CN205656300U - 移动终端定位系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种移动终端定位系统，包括移动终端、定位服务器、网关设备以及至少两个声波定位收发器，所述声波定位收发器安装在所述移动终端所进入的定位区域并与所述移动终端通过声波信号进行通信连接，所述移动终端与所述定位服务器通过无线网络连接，所述声波定位收发器与所述定位服务器通信连接，所述网关设备将所述定位区域中所有的声波定位收发器以及所述移动终端接入到同一网络中的，并与所述定位服务器之间通过因特网连接。本实用新型的技术方案在降低移动终端定位成本的同时，提高移动终端的定位精度和可靠性。

Description

移动终端定位系统

技术领域

本实用新型涉及移动终端定位技术领域，尤其涉及一种移动终端定位系统。

背景技术

随着全球卫星定位技术、地理信息系统及互联网技术的飞速发展，数据业务和多媒体业务的快速增加，通信网络以及移动终端设备的迅速普及，人们对于室内位置服务的需求也与日俱增。精确的室内位置服务，能够对可用空间和库存物质实现高效地管理，可以为警察、消防人员、医务工作人员导航来完成特定的室内任务。因此，室内定位，即在室内环境中实现位置定位，具有广阔的应用前景，正逐步成为多种学科领域的研究热点。因GPS卫星信号从发射到地面，信号已经衰减，在室内无法接收到精准的可供室内参考有效信号，最后一公里的精准定位成为了室内定位技术发挥的温床。目前业界比较通用室内无线定位技术主要包括WiFi、iBeacon类蓝牙、RFID(射频识别)、UWB(超宽带)、LED光、ZigBee和超声波，其中支持移动互联网手机端的定位方法有WiFi、BlueTooth、LED光等定位手段。WiFi、BlueTooth(蓝牙)和ZigBee定位技术的原理一般分网络侧和发射侧，但都利用信号强度衰减程度来实现定位，这两种定位技术的最大的问题是信号往往会受到环境中各种因素的影响，如墙壁的阻挡、反射和衍射、人员走动、时间、天气等，引起信号的漂移，导致了信号无法正确被接收，定位精度最高也只能达到1m，这样就导致了这些室内定位产品的可复制性低下，尤其是ZigBee定位技术还需要大量的传感器组成网络，从而影响了整个室内定位产品的扩张。RFID定位原理就是通过在室内部署多个定位信号源或者是定位信号标签，从而利用与室外定位类似的强度或时延计算方式对室内用户进行定位，但是这种定位的方法需要部署大量的定位信号源，在没有部署定位信号源的地方无法实现定位，这样不仅使得室内定位的成本较高，并且定位的准确性也较低。UWB定位原理是采用UWB(超宽带)脉冲信号，由多个传感器采用TDOA和AOA定位算法对标签位置进行分析，多径分辨能力强、精度高，定位精度可达亚米级，但UWB难以实现大范围室内覆盖，且手机不支持UWB，定位成本非常高。LED光定位原理是通过监测光信号的明暗来 定位，这种技术要求移动终端通过摄像头来检测光源的信号变化从而完成定位，大大增加了移动终端的成本。而超声波定位技术恰恰摒弃了电磁波以及光在室内定位中由室内环境因素带来的不确定性及高精度问题，利用声波速度慢的特征，在从发出声波到接收到该声波的时间段内有一个可以被手机检测记录的时间，从而利用时间相位来实现室内定位，这种定位方法可靠的解决了室内的GPS信号问题，精度可以随着时间差最终达到毫米级。

因此，需要一种基于声波定位技术的移动终端定位方案，可以在降低定位成本的同时，提高定位精度。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种移动终端定位系统，能在降低定位成本的同时，提高移动终端的定位精度。

本实用新型提供一种移动终端定位系统，包括：移动终端、定位服务器以及至少两个声波定位收发器，所述声波定位收发器安装在所述移动终端所进入的定位区域并与所述移动终端通过声波信号进行通信连接，所述移动终端与所述定位服务器通过无线网络连接，所述声波定位收发器与所述定位服务器通信连接，所述网关设备将所述定位区域中所有的声波定位收发器以及所述移动终端接入到同一网络中的，并与所述定位服务器之间通过因特网连接。

进一步的，所述的移动终端定位系统中，所述网关设备ZigBee网关设备、WIFI网关设备或蓝牙网关设备，与所述所有的声波定位收发器和移动终端通过相应的ZigBee、WIFI或蓝牙无线方式连接。

进一步的，所述网关设备为独立于所有声波定位收发器和所述移动终端之外的网关设备，或者与任一所述声波定位收发器集成为一体，或者与所述移动终端集成为一体。

进一步的，所述定位服务器包括解码模块、定位算法模块、地图引擎模块以及设备管理模块；所述解码模块与所述移动终端或者各个所述声波定位收发器信号连接，所述定位算法模块为单片机或可编程逻辑器件，所述地图引擎模块包括存储所述定位区域地图的存储器以及连接所述存储器和所述定位算法模块的位置渲染器；所述设备管理模块与所述移动终端和所有的声波定位收发器通信连接。

进一步的，所述声波定位收发器包括声波信号采集模块以及连接所述声波信号采集模块的信号解调模块。

进一步的，所述声波定位收发器还包括网络同步模块，与所述其他至少一个声波定位收发器以及所述移动终端接入同一网络。

进一步的，所述声波定位收发器还包括与自身内部的信号解调模块或者所述移动终端内部的信号解调模块通信的解码模块。

进一步的，所述声波定位收发器还包括与自身内的解码模块或者所述定位服务器的解码模块或者所述移动终端的解码模块通信的定位计算模块，所述定位计算模块为微处理芯片或者可编程逻辑器件。

进一步的，所述移动终端包括：依次连接的编码模块、信号调制模块、DAC模块、声波功率放大模块、播放模块以及位置显示模块，所述播放模块为扬声器或超声波换能器，所述位置显示模块为显示屏。

进一步的，所述移动终端还包括同步模块，与所述定位区域部署的至少两个声波定位器一起接入同一网络。

进一步的，所述移动终端还包括与声波定位收发器内部的信号解调模块通信的解码模块。

进一步的，所述移动终端还包括与自身内部的解码模块或者所述定位服务器的解码模块或者所述声波定位收发器内部的解码模块通信的定位模块，所述定位模块为微处理芯片。

进一步的，所述移动终端为手持设备或者穿戴设备。

与现有技术相比，本实用新型的技术方案具有以下有益效果：

1、本实用新型的技术方案可以用于移动终端的二维定位和三维定位，在某定位区域最少部署两个或三个与移动终端同步的声波定位收发器来接收进入所述定位区域的移动终端发射的声波信号，就可以通过TOA定位方式最终准确定位出位于所述定位区域中的移动终端的二维或三维位置，在某定位区域最少部署三个或四个声波定位收发器，就可以通过TDOA定位方式最终准确定位出位于所述定位区域中的移动终端的二维位置或三维位置，从网络部署上减少了同步网关设备，降低了室内定位成本；

2、根据声波定位收发器接收移动终端的声波信息的时间精度，可以使得对 移动终端的定位精度达到mm级；

3、利用声波定位技术可以避免现有的电磁波室内定位技术中的弊端，能解决环境因素带来的不确定性及高精度问题，且声波定位收发器的结构相对简单，制造成本低，具有抗干扰能力强及编解码简单快捷的特点，非常适用于运算功能有限的移动终端的室内定位，实用性好，易于推广。

附图说明

图1是本实用新型具体实施例的移动终端定位系统结构示意图；

图2是本实用新型具体实施例的声波定位收发器的结构示意图；

图3是本实用新型具体实施例的移动终端的结构示意图；

图4是本实用新型具体实施例的定位服务器的结构示意图；

图5是本实用新型具体实施例的移动终端定位方法流程图；

图6是本实用新型具体实施例的进行TDOA三维定位的方法流程图；

图7是本实用新型具体实施例的进行TOA三维定位的方法流程图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步的说明，然而，本实用新型可以用不同的形式实现，不应只是局限在所述的实施例。

本实用新型的技术方案主要是基于现有的TDOA或TOA定位计算算法而布设的一种新的移动终端定位系统，能够利用声波相关信息的收发装置来实现移动终端在室内的精确定位，创新点在于移动终端定位系统中的各个装置的设置及其之间的连接关系。

请参考图1，本实用新型提供一种移动终端定位系统，包括：移动终端2、定位服务器3、网关设备4以及至少两个声波定位收发器1，所述声波定位收发器1安装在所述移动终端2所进入的定位区域并与所述移动终端2通过声波信号进行通信连接，所述移动终端2与所述定位服务器3通过无线网络连接，所述声波定位收发器3与所述定位服务器3通信连接，所述网关设备将所述定位区域中所有的声波定位收发器以及所述移动终端接入到同一网络中的，并与所述定位服务器之间通过因特网连接，所述移动终端2、定位服务器3或者至少一个声波定位收发器1中设有基于TDOA定位方法或者TOA定位方法的处理芯 片或者可编程逻辑器件，其中，所述处理芯片可以是集成了TDOA/TOA定位方法的STC89C52RC芯片、STC12C5A60S2芯片、TMS320F28027芯片、ATMEGAL128L芯片、NANOPAN5375、STM32F103RC、CC2531芯片等现有的计算芯片。

具体地，请参考图1，本实用新型提供的一种移动终端定位系统中，

移动终端2，用于在进入某定位区域后，向所述定位区域发射声波信号；

部署在所述定位区域内的至少两个声波定位收发器1(至少部署两个声波定位收发器A、B与移动终端2同步用于TOA二维定位，或者至少部署三个不要求与移动终端2同步的声波定位收发器A、B、C用于TDOA二维定位；或者至少部署三个声波定位收发器A、B、C与移动终端2同步用于TOA三维定位，或者至少部署四个不要求与移动终端2同步的声波定位收发器A、B、C、D用于TDOA三维定位)，用于接收所述声波信号，并从所述声波信号中获取相应的数据流；

定位服务器3，用于配置自身或所述移动终端2或者所述各个声波定位收发器1中的至少一个声波定位收发器1从所述数据流中获取所述移动终端2的声波信号传输至各个所述声波定位收发器1的信号传输时间或者信号传输时间差，以及用于配置自身或所述移动终端2或者所述各个声波定位收发器1中的至少一个声波定位收发器1，根据所述各个声波定位收发器1的位置及所述信号传输时间差进行TDOA计算或者根据所述各个声波定位收发器1的位置及所述信号传输时间进行TOA计算，以获得所述移动终端2在所述定位区域中的位置。

进一步的，所述的移动终端定位系统还包括网关设备4，用于将所述定位区域中所有的声波定位收发器1以及所述移动终端2接入到同一网络中，并向所述所有的声波定位收发器1和所述移动终端2发送所述网络的时间同步信号，以实现所述所有的声波定位收发器1和所述移动终端2的时间同步。本实施例中，所述网关设备4可以为ZigBee网关设备、WIFI网关设备或蓝牙网关设备等无线网关设备，也可以是任何具备时间同步功能的有线网络的网关设备，而且网关设备4可以独立于所有声波定位收发器1和所述移动终端2之外的网关设备，或可以与任一所述声波定位收发器集成为一体，或可以与所述移动终端2集成为一体。网关设备4通过其所建网络向所述定位区域部署的所有声波定位收发器1(例如用于TOA二维定位的声波定位收发器A、B)和移动终端2，或 者用于TOA三维定位的声波定位收发器A、B、C)和移动终端2传输时间同步信号，所述所有声波定位收发器1移动终端2在该时间同步信号的控制下同步。网关设备4与定位服务器3可通过Internet网传输数据和信号等，因此该网络中传输的时间同步信号可以由定位服务器3通过网关设备4发出。移动终端2与定位服务器3之间通过WIFI或GPRS方式连接和信号传输。

请参考图4，本实施例中，所述定位服务器3包括解码模块30、定位算法模块31、地图引擎模块32和设备管理模块33。

解码模块30，用于从所述数据流中获取所述移动终端的声波信号传输至各个所述声波定位收发器的信号传输时间或者信号传输时间差；

定位算法模块31中集成有现有的TDOA或TOA定位计算算法，可以将各个所述声波定位收发器的位置及所述信号传输时间差送入到其中的TDOA定位算法集成单元中进行TDOA计算，而确定所述移动终端在所述定位区域中的位置，或者将各个所述声波定位收发器的位置及所述信号传输时间送入到其中的TOA定位算法集成单元中进行TOA计算，而确定所述移动终端在所述定位区域中的位置。具体的计算过程如下：

当需要对移动终端2进行TDOA三维定位时，设所述移动终端2的位置为(x,y,z)，接收所述移动终端的声波信号的四个所述声波定位收发器A、B、C、D的位置分别为(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)、(x₄,y₄,z₄)，并设所述移动终端2的声波信号分别传输至所述四个声波定位收发器A、B、C、D的时间为t₁、t₂、t₃、t₄，则TDOA计算所述移动终端2的三维位置的公式如下：

$\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2}-\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2+{(z-z_2)}^2}=c(t_1-t_2)$

$\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2}-\sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2+{(z-z_3)}^2}=c(t_1-t_3)$

$\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2}-\sqrt{{(x-x_4)}^2+{(y-y_4)}^2+{(z-z_4)}^2}=c(t_1-t_4)$

$\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2+{(z-z_2)}^2}-\sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2+{(z-z_3)}^2}=c(t_2-t_3)$

$\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2+{(z-z_2)}^2}-\sqrt{{(x-x_4)}^2+{(y-y_4)}^2+{(z-z_4)}^2}=c(t_2-t_4)$

$\sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2+{(z-z_3)}^2}-\sqrt{{(x-x_4)}^2+{(y-y_4)}^2+{(z-z_4)}^2}=c(t_3-t_4)$

其中上述各式中的c为声波信号的传输速度，c＝340m/s，采用chan算法、Fang算法或Taylor级数展开法等求解上述方程组中的(x,y,z)，以获得移动终端2的准确的三维位置；

当需要对移动终端2进行TDOA二维定位时，设所述移动终端2的位置为(x,y)，接收所述移动终端2的声波信号的三个所述声波定位收发器A、B、C的位置分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)，并设所述移动终端2的声波信号分别传输至所述三个声波定位收发器A、B、C的时间为t₁、t₂、t₃，则TDOA计算所述移动终端2的二维位置的公式如下：

$\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}-\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2}=c(t_1-t_2)$

$\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}-\sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2}=c(t_1-t_3)$

$\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2}-\sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2}=c(t_2-t_3)$

其中上述各式中的c为声波信号的传输速度，c＝340m/s，采用现有的chan算法、Fang算法或Taylor级数展开法等求解上述方程组中的(x,y)，以获得移动终端2的准确的二维位置；此后定位服务器3将其计算结果反馈至移动终端2即可；

当需要对移动终端2进行TOA三维定位时，设所述移动终端2的位置为(x,y,z)，接收所述移动终端2的声波信号的三个与所述移动终端2同步的声波定位收发器A、B、C的位置分别为(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)，并设所述移动终端2发射声波信号的时间为t，所述三个声波定位收发器A、B、C分别接收所述声波信号的时间为t₁、t₂、t₃，则TOA计算所述移动终端的三维位置的公式如下：

$\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2}=c(t_1-t)$

$\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2+{(z-z_2)}^2}=c(t_2-t)$

$\sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2+{(z-z_3)}^2}=c(t_3-t)$

其中上述各式中的c为声波信号的传输速度，c＝340m/s，采用最小二乘法、LSE(参考点定位)算法、DFP(变尺度)算法、遗传算法或Chan算法等求解上述方程组中的(x,y,z)，从而可以通过三个声波定位收发器A、B、C的坐标及其各自与移动终端的距离，获得移动终端2的准确三维位置，之后可以将计算出的位置坐标渲染到所述定位区域的地图中，反馈给移动终端2；

当需要对移动终端2进行TOA二维定位时，设所述移动终端2的位置为(x,y)，接收所述移动终端2的声波信号的两个声波定位收发器A、B的位置分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)，并设所述移动终端2发射声波信号的时间为t，所述两个声 波定位收发器A、B分别接收所述声波信号的时间为t₁、t₂，则TOA计算所述移动终端2的二维位置的公式如下：

$\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}=c(t_1-t)$

$\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2}=c(t_2-t)$

其中上述各式中的c为声波传输速度，c＝340m/s，采用最小二乘法、LSE(参考点定位)算法、DFP(变尺度)算法、遗传算法或Chan算法等求解上述方程组中的(x,y)，从而可以通过三个声波定位收发器A、B、C的坐标及其各自与移动终端的距离，获得移动终端2的准确二维位置，之后可以将计算出的位置坐标渲染到所述定位区域的地图中，反馈给移动终端2；

所述地图引擎模块32用于存储所述定位区域的地图，并将计算出的所述移动终端在所述定位区域中的位置渲染到所述定位区域的地图上，以反馈给所述移动终端2。

设备管理模块33，用于对所述移动终端2和所有的声波定位收发器1进行管理，并配置自身或所述移动终端2或者所述各个声波定位收发器1中的至少一个声波定位收发器1从所述数据流中获取所述信号传输时间差或信号传输时间，以及配置自身或所述移动终端2或者所述各个声波定位收发器1中的至少一个声波定位收发器1进行所述TDOA计算或所述TOA计算。

需要说明的是，在本实用新型的其他实施例的移动终端定位系统中，从声波定位收发器1传送的数据流中获取所述各个声波定位收发器1之间的信号传输时间差或相应的信号传输时间的解码计算过程还可以在具备解码能力的移动终端2中计算，或者还可以在具备解码能力的所述各个声波定位收发器1中的任意一个或多个中计算。同样地，根据所述各个声波定位收发器1的位置及其之间的信号传输时间差进行的所述TDOA计算，也可以在具备TDOA计算能力的移动终端2中完成，或者还可以在具备TDOA计算能力的所述各个声波定位收发器1中的任意一个或多个中完成；根据所述各个声波定位收发器1的位置及其相应的信号传输时间进行的所述TOA计算，也可以在具备TOA计算能力的移动终端2中完成，或者还可以在具备TOA计算能力的所述各个声波定位收发器1中的任意一个或多个中完成。具体选用移动终端2、声波定位收发器1、定位服务器3中的哪个设备去完成所述信号传输时间差或信号传输时间的计算 以及所述TDOA或TOA计算，可以由定位服务器3的设备管理模块33自动配置，或者有移动终端2的用户去主动选择，或者根据收集的移动终端2、各个声波定位收发器1、定位服务器3的设备能力去配置，而相应的TDOA或TOA计算设备为了能够利用现有TDOA或TOA定位算法来实现移动终端的室内定位，而仅仅做了一些适应性的集成设置编程工作，并未对其中TDOA或TOA定位算法进行创新性改进，因此TDOA或TOA定位算法不是本实用新型的创新点所在。

由此，利用上述的移动终端定位系统，在实现移动终端实时定位的同时，还从网络部署上减少了同步网关设备，降低了定位成本，移动终端的定位精度可以达到μm级，非常适用于运算功能有限的移动终端的室内定位，实用性好，易于推广，适用于室内和室外的移动终端的定位。

请参考图1和图2，本实用新型还提供一种移动终端定位系统，包括至少两个声波定位收发器1、移动终端2以及定位服务器3，与图1所述的移动终端定位系统相比，其区别在于，定位区域部署的每个声波定位收发器1均包括:

声波信号采集模块12，用于采集所述定位区域内的所述移动终端2发射的声波信号，优选的，所述声波信号采集模块12可以为麦克风等录音设备，其采集信号的时间差精度为ms级；

信号解调模块13，与声波信号采集模块12连接，用于对声波信号采集模块12采集到的声波信号进行解调，获取所述声波信号的移动终端2的身份信息以及所述声波信号中的数据流。

可选的，所述声波定位收发器1还包括网络同步模块11，与所述其他至少一个声波定位收发器1以及所述移动终端2通过网关设备4接入同一网络，并接收所述网络的时间同步信号，实现与所述其他至少一个声波定位收发器1和所述移动终端2的时间同步以及所述声波定位收发器1内部的其他各个模块的时间同步，由此可以使得后续可以从信号解调模块13获取的数据流中获取所述移动终端2的声波信号传输至各个所述声波定位收发器1的信号传输时间或者信号传输时间差。所述网络同步模块11可以与其他声波定位收发器1的网络同步模块以及移动终端2一起连接至独立于所有声波定位收发器1和移动终端2之外的网关设备4，以接入同一个网络，接收来自所述网络的时间同步信号。在本实用新型的其他实施例中，所述网络同步模块11还可以直接作为网关设备4，接受其他声波定位收发器1和移动终端2的接入，以与所述其他声波定位收发 器1和移动终端2接入同一个网络，接收来自所述网络的时间同步信号。而且网络同步模块11接入的网络可以是ZigBee网络、WiFi网络、蓝牙网络等无线网络，也可以是任何具备时间同步功能的有线网络(以太网)。

可选的，所述声波定位收发器1还包括解码模块14，用于根据所述信号解调模块13传送的数据流，获取所述移动终端2的声波信号传输至其声波信号采集模块12和其他各个所述声波定位收发器1的声波信号采集模块的信号传输时间或者信号传输时间差。

可选的，所述声波定位收发器1还包括定位计算模块15，用于根据所述各个声波定位收发器1的位置及所述信号传输时间差进行TDOA计算，或者根据所述各个声波定位收发器1的位置及所述信号传输时间进行TOA计算，以获得所述移动终端2在所述定位区域中的位置，并将所述位置反馈给所述移动终端2。其中定位计算模块15中需要的所述各个声波定位收发器1的位置信息可以通过定位服务器3的数据库直接提供，也可以通过定位服务器3转发移动终端2中存储的所述各个声波定位收发器1的位置信息来获取，定位计算模块15中需要的所述信号传输时间差或者所述信号传输时间则从所述信号传输时间差或所述信号传输时间的计算位置(即解码设备)处获取，例如，如果所述信号传输时间差或所述信号传输时间由该声波定位收发器的解码模块14计算出，则定位计算模块15从解码模块14处获取，如果所述信号传输时间差或所述信号传输时间由定位服务器3计算出，则定位计算模块15从定位服务器3处获取，如果所述信号传输时间差或所述信号传输时间由移动终端2计算出，则定位计算模块15需要通过定位服务器3从移动终端2处获取。因此，当移动终端2和定位服务器3中至少有一个具有相当于上述的解码模块14的功能模块和相当于上述的定位计算模块15的功能模块时，上述的解码模块14和定位计算模块15均是可选模块，可有可无，并不影响本实用新型技术目的的达成。

此外，还需要说明的是，当需要对定位区域中的移动终端进行三维定位时，定位移动终端的一个三维位置，需要四个上述的声波定位收发器的位置及其之间的信号传输时间差，或者需要三个与移动终端同步的上述的声波定位收发器及相应的信号传输时间，才能建立方程组，TODA或TOA求解出所述三维位置，因此需要在定位区域中部署至少三个与移动终端同步的或者至少四个不要求与移动终端同步的上述的声波定位收发器；而需要对定位区域中的移动终端进行 二维定位时，定位移动终端的一个二维位置，需要三个上述的声波定位收发器的位置及其之间的信号传输时间差，或者需要两个与移动终端同步的上述的声波定位收发器及相应的信号传输时间，才能建立方程组，求解出所述二维位置，因此需要在定位区域中部署至少两个与移动终端同步的或者至少三个不要求与移动终端同步的上述的声波定位收发器。

由此，使用上述的移动终端定位系统，在实现移动终端实时定位的同时，可以避免现有的电磁波室内定位技术中的弊端，能解决环境因素带来的不确定性及高精度问题，而且声波定位收发器的结构相对简单，制造成本低，具有抗干扰能力强及编解码简单快捷的特点，非常适用于运算功能有限的移动终端的室内定位，实用性好，易于推广，适用于室内和室外的移动终端的定位。

请参考图1和图3，本实用新型还提供一种移动终端定位系统，包括至少三个声波定位收发器1、移动终端2以及定位服务器3，与图2所示的移动终端定位系统相比，其区别在于，移动终端2包括以下模块：

编码模块21，用于对待发射的声波信号进行包含身份信息和时间戳信息的编码；

信号调制模块22，用于将编码后的声波信号调制到发射要求的频率上；

DAC模块23，用于将调制后的声波信号转为模拟信号；

声波功率放大模块24，可以功率放大器，用于将所述模拟信号进行功率放大；

扬声器或超声波换能器25，用于将放大后的信号播放到该移动终端2所进入的定位区域；

位置显示模块28，可以为触摸显示屏，用于显示所述移动终端2当前在所述定位区域中的位置。

所述编码模块21采用m序列等编码方式对声波信号进行编码，在给出该声波定位收发器的身份信息(即ID信息或位置信息)、时间戳等信息的同时，还可以提高声波信号的以确保抗侦破、抗干扰能力，其中编码模块21的编码与声波定位收发器的位置或身份对应关系事先由定位服务器3或者移动终端2知晓，由此才能在后续的计算过程中，使得移动终端2或者定位服务器3或者相应的声波定位收发器1对各个声波定位收发器1获取的数据流进行解码，以能够从 数据流中得到接收移动终端2发射的声波信号的各个声波定位收发器1之间的信号传输时间差或者所述声波信号传输至所述各个声波定位收发器1的信号传输时间，进而使得具有TDOA或TOA定位计算能力的定位服务器3或者移动终端2或者相应的声波定位收发器1能够根据所述各个声波定位收发器的位置信息及所述信号传输时间差进行TDOA计算，或根据所述各个声波定位收发器的位置信息及所述信号传输时间进行TOA计算。

所述信号调制模块22采用MSK、FSK或PSK等调制方式将声波信号的频率调制到20Hz～100MHz，由此保证调制后的信号能量的99.5％被限制在数据传输速率的1.5倍的带宽内，降低信号所受干扰，同时保证恒定的信号包络性能。

可选的，所述移动终端2还包括同步模块20与其他至少两个声波定位收发器的网络同步模块一起连接至一网关设备4，以接入同一个网络，接收来自所述网络的时间同步信号，以用于后续的所述信号传输时间的获取以及TOA计算。同步模块20可以与定位区域中所有声波定位收发器1的网络同步模块一起连接至独立于所有声波定位收发器1和移动终端2之外的网关设备4，以接入同一个网络，接收来自所述网络的时间同步信号。在本实用新型的其他实施例中，所述同步模块20还可以直接作为网关设备4，接受定位区域中所有声波定位收发器1的接入，以将移动终端2与所述所有声波定位收发器1接入同一个网络，接收来自所述网络的时间同步信号。而且同步模块20接入的网络可以是ZigBee网络、WiFi网络、蓝牙网络等无线网络，也可以是任何具备时间同步功能的有线网络(以太网)。本实施例中，同步模块20、编码模块21、信号调制模块22以及DAC模块23可以通过现有的一些微处理器芯片中相应的功能模块来实现，这些微处理器芯片可选用适应网关设备4的网络同步功能的芯片，例如当网关设备4为ZigBee网关设备时，微处理器芯片可以是TICC 2530ZigBee通信微处理器芯片等，当网关设备4为WIFI网关设备或蓝牙网关设备时，微处理器芯片可以选用ARM STM32F107芯片等。

可选的，所述移动终端2还包括解码模块26，用于根据声波定位收发器1传送的所述数据流，获取所述各个声波定位收发器1之间的信号传输时间差或者所述各个声波定位收发器1对应的信号传输时间。

可选的，所述移动终端2还包括定位模块27，为TDOA计算芯片或者TOA计算芯片，用于根据所述各个声波定位收发器1的位置及所述信号传输时间差 进行TDOA计算，或者根据所述各个声波定位收发器1的位置及所述信号传输时间进行TOA计算，获得所述移动终端2在所述定位区域中的位置。其中定位模块24中需要的所述各个声波定位收发器1的位置信息可以通过移动终端2的存储卡直接获取，也可以由定位服务器3的数据库提供。定位模块24中需要的所述信号传输时间差或所述信号传输时间则从所述信号传输时间差或所述信号传输时间的计算位置(即解码设备)处获取，例如如果所述信号传输时间差或信号传输时间由相应的声波定位收发器的解码模块14计算出，则定位模块27需要通过定位服务器3间接从所述声波定位收发器的解码模块14处获取，如果所述信号传输时间差或信号传输时间由定位服务器3计算出，则定位模块27需要从定位服务器3处获取，如果所述信号传输时间差或信号传输时间由移动终端2的解码模块26计算出，则定位模块24直接从解码模块26处获取。因此，当所有声波定位收发器1和定位服务器3中至少有一个具有相当于上述的解码模块26的功能模块和相当于上述的定位模块27的功能模块时，上述的解码模块26和定位模块27均是可选模块，可有可无，并不影响本实用新型技术目的的达成，由此可以大大降低对移动终端2的计算能力的要求，使得一些低端的移动终端也能实现在定位区域中的定位。

本实施例中，所述移动终端2的位置显示模块28还用于存储和显示所述定位区域的地图，并将获得的所述移动终端2在所述定位区域中的位置渲染显示在所述定位区域的地图上。

本实施例中的所述移动终端2可以为智能手机、平板电脑、电子卡等手持设备，也可以为智能手表、智能手环、智能纽扣、智能眼镜、耳机等穿戴设备。

需要说明的是，当需要对定位区域中的移动终端2进行三维定位时，定位移动终端2的一个三维位置，需要四个不要求与移动终端2同步的声波定位收发器1的位置及其之间的信号传输时间差，或者需要三个与移动终端3同步的声波定位收发器及其相应的信号传输时间，才能建立TDOA或TOA方程组，求解出所述三维位置，因此需要在移动终端2所在的定位区域中部署至少四个不要求与移动终端2同步的声波定位收发器1或者部署至少三个与移动终端2同步的声波定位收发器1，用于移动终端的三维定位；而需要对定位区域中的移动终端2进行二维定位时，定位移动终端2的一个二维位置，需要三个不要求与移动终端2同步的声波定位收发器1的位置及其之间的信号传输时间差，或者 需要两个与移动终端2同步的声波定位收发器1的位置及其相应的信号传输时间，才能建立TDOA或TOA方程组，求解出所述二维位置，因此需要在移动终端2所在的定位区域中部署至少三个不要求与移动终端2同步的声波定位收发器1或者部署至少两个与移动终端2同步的声波定位收发器1，用于移动终端的二维定位。此外，当移动终端2的定位模块、声波定位收发器1和定位服务器3都具有定位计算能力时，用户可以根据需要自己选择TDOA或TOA的计算位置，或者系统自动优选为通过定位服务器3进行TDOA或TOA计算。

由此，上述的移动终端定位系统中，用户携带上述的移动终端进入到部署有相应数量和网络同步配置的声波定位收发器的定位区域时，即可通过移动终端实时获取自己在所述定位区域的二维位置或三维位置，从而进一步的获得所述定位区域提供的个性化服务，例如信息推荐、路径规划、区域导览等，适用于室内和室外的移动终端的定位。该移动终端定位系统对移动终端的运算功能要求不高，且定位成本低，且移动终端的位精度可以达到μm级，实用性好，易于推广，适用于室内和室外的移动终端的定位。

请参考图1、图2和图3，本实用新型还提供一种移动终端定位系统，包括至少三个声波定位收发器1、移动终端2以及定位服务器3，与图2所示的移动终端定位系统相比，其区别在于，定位区域部署的每个声波定位收发器均包括:

声波信号采集模块12，用于采集所述定位区域内的所述移动终端2发射的声波信号，优选的，所述声波信号采集模块12可以为麦克风等录音设备，其采集信号的时间差精度为ms级；

信号解调模块13，用于对采集到的声波信号进行解调，获取所述声波信号的移动终端的身份信息以及所述声波信号中的数据流；

以及，其移动终端2包括以下模块：

编码模块21，用于对待发射的声波信号进行包含身份信息和时间戳信息的编码；

信号调制模块22，用于将编码后的声波信号调制到发射要求的频率上；

DAC模块23，用于将调制后的声波信号转为模拟信号；

声波功率放大模块24，用于将所述模拟信号进行功率放大；

扬声器或超声波换能器25，用于将放大后的信号播放到移动终端2进入的 定位区域中；

位置显示模块28，用于显示所述移动终端2当前在所述定位区域中的位置。

进一步的，所述位置显示模块25还用于存储和显示所述定位区域的地图，并将获得的所述移动终端2在所述定位区域中的位置渲染显示在所述定位区域的地图上。

可选的，所述声波定位收发器还包括网络同步模块11，与所述其他至少一个声波定位收发器以及所述移动终端接入同一网络，并接收所述网络的时间同步信号，实现与所述其他至少一个声波定位收发器和所述移动终端的时间同步以及所述声波定位收发器内部的其他各个模块的时间同步，由此可以使得后续可以从信号解调模块13获取的数据流中获取所述移动终端2的声波信号传输至各个所述声波定位收发器1的信号传输时间或者信号传输时间差。

可选的，所述声波定位收发器1还包括解码模块14，用于根据所述信号解调模块13传送的数据流，获取所述移动终端2的声波信号传输至其声波信号采集模块12和其他各个所述声波定位收发器1的声波信号采集模块的信号传输时间或者信号传输时间差。

可选的，所述声波定位收发器1还包括定位计算模块15，用于根据所述各个声波定位收发器1的位置及所述信号传输时间差进行TDOA计算，或者根据所述各个声波定位收发器1的位置及所述信号传输时间进行TOA计算，以获得所述移动终端2在所述定位区域中的位置，并将所述位置反馈给所述移动终端2。

可选的，所述移动终端2还包括同步模块20与其他至少两个声波定位收发器的网络同步模块一起连接至一网关设备4，以接入同一个网络，接收来自所述网络的时间同步信号，以用于后续的所述信号传输时间的获取以及TOA计算。本实施例中，同步模块20、编码模块21、信号调制模块22以及DAC模块23可以通过现有的一些微处理器芯片中相应的功能模块来实现，这些微处理器芯片可选用适应网关设备4的网络同步功能的芯片，例如当网关设备4为ZigBee网关设备时，微处理器芯片可以是TICC 2530ZigBee通信微处理器芯片等，当网关设备4为WIFI网关设备或蓝牙网关设备时，微处理器芯片可以选用ARM STM32F107芯片等。

可选的，所述移动终端2还包括解码模块26，用于根据声波定位收发器1传送的所述数据流，获取所述各个声波定位收发器1之间的信号传输时间差或 者所述各个声波定位收发器1对应的信号传输时间。

可选的，所述移动终端2还包括定位模块27，用于根据所述各个声波定位收发器1的位置及所述信号传输时间差进行TDOA计算，或者根据所述各个声波定位收发器1的位置及所述信号传输时间进行TOA计算，获得所述移动终端2在所述定位区域中的位置。

需要说明的是，在上述移动终端定位系统中，从声波定位收发器1传送的数据流中获取所述各个声波定位收发器1之间的信号传输时间差或者相应的信号传输时间的解码计算过程，可以在具备解码能力的移动终端2的解码模块26中计算，或者还可以在具备解码能力的所述各个声波定位收发器1中的任意一个或多个中的解码模块14计算，或者还可以在定位服务器3的定位算法模块31中计算；同样地，并根据所述各个声波定位收发器的位置及其之间的信号传输时间差或者相应的信号传输时间进行的所述TDOA或TOA计算，也可以在具备TDOA或TOA计算能力的移动终端2的定位模块27中完成，或者还可以在具备TDOA或TOA计算能力的所述各个声波定位收发器1中的任意一个或多个中的定位计算模块15中完成，或者还可以在定位服务器3的定位算法模块31中完成。具体选用移动终端2、声波定位收发器1、定位服务器3中的哪个设备去完成所述各个声波定位收发器之间的信号传输时间差或相应的信号传输时间的计算以及所述TDOA或TOA计算，可以由定位服务器3的设备管理模块33自动配置，或者有移动终端2的用户去主动选择，或者根据收集的移动终端2、各个声波定位收发器1、定位服务器3的设备能力去配置。

请参考图5，本实用新型提供一种利用上述的移动终端定位系统的工作方法，包括以下步骤:

S1，一移动终端进入到某定位区域后向所述定位区域发射声波信号；

S2，部署在所述定位区域内的两个以上的声波定位收发器接收所述声波信号，并从所述声波信号中获取相应的数据流；

S3，从所述数据流中获取所述移动终端的声波信号传输至各个所述声波定位收发器的信号传输时间或者信号传输时间差；

S4，根据所述各个声波定位收发器的位置及所述信号传输时间进行TOA计算，或根据所述各个声波定位收发器的位置及所述信号传输时间差TDOA计算，以确定所述移动终端在所述定位区域中的位置。

请参考图1和图5，在步骤S1中，移动终端2作为信号发射端，向定位区域广播发射的声波频率为20Hz～100MHz，可以选择人耳能够听到的自然界的优美声音，相当于背景音乐，由此给所述定位区域中的人们带来听觉享受的同时，不会对所述定位区域中的环境造成声音干扰。优选的，每个声波定位收发器1发射的声波频率为15KHz～23KHz，这个频段的声波信号是人耳无法听见，但是可以被部署在所述定位区域内的声波定位收发器1接收到，因此可以完全保证在所述定位区域环境中不产生噪声污染。

在步骤S1中，移动终端2发出声波信号的过程包括：

对待发射的信号进行包含身份信息(ID)和时间戳的编码；编码方式可以使用m序列等方式，其中m序列是目前广泛应用的一种伪随机序列，是最重要、最基本的一种伪随机序列，它容易产生，规律性强，有很好的自相关性和较好的互相关特性；

信号编码好之后进行信号调制，信号调制方式可以为MSK、FSK、PSK等，信号调制好后将其转化为模拟信号；

所述模拟信号经放大后通过其扬声器或超声波换能器发射播放出去，此时所有声波定位收发器同时向定位区域中发射声波信号。

请参考图1和图5，在步骤S2中，当需要对室内移动终端进行定位时，可以预先根据室内空间大小，对室内空间进行区域划分，而后在这些区域的不同位置中部署相应的声波定位收发器1作为信号接收端，接收进入各个定位区域的移动终端2发射的声波信号，以对移动终端2进行分区域的精准定位。

当需要通过TOA定位计算来确定移动终端2的位置时，需要将每个定位区域中两个以上的声波定位收发器1与移动终端2进行同步，这些声波定位收发器1与移动终端2均连接到一网关设备4上，从而使得这些声波定位收发器1和移动终端2通过该网关设备4部署在同一个网络中，并在网关设备4的时间同步信号(即控制这些声波定位收发器同步工作的时钟信号)的控制下实现网络时间同步，网关设备4可以是ZigBee网关设备、WIFI网关设备或蓝牙网关设备等无线网关设备，也可以是任何具备时间同步功能的有线网络的网关设备，而且网关设备4可以独立于所有声波定位收发器1和所述移动终端2之外的网关设备，或可以与任一所述声波定位收发器集成为一体，或可以与所述移动终端2集成为一体。网关设备4可以使定位区域中所有声波定位收发器1和移动 终端2同时接入相应的ZigBee网络、WIFI网络或蓝牙网络等无线网路中或任何具备时间同步功能的有线网路，从而可以接受该网络中传输的时间同步信号，实现启用和工作时间同步。网关设备4与定位服务器3可通过Internet网传输数据和信号等，因此该网络中传输的时间同步信号可以由定位服务器3通过网关设备4发出。

其中，在定位区域中可最少设置两个声波定位收发器1(如设置声波定位收发器A、B)与移动终端2同步，来用于移动终端2的TOA二维定位；可最少设置三个声波定位收发器1(如设置声波定位收发器A、B、C)与移动终端2同步，来用于移动终端2的TOA三维定位；当所述定位区域中部署三个以上的声波定位收发器时，可以将三个声波定位收发器视为一组，用于获得移动终端的一个位置坐标，最后对所有组获得的移动终端的位置坐标取平均值，以作为移动终端最终的位置；当所述定位区域中部署两个以上的声波定位收发器时，可以将每两个声波定位收发器视为一组，用于获得移动终端的一个位置坐标，最后对所有组获得的移动终端的位置坐标取平均值，以作为移动终端最终的二维位置，由此来进一步提高移动终端定位的精度。

而当需要通过TDOA定位计算来确定移动终端2的位置时，需要所述定位区域中三个以上的声波定位收发器1来接收移动终端2的声波信号，这些声波定位收发器之间可不完全同步，也可完全同步，还可完全不同步，当然可与移动终端2同步，也可与移动终端2完全不同步，其中，可最少设置三个声波定位收发器1(如设置声波定位收发器A、B、C)用于移动终端2的TDOA二维定位；可最少设置四个声波定位收发器1(如设置声波定位收发器A、B、C、D)用于移动终端2的TDOA三维定位，当所述定位区域中部署四个以上的声波定位收发器时，可以将每四个声波定位收发器视为一组，用于获得移动终端的一个位置坐标，最后对所有组获得的移动终端的位置坐标取平均值，以作为移动终端最终的三维位置；而当所述定位区域中部署三个以上的声波定位收发器时，可以将每三个声波定位收发器视为一组，用于获得移动终端的一个位置坐标，最后对所有组获得的移动终端的位置坐标取平均值，以作为移动终端最终的二维位置，由此来进一步提高室内定位的精度。此外，对室内区域划分后，不同区域的声波定位收发器1数量以及与移动终端2同步的数量来确定后续解码数据流中的信号传输时间还是信号传输时间差，以及确定后续采用TDOA方式计 算还是采用TOA方式计算。在后续可以基于移动终端2在所述定位区域的实时定位，为携带该移动终端的用户提供相应的特色服务，此外，利用移动终端的室内定位为用户提供移动终端基于位置的服务(Location Based Service，LBS)推荐业务，例如在购物中心里根据用户所处位置自动推送商家打折和活动信息，使用室内导航帮助用户在所述定位区域更快地找到所需要的物品等；在大型商场和写字楼里面借助室内各区域的地图导航帮助用户快速找到出口和电梯等；在医疗行业中利用移动终端的室内定位进行重症病人跟踪监护、产房婴儿防盗、贵重医疗设备监控；面向大型建筑物的应急疏散、公共安全、及灾后救援等。此外，在定位区域部署好每个声波定位收发器1后，可以将每个声波定位收发器1的位置坐标提交到定位服务器3上保存，或者直接发送至进入相应区域的移动终端2上保存，以用于后续定位的计算需要。

在步骤S2中，移动终端2在进入某定位区域发出声波信号后，该定位区域中部署的声波定位收发器1可以通过其麦克风等声波信号采集模块来接收该声波信号，并对接收的声波信号进行解调，从中获取移动终端2的身份信息(ID)以及声波信号中时间戳等数据流信息。

在步骤S3中，当接收该声波信号的声波定位收发器1自身具有解码功能时，可以直接对其获取的数据流信息进行解码处理，获取所述移动终端的声波信号传输至各个所述声波定位收发器的信号传输时间(即声波信号从移动终端2发射开始计时，至传输到声波定位收发器1接收后计时结束，这个过程所用的时长)或者信号传输时间差(即声波信号从移动终端传输至两个声波定位收发器所用的时间之差)。当接收该声波信号的声波定位收发器1自身不具备解码功能时可以将其获取的数据流信息传输至具有解码功能的一定位服务器3或者通过定位服务器3回传至具有解码功能的移动终端2或者通过定位服务器3回传至其他具备解码能力的声波定位收发器，以对其获取的数据流信息进行处理，获取所述各个信号传输时间或各个信号传输时间差。当移动终端2、各个声波定位收发器1、定位服务器均具有解码功能时，一方面，定位区域的管理员可以在定位服务器3上配置这些设备的解码优先级，例如根据各个设备的解码资源占用率来配置优先级，或者直接配置定位服务器优先等，从而能够及时对声波定位收发器1获取的数据流信息进行处理，获取所述各个信号传输时间或各个信号传输时间差，以快速实现移动终端的定位；另一方面，移动终端2的用户可以 自主选择解码终端，例如直接选取该移动终端2处理所述数据流，或者将声波定位收发器1获取的数据流发送至相应的声波定位收发器1或者定位服务器3上进行处理。

在步骤S4中，当接收声波信号的声波定位收发器1具备相应的定位计算能力时，可以直接获取的各个声波定位收发器的身份信息，进而提取到所述各个声波定位收发器的位置坐标，并结合步骤S3中获取的所述各个信号传输时间差来进行TDOA计算或者结合步骤S3中获取的所述各个信号传输时间来进行TOA计算，确定出所述移动终端2的位置，同时显示在其显示屏上以呈现给用户。而当接收声波信号的声波定位收发器1的自身不具备相应的定位计算能力时，可以通过网关设备4将其在步骤S3中获取的所述各个信号传输时间差或所述各个信号传输时间发送至具有定位计算能力的定位服务器3上进行TDOA或TOA计算，或者将其在步骤S3中获取的所述各个信号传输时间差或所述各个信号传输时间通过所述定位服务器3转发至所述各个声波定位收发器1中具备相应的定位计算能力的某个或某几个声波定位收发器1上进行相应的TDOA或TOA计算，或者将其在步骤S3中获取的所述各个信号传输时间差或所述各个信号传输时间通过所述定位服务器3转发至具备相应定位计算能力的移动终端3进行相应的TDOA或TOA计算，相应的定位计算设备会根据所述各个声波定位收发器的ID获取所述各个声波定位收发器1的位置坐标，并结合所述各个信号传输时间差或所述各个信号传输时间进行相应的TDOA或TOA计算，以得出所述移动终端2的位置坐标。其中，当定位服务器3的数据库中存储有各个声波定位收发器的位置坐标时，定位服务器3直接从数据库中调用供自身使用或者转发至相应的声波定位收发器1或移动终端2使用；当定位服务器3上没有存储各个声波定位收发器的位置坐标时，移动终端2中存储有各个声波定位收发器的位置坐标时，移动终端2将各个声波定位收发器的位置坐标发送给定位服务器3，以供定位服务器3自身使用或者进一步通过定位服务器3转发至相应的声波定位收发器1使用；当定位服务器3和移动终端2上都没有存储各个声波定位收发器的位置坐标时，各个声波定位收发器将其ID以及位置坐标均发送至定位服务器3或移动终端2。

其中，在步骤S4中，不管哪个设备进行TDOA计算来确定所述移动终端在所述定位区域的三维位置，均需执行以下步骤包括：

设所述移动终端2的位置为(x,y,z)，接收所述移动终端2的声波信号的四个声波定位收发器A、B、C、D的位置分别为(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)、(x₄,y₄,z₄)；

设所述移动终端2的声波信号分别传输至所述四个声波定位收发器A、B、C、D所用的时间为t₁、t₂、t₃、t₄；

则TDOA计算移动终端2的三维位置的公式如下：

$\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2}-\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2+{(z-z_2)}^2}=c(t_1-t_2)$

$\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2}-\sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2+{(z-z_3)}^2}=c(t_1-t_3)$

$\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2}-\sqrt{{(x-x_4)}^2+{(y-y_4)}^2+{(z-z_4)}^2}=c(t_1-t_4)$

$\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2+{(z-z_2)}^2}-\sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2+{(z-z_3)}^2}=c(t_2-t_3)$

$\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2+{(z-z_2)}^2}-\sqrt{{(x-x_4)}^2+{(y-y_4)}^2+{(z-z_4)}^2}=c(t_2-t_4)$

$\sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2+{(z-z_3)}^2}-\sqrt{{(x-x_4)}^2+{(y-y_4)}^2+{(z-z_4)}^2}=c(t_3-t_4)$

其中上述各式中的c为声波信号的传输速度，c＝340m/s，采用chan算法、Fang算法或Taylor级数展开法等求解上述方程组中的(x,y,z)，以获得移动终端2的准确三维位置，计算出的三维位置坐标可以渲染到移动终端2的所述定位区域的地图中，以呈现给所述移动终端2的用户。

相应的，在步骤S4中，不管哪个设备进行TDOA计算来确定所述移动终端在所述定位区域的二维位置，均需执行以下步骤包括：

设所述移动终端的位置为(x,y)，接收所述移动终端的声波信号的三个所述声波定位收发器的位置分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)；

设所述移动终端的声波信号分别传输至所述三个声波定位收发器所用的时间为t₁、t₂、t₃；

则TDOA计算所述移动终端的二维位置的公式如下：

$\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}-\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2}=c(t_1-t_2)$

$\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}-\sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2}=c(t_1-t_3)$

$\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2}-\sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2}=c(t_2-t_3)$

其中上述各式中的c为声波传输速度，c＝340m/s，采用chan算法、Fang算法或Taylor级数展开法等求解上述方程组中的(x,y)，以获得移动终端2的准 确二维位置，计算出的二维位置坐标可以渲染到移动终端2的所述定位区域的地图中，以呈现给所述移动终端2的用户。需要说明的是，移动终端2的二维定位可以看做是三维定位的特例，二维定位时的TDOA计算实质上是将三维TDOA计算中的所有公式里边z设为0，公式数量相应的减少。

其中，在步骤S4中，不管哪个设备进行TOA计算来确定所述移动终端在所述定位区域的三维位置，均需执行以下步骤包括：

设所述移动终端2的位置为(x,y,z)，接收所述移动终端2的声波信号的三个与移动终端2同步的声波定位收发器A、B、C的位置分别为(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)；

设所述移动终端发射声波信号的时间(即时刻)为t，所述三个声波定位收发器A、B、C分别接收所述声波信号的时间(即时刻)为t₁、t₂、t₃；所述声波信号传输从移动终端2至声波定位收发器A的信号传输时间为t₁-t；所述声波信号从移动终端2传输至声波定位收发器B的信号传输时间为t₂-t；所述声波信号从移动终端2传输至声波定位收发器C的信号传输时间为t₃-t；

则TOA计算移动终端2的位置的公式如下：

$\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2}=c(t_1-t)$

$\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2+{(z-z_2)}^2}=c(t_2-t)$

$\sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2+{(z-z_3)}^2}=c(t_3-t)$

其中上述各式中的c为声波信号的传输速度，c＝340m/s，采用最小二乘法、LSE(参考点定位)算法、DFP(变尺度)算法、遗传算法或Chan算法等求解上述方程组中的(x,y,z)，从而可以通过三个声波定位收发器A、B、C的坐标及其各自与移动终端的距离，获得移动终端2的准确三维位置，之后可以将计算出的位置坐标渲染到所述定位区域的地图中，反馈给移动终端2。

相应的，在步骤S4中，不管哪个设备进行TOA计算来确定所述移动终端在所述定位区域的二维位置，均需执行以下步骤包括：

设所述移动终端的位置为(x,y)，接收所述移动终端的声波信号的与移动终端2同步的两个声波定位收发器A、B的位置分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)；

设所述移动终端发射声波信号的时间为t，所述两个声波定位收发器A、B分别接收所述声波信号的时间为t₁、t₂；

则TOA计算所述移动终端的二维位置的公式如下：

$\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}=c(t_1-t)$

$\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2}=c(t_2-t)$

其中上述各式中的c为声波传输速度，c＝340m/s，采用最小二乘法、LSE(参考点定位)算法、DFP(变尺度)算法、遗传算法或Chan算法等求解上述方程组中的(x,y)，从而可以通过声波定位收发器A、B的坐标及其各自与移动终端2的距离，获得移动终端2的准确二维位置，之后可以将计算出的位置坐标渲染到所述定位区域的地图中，反馈给移动终端2，以呈现给所述移动终端2的用户。需要说明的是，移动终端2的二维定位可以看做是三维定位的特例，二维定位时的TOA计算实质上是将三维TOA计算中的所有公式里边z设为0，公式数量相应的减少。

进一步的，所述移动终端2上有所述定位区域的地图的显示界面，当移动终端2收到当前其在所述定位区域中的位置的TDOA或TOA计算结果后，在所述显示界面上将其自身位置渲染显示在所述定位区域的地图中，以供用户直接查看。

进一步的，基于用户通过移动终端实时获取的其在所述定位区域的地图上的位置信息，可以实现路径规划、区域导览、信息推送、位置分享、自助购物、物品寻址等个性化服务。

本实用新型提供的移动终端定位系统，适用于室内和室外的移动终端的定位，能够在某定位区域中最少可以仅仅部署两个与移动终端网络同步的声波定位收发器，利用移动终端的声波信号分别到达两个声波定位收发器的传输时间来准确定位出移动终端在所述定位区域的二维位置，或者在某定位区域中最少可以仅仅部署三个与移动终端网络同步的声波定位收发器，利用移动终端的声波信号到达三个声波定位收发器的传输时间来准确定位出移动终端在所述定位区域的三维位置，或者能够在某定位区域中最少可以仅仅部署三个声波定位收发器，利用移动终端的声波信号分别到达三个声波定位收发器的传输时间差来准确定位出移动终端在所述定位区域的二维位置，或者在某定位区域中最少可以仅仅部署四个声波定位收发器，利用移动终端的声波信号到达四个声波定位收发器的传输时间差来准确定位出移动终端在所述定位区域的三维位置。因此本实用新型的技术方案在解决环境因素带来的不确定性及高精度问题的同时， 还能降低定位成本，保证移动终端定位精度。例如，当声波定位收发器接收移动终端的声波信号的时间精度为1ms(毫秒)时，移动终端的定位误差为1ms*340m/s＝0.34m＝34cm。

下面结合图6和图7详细说明上述的移动终端定位系统进行TDOA定位和TOA定位的过程。

请参考图6，利用上述的移动终端定位系统进行移动终端2的TDOA三维定位的流程如下：

1、定位区域中部署的声波定位收发器A、B、C、D开启工作；

2、移动终端2向所述定位区域发射声波信号：

2.1，编码模块21对待发射的声波信号进行包含身份信息和时间戳信息的编码；

2.2，信号调制模块22将编码后的声波信号调制到发射要求的频率上；

2.3，DAC模块23将调制后的声波信号转为模拟信号；

2.4，声波功率放大模块24将所述模拟信号进行功率放大；

2.5，扬声器或超声波换能器25将放大后的信号播放到所述定位区域中；

3、声波定位收发器A、B、C、D接收声波信号并获取相应信息：

3.1，声波定位收发器A、B、C、D的声波信号采集模块12采集移动终端2的发射的声波信号；

3.2，信号解调模块13对采集到的声波信号进行解调，以获取移动终端2的ID(即身份信息)以及其声波信号中传送的数据流；

4、解码所述数据流以获取声波定位收发器A、B、C、D之间的信号传输时间差：

4.1，系统是否配置声波定位收发器A、B、C、D的至少一个的解码模块14对声波定位收发器A、B、C、D获取的数据流进行解码，若是，则利用选择的声波定位收发器的解码模块14执行步骤4.4，若否，则执行步骤4.2；

4.2，系统是否配置定位服务器3的解码模块30对声波定位收发器A、B、C、D获取的数据流进行解码，若是，则利用选择的定位算法模块31执行4.4步骤，若否，则执行步骤4.3；

4.3，系统配置移动终端2的解码模块23对声波定位收发器A、B、C、D获取的数据流进行解码；

4.4，利用系统所配置的解码设备相应的功能模块对声波定位收发器A、B、C、D获取的数据流进行解码，并计算出声波定位收发器A、B、C、D之间的信号传输时间差；

5、TDOA计算出移动终端2在所述定位区域的当前位置：

5.1，系统是否配置声波定位收发器A、B、C、D的至少一个的定位计算模块15进行TDOA计算，若是，则利用选择的声波定位收发器的定位计算模块15执行步骤5.4，若否，则执行步骤5.2；

5.2，系统是否配置定位服务器3的定位算法模块31进行TDOA计算，若是，则利用定位服务器3的定位算法模块31执行步骤5.4，若否，则执行步骤5.3；

5.3，系统配置移动终端2的定位模块27行TDOA计算；

5.4，利用系统所配置的TDOA计算设备相应的功能模块从定位服务器3的数据库或移动终端2的存储器中获取声波定位收发器A、B、C、D的位置坐标，并从所配置的解码设备的相应功能模块处获取计算出的声波定位收发器A、B、C、D之间的信号传输时间差，根据声波定位收发器A、B、C、D的位置坐标及其之间的信号传输时间差进行TDOA计算，得出移动终端2在所述定位区域中的三维位置；

5.5，定位服务器3的地图引擎模块32或者移动终端2的位置显示模块25将得出的所述移动终端的三维位置渲染显示到所述移动终端2的所述定位区域的地图上。

需要说明的是，利用上述的移动终端定位系统进行移动终端2的二维定位，仅需要接收两个声波定位收发器A、B、C的声波信号，具体地方法流程与图6所示的流程基本一致，在此不再赘述。

请参考图7，利用上述的移动终端定位系统进行移动终端2的TOA内三维定位的流程如下：

1、网关设备4发出时间同步信号；

2、移动终端2向定位区域发射声波信号：

2.1，同步模块20接收所述时间同步信号，实现移动终端2与所述定位区域中部署的声波定位收发器A、B、C的网络同步(即时间同步或时钟同步)以及 移动终端2内部各模块的时间同步；

2.2，编码模块21对待发射的声波信号进行包含身份信息和时间戳信息的编码；

2.3，信号调制模块22将编码后的声波信号调制到发射要求的频率上；

2.4，DAC模块23将调制后的声波信号转为模拟信号；

2.5，声波功率放大模块24将所述模拟信号进行功率放大；

2.6，扬声器或超声波换能器25将放大后的信号播放到所述定位区域中；

3、声波定位收发器A、B、C接收声波信号并获取相应信息：

3.1，网络同步模块11接收所述时间同步信号，实现与移动终端2和其他声波定位收发器的网络同步(即时间同步或时钟同步)以及内部各模块的时间同步；

3.2，声波信号采集模块12采集移动终端2发射的声波信号；

3.3，信号解调模块22对采集到的声波信号进行解调，以获取声波信号中传送的数据流；

4、解码所述数据流以获取声波定位收发器A、B、C的信号传输时间：

4.1，系统是否配置声波定位收发器A、B、C的至少一个的解码模块14对声波定位收发器A、B、C获取的数据流进行解码，若是，则利用选择的声波定位收发器的解码模块14执行步骤4.4，若否，则执行步骤4.2；

4.2，系统是否配置定位服务器3的解码模块30对声波定位收发器A、B、C获取的数据流进行解码，若是，则利用选择的定位算法模块31执行4.4步骤，若否，则执行步骤4.3；

4.3，系统配置移动终端2的解码模块26对声波定位收发器A、B、C获取的数据流进行解码；

4.4，利用系统所配置的解码设备相应的功能模块对声波定位收发器A、B、C获取的数据流进行解码，并分别计算出声波定位收发器A、B、C的信号传输时间；

5、TOA计算出移动终端2在所述定位区域的当前位置：

5.1，系统是否配置声波定位收发器A、B、C的至少一个的定位计算模块15进行TOA计算，若是，则利用选择的声波定位收发器的定位计算模块15执行步骤5.4，若否，则执行步骤5.2；

5.2，系统是否配置定位服务器3的定位算法模块31进行TOA计算，若是，则利用定位服务器3的定位算法模块31执行步骤5.4，若否，则执行步骤5.3；

5.3，系统配置移动终端2的定位模块27行TOA计算；

5.4，利用系统所配置的TOA计算设备相应的功能模块从定位服务器3的数据库或移动终端2的存储器中获取声波定位收发器A、B、C的位置坐标，并从所配置的解码设备的相应功能模块处获取计算出的声波定位收发器A、B、C的信号传输时间，根据声波定位收发器A、B、C的位置坐标及其信号传输时间进行TOA计算，得出移动终端2的位置；

5.5，定位服务器3的地图引擎模块32或者移动终端2的位置显示模块25将得出的所述移动终端的位置渲染显示到所述移动终端2的所述定位区域的地图上。

需要说明的是，利用上述的移动终端定位系统进行二维定位，仅需要接收两个声波定位收发器A、B的声波信号，具体地方法流程与图7所示的流程基本一致，在此不再赘述。

由此可见，上述的移动终端定位系统，从网络部署上减少了同步网关设备，降低了定位成本；而且其部署的声波定位收发器的结构相对简单，制造成本低，具有抗干扰能力强及编解码简单快捷的特点，同时对移动终端的运算能力要求不高，实用性好，易于推广，适用于室内和室外的移动终端的定位。

显然，本领域的技术人员可以对实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (13)

1.一种移动终端定位系统，其特征在于，包括：移动终端、定位服务器、网关设备以及至少两个声波定位收发器，所述声波定位收发器安装在所述移动终端所进入的定位区域并与所述移动终端通过声波信号进行通信连接，所述移动终端与所述定位服务器通过无线网络连接，所述声波定位收发器与所述定位服务器通信连接，所述网关设备将所述定位区域中所有的声波定位收发器以及所述移动终端接入到同一网络中的，并与所述定位服务器之间通过因特网连接。

2.如权利要求1所述的移动终端定位系统，其特征在于，所述网关设备ZigBee网关设备、WIFI网关设备或蓝牙网关设备，与所述所有的声波定位收发器和移动终端通过相应的ZigBee、WIFI或蓝牙无线方式连接。

3.如权利要求2所述的移动终端定位系统，其特征在于，所述网关设备为独立于所有声波定位收发器和所述移动终端之外的网关设备，或者与任一所述声波定位收发器集成为一体，或者与所述移动终端集成为一体。

4.如权利要求1所述的移动终端定位系统，其特征在于，所述定位服务器包括解码模块、定位算法模块、地图引擎模块以及设备管理模块；所述解码模块与所述移动终端或者各个所述声波定位收发器信号连接，所述定位算法模块为单片机或可编程逻辑器件，所述地图引擎模块包括存储所述定位区域地图的存储器以及连接所述存储器和所述定位算法模块的位置渲染器；所述设备管理模块与所述移动终端和所有的声波定位收发器通信连接。

5.如权利要求1所述的移动终端定位系统，其特征在于，所述声波定位收发器包括声波信号采集模块以及连接所述声波信号采集模块的信号解调模块。

6.如权利要求5所述的移动终端定位系统，其特征在于，所述声波定位收发器还包括网络同步模块，与所述其他至少一个声波定位收发器以及所述移动终端接入同一网络。

7.如权利要求5所述的移动终端定位系统，其特征在于，所述声波定位收发器还包括与自身内部的信号解调模块或者所述移动终端内部的信号解调模块通信的解码模块。

8.如权利要求7所述的移动终端定位系统，其特征在于，所述声波定位收发器还包括与自身内的解码模块或者所述定位服务器的解码模块或者所述移动终端的解码模块通信的定位计算模块，所述定位计算模块为微处理芯片或可编程逻辑器件。

9.如权利要求1所述的移动终端定位系统，其特征在于，所述移动终端包括：依次连接的编码模块、信号调制模块、DAC模块、声波功率放大模块、播放模块以及位置显示模块，所述播放模块为扬声器或超声波换能器，所述位置显示模块为显示屏。

10.如权利要求9所述的移动终端定位系统，其特征在于，所述移动终端还包括同步模块，与所述定位区域部署的至少两个声波定位器一起接入同一网络。

11.如权利要求10所述的移动终端定位系统，其特征在于，所述移动终端还包括与声波定位收发器内部的信号解调模块通信的解码模块。

12.如权利要求11所述的移动终端定位系统，其特征在于，所述移动终端还包括与自身内部的解码模块或者所述定位服务器的解码模块或者所述声波定位收发器内部的解码模块通信的定位模块，所述定位模块为微处理芯片。

13.如权利要求1所述的移动终端定位系统，其特征在于，所述移动终端为手持设备或者穿戴设备。