專利名稱：采取toa與rss融合方式的自適應(yīng)定位方法、設(shè)備和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及目標(biāo)的定位策略，更具體而言，本發(fā)明提供了魯棒 而精確的自適應(yīng)定位方法、設(shè)備和系統(tǒng)，用于集成基于RSS (接收信號強 度)的定位策略以及基于TOA (到達(dá)時間)的定位策略的優(yōu)勢。
背景技術(shù)：
數(shù)字化的不斷加強推動計算機網(wǎng)絡(luò)朝著"普適性信息社會"的方向發(fā) 展。通過移動設(shè)備、微型無線標(biāo)識標(biāo)簽(tag)、傳感器網(wǎng)絡(luò)等能夠提供響 應(yīng)于實體位置的各種服務(wù)。位置信息在人們?nèi)粘Ｉ钪蟹浅Ｖ匾?。NTT SoCoMo的調(diào)査顯示，世界上85%的信息與位置有關(guān)，移動系統(tǒng)上5%的 數(shù)據(jù)服務(wù)與位置有關(guān)?；谖恢玫姆?wù)(Location based service, LBS)致 力于精確地識別個人的位置，以及通過將位置信息應(yīng)用到各種市場和服務(wù) 來向用戶提供更加個性化和令人滿意的移動服務(wù)。
LBS在多種工業(yè)和個人應(yīng)用中被視為一種必需服務(wù)，例如辦公室生產(chǎn) 率的提高、醫(yī)院交互平臺、緊急情況應(yīng)對系統(tǒng)、兒童/寵物監(jiān)控、數(shù)據(jù)訪問 控制、建筑物安全、公共交通、機器人導(dǎo)航、供應(yīng)鏈管理、電子商務(wù)等 等。 一種典型應(yīng)用是提高辦公室生產(chǎn)率。在辦公室環(huán)境中，要求雇員在某 一安全區(qū)域內(nèi)訪問機密信息數(shù)據(jù)庫。在該區(qū)域之外，任何訪問都將被禁 止。例如，不同組的成員可以在他們的工作區(qū)內(nèi)訪問他們組的信息數(shù)據(jù) 庫，或者某些安全計算機僅僅在它們處于某一區(qū)域內(nèi)時才能被使用。以上 這些原則可以通過使用LBS來實現(xiàn)。這樣一來。位置信息可以被視為一種 物理密鑰，以便增強認(rèn)證、授權(quán)和計費(AAA)應(yīng)用。這在防止黑客攻擊 需要高度安全保障的公司(例如銀行和國防部門)中的中央服務(wù)器計算機 時尤其有用，因為它不僅需要數(shù)字密鑰，還需要物理密鑰。而且，LBS可 以在日常工作生活中帶給用戶新的人機交互體驗。當(dāng)用戶在計算機前面時，計算機知道該用戶是誰并在屏幕上自動顯示他/她的桌面。想象一下， 當(dāng)用戶正在觀看一段視頻時，如果用戶出于某種原因而突然離開，計算機 可以智能地暫停該視頻。并且當(dāng)用戶回來時，計算機將繼續(xù)播放該視頻文 件。這里還包括其他示例，例如，如果有找用戶的電話打進(jìn)來，該電話呼
叫可以被自動路由到靠近用戶的電話。而且，LBS在雇員沒有固定辦公桌 而是可以占用任意可用空間的辦公室環(huán)境中尤其有用，因為定位系統(tǒng)可以 提供顯示交互式的實時地圖的能力，所述實時地圖能夠示出誰在辦公室內(nèi) 以及他們的位置。
在現(xiàn)有技術(shù)中，存在很多被稱為"定位策略"的位置確定方法和技術(shù) 可被用來提供位置信息。但是，沒有一種現(xiàn)有策略能夠在所有預(yù)期環(huán)境 (例如室內(nèi)、郊區(qū)峽谷和開闊地域)中都以足夠的精確度有效地工作。這 些定位策略采用不同的媒介信號，例如紅外、光、超聲波或射頻(RF)信 號。它們中的每一種可能在某些情況下具有優(yōu)勢，但是也具有各自的缺 點。例如，RSS和TOA是最常用的定位策略?；赗F的方法使用RSS來 根據(jù)RF信號的傳播模型指示發(fā)送者和接收者之間的距離，并且使用RSS 方法的定位系統(tǒng)可以測量不超過數(shù)百米的距離。但是，基于RSS的定位系 統(tǒng)的性能容易受到環(huán)境變化(例如多路徑和噪聲)的影響。超聲波方法將 超聲波速度乘以TOA (到達(dá)時間)來測量距離。基于TOA的定位方法可 以提供高精確度的解決方案，但是其由于超聲波的快速衰減而只能處理幾 米距離內(nèi)的位置測量。
綜上所述，基于TOA的定位策略和基于RSS的定位策略的普遍缺點 被總結(jié)如下
(1) 基于RSS的方法可以提供大覆蓋范圍，但是定位精確度低；
(2) 基于TOA的方法可以提供高精確度的解決方案，但是覆蓋范圍 很小。
由此可見，我們相信如果能夠提供一種基于RSS和TOA的融合的多 模式定位策略，則多種信號的融合可以提供在單獨使用超聲波或RF信號 時無法獲得的優(yōu)勢。具體而言，RSS和TOA的優(yōu)勢(即RSS的長距離傳 播特性和TOA的精確定位特性)應(yīng)該被集成，從而提供一種精確的、稀
9疏部署的并且低成本的定位系統(tǒng)。
下面，將首先對現(xiàn)有技術(shù)中的一些傳統(tǒng)的定位技術(shù)進(jìn)行簡單介紹。傳 統(tǒng)定位方法一般可以分成兩類1)基于RSS的定位方法；和2)基于
TOA的定位方法。它們都被稱為單模式定位策略。
基于RSS的定位方法的一個示例是Padmanabhan提出的"Radar"系 統(tǒng)(在Proc. IEEE INFOCOM中，Bahl, P. Padmanabhan V. N. RADAR: an in-building RF-based user location and tracking system)， 其中經(jīng)驗RSS在離 線階段以"x，；;，《RSSI)的形式被記錄以指示在不同位置和朝向上的 RSS，并且在實時階段，通過計算觀察到的RSS和記錄的經(jīng)驗RSS集合之 間的(信號空間中的)距離執(zhí)行三角測量，以找到最佳匹配觀察到的RSS 的位置。題為"Location of wireless node using signal strength weighting metric"的Dietrich的美國專利No. 7116988提出一種差分信號強度度量， 用來計算在各個無線接收器對處檢測到的RSS之差，而不是使用無線節(jié)點 發(fā)射的RF的絕對接收信號強度或功率。具體而言，該發(fā)明將在多對無線 電接收器處檢測到的信號強度值之差與按RF環(huán)境模型表征的相應(yīng)差值相 比較。
基于TOA的定位方法的典型示例是A. Smith在"Tracking Moving Devices with the Cricket Location System" (Proc. ACM MOBISYS Conf.， Boston, MA， 2004年7月)中提出的"Cricket"系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，在建 筑物中布滿cricket信標(biāo)。每個信標(biāo)包含RF和超聲波發(fā)射器，并且周期性 地同時發(fā)送RF信號和超聲波脈沖。包含超聲波接收器的超聲波監(jiān)聽器被 附接到想要定位的目標(biāo)。接收的RF信號被用于時間同步，隨后的超聲波 的TOA被測量以指示其傳播時間。到多個信標(biāo)的距離是通過將TOA乘以 超聲波的速度來計算的。然后，監(jiān)聽器利用最小二乘法(LSQ)和擴(kuò)展 Kalman濾波(EKF)方法來計算其自己的位置。
基于TOA的定位方法的另一示例是A.Ward等人提出的"Bat"系 統(tǒng)，這是一種用于活動辦公室的新定位技術(shù)(IEEE Personal Communications, 4(5): 42-47， 1997年10月)。與"Cricket"系統(tǒng)類似， "Bat"系統(tǒng)采用基本的基于TOA的定位方法，其首先通過測量超聲波信號的TOA信息來計算目標(biāo)和參考點之間的距離，然后利用多邊算法來三 角測量目標(biāo)的位置。"Bat"系統(tǒng)與"Cricket"系統(tǒng)的差別在于"Bat"是 一種跟蹤系統(tǒng)而"Cricket"是一種導(dǎo)航系統(tǒng)，在所述跟蹤系統(tǒng)中，多個超 聲波接收器被安裝在天花板上，而超聲波發(fā)射器附接到目標(biāo)，而在導(dǎo)航系 統(tǒng)中，多個超聲波發(fā)射器被安裝在天花板上，超聲波接收器被附接到目 標(biāo)。
在基于RSS的解決方案中，Dietrich的差分方法和"Radar"系統(tǒng)都采 用RF指紋(RF fingerprint)技術(shù)，即將移動目標(biāo)的信號強度與包含覆蓋 區(qū)域的RF物理模型的數(shù)據(jù)庫相比較。但是，在室內(nèi)RF環(huán)境中遇到的多路 徑現(xiàn)象在定位移動目標(biāo)的精確位置時會帶來某些困難，因為RF信號的反 射和吸收將影響信號強度的相關(guān)。具體而言，在"Radar"系統(tǒng)中，需要費 力構(gòu)建針對每種感興趣的物理環(huán)境的經(jīng)驗RSS數(shù)據(jù)集合。該過程在環(huán)境改 變時需要被重復(fù)。因此，定位誤差很大。這對于需要精確定位的應(yīng)用來說 無法令人滿意。
在基于TOA的解決方案中，需要密集部署超聲波檢測器來克服超聲 波短距離衰減的特性，以提高系統(tǒng)可擴(kuò)展性。"Cricket"和"Bat"系統(tǒng)都 是如此，因此系統(tǒng)部署和維護(hù)的成本很高。此外，由于系統(tǒng)中存在更多節(jié) 點(傳感器)，因此定位網(wǎng)絡(luò)變得更加復(fù)雜。另一方面，在"Cricket"系 統(tǒng)中，EKF是計算密集性的，不適合于嵌入式的低速處理器，而LSQ需 要至少三個TOA測量結(jié)果才能給出位置估計。
現(xiàn)有技術(shù)中沒有提供將RSS和TOA的優(yōu)點相融合的解決方案。在傳 統(tǒng)的基于TOA的定位系統(tǒng)中，RF信號一般僅僅被用作時間同步信號，但 是其有用信息(例如RSS)沒有被很好地利用。除此之外，基礎(chǔ)設(shè)施(接 收器/發(fā)射器)的拓?fù)湫畔⒑苌俦皇褂?，而拓?fù)湫畔⒃跓o法獲得距離測量結(jié) 果時往往是非常有用的。例如，當(dāng)接收器無法監(jiān)聽到目標(biāo)時，我們可以高 概率猜測目標(biāo)遠(yuǎn)離該接收器。另一方面，傳統(tǒng)的定位算法(例如三角測 量)需要至少三個同時測量的TOA結(jié)果才能確定一個位置。這一條件由 于動態(tài)環(huán)境變化、不可靠的鏈路以及目標(biāo)的移動有時難以滿足，從而導(dǎo)致 定位失敗的比率很高。

發(fā)明內(nèi)容
基于以上分析，我們相信，通過對RSS、 TOA和拓?fù)湫畔⒌木C合應(yīng) 用，可以設(shè)計一種有效的多模式定位方法，以使得能夠在變化的環(huán)境中實 現(xiàn)具有所需精確度和可擴(kuò)展性的位置確定。
本發(fā)明提供了一種魯棒而精確的自適應(yīng)定位方法、設(shè)備和系統(tǒng)，其將 RSS和TOA定位的優(yōu)勢(例如RSS的長距離傳播特性和TOA的精確定位 特性)集成在一起，并且克服了現(xiàn)有技術(shù)中的單模式定位策略各自的缺 陷。具體而言，本發(fā)明的自適應(yīng)定位系統(tǒng)既使用RF也使用超聲波信號， 因此該定位系統(tǒng)不僅能夠檢測超聲波的TOA信息，也能夠測量RF信號的 RSS信息。這里應(yīng)該注意，本發(fā)明提出的自適應(yīng)定位策略獨立于系統(tǒng)基礎(chǔ) 設(shè)施，就是說，其不僅可應(yīng)用于跟蹤模式(多接收器， 一個發(fā)射器被附接 到目標(biāo))的系統(tǒng)，也可應(yīng)用于導(dǎo)航模式(多發(fā)射器， 一個接收器被附接到 目標(biāo))的系統(tǒng)。
本發(fā)明的定位算法是自適應(yīng)的，其可以根據(jù)超聲波檢測的TOA結(jié)果 的數(shù)量和RF信號的RSS來自適應(yīng)地選擇適當(dāng)?shù)奈恢糜嬎悴呗?。基本上?當(dāng)TOA檢測結(jié)果的數(shù)量大于等于3時采用三角測量，以獲得很好的定位 精確度。對于兩個TOA檢測結(jié)果的情形，提出一種遠(yuǎn)近過濾器(Near-Far filter)方法來利用拓?fù)湫畔⑤o助三角測量，從而給出唯一并且精確的位置 估計。對于只有一個TOA檢測結(jié)果的情形，RF信號的RSS信息被用作附 加范圍指示以找到唯一的位置估計。對于沒有TOA檢測結(jié)果的情形，RSS 結(jié)果和移動目標(biāo)的歷史定位信息被用于定位。另外，在本發(fā)明的自適應(yīng)定 位系統(tǒng)中還可以包括一個快速TOA可靠性過濾器，其作為一種預(yù)處理步 驟，用于過濾掉TOA測量結(jié)果中的異常值(outlier)，例如由于超聲波的 反射所引起的測量值，從而進(jìn)一步提高定位魯棒性。
具體而言，根據(jù)本發(fā)明第一方面，提出了一種自適應(yīng)定位目標(biāo)的方 法，其包括收集關(guān)于所述目標(biāo)發(fā)射的信號的到達(dá)時間(TOA)結(jié)果和接 收信號強度(RSS)結(jié)果；確定收集的所述TOA結(jié)果的數(shù)目；以及根據(jù)所 述TOA結(jié)果的數(shù)目來選擇計算所述目標(biāo)的位置的策略，并根據(jù)所選策略
12計算所述目標(biāo)的位置。
根據(jù)本發(fā)明第二方面，提出了一種自適應(yīng)定位目標(biāo)的設(shè)備，其包括 觀測結(jié)果采集器，用于收集關(guān)于所述目標(biāo)發(fā)射的信號的到達(dá)時間(TOA)
結(jié)果和接收信號強度(RSS)結(jié)果；TOA結(jié)果計數(shù)器，用于確定收集的所 述TOA結(jié)果的數(shù)目；以及位置計算器，用于根據(jù)所述TOA結(jié)果的數(shù)目來 選擇計算所述目標(biāo)的位置的策略，并利用所選策略計算所述目標(biāo)的位置。
根據(jù)本發(fā)明第三方面，提出了一種用于自適應(yīng)定位目標(biāo)的系統(tǒng)，包 括檢測設(shè)備，其包括用于發(fā)射和檢測第一信號的第一信號收發(fā)器和用于 發(fā)射和檢測第二信號的第二信號收發(fā)器；附接到所述目標(biāo)的目標(biāo)設(shè)備，其 包括用于發(fā)射和檢測第一信號的第一信號收發(fā)器和用于發(fā)射和檢測第二信 號的第二信號收發(fā)器；以及自適應(yīng)定位裝置，用于根據(jù)所述第一信號的到 達(dá)時間(TOA)結(jié)果和所述第二信號的接收信號強度(RSS)結(jié)果來自適 應(yīng)地選擇定位策略以計算所述目標(biāo)的位置。
根據(jù)本發(fā)明第四方面，提出了 一種使用上述系統(tǒng)對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤的方 法，包括所述目標(biāo)設(shè)備廣播所述第二信號；所述檢測設(shè)備測量并記錄所 述第二信號的所述RSS結(jié)果；所述目標(biāo)設(shè)備廣播所述第一信號；所述檢測 設(shè)備測量并記錄所述第一信號的所述TOA結(jié)果；以及所述自適應(yīng)定位裝 置接收所述TOA結(jié)果和RSS結(jié)果，以計算所述目標(biāo)的位置。
根據(jù)本發(fā)明第五方面，提出了一種使用上述系統(tǒng)對目標(biāo)進(jìn)行導(dǎo)航的方 法，包括所述檢測設(shè)備廣播所述第二信號；所述目標(biāo)設(shè)備測量并記錄所 述第二信號的所述RSS結(jié)果；所述檢測設(shè)備廣播所述第一信號；所述目標(biāo) 設(shè)備測量并記錄所述第一信號的所述TOA結(jié)果；以及所述自適應(yīng)定位裝 置接收所述測量的TOA結(jié)果和RSS結(jié)果，以計算所述目標(biāo)的位置。
根據(jù)本發(fā)明第六方面，提出了另一種自適應(yīng)定位目標(biāo)的方法，包括
收集關(guān)于所述目標(biāo)發(fā)射的信號的多個到達(dá)時間(TOA)結(jié)果；從所述TOA 結(jié)果中選擇三個滿足最大分離標(biāo)準(zhǔn)的TOA結(jié)果，所述最大分離標(biāo)準(zhǔn)使得 所選的三個TOA結(jié)果所對應(yīng)的接收位置之間的分離程度最大；并且對所 選的三個TOA結(jié)果執(zhí)行三角測量以計算所述目標(biāo)的位置。
根據(jù)本發(fā)明第七方面，提出了另一種用于自適應(yīng)定位目標(biāo)的設(shè)備，包括到達(dá)時間(TOA)結(jié)果收集器，用于收集關(guān)于所述目標(biāo)發(fā)射的信號的 多個TOA結(jié)果；TOA結(jié)果選擇器，用于從所述TOA結(jié)果收集器所收集的 TOA結(jié)果中選擇三個滿足最大分離標(biāo)準(zhǔn)的TOA結(jié)果，所述最大分離標(biāo)準(zhǔn) 使得所選的三個TOA結(jié)果所對應(yīng)的接收位置之間的分離程度最大；以及 三角測量器，用于對所述TOA結(jié)果選擇器所選的三個TOA結(jié)果執(zhí)行三角 測量以計算所述目標(biāo)的位置。
本發(fā)明提出的自適應(yīng)多模式定位策略與現(xiàn)有技術(shù)相比具有很多優(yōu)點， 例如自適應(yīng)性、可靠性、精確性、可擴(kuò)展性、低成本等等。下面將具體說 明。
*自適應(yīng)性本發(fā)明的自適應(yīng)定位算法可以根據(jù)TOA檢測結(jié)果的數(shù) 目和RSS被自適應(yīng)地選擇；
*可靠性快速異常值刪除算法可以過濾掉TOA測量結(jié)果中的異常 值，從而提高定位魯棒性；
*精確性傳統(tǒng)的三角測量需要至少三個TOA測量結(jié)果才能確定一 個位置。但是，在本發(fā)明的自適應(yīng)定位系統(tǒng)中，不再需要這樣的限 審U。當(dāng)可以獲得三個或更多TOA測量結(jié)果時，系統(tǒng)精確度與傳統(tǒng) 的三角測量算法相同。在只有兩個TOA結(jié)果的情況下(傳統(tǒng)的三 角測量在此情況下無法提供解決方案)，本發(fā)明的系統(tǒng)基于提出的 遠(yuǎn)近過濾器來提供精確的定位結(jié)果。在一個TOA或沒有TOA結(jié)果 的情況下，本發(fā)明的系統(tǒng)的精確度也將好于傳統(tǒng)的純RSS定位方 法的精確性。
*可擴(kuò)展性本發(fā)明的自適應(yīng)定位策略不僅可應(yīng)用于跟蹤模式的系 統(tǒng)，也可應(yīng)用于導(dǎo)航模式的系統(tǒng)?；诖?，該定位系統(tǒng)可以在利用 稀疏傳感器部署的情況下實現(xiàn)更大的覆蓋區(qū)域擴(kuò)展，同時定位精確 度可以很好地保持。此外，本發(fā)明的融合策略可被擴(kuò)展到更多 TOA和RSS測量結(jié)果。
低成本本發(fā)明的自適應(yīng)定位系統(tǒng)的成本很低，并且計算密集度也
大大降低。
1

結(jié)合附圖，從下面對本發(fā)明優(yōu)選實施例的詳細(xì)描述，將更好地理解本 發(fā)明，附圖中類似的參考標(biāo)記指示類似的部分，其中
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的自適應(yīng)定位系統(tǒng)100的整體構(gòu)造的框圖2A是示出圖1所示系統(tǒng)100處于跟蹤模式時的工作流程的流程
圖2B是示出圖1所示系統(tǒng)100處于導(dǎo)航模式時的工作流程的流程
圖3是詳細(xì)示出根據(jù)本發(fā)明的自適應(yīng)定位設(shè)備300的內(nèi)部框圖4是示出圖3中的TOA結(jié)果過濾器的工作過程的示例400的流程
圖5是示出圖3所示自適應(yīng)定位設(shè)備的整體工作過程的示例500的流 程圖6A是示出根據(jù)本發(fā)明，用于利用多個TOA測量結(jié)果進(jìn)行目標(biāo)定位 的多TOA位置計算器的一個示例的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的框圖6B是示出根據(jù)"最大分離標(biāo)準(zhǔn)"進(jìn)行TOA測量結(jié)果選擇的示意
圖7是用于說明存在兩個TOA測量結(jié)果的情況下的定位策略的示意
圖8是用于說明存在一個TOA測量結(jié)果的情況下的定位策略的示意 圖；以及
圖9是用于說明不存在TOA測量結(jié)果的情況下的定位策略的示意圖。
具體實施例方式
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的自適應(yīng)定位系統(tǒng)100的整體構(gòu)造的框圖。如 圖所示，作為示例，系統(tǒng)100由移動S標(biāo)IIO所攜帶的目標(biāo)設(shè)備102、作 為觀察者的檢測設(shè)備120以及中央信息服務(wù)器111構(gòu)成，其中中央信息服 務(wù)器111包含自適應(yīng)定位設(shè)備101。作為示例，在圖1中的檢測設(shè)備120具有獨立定位器(POD)結(jié)構(gòu)，即包含頭設(shè)備103和葉設(shè)備104。關(guān)于 POD的詳細(xì)說明，在本申請的申請人所遞交的另一題為"獨立定位器以 及自治超聲波定位系統(tǒng)和方法"的申請(申請日2008年1月29日，申 請?zhí)朜o. 200810006317.0)中有所描述，該申請通過引用被整體上結(jié)合于 此以用于所有目的。當(dāng)然，檢測設(shè)備120并不局限于POD的結(jié)構(gòu)，其他 能夠用于檢測目標(biāo)設(shè)備所發(fā)射的信號的設(shè)備也可被使用。下面，將以包含 頭設(shè)備和葉設(shè)備的POD為例說明檢測設(shè)備120在系統(tǒng)100中的操作。自 適應(yīng)定位設(shè)備101是根據(jù)本發(fā)明的核心部件，其接收檢測設(shè)備120測量到 的關(guān)于目標(biāo)設(shè)備102發(fā)射的超聲波和RF信號的TOA與RSS測量結(jié)果， 選擇適當(dāng)?shù)亩ㄎ徊呗赃M(jìn)行計算以跟蹤和定位移動目標(biāo)110的位置。這里雖 然將自適應(yīng)定位設(shè)備101示為被包含在獨立存在的中央信息服務(wù)器111 中，但是這僅僅是一個示例，本發(fā)明并不局限于此，本領(lǐng)域技術(shù)人員容易 理解，根據(jù)系統(tǒng)工作模式和應(yīng)用需求，自適應(yīng)定位設(shè)備101可以被集成到 檢測設(shè)備120 (例如POD的頭設(shè)備104)或目標(biāo)設(shè)備102中。另外，雖然 圖1示出作為觀察者的頭設(shè)備103和葉設(shè)備104被集成為單個獨立設(shè)備， 并且在工作狀態(tài)中，頭設(shè)備和葉設(shè)備之間具有已知的固定結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系， 但是這僅僅是一個示例，本發(fā)明并不局限于此，本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理 解，頭設(shè)備103和葉設(shè)備104也可以被實現(xiàn)為相互分離的獨立設(shè)備并被分 散部署，只要能夠已知它們的空間坐標(biāo)即可(參見申請No. 200810006317.0中所述)。與現(xiàn)有技術(shù)所公開的定位系統(tǒng)相比，POD由 于其獨特的結(jié)構(gòu)屬性而具有高度精確、容易部署、無需校準(zhǔn)、低成本以及 容易協(xié)調(diào)等特點。因此，在下文以及附圖中，以POD為例示出并描述頭 設(shè)備和葉設(shè)備的結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系。但是，如上所述，頭設(shè)備和葉設(shè)備的部署 并不局限于所述示例。
如圖l所示的根據(jù)本發(fā)明的自適應(yīng)定位系統(tǒng)ioo既可以工作在導(dǎo)航模 式中也可以工作在跟蹤模式中。在導(dǎo)航模式中，多個發(fā)射器作為基礎(chǔ)設(shè)施 進(jìn)行操作，由移動目標(biāo)攜帶的接收器監(jiān)聽多個發(fā)射器發(fā)送的信號并計算其 自身的位置，即移動目標(biāo)的位置。在跟蹤模式中，由移動目標(biāo)攜帶發(fā)射 器，多個接收器充當(dāng)基礎(chǔ)設(shè)備，監(jiān)聽發(fā)射器發(fā)送的信號并跟蹤移動發(fā)射器以計算移動目標(biāo)的位置。如圖l所示，根據(jù)本發(fā)明的自適應(yīng)定位系統(tǒng)100
被設(shè)計用于分層的定位系統(tǒng)，其一般包含檢測設(shè)備120 (例如包含頭設(shè)備 103和葉設(shè)備104的POD)和目標(biāo)設(shè)備102。其中，頭設(shè)備可以是裝配有 RF模塊和超聲波模塊的微控制器，葉設(shè)備可以是僅裝配有超聲波模塊的 微控制器，而目標(biāo)設(shè)備可以是裝配有RF模塊和超聲波模塊的微控制器， 并且目標(biāo)設(shè)備被附接到移動目標(biāo)。該自適應(yīng)定位系統(tǒng)100已知頭設(shè)備和葉 設(shè)備的位置，即空間坐標(biāo)，并可以工作在導(dǎo)航模式和跟蹤模式中。
圖2A和2B分別示出系統(tǒng)IOO在跟蹤模式和導(dǎo)航模式中的工作流程， 其中圖2A是示出圖1所示系統(tǒng)100處于跟蹤模式時的工作流程的流程 圖；并且圖2B是示出圖1所示系統(tǒng)100處于導(dǎo)航模式時的工作流程的流 程圖。
首先參考圖2A，在跟蹤模式中，系統(tǒng)100的工作流程200a開始于目 標(biāo)設(shè)備102發(fā)射RF信號以與頭設(shè)備103同步(步驟201a)。然后，在步 驟202a中，頭設(shè)備103經(jīng)由目標(biāo)設(shè)備102發(fā)送的RF信號與目標(biāo)設(shè)備102 同步，測量RF信號的RSS并同步多個葉設(shè)備104以監(jiān)聽隨后目標(biāo)設(shè)備 102將發(fā)送的超聲波脈沖。接下來，在步驟203a中，目標(biāo)設(shè)備102開始廣 播超聲波。在來自目標(biāo)設(shè)備102的超聲波脈沖被頭設(shè)備103和葉設(shè)備104 檢測到時，各個葉設(shè)備104測量超聲波的TOA (步驟204a)。隨后，在 步驟202a中由頭設(shè)備103測量得到的RF信號的RSS結(jié)果和在步驟204a 中由葉設(shè)備104測量得到的超聲波TOA結(jié)果被發(fā)送到自適應(yīng)定位設(shè)備 101，在步驟205a中，自適應(yīng)定位設(shè)備IOI對獲得的TOA和RSS結(jié)果進(jìn) 行自適應(yīng)融合以計算移動目標(biāo)110的位置。在跟蹤模式中，根據(jù)應(yīng)用需 求，自適應(yīng)定位設(shè)備IOI可以位于獨立存在的中央信息服務(wù)器111中，也 可以被包括在頭設(shè)備103中。當(dāng)自適應(yīng)定位設(shè)備101位于獨立存在的中央 信息服務(wù)器111中時，測量得到的TOA和RSS結(jié)果均被發(fā)送到基本查詢 111以用于定位計算。當(dāng)自適應(yīng)定位設(shè)備101位于頭設(shè)備103中時，由葉 設(shè)備104測量的TOA結(jié)果可以被發(fā)送到頭設(shè)備103，并由頭設(shè)備103中 的自適應(yīng)定位設(shè)備101進(jìn)行定位計算。
接下來參考圖2B，其示出系統(tǒng)IOO在導(dǎo)航模式中的工作流程200b。如上所述，在導(dǎo)航模式中，由移動目標(biāo)IIO攜帶的目標(biāo)設(shè)備102充當(dāng)發(fā)射 器，而頭設(shè)備103和葉設(shè)備104充當(dāng)接收器(檢測器)。在導(dǎo)航模式中， 系統(tǒng)100的工作流程200b開始于頭設(shè)備103廣播RF信號以與目標(biāo)設(shè)備 102同步，并且頭設(shè)備103還同步葉設(shè)備104以廣播超聲波(步驟 201b)。然后，在步驟202b中，目標(biāo)設(shè)備102經(jīng)由RF信號與頭設(shè)備103 同步，并測量RF信號的RSS。此時，目標(biāo)設(shè)備102可以開始監(jiān)聽頭設(shè)備 103和葉設(shè)備104隨后將發(fā)送的超聲波。接下來，在步驟203b中，頭設(shè)備 103和葉設(shè)備104廣播超聲波。在步驟204b中，當(dāng)目標(biāo)設(shè)備102檢測到來 自頭設(shè)備/葉設(shè)備的超聲波時，其測量超聲波的TOA。隨后，在步驟202b 中由目標(biāo)設(shè)備102測量得到的RF信號的RSS結(jié)果和在步驟204b中由目 標(biāo)設(shè)備102測量得到的超聲波TOA結(jié)果被發(fā)送到自適應(yīng)定位設(shè)備101， 在步驟205b中，自適應(yīng)定位設(shè)備101對獲得的TOA和RSS結(jié)果進(jìn)行自適 應(yīng)融合以計算移動目標(biāo)IIO的位置。在導(dǎo)航模式中，根據(jù)應(yīng)用需求，自適 應(yīng)定位設(shè)備101可以位于獨立存在的中央信息服務(wù)器111中，也可以被包 括在目標(biāo)設(shè)備102中。當(dāng)自適應(yīng)定位設(shè)備101位于獨立存在的中央信息服 務(wù)器111中時，測量得到的TOA和RSS結(jié)果均被發(fā)送到基本查詢111以 用于定位計算。當(dāng)自適應(yīng)定位設(shè)備101位于目標(biāo)設(shè)備102中時，由于 TOA和RSS結(jié)果均由目標(biāo)設(shè)備102測量得到，因此目標(biāo)設(shè)備102中的自 適應(yīng)定位設(shè)備101可以進(jìn)行定位計算。
以上參考附圖描述了根據(jù)本發(fā)明的自適應(yīng)定位系統(tǒng)100及其操作流 程。下面，將參考圖3-8來進(jìn)一步描述根據(jù)本發(fā)明的自適應(yīng)定位策略以及 使用該策略的自適應(yīng)定位設(shè)備IOI。
首先參考圖3，其詳細(xì)示出根據(jù)本發(fā)明的自適應(yīng)定位設(shè)備300的內(nèi)部 框圖。所述自適應(yīng)定位設(shè)備300例如是圖l所示系統(tǒng)IOO中的自適應(yīng)定位 設(shè)備101。如上所述，根據(jù)不同的工作模式和應(yīng)用需求，在系統(tǒng)中，該自 適應(yīng)定位設(shè)備300可以被包括在獨立的服務(wù)器中，或者被集成為目標(biāo)設(shè)備 102或頭設(shè)備103的一部分。
自適應(yīng)定位設(shè)備300被設(shè)計成一種實時的通用信息處理設(shè)備。其輸入 是同時測量的TOA和RSS檢測結(jié)果，輸出是移動目標(biāo)的唯一位置估計結(jié)果。由于RSS的覆蓋范圍比TOA大得多，因此以非常高的概率，RSS測 量結(jié)果是可獲得的。但是，對于TOA，由于目標(biāo)移動以及超聲波的快速 衰減，可獲得的TOA測量結(jié)果的數(shù)目經(jīng)常根據(jù)實時條件的不同而發(fā)生很 大變化。有時，只有兩個或一個TOA結(jié)果可獲得，有時甚至無法獲得 TOA結(jié)果。對于這些情況，根據(jù)本發(fā)明的自適應(yīng)定位設(shè)備被設(shè)計為對于 TOA的數(shù)目是自適應(yīng)的，其還將RSS結(jié)果、定位系統(tǒng)的拓?fù)湫畔?，甚?歷史定位信息引入到定位策略中以確定唯一的位置估計。
如圖3所示，自適應(yīng)定位設(shè)備300包括觀測結(jié)果采集器301、 TOA結(jié) 果過濾器304、 TOA結(jié)果計數(shù)器302、位置計算器303以及歷史數(shù)據(jù)存儲 器305。觀測結(jié)果采集器301收集來自外部的TOA結(jié)果和RSS結(jié)果，以 提供到位置計算器303計算移動目標(biāo)的位置。位置計算器303采用自適應(yīng) 的TOA與RSS融合策略來計算移動目標(biāo)的位置。具體而言，位置計算器 303根據(jù)收集的TOA結(jié)果的數(shù)目來自適應(yīng)地選擇不同的定位策略，以實 現(xiàn)魯棒而精確的自適應(yīng)定位。隨后將對位置計算器303的自適應(yīng)定位策略 作詳細(xì)描述。歷史數(shù)據(jù)存儲器305存儲有關(guān)于移動目標(biāo)的歷史定位數(shù)據(jù)， 這些歷史定位數(shù)據(jù)可以在收集的TOA結(jié)果的數(shù)目不足三個的情況下，被 位置計算器303用作參考，以提高定位的精確度。
由觀測結(jié)果采集器301收集的TOA結(jié)果可以首先被提供到TOA結(jié)果 過濾器304，該TOA結(jié)果過濾器304是一個可選的預(yù)處理部件，用于從 收集的所有TOA結(jié)果中過濾出不可靠的TOA測量結(jié)果。在超聲波被障礙 物反射的情況下，測量得到的距離將比直接路徑距離大得多。這種反射的 信號將導(dǎo)致不希望看到的定位誤差，這種定位誤差被稱為"異常值"，應(yīng) 該被從同時的距離估計中消除掉。
圖4是示出圖3中的TOA結(jié)果過濾器的工作過程的示例400的流程 圖。該過濾過程的基本想法是兩個發(fā)射器-接收器距離之差不能大于這兩 個接收器之間的距離。但是，成對比較測量結(jié)果是非常耗時的，因此，本 發(fā)明提出一種快速過濾算法。下面將參考圖4來詳細(xì)描述。
如圖4所示，在步驟401中，首先輸入所有TOA檢測結(jié)果rToA、，其 中i表示第i接收器(即觀察者)。另外，還輸入任意兩個接收器之間的
19距離Eij，表示第i和第j接收器之間的距離。如上所述，作為接收器的頭
設(shè)備和葉設(shè)備的空間坐標(biāo)是已知的，因此可以容易獲得距離Eij。
首先，在步驟402中，對所有TOA結(jié)果進(jìn)行粗過濾，即刪除掉明顯 太大或太小的TOA結(jié)果，其中將TOA結(jié)果與預(yù)定的高閾值和低閾值進(jìn)行 比較，以在步驟403中丟棄在高閾值和低閾值所限定的范圍之外的那些 TOA結(jié)果。然后，剩余的TOA結(jié)果被匯集為TOA結(jié)果池(Toa1， Toa2，... T0An)， n表示經(jīng)粗過濾后剩余TOA結(jié)果的數(shù)目(步驟404)。
然后在步驟405中，剩余的TOA結(jié)果被轉(zhuǎn)化為距離d「ToA、 Speedultras。und，以用于隨后的處理。在步驟406中，這樣計算出的所有測量 距離被匯集為距離值池(山,d2,…A)。然后，過程進(jìn)行到范圍異常值丟棄過 程，即對剩余的TOA結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)過濾。
在該算法中，我們假設(shè)最小的TOA測量值是最可靠的?；诖耍?有距離值按遞增的順序被排序，并將其中的最小和最大距離值記作di和dj (步驟407)。在判定步驟408中，如果i-j，則說明此時距離值池中剩 余的所有距離值所對應(yīng)的TOA測量值都是可靠的，可以被用于隨后的定 位計算(步驟409)。如果在判定步驟408中判定i -j，則根據(jù)如下三角 不等式來確定距離di和dj對應(yīng)的TOA測量值的可靠性
就是說，在步驟410中，判斷距離di和dj是否滿足dj-d^Eg。如果 是，則說明此時的最大距離dj很可能是由于信號反射而引起的異常值，因 此在步驟412中，距離dj被丟棄，并且考慮距離值池中的下一個最大距 離。如果不滿足dj-d一Eij，則說明此時的最大距離dj可以被看作超身波信 號的直接路徑，其對應(yīng)的TOA結(jié)果是可靠結(jié)果，因此在步驟411中，j=j -1，進(jìn)一步考慮距離值池中的下一個最大距離。以上過程重復(fù)進(jìn)行，直 到距離值池中的所有剩余距離都是可靠距離為止，隨后這些可靠距離所對 應(yīng)的可靠TOA測量結(jié)果可以被用于隨后的定位過程。
圖5是示出圖3所示自適應(yīng)定位設(shè)備的整體工作過程的示例500的流 程圖。
如圖所示，該過程開始于步驟501，其中觀測結(jié)果采集器301收集TOA和RSS測量結(jié)果。然后，在步驟502中，TOA結(jié)果過濾器304根據(jù) 圖4所示操作對收集的TOA結(jié)果進(jìn)行過濾。隨后在步驟503中，根據(jù)經(jīng) 過濾后剩余的TOA結(jié)果的數(shù)目分類選擇不同的定位策略。如圖3所示， 位置計算器303中的定位策略選擇器3031根據(jù)TOA結(jié)果計數(shù)器302對 TOA結(jié)果的計數(shù)值分別選擇不同的位置計算模塊以計算移動目標(biāo)的位 置。例如，當(dāng)TOA結(jié)果的數(shù)目大于2時，多TOA位置計算器3032被調(diào) 用，當(dāng)TOA結(jié)果的數(shù)目等于2時，兩TOA位置計算器3033被調(diào)用，當(dāng) TOA結(jié)果的數(shù)目等于1時，單TOA位置計算器3034被調(diào)用，當(dāng)不存在 TOA結(jié)果時，零TOA位置計算器3035被調(diào)用。其中，對于一個TOA結(jié) 果或沒有TOA結(jié)果的情況，需要參考來自歷史數(shù)據(jù)存儲器305的歷史定 位信息。
返回圖5，當(dāng)在步驟503中確定存在大于2個TOA結(jié)果時，過程前進(jìn) 到步驟504a，其中多TOA位置計算器3032利用TOA三角測量方法來計 算移動目標(biāo)的位置。當(dāng)在步驟503中確定TOA結(jié)果的數(shù)目等于2時，過 程前進(jìn)到步驟504b，其中由于TOA結(jié)果的數(shù)目不足三個，因此需要參考 定位系統(tǒng)的拓?fù)湫畔?，這里提出一種遠(yuǎn)近過濾器被用于結(jié)合TOA結(jié)果計 算移動目標(biāo)的位置。關(guān)于遠(yuǎn)近過濾器以及TOA結(jié)果數(shù)目等于2的情況下 的定位策略隨后將詳細(xì)介紹。另外，當(dāng)在步驟503中確定TOA結(jié)果的數(shù) 目等于1時，過程前進(jìn)到步驟504c，其中除了 TOA結(jié)果之外，還需要參 考預(yù)先獲得的RSS結(jié)果，并結(jié)合來自歷史數(shù)據(jù)存儲器305的歷史定位信 息來計算移動目標(biāo)的位置。關(guān)于TOA結(jié)果數(shù)目為1情況下的定位策略隨 后將詳細(xì)描述。當(dāng)在步驟503中確定不存在TOA結(jié)果時，過程前進(jìn)到步 驟504d，其中RSS結(jié)果被利用，并同時參考來自歷史數(shù)據(jù)存儲器305的 歷史定位信息來計算移動目標(biāo)的位置。關(guān)于不存在TOA結(jié)果情況下的定 位策略隨后將詳細(xì)描述。然后，計算出的移動目標(biāo)的位置在步驟505處被 輸出。隨后，過程500結(jié)束。
下面，將參考圖6A、 6B以及圖7-9來詳細(xì)描述在TOA結(jié)果數(shù)目大于 2、等于2、等于1、等于0的情況下用于計算移動目標(biāo)的位置的自適應(yīng) TOA和RSS融合定位過程。(1) T0A結(jié)果數(shù)目大于2的情形 傳統(tǒng)上，當(dāng)有三個或更多TOA測量結(jié)果可獲得時，三角測量通常被 用來計算目標(biāo)的位置。假設(shè)總共存在A:個可靠的TOA測量結(jié)果，貝U由這 些TOA結(jié)果確定的距離所給出的約束函數(shù)如下
<formula>formula see original document page 22</formula>器中，^，力，^ ... (3cfo ^ ^是提供這A個可靠的TOA測量結(jié)果的葉設(shè)備 的坐標(biāo)，并且(^, ...,^)是相應(yīng)的測量距離。<formula>formula see original document page 22</formula>
則等式(2)可被重寫為^4X=6。該等式可以通過最小二乘法(LSQ) 來求解，就是說，找到義4x，乂z]T以使得l1-《最小化。如果A是一個
非奇異矩陣，則結(jié)果為<formula>formula see original document page 22</formula>
綜上所述，在TOA結(jié)果的數(shù)目大于2的情況下，等式(3)可以被用 于計算移動目標(biāo)的唯一位置。
然而，上述傳統(tǒng)的使用所有可靠TOA測量結(jié)果來計算目標(biāo)位置的多 點測量方法對于諸如POD之類設(shè)備效率不高，因為這樣的多點測量方法 需要消耗大量計算成本，從而使POD設(shè)備負(fù)擔(dān)過重。為此，根據(jù)一個實 施例，本發(fā)明提出一種結(jié)構(gòu)化三點測量方法，用以優(yōu)化目標(biāo)定位結(jié)果。圖 6A和6B示出根據(jù)本發(fā)明的該結(jié)構(gòu)化三點測量方法的具體細(xì)節(jié)。
具體地講，根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)化三點測量方法的核心在于TOA測量 結(jié)果的精煉(或選擇)。如圖6A所示，根據(jù)本發(fā)明，在觀測結(jié)果采集器 301收集到多于兩個TOA測量結(jié)果時，多TOA位置計算器3032被調(diào) 用，以利用三角測量計算移動目標(biāo)的位置。在該實施例中，多TOA位置 計算器3032可以包括TOA結(jié)果選擇器601和三角測量器602，其中當(dāng)收 集到的TOA測量結(jié)果的數(shù)目大于3時，TOA結(jié)果選擇器601從收集到的 TOA結(jié)果中選擇3個TOA結(jié)果，三角測量器602對所選TOA結(jié)果執(zhí)行 三角測量，以計算移動目標(biāo)的位置。這里，TOA測量結(jié)果的選擇可以基于以下規(guī)則收集到TOA結(jié)果的
接收器之間的分離程度越大，定位結(jié)果則越精確。相反，如果接收器之間 的分離程度很小，例如三個接收器處于一條直線上，定位結(jié)果的精確度則
可能很低。因此，我們可以基于"最大分離標(biāo)準(zhǔn)"來選擇三個TOA結(jié) 果，即，使得接收器之間的距離盡可能地大，以得到更加精確的定位結(jié) 果。所述"最大分離標(biāo)準(zhǔn)"例如可以使得所選TOA結(jié)果之間的相互距離 最大，或者使得所選TOA結(jié)果所構(gòu)成的三角形的面積最大。
例如，在圖6B所示示例中，以POD設(shè)備為例示出基于"最大分離標(biāo) 準(zhǔn)"選擇TOA結(jié)果的情況。顯而易見，這里僅僅為了便于說明而以POD 設(shè)備為例進(jìn)行描述，本發(fā)明的原理并不局限于應(yīng)用到POD之類具有固定 結(jié)構(gòu)的設(shè)備的情況，在接收器分散分布在空間中的情況下，本發(fā)明同樣適 用。
在針對POD設(shè)備的情況下，由于POD具有固定的結(jié)構(gòu)拓?fù)?，因此?以容易地根據(jù)POD上的可能的三點分布來定義接收器之間的分離程度。 如圖6B所示，在該示例中，POD設(shè)備具有六邊形形狀，因此可以存在四 種可能的不同三點分布，如圖6B中的(a) 、 (b) 、 (c)和(d)所 示。依圖6B中的順序，中心的頭設(shè)備被標(biāo)記為0，周圍的葉設(shè)備被依次 標(biāo)記為1-6。
對于情況(a)，候選的三點分布例如可以是由接收器(1， 3， 5)或 (2， 4， 6)所構(gòu)成的大等邊三角形，在此情況下，總共存在兩種可能分 布。對于情況(b)，三點分布可以是由節(jié)點(1， 3， 4)或(1， 2， 4) 所構(gòu)成的三角形，在此情況下，總共存在12種可能分布。對于情況 (c)，三點分布例如可以是由節(jié)點(1， 2， 6)或(0， 2， 6)所構(gòu)成的 三角形，在此情況下，總共存在12種可能分布。對于情況(d)，三點分 布例如可以是由節(jié)點(0， 1， 2)或(0， 2， 3)所構(gòu)成的三角形，在此情 況下，總共存在6種可能分布。
顯而易見，在圖6B所示POD設(shè)備的示例中，TOA結(jié)果之間的分離 程度可以被排序為(a) > (b) > (c) > (d)。就是說，在情況(a)下 的三點分布具有最大分離程度，從而使得與該情況相對應(yīng)的三個TOA測
23量結(jié)果應(yīng)該具有最高優(yōu)先級被選擇用于三角測量，以進(jìn)行目標(biāo)定位。相
反，與情況(d)相對應(yīng)的TOA結(jié)果代表最小分離程度，因此在選擇時具 有最低優(yōu)先級，但是其仍舊可以被用于目標(biāo)定位。至于除了圖6B所示情 形之外的其他三點分布，例如處于一條直線上的(1， 0， 4)，其TOA結(jié) 果將被放棄，因為這種情況下無法進(jìn)行精確的目標(biāo)定位。
本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見，"最大分離標(biāo)準(zhǔn)"并不局限于在POD之 類固定結(jié)構(gòu)設(shè)備上的應(yīng)用，而是可以拓展應(yīng)用到任意分散布置的情況。 (2) TOA結(jié)果數(shù)目等于2的情形
在僅僅存在2個TOA結(jié)果的情況下，傳統(tǒng)的三角測量方法無法應(yīng) 用。為了給出唯一而精確的位置估計，本發(fā)明提出一種遠(yuǎn)近過濾器，用來 利用空間中的拓?fù)湫畔θ菧y量算法提供約束條件，從而計算移動目標(biāo) 的位置。在此情況下，首先假設(shè)目標(biāo)在z軸方向上移動緩慢，因此可以將 z的最近歷史估計值^用作移動目標(biāo)在被測量時的z軸坐標(biāo)。根據(jù)該假 設(shè)，問題被簡化成二維，并且由距離測量給出的函數(shù)如下
<formula>formula see original document page 24</formula>
通過求解以上等式，可以獲得兩個解。如圖7所示，這兩個解實際上 是兩個觀察圓Cl和C2的交點XI和X2。這里，觀察圓Cl和C2分別被 定義為在z:A的平面上，以檢測到相應(yīng)TOA測量結(jié)果的接收器設(shè)備(頭
設(shè)備或葉設(shè)備)為圓心并且以^:^-《和^//22，-ZA2為半徑，其中//,TO4和
/"w分別為第一和第二 TOA結(jié)果所對應(yīng)的距離。如圖7所示，兩個交點
被記作《K,;;n和義2K,;;"。根據(jù)本發(fā)明，用于從這兩個解之中確 定一個唯一解的方法基于以下事實從移動目標(biāo)到其他無法提供TOA測
量結(jié)果的葉設(shè)備的距離必需超過超聲波的可檢測距離。超聲波的可檢測距 離被定義為接收器能夠在其中收聽到發(fā)射器發(fā)送的超聲波的距離。該距離 應(yīng)該與發(fā)射功率、信噪比等等有關(guān)。該距離是一個標(biāo)量值，被記作c/。
因此，根據(jù)本發(fā)明，可以從無法提供TOA檢測結(jié)果的葉設(shè)備中隨機 地選擇一個葉設(shè)備(記作X)，并計算從該葉設(shè)備^到兩個估計位置(《,
Z》的距離。如果A^^C/并且^T2〉 t/，在此情況下，說明X2超出^的可
檢測距離，應(yīng)該確定為唯一的位置估計。否則，如果A^ > t/, A^2> C/或者^X^C/, ^Y^f/，則需要選擇無法提供TOA檢測結(jié)果的另一個葉設(shè)備 重復(fù)以上檢測，直到找到移動目標(biāo)的唯一位置估計為止。由此可見，在 TOA結(jié)果數(shù)目等于2的情況下，定位系統(tǒng)的拓?fù)湫畔⒈挥糜谳o助三角測 量，以確定移動目標(biāo)的位置。
(3) TOA結(jié)果數(shù)目等于l的情形 在只有一個TOA結(jié)果可獲得的情況下，由頭設(shè)備(或目標(biāo)設(shè)備)記 錄的RSS結(jié)果被用于輔助移動目標(biāo)的定位。這里通過以下等式給出RSS
<formula>formula see original document page 25</formula>
(5)
其中，m指示路徑損耗隨距離增大的速率，尸(^)是在某個參考距離^上 的信號功率，并且^是發(fā)射器-接收器(T-R)間隔距離。C是使得衰減因 子產(chǎn)生差別的最大障礙物(墻)數(shù)目，w『是發(fā)射器和接收器之間的障礙 物(墻)的數(shù)目，『^F是衰減因子。 一般而言，m和『JF的值取決于建 筑物布局和建筑材料，它們是通過經(jīng)驗獲得的。尸(^)的值可以通過經(jīng)驗獲 得，或者通過硬件規(guī)范獲得。
在只有一個TOA測量結(jié)果的情況下，如圖8所示，基于TOA的距離 和通過等式(5)計算出的距離可以確定兩個在2 = ^平面上的觀察圓，分 別記作Ctoa和CRSS。這里與具有兩個TOA結(jié)果的情形一樣，假設(shè)移動目 標(biāo)在Z軸方向上移動緩慢。其中，Ctoa是基于TOA結(jié)果確定的圓，其以 提供該TOA結(jié)果的葉設(shè)備為圓心，并以V^^[為半徑(TOA圓)，其 中/r"是TOA結(jié)果對應(yīng)的距離。Cms是基于RSS結(jié)果確定的圓，其以頭 設(shè)備為圓心，以V^ 為半徑(RSS圓)，其中//^為所述RSS結(jié)果對 應(yīng)的距離。如圖8所示，由于基于RSS的距離測量結(jié)果可能發(fā)生很大變 化，因此RSS圓實際上是一個環(huán)，而不是一個圓。假設(shè)該環(huán)的寬度為 2ff。因此RSS圓和TOA圓的相交部分是兩段交叉弧，而非兩個交叉點。 為了確定移動目標(biāo)的唯一位置，可以利用來自歷史數(shù)據(jù)存儲器305的歷史 定位信息。具體而言，在獲得兩個交叉弧之后，移動目標(biāo)的唯一位置可以 通過找到兩段弧上最接近可靠歷史位置的點來獲得。其中，例如，可靠歷 史位置可以是通過兩個或更多TOA結(jié)果計算出的位置。因此，該過程可以被表示為以下等式(6):
J^=argmin||X,.-J^eWJ2 ，其中i是交叉弧上的點， (6) (4)不存在TOA結(jié)果的情形
在不存在TOA結(jié)果的情況下，只有RSS結(jié)果可被使用。這時歷史定 位信息可被用于輔助位置估計。如圖9所示，類似于圖8所示存在一個 TOA結(jié)果的情形，根據(jù)RSS結(jié)果可以在z = ^平面上確定一個RSS圓， 該圓以頭設(shè)備為圓心，以V^ 為半徑，其中/wM為RSS結(jié)果對應(yīng)的距 離。此時，移動目標(biāo)的唯一位置是通過找到RSS圓上的所有候選點中最 接近可靠歷史位置的點來獲得的。
由于基于RSS的距離測量會受到RF的多路徑影響而變得不穩(wěn)定，因 此僅僅基于RSS信息推斷出的位置不十分可靠，在環(huán)境復(fù)雜(例如移動 的人)的情況下尤其如此。因此，在根據(jù)本發(fā)明的自適應(yīng)定位策略中，這 種基于RSS的定位情形是效果最差的。實際上，僅僅接收到RF并且沒有 TOA結(jié)果的情形總是發(fā)生在遠(yuǎn)離定位系統(tǒng)中心的位置上。為了盡可能地 避免僅僅接收到RSS結(jié)果的情形發(fā)生，我們建議在監(jiān)控區(qū)域中部署更多 的POD (或其他形式的檢測器)，并且多個POD的融合可以提供更可靠 的TOA信息以用于定位。
以上分別參考附圖詳細(xì)描述了根據(jù)本發(fā)明的TOA和RSS融合自適應(yīng) 定位方法、設(shè)備和系統(tǒng)，根據(jù)上述描述可以看出，本發(fā)明具有以下效果
本發(fā)明的自適應(yīng)定位算法可以根據(jù)TOA檢測結(jié)果的數(shù)目和RSS被自 適應(yīng)地選擇。其中的快速異常值刪除算法可以過濾掉TOA測量結(jié)果中的 異常值，從而提高定位魯棒性。
傳統(tǒng)的三角測量需要至少三個TOA測量結(jié)果才能確定一個位置。但 是，在本發(fā)明的自適應(yīng)定位系統(tǒng)中，不再需要這樣的限制。當(dāng)可以獲得三 個或更多TOA測量結(jié)果時，系統(tǒng)精確度與傳統(tǒng)的三角測量算法相同。在 只有兩個TOA結(jié)果的情況下(傳統(tǒng)的三角測量在此情況下無法提供解決 方案)，本發(fā)明的系統(tǒng)基于提出的遠(yuǎn)近過濾器來提供精確的定位結(jié)果。在 一個TOA或沒有TOA結(jié)果的情況下，本發(fā)明的系統(tǒng)的精確度也將好于傳 統(tǒng)的純RSS定位方法的精確性。本發(fā)明的自適應(yīng)定位策略不僅可應(yīng)用于跟蹤模式的系統(tǒng)，也可應(yīng)用于 導(dǎo)航模式的系統(tǒng)?；诖?，該定位系統(tǒng)可以在利用稀疏傳感器部署的情況 下實現(xiàn)更大的覆蓋區(qū)域擴(kuò)展，同時定位精確度可以很好地保持。此外，本
發(fā)明的融合策略可被擴(kuò)展到更多TOA和RSS測量結(jié)果。
另外，本發(fā)明的自適應(yīng)定位系統(tǒng)的成本很低，并且計算密集度也大大 降低。
在上述實施例中，描述和示出了若干具體的步驟作為示例。但是，本 發(fā)明的方法過程并不限于所描述和示出的具體步驟，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可 以在領(lǐng)會本發(fā)明的精神之后，作出各種改變、修改和添加，或者改變步驟 之間的順序。
本發(fā)明可以以其他的具體形式實現(xiàn)，而不脫離其精神和本質(zhì)特征。例 如，特定實施例中所描述的算法可以被修改，而系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)并不脫離本 發(fā)明的基本精神。因此，當(dāng)前的實施例在所有方面都被看作是示例性的而 非限定性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而非上述描述定義，并且，落 入權(quán)利要求的含義和等同物的范圍內(nèi)的全部改變從而都被包括在本發(fā)明的 范圍之中。
權(quán)利要求
1.一種自適應(yīng)定位目標(biāo)的方法，包括收集關(guān)于所述目標(biāo)發(fā)射的信號的到達(dá)時間(TOA)結(jié)果和接收信號強度(RSS)結(jié)果；確定收集的所述TOA結(jié)果的數(shù)目；以及根據(jù)所述TOA結(jié)果的數(shù)目來選擇計算所述目標(biāo)的位置的策略，并利用所選策略計算所述目標(biāo)的位置。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述TOA結(jié)果是從所述目標(biāo)發(fā)射 的超聲波信號中得到的，而所述RSS結(jié)果是從所述目標(biāo)發(fā)射的射頻信號中 得到的。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述計算目標(biāo)的位置的策略包括 當(dāng)所述TOA結(jié)果的數(shù)目大于2時，采用基于TOA的三角測量計算所述目標(biāo)的位置；當(dāng)所述TOA結(jié)果的數(shù)目等于2時，利用所述TOA結(jié)果并參考定位系 統(tǒng)的相對距離信息確定所述目標(biāo)的位置；當(dāng)所述TOA結(jié)果的數(shù)目等于1時，利用所述TOA結(jié)果和所述RSS結(jié) 果尋找最接近可靠歷史位置的位置；并且當(dāng)所述TOA結(jié)果的數(shù)目等于0時，利用所述RSS結(jié)果尋找最接近可 靠歷史位置的位置。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括對收集的所述TOA結(jié)果進(jìn)行過濾，以濾除所述TOA結(jié)果中的異常值。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述異常值是由于信號反射所引起 的將導(dǎo)致定位誤差的TOA結(jié)果。
6. 如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述過濾包括對所述TOA結(jié)果進(jìn)行粗過濾，以濾除預(yù)定范圍之外的TOA結(jié)果；以及對經(jīng)所述粗過濾剩余的TOA結(jié)果執(zhí)行如下快速異常值刪除算法以進(jìn)行細(xì)過濾計算各個TOA結(jié)果所對應(yīng)距離并按由小到大的順序排序； 接受最小距離值；以及按從大到小的順序?qū)ψ畲缶嚯x值與所述最小距離值進(jìn)行三角不等 式判斷，如果滿足三角不等式，則保留所有距離值并退出所述快速異 常值刪除算法，如果不滿足，則刪除所述最大距離值，并對次大距離 值重復(fù)所述三角不等式判斷，直到當(dāng)前所剩最大距離值滿足所述三角 不等式為止。
7. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中當(dāng)所述TOA結(jié)果的數(shù)目大于2 時，通過如下操作計算所述目標(biāo)的位置從所述TOA結(jié)果中選擇三個滿足最大分離標(biāo)準(zhǔn)的TOA結(jié)果，所述最 大分離標(biāo)準(zhǔn)使得所選的三個TOA結(jié)果所對應(yīng)的接收位置之間的分離程度 最大；并且對所選的三個TOA結(jié)果執(zhí)行三角測量以計算所述目標(biāo)的位置。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述最大分離標(biāo)準(zhǔn)使得所選的三個 TOA結(jié)果所對應(yīng)的接收位置之間的平均距離最大。
9. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述最大分離標(biāo)準(zhǔn)使得所選的三個 TOA結(jié)果所對應(yīng)的接收位置所構(gòu)成的三角形的面積最大。
10. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中當(dāng)所述TOA結(jié)果的數(shù)目等于2 時，通過如下操作計算所述目標(biāo)的位置獲得所述目標(biāo)的Z軸坐標(biāo)z = zh;在Z-Zh的平面上確定兩個觀察圓，這兩個觀察圓分別以提供第一和 第二 TOA結(jié)果的觀察者為圓心，以V^ 和V^^為半徑，其中 //,簡和/2,腦分別為所述第一和第二 TOA結(jié)果所對應(yīng)的距離；確定所述兩個觀察圓的交點，作為候選位置&和X2;分別測量所述候選位置Xi和X2到任意一個未提供TOA結(jié)果的觀察者 A的距離AX^卩AX2;并且如果AXi^J， AX2>U，則確定X2為所述目標(biāo)的位置，其中U表示 觀察者能夠收聽到超聲波的距離。
11. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中當(dāng)所述TOA結(jié)果的數(shù)目等于1時，通過如下操作計算所述目標(biāo)的位置獲得所述目標(biāo)的Z軸坐標(biāo)z = zh;在z = zh的平面上確定兩個觀察圓，其中一個觀察圓以提供所述RSS 結(jié)果的觀察者為圓心，以VS^[為半徑，其中所述/Ms為所述RSS結(jié)果 對應(yīng)的距離，另一個觀察圓以提供所述TOA結(jié)果的觀察者為圓心，以 V^^[為半徑，其中所述/m4為所述TOA結(jié)果對應(yīng)的距離；并且從兩個所述觀察圓的交點中確定最靠近可靠歷史位置的點，作為所述 目標(biāo)的位置。
12. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中當(dāng)所述TOA結(jié)果的數(shù)目等于0 時，通過如下操作計算所述目標(biāo)的位置獲得所述目標(biāo)的Z軸坐標(biāo)Z = Zh;在z = Zh的平面上確定一個觀察圓，該觀察圓以提供所述RSS結(jié)果的 觀察者為圓心，以V^F為半徑，其中所述/wM為所述RSS結(jié)果對應(yīng)的 距離；并且在所述觀察圓上確定最靠近可靠歷史位置的點，作為所述目標(biāo)的位置。
13. —種自適應(yīng)定位目標(biāo)的方法，包括收集關(guān)于所述目標(biāo)發(fā)射的信號的多個到達(dá)時間(TOA)結(jié)果；從所述TOA結(jié)果中選擇三個滿足最大分離標(biāo)準(zhǔn)的TOA結(jié)果，所述最大分離標(biāo)準(zhǔn)使得所選的三個TOA結(jié)果所對應(yīng)的接收位置之間的分離程度最大；并且對所選的三個TOA結(jié)果執(zhí)行三角測量以計算所述目標(biāo)的位置。
14. 一種自適應(yīng)定位目標(biāo)的設(shè)備，包括觀測結(jié)果采集器，用于收集關(guān)于所述目標(biāo)發(fā)射的信號的到達(dá)時間 (TOA)結(jié)果和接收信號強度(RSS)結(jié)果；TOA結(jié)果計數(shù)器，用于確定收集的所述TOA結(jié)果的數(shù)目；以及 位置計算器，用于根據(jù)所述TOA結(jié)果的數(shù)目來選擇計算所述目標(biāo)的 位置的策略，并利用所選策略計算所述目標(biāo)的位置。
15. 如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中所述TOA結(jié)果是從所述目標(biāo)發(fā)射 的超聲波信號中得到的，而所述RSS結(jié)果是從所述目標(biāo)發(fā)射的射頻信號中 得到的。
16. 如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，還包括 歷史數(shù)據(jù)存儲器，用于存儲關(guān)于所述目標(biāo)的歷史定位信息。
17. 如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中所述位置計算器包括 定位策略選擇器，用于根據(jù)所述TOA結(jié)果的數(shù)目選擇所述策略； 多TOA位置計算器，用于當(dāng)所述TOA結(jié)果的數(shù)目大于2時，采用基于TOA的三角測量計算所述目標(biāo)的位置；兩TOA位置計算器，用于當(dāng)所述TOA結(jié)果的數(shù)目等于2時，禾l」用所 述TOA結(jié)果并參考定位系統(tǒng)的相對距離信息確定所述目標(biāo)的位置；單TOA位置計算器，用于當(dāng)所述TOA結(jié)果的數(shù)目等于1時，利用所 述TOA結(jié)果和所述RSS結(jié)果尋找最接近可靠歷史位置的位置作為所述目 標(biāo)的位置；以及零TOA位置計算器，用于當(dāng)所述TOA結(jié)果的數(shù)目等于0時，利用所 述RSS結(jié)果尋找最接近可靠歷史位置的位置作為所述目標(biāo)的位置。
18. 如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，還包括TOA結(jié)果過濾器，用于對收集的所述TOA結(jié)果進(jìn)行過濾，以濾除所 述TOA結(jié)果中的異常值。
19. 如權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其中所述異常值是由于信號反射所引 起的將導(dǎo)致定位誤差的TOA結(jié)果。
20. 如權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中所述多TOA位置計算器包括 TOA結(jié)果選擇器，用于從所述TOA結(jié)果中選擇三個滿足最大分離標(biāo)準(zhǔn)的TOA結(jié)果，所述最大分離標(biāo)準(zhǔn)使得所選的三個TOA結(jié)果所對應(yīng)的接 收位置之間的分離程度最大；以及三角測量器，用于對所述TOA結(jié)果選擇器所選的三個TOA結(jié)果執(zhí)行 三角測量以計算所述目標(biāo)的位置。
21. —種用于自適應(yīng)定位目標(biāo)的設(shè)備，包括到達(dá)時間(TOA)結(jié)果收集器，用于收集關(guān)于所述目標(biāo)發(fā)射的信號的多個TOA結(jié)果；TOA結(jié)果選擇器，用于從所述TOA結(jié)果收集器所收集的TOA結(jié)果中 選擇三個滿足最大分離標(biāo)準(zhǔn)的TOA結(jié)果，所述最大分離標(biāo)準(zhǔn)使得所選的 三個TOA結(jié)果所對應(yīng)的接收位置之間的分離程度最大；以及三角測量器，用于對所述TOA結(jié)果選擇器所選的三個TOA結(jié)果執(zhí)行 三角測量以計算所述目標(biāo)的位置。
22. —種用于自適應(yīng)定位目標(biāo)的系統(tǒng)，包括檢測設(shè)備，其包括用于發(fā)射和檢測第一信號的第一信號收發(fā)器和用于 發(fā)射和檢測第二信號的第二信號收發(fā)器；附接到所述目標(biāo)的目標(biāo)設(shè)備，其包括用于發(fā)射和檢測第一信號的第一 信號收發(fā)器和用于發(fā)射和檢測第二信號的第二信號收發(fā)器；以及自適應(yīng)定位裝置，用于根據(jù)所述第一信號的到達(dá)時間(TOA)結(jié)果和 所述第二信號的接收信號強度(RSS)結(jié)果來自適應(yīng)地選擇定位策略以計 算所述目標(biāo)的位置。
23. 如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中所述第一信號是超聲波或聲音信 號，所述第二信號是射頻、紅外或微波信號。
24. 如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中所述自適應(yīng)定位裝置包括 觀測結(jié)果采集器，用于收集所述TOA結(jié)果和所述RSS結(jié)果； TOA結(jié)果計數(shù)器，用于確定收集的所述TOA結(jié)果的數(shù)目；以及 位置計算器，用于根據(jù)所述TOA結(jié)果的數(shù)目來選擇所述定位策略以計算所述目標(biāo)的位置。
25. 如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，還包括中央信息服務(wù)器，其中所述自 適應(yīng)定位裝置被集成在所述中央信息服務(wù)器中。
26. 如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中所述自適應(yīng)定位裝置被集成在所 述檢測設(shè)備中。
27. 如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中所述自適應(yīng)定位裝置被集成在所 述目標(biāo)設(shè)備中。
28. —種利用如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤的方法，包括所述目標(biāo)設(shè)備廣播所述第二信號；所述檢測設(shè)備測量并記錄所述第二信號的所述RSS結(jié)果； 所述目標(biāo)設(shè)備廣播所述第一信號；所述檢測設(shè)備測量并記錄所述第一信號的所述TOA結(jié)果；以及 所述自適應(yīng)定位裝置接收所述TOA結(jié)果和RSS結(jié)果，以計算所述目 標(biāo)的位置。
29. 如權(quán)利要求28所述的方法，還包括所述檢測設(shè)備根據(jù)所述第二信號與所述目標(biāo)設(shè)備同步。
30. 如權(quán)利要求28所述的方法，其中計算所述目標(biāo)的位置包括所述自 適應(yīng)定位裝置根據(jù)所述TOA結(jié)果的數(shù)目自適應(yīng)地選擇定位策略以計算所 述目標(biāo)的位置。
31. —種利用如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)對目標(biāo)進(jìn)行導(dǎo)航的方法，包括所述檢測設(shè)備廣播所述第二信號；所述目標(biāo)設(shè)備測量并記錄所述第二信號的所述RSS結(jié)果； 所述檢測設(shè)備廣播所述第一信號；所述目標(biāo)設(shè)備測量并記錄所述第一信號的所述TOA結(jié)果；以及 所述自適應(yīng)定位裝置接收所述測量的TOA結(jié)果和RSS結(jié)果，以計算 所述目標(biāo)的位置。
32. 如權(quán)利要求31所述的方法，還包括 所述目標(biāo)設(shè)備根據(jù)所述第二信號與所述檢測設(shè)備同步。
33. 如權(quán)利要求31所述的方法，其中計算所述目標(biāo)的位置包括所述自 適應(yīng)定位裝置根據(jù)所述TOA結(jié)果的數(shù)目自適應(yīng)地選擇定位策略以計算所 述目標(biāo)的位置。
全文摘要
本發(fā)明提供了采取TOA與RSS融合方式的自適應(yīng)定位方法、設(shè)備和系統(tǒng)。所述適應(yīng)定位設(shè)備包括觀測結(jié)果采集器，用于收集關(guān)于所述目標(biāo)發(fā)射的信號的到達(dá)時間(TOA)結(jié)果和接收信號強度(RSS)結(jié)果；TOA結(jié)果計數(shù)器，用于確定輸入的所述TOA結(jié)果的數(shù)目；以及位置計算器，用于根據(jù)所述TOA結(jié)果的數(shù)目來選擇計算所述目標(biāo)的位置的策略，并根據(jù)所選策略計算所述目標(biāo)的位置。所述設(shè)備可以根據(jù)TOA結(jié)果的數(shù)目來自適應(yīng)地選擇定位策略。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的自適應(yīng)定位方法、設(shè)備和系統(tǒng)具有自適應(yīng)性、可靠性、精確性、可擴(kuò)展性、低成本等特點。
文檔編號G01S5/02GK101526601SQ20081013515
公開日2009年9月9日 申請日期2008年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月4日
發(fā)明者王永才, 趙軍輝 申請人:日電(中國)有限公司