则由系统测量所得，包括以下步骤：
（1）系统通过控制4个定位信标，由本领域熟知的任意传媒测距技术测量得到定位信标之间距离的6条棱长；
（2）以B定位信标为原点，x轴、y轴位于ABC定位平面，x轴与C定位信标相交，A定位信标方向为y轴，建立ABC定位平面的坐标系统，跟据公式包括：
,
计算出A定位信标坐标值为(x 0， y 0 )，B定位信标位于（0，0）坐标值为（x 1， y 1），C定位信标位于（b,0）坐标值为（x 2， y 2），待定位点位于ABC定位面的坐标为（x，y）；
（3）以B定位信标为原点，x4轴、y4轴位于ABC定位平面，x4轴与C定位信标相交，A定位信标方向为y4轴，建立ZBC定位平面的坐标系统，跟据公式包括：
,
计算出Z定位信标坐标值为（x 3， y 3），B定位信标位于（0，0）坐标值为（x 1， y 1），C定位信标位于（b,0）坐标值为（x 2， y 2），待定位点位于ZBC定位面的坐标为（x 4， y 4）；
（4）以B定位信标为原点，x轴、y轴位于ABC定位平面，x轴与C定位信标相交，A定位信标方向为y轴，z轴相交于B定位信标并垂直于ABC定位平面，建立并确定相对空间坐标系；
（5）根据已知6条棱长解算ABC定位面与ZBC定位面夹角θ弧度值，符合公式包括：
，
根据定位需要可由6条棱长求得所述的四面体6个定位面夹角弧度值；
（6）系统所获知所述的基本空间三维定位要素及所述的信号传递过程信息由本领域熟知的通迅技术通过其它传媒间接告知待定位点，或直接调制在定位信号内由定位信标告知待定位点，动态活动的定位信标则跟据定位要求重复以上步骤。
5.根据权利要求1所述的待定位点，其特征在于包括:
待定位点位于所述的空间坐标系内并且能够接收到四个定位信标信号范围内的任意位置，获得所述的基本空间三维定位要素和信号传递过程后，通过接收定位信标的定位信号计算出位于空间坐标系的三维空间位置。
6.根据权利要求1所述的信号传递过程，其特征包括：
定位信号由其中一个定位信标发出；另外一个定位信标传递其定位信号，根据信号传递过程协议测量信号在本信标停留时间并告知系统及待定位点；待定位点根据信号传递过程协议测量收到两个定位信标信号的间隔时间，减去信号在定位信标的停留时间再乘以信号在介质的传播速度，得到一对定位信标之间的信号传递过程；
在同一绝对时间体系的一对定位信标，系统制定先后发出定位信号的绝对时间间隔减去系统约定延时时间值，刚好等于定位信号在该对定位信标之间传播所需要的时间值；待定位点根据信号传递过程协议测量收到两个定位信标信号的间隔时间，减去系统约定延时时间值再乘以信号在介质的传播速度，得到一对定位信标之间的信号传递过程。
7.根据权利要求6所述的信号传递过程协议，其特征包括：
系统根据信号特性被动或主动制定定位信标信号的调制解调方式、编码解码方式、误差修正方式、信号停留时间值、系统约定延时时间值、定位信标信号传递路径，而组成所述的信号传递过程协议。
8.根据权利要求7所述的定位信标信号传递路径，其特征包括：
待定位点在获得所述的基本空间三维定位要素后，根据几何关系，要实现二维定位最少需要获得一个定位面两对定位信标的信号传递过程，要实现三维定位最少还需要获得另一定位面一对定位信标信号传递过程，据此，系统制定实现三维定位最少信号传递路径；
在所述的定位最少信号传递路径基础上获得更多不同的定位信标的信号传递过程可以提高定位精度，系统根据定位要求制定定位信标定位信号的传递路径。
9.根据权利要求8所述的实现三维定位最少信号传递路径，其特征包括：
定位信号按定位信标顺序传递；
定位信号由其中一个定位信标发出，剩余定位信标同时传递；
定位信号由其中一个定位信标发出，另一个定位信标接着进行传递，剩余定位信标同时传递；
定位信号由其中一个定位信标发出，另外两个定位信标同时传递，剩余定位信标选择所述两个定位信标其中一个的定位信号进行传递。
10.根据权利要求9所述的定位信号按定位信标顺序传递，待定位点测量定位信号传递过程包括以下步骤：
待定位点接收到A定位信标信号时开始计时到接收到B定位信标信号时停止，所得到的时间减去信号在B定位信标停留时间再乘以信号所在介质传播速度得到距离d；
待定位点接收到B定位信标信号时开始计时到接收到C定位信标信号时停止，所得到的时间减去信号在C定位信标停留时间再乘以信号所在介质传播速度得到距离e；
待定位点接收到C定位信标信号时开始计时到接收到Z定位信标信号时停止，所得到的时间减去信号在Z定位信标停留时间再乘以信号所在介质传播速度得到距离f1；
（4）选择其它传递路径时，根据信号的传递路径构成的几何关系分配相对应的符号标号生成相对应的测量定位信号传递过程步骤。
11.根据权利要求1所述的几何关系，其特征在于待定位点获得的信号传递路径、基本空间三维定位要素、信号传递过程、构成的几何关系符合公式包括：
，
简化关系后得出信号于ABC定位信标面传递路径、基本空间三维定位要素、信号传递过程、构成的几何关系符合公式方程组包括：
，
，
用最小二乘法解算以上方程组，得出待定位点位于相对空间坐标数值(x,y)；
得出信号于ZBC定位信标面传递路径、基本空间三维定位要素、信号传递过程、构成的几何关系符合公式方程包括：
，
x轴与x 4轴重合，将x数值代入x 4 ，
用最小二乘法解算以上方程，得出待定位点位于ZBC平面坐标数值（y 4）；
由包括公式：
,
解算出待定位点位于相对空间坐标z轴数值（z）；
系统由已知绝对空间位置的待定位点推算出所建立的相对空间坐标的绝对值并标定，从而在下一次定位时能得到三维空间坐标的绝对值，所述绝对空间位置包括地球坐标系统位置值。
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