CN115469272A - 一种用户设备自动定位方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用户设备自动定位方法和系统，包括以下步骤：在某定位区域部署若干时钟同步但频率不同的超声发射器，并向待定位区域空间同步持续发射超声波信号；若用户设备处于定位区域，且在所述用户设备打开麦克风的情况下，超声波信号被自动采集，并被自动实时发送至后台服务器；所述服务器根据接收的信号判定是否存在有效的超声波信号，若不存在，则继续等待，若存在，则根据获得的来自不同所述超声发射器的超声波信号的接收时间及各个所述超声发射器的位置进行定位计算，从而确定所述用户设备在定位区域中的位置。

Description

一种用户设备自动定位方法和系统

技术领域

本发明涉及安防定位技术领域，具体为一种用户设备自动定位方法和系统。

背景技术

随着信息技术的发展，出现了各种定位导航方法和系统，比如:户外定位系统有GPS、北斗等，室内定位方法有采用wiFi、蓝牙、UWB以及超声波等，但这些方法和系统都需要用户在特定设备上进行设置或者操作才能工作，比如需要联网；以及，这些方法和系统的定位精度和定位距离都比较有限，户外民用GPS定位精度一般是10米，北斗定位精度一般是5米，而室内定位精度一般只能达到分米级，距离一般在10米以内，且这些已经商业化应用的系统都需要用户设备特定硬件支持，并且自成体系，难以和其它系统进行深入融合，使用有一定的限制性。

另外，现有定位导航方法和系统虽然在为用户提供服务，比如导航和推荐等方面，技术比较成熟，但是在基于位置为用户提供服务的组织或者系统平台，比如报警定位、追踪定位等方面，技术相对落后，如人们打电话报警，接警员无法自动定位到用户设备的位置，只能通过询问来获取位置信息，且位置信息还不是很准确。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种用户设备自动定位方法和系统，以解决上述问题。其技术方案是这样的：一种用户设备自动定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

在某定位区域部署若干时钟同步但频率不同的超声发射器，并向待定位区域空间同步持续发射超声波信号；

若用户设备处于定位区域，且在所述用户设备打开麦克风的情况下，超声波信号被自动采集，并被自动实时发送至后台服务器；

所述服务器根据接收的信号判定是否存在有效的超声波信号，若不存在，则继续等待，若存在，则根据获得的来自不同所述超声发射器的超声波信号的接收时间及各个所述超声发射器的位置进行定位计算，从而确定所述用户设备在定位区域中的位置。

进一步地，在某定位区域部署4个时钟同步的超声发射器，每个所述超声发射器对待发射的信号采用速率调整啁啾扩频算法进行预先编码调制，以生成具有包头和唯一ID组成的超声波信号；

进一步地，将所述定位区域部署的每个所述超声发射器的位置信息提交给所述服务器保存；

进一步地，所述用户设备预先设置自动定位功能，以允许麦克风以48kHz采样频率工作；

进一步地，确定所述用户设备在定位区域中的位置，还包括以下步骤：

S1、所述服务器持续检测接收超声波信号，如果在给定的频段，归一化频谱能量大于给定阈值，则认为是接收到有效的超声波信号，进入步骤S2；否则为无效超声波信号，仍旧持续检测；

S2、将接收的有效超声波信号与所述服务器中预先存储的对应所述超声发射器发射的超声波信号进行互相关计算，在设定窗口内，互相关最大的位置即为所述用户设备接收到超声波信号的时刻；

S3、对所述用户设备接收到任意两个所述超声发射器超声波信号的时刻求差，即获得任意两个所述超声发射器的超声波信号到达所述用户设备的时间差；

S4、根据时间差计算得到该两个所述超声发射器到所述用户设备的距离差，并基于所述服务器中保存的所述超声发射器的位置信息，采用三角定位方法，计算得到所述用户设备的空间位置坐标；

进一步地，在所述步骤S1中，给定的频段采用17kHz～22kHz频段；

所述归一化频谱能量的计算公式如下：

其中：

L是变换数组FFT的长度；

f_s为所述服务器采样频率；f_floor＝18000；f_ceil＝23000；

E_b为在没有超声波信号发送时，所述服务器接收到信号的频段统计的背景能量；

进一步地，在所述步骤S2中，互相关计算公式如下：

其中：

R(τ)为两个信号的时域互相关，即R(τ)＝E[r₁(t)·r₂(t+τ)]；

r₁(t)和r₂(t)分别为发射信号和接收信号；

j为复数虚部标记；f表示频率；τ表示时间；

所述用户设备接收到超声波信号的时刻的计算公式为：

进一步地，在所述步骤S3中，任意两个所述超声发射器的超声波信号到达所述用户设备的时间差，计算公式为：

进一步地，在所述步骤S4中，根据时间差来计算得到任意两个所述超声发射器到所述用户设备的距离差，计算公式为：D₁₂＝d₁₂×c，其中，c为声速；

进一步地，在所述步骤S4中，得到所述用户设备的空间位置坐标，包括以下步骤：

设所述用户设备的空间位置坐标为(x，y，z)，

所述用户设备接收的超声波信号对应的4个所述超声发射器的位置分别为：

(x_i，y_i，z_i)，(x_j，y_j，z_j)，(x_k，y_k，z_k)，(x₁，y₁，z₁)；

则根据方程组：

求解计算得到所述用户设备的空间位置坐标(x，y，z)；

进一步地，所述用户设备以不小于44.1kHz的采样频率采集超声波信号，且所述用户设备发送超声波信号至所述服务器的方式采用电话通信、移动数据、互联网中的其中一种；

进一步地，在所述步骤S4中，在得到所述用户设备的空间位置坐标后，还包括以下步骤：

S4.1、获取多个时刻的所述用户设备的空间位置坐标；

S4.2、判断当前时刻的所述用户设备的空间位置坐标与前N个时刻的空间位置坐标之间的距离均值是否大于预设阈值，若是，则判断该当前时刻的所述用户设备的空间位置坐标是一个错误估计，采用前一时刻的空间位置坐标作为当前时刻定位坐标；若否，则采用当前时刻的空间位置坐标；

S4.3、对采用的空间位置坐标进行卡尔曼滤波平滑处理，从而得到更为准确的定位；

一种用户设备自动定位系统，其特征在于：包括：

部署在某定位区域的至少4个不同频率的超声发射器，所有所述超声发射器时钟信号同步，以使得所有所述超声发射器在同一时刻发出超声波信号；

位于所述定位区域且具备麦克风的用户设备，用于在打开所述麦克风后，自动接收至少4个所述超声发射器的超声波信号，并将超声波信号自动发送至服务器；；

服务器，用于获取所有所述超声发射器中任意两个所述超声发射器的超声波信号到达所述用户设备的时间差，并根据时间差得到该两个所述超声发射器到所述用户设备的距离差，以及用于根据至少4个所述超声发射器的位置信息进行定位计算，以获得所述用户设备在所述定位区域中的位置。

本发明的有益效果是，用户电子设备只需在打开麦克风的情况下，将接收的同步发射的超声波信号发送至后台服务器中，服务器利用定位算法即可确定用户设备的位置，无需额外硬件和软件支持，降低了定位成本，且部署方便，与现有安防系统、音视频监控系统等均可协同工作，无相互干扰，适用性广，以及其定位精度可以达到cm级，室内定位距离可以达到50m，具有较好的经济价值和使用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的定位系统框图；

图2是本发明的定位流程图；

图3是本发明中服务器的定位工作流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1～图3所示，一种用户设备自动定位方法，包括以下步骤：

在某定位区域部署4个时钟同步但频率不同的超声发射器，超声发射器1、超声发射器2、超声发射器3、超声发射器4向待定位区域空间同步持续不断地发射超声波信号；其中，将4个超声发射器作为一组进行部署，4个超声发射器在工作之前进行时间校准，以保证发射超声波信号的时间同步，而超声发射器的个数可根据情况设置；且每个超声发射器对待发射的信号采用速率调整啁啾扩频算法进行预先编码调制，以生成具有包头和唯一ID组成的超声波信号，从而对于用户设备麦克风来说，避免了多个超声发射器的信号混叠问题，包头和ID信号总的持续时长为50ms，超声发射器发射的超声波信号采用频率变化速率调制的chirp信号；

若用户设备(如智能手机)处于定位区域，且在用户设备打开麦克风的情况下，超声波信号被自动采集，并被自动实时发送至后台服务器；其中，由于用户设备(如智能手机等)默认采样率为16kHz，通话状态下采样率通常更低，而在本实施例中，用户设备预先设置自动定位功能之后，可允许麦克风以48kHz采样频率工作；

服务器根据接收的信号判定是否存在有效的超声波信号，若不存在，则继续等待，若存在，则根据获得的来自不同超声发射器的超声波信号的接收时间及各个超声发射器的位置采用比较成熟的基于时间差(TDOA)的超声定位算法进行定位计算，从而确定用户设备在定位区域中的位置。

确定用户设备在定位区域中的位置，还包括以下步骤：

S1、服务器持续检测接收超声波信号，如果在给定的高频段，归一化频谱能量大于给定阈值，则认为是接收到有效的超声波信号，进入步骤S2；否则为无效超声波信号，仍旧持续检测；

在步骤S1中，高频段通常指16kHz以上的频段，本实施例中给定的频段采用17kHz～22kHz频段；

归一化频谱能量的计算公式如下：

其中：

L是变换数组FFT的长度；

f_s为服务器采样频率；f_floor＝18000；f_ceil＝23000；

E_b为在没有超声波信号发送时，服务器接收到信号的频段统计的背景能量；

S2、将接收的有效超声波信号与服务器中预先存储的对应超声发射器发射的超声波信号进行互相关计算，在一个预先设定的窗口内，互相关最大的位置即为用户设备接收到超声波信号的时刻，也就得到不同超声发射器所发射超声信号的起始时间；

在步骤S2中，互相关可采用经典算法，如广义互相关(GCC)，即互相关计算公式如下：

其中：

R(τ)为两个信号的时域互相关，即R(τ)＝E[r₁(t)·r₂(t+τ)]；

r₁(t)和r₂(t)分别为发射信号和接收信号；

j为复数虚部标记；f表示频率；τ表示时间；

用户设备接收到超声波信号的时刻的计算公式为：

S3、对用户设备接收到任意两个超声发射器超声波信号的时刻求差，即获得任意两个超声发射器的超声波信号到达用户设备的时间差；

在步骤S3中，任意两个超声发射器的超声波信号到达用户设备的时间差，计算公式为：

该时间差表示的是超声发射器1、超声发射器2的超声波信号到达用户设备的时间差，其余超声发射器之间的时间差可根据该计算方式同样计算得到；

S4、根据时间差计算得到该两个超声发射器到用户设备的距离差，并基于服务器中保存的超声发射器的位置信息(即预先将定位区域部署的每个超声发射器的位置信息提交给服务器保存)，采用三角定位方法，计算得到用户设备的空间位置坐标；

在步骤S4中，根据时间差来计算得到任意两个超声发射器到用户设备的距离差，计算公式为：D₁₂＝d₁₂×c，其中，c为声速；

在步骤S4中，得到用户设备的空间位置坐标，包括以下步骤：

设用户设备的空间位置坐标为(x，y，z)，

用户设备接收的超声波信号对应的超声发射器1、超声发射器2、超声发射器3、超声发射器4的位置分别为：

(x_i，y_i，z_i)，(x_j，y_j，z_j)，(x_k，y_k，z_k)，(x_I，y_I，z_I)；

则根据方程组：

求解计算得到用户设备的空间位置坐标(x，y，z)；

用户设备以不小于44.1kHz的采样频率采集超声波信号，且用户设备发送超声波信号至服务器的方式采用电话通信、移动数据、互联网中的其中一种；

在步骤S4中，在得到用户设备的空间位置坐标后，还包括以下步骤：

S4.1、获取多个时刻的用户设备的空间位置坐标；

S4.2、判断当前时刻的用户设备的空间位置坐标与前2个时刻的空间位置坐标之间的距离均值是否大于预设阈值(本实施例中设置为5m)，若是，则判断该当前时刻的用户设备的空间位置坐标是一个错误估计，采用前一时刻的空间位置坐标作为当前时刻定位坐标；若否，则采用当前时刻的空间位置坐标；

S4.3、对采用的空间位置坐标进行卡尔曼滤波平滑处理，从而得到更为准确的定位。

一种用户设备自动定位系统，包括：

部署在某定位区域的4个不同频率的超声发射器，所有超声发射器时钟信号同步，以使得所有超声发射器在同一时刻发出超声波信号；

位于定位区域且具备麦克风的用户设备，用于在打开麦克风后，自动接收4个超声发射器的超声波信号，并将超声波信号自动发送至服务器；

服务器，用于获取所有超声发射器中任意两个超声发射器的超声波信号到达用户设备的时间差，并根据时间差得到该两个超声发射器到用户设备的距离差，以及用于根据4个超声发射器的位置信息进行定位计算，以获得用户设备在定位区域中的位置。

采用本发明的定位方法和系统，如遇到紧急情况时，用户拿手机报警，如果周围有提前部署好的超声发射器，那么超声发射器发射的超声信号会被手机麦克风采集到，然后通过通信信道或者手机的WIFI通道或者手机的数据通道上传至后台服务器，后台服务器通过超声信号即可自动定位报警用户的位置，然后把位置信息快速反馈给接警员，整个定位无需额外硬件和软件支持，降低了定位成本，其将定位运算放置在后台服务器，用户设备无负载，且与现有安防系统、音视频监控系统等均可协同工作，无相互干扰，适用性广，具有更高的cm级定位精度和更远的50m室内定位距离，从而可更好地服务用户和社会。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (13)

1.一种用户设备自动定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

在某定位区域部署若干时钟同步但频率不同的超声发射器，并向待定位区域空间同步持续发射超声波信号；

若用户设备处于定位区域，且在所述用户设备打开麦克风的情况下，超声波信号被自动采集，并被自动实时发送至后台服务器；

所述服务器根据接收的信号判定是否存在有效的超声波信号，若不存在，则继续等待，若存在，则根据获得的来自不同所述超声发射器的超声波信号的接收时间及各个所述超声发射器的位置进行定位计算，从而确定所述用户设备在定位区域中的位置。

2.根据权利要求1所述的一种用户设备自动定位方法，其特征在于：在某定位区域部署4个时钟同步的超声发射器，每个所述超声发射器对待发射的信号采用速率调整啁啾扩频算法进行预先编码调制，以生成具有包头和唯一ID组成的超声波信号。

3.根据权利要求1所述的一种用户设备自动定位方法，其特征在于：将所述定位区域部署的每个所述超声发射器的位置信息提交给所述服务器保存。

4.根据权利要求1所述的一种用户设备自动定位方法，其特征在于：所述用户设备预先设置自动定位功能，以允许麦克风以48kHz采样频率工作。

5.根据权利要求1或2所述的一种用户设备自动定位方法，其特征在于：确定所述用户设备在定位区域中的位置，还包括以下步骤：

S1、所述服务器持续检测接收超声波信号，如果在给定的频段，归一化频谱能量大于给定阈值，则认为是接收到有效的超声波信号，进入步骤S2；否则为无效超声波信号，仍旧持续检测；

S2、将接收的有效超声波信号与所述服务器中预先存储的对应所述超声发射器发射的超声波信号进行互相关计算，在设定窗口内，互相关最大的位置即为所述用户设备接收到超声波信号的时刻；

S3、对所述用户设备接收到任意两个所述超声发射器超声波信号的时刻求差，即获得任意两个所述超声发射器的超声波信号到达所述用户设备的时间差；

S4、根据时间差计算得到该两个所述超声发射器到所述用户设备的距离差，并基于所述服务器中保存的所述超声发射器的位置信息，采用三角定位方法，计算得到所述用户设备的空间位置坐标。

6.根据权利要求5所述的一种用户设备自动定位方法，其特征在于：在所述步骤S1中，给定的频段采用17kHz～22kHz频段；

所述归一化频谱能量的计算公式如下：

其中：

L是变换数组FFT的长度；

f_s为所述服务器采样频率；f_floor＝18000；f_ceil＝23000；

E_b为在没有超声波信号发送时，所述服务器接收到信号的频段统计的背景能量。

7.根据权利要求5所述的一种用户设备自动定位方法，其特征在于：在所述步骤S2中，互相关计算公式如下：

其中：

R(τ)为两个信号的时域互相关，即R(τ)＝E[r₁(t)·r₂(t+τ)]；

r₁(t)和r₂(t)分别为发射信号和接收信号；

j为复数虚部标记；f表示频率；τ表示时间；

所述用户设备接收到超声波信号的时刻的计算公式为：

8.根据权利要求7所述的一种用户设备自动定位方法，其特征在于：在所述步骤S3中，任意两个所述超声发射器的超声波信号到达所述用户设备的时间差，计算公式为：

9.根据权利要求8所述的一种用户设备自动定位方法，其特征在于：在所述步骤S4中，根据时间差来计算得到任意两个所述超声发射器到所述用户设备的距离差，计算公式为：D₁₂＝d₁₂×c，其中，c为声速。

10.根据权利要求9所述的一种用户设备自动定位方法，其特征在于：在所述步骤S4中，得到所述用户设备的空间位置坐标，包括以下步骤：

设所述用户设备的空间位置坐标为(x，y，z)，

所述用户设备接收的超声波信号对应的4个所述超声发射器的位置分别为：

(x_i，y_i，z_i)，(x_j，y_j，z_j)，(x_k，y_k，z_k)，(x_I，y_I，z_I)；

则根据方程组：

求解计算得到所述用户设备的空间位置坐标(x，y，z)。

11.根据权利要求1所述的一种用户设备自动定位方法，其特征在于：所述用户设备以不小于44.1kHz的采样频率采集超声波信号，且所述用户设备发送超声波信号至所述服务器的方式采用电话通信、移动数据、互联网中的其中一种。

12.根据权利要求5所述的一种用户设备自动定位方法，其特征在于：在所述步骤S4中，在得到所述用户设备的空间位置坐标后，还包括以下步骤：

S4.1、获取多个时刻的所述用户设备的空间位置坐标；

S4.2、判断当前时刻的所述用户设备的空间位置坐标与前N个时刻的空间位置坐标之间的距离均值是否大于预设阈值，若是，则判断该当前时刻的所述用户设备的空间位置坐标是一个错误估计，采用前一时刻的空间位置坐标作为当前时刻定位坐标；若否，则采用当前时刻的空间位置坐标；

S4.3、对采用的空间位置坐标进行卡尔曼滤波平滑处理，从而得到更为准确的定位。

13.一种用户设备自动定位系统，其特征在于：包括：

部署在某定位区域的至少4个不同频率的超声发射器，所有所述超声发射器时钟信号同步，以使得所有所述超声发射器在同一时刻发出超声波信号；

位于所述定位区域且具备麦克风的用户设备，用于在打开所述麦克风后，自动接收至少4个所述超声发射器的超声波信号，并将超声波信号自动发送至服务器；

服务器，用于获取所有所述超声发射器中任意两个所述超声发射器的超声波信号到达所述用户设备的时间差，并根据时间差得到该两个所述超声发射器到所述用户设备的距离差，以及用于根据至少4个所述超声发射器的位置信息进行定位计算，以获得所述用户设备在所述定位区域中的位置。

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