1.本发明涉及室内定位技术领域，尤其涉及一种基于电声双波模式的室内定位方法。
背景技术：2.从gnss(global navigation satellite system，比如gps和北斗系统)全球卫星定位系统解决了户外定位问题之后，科技界也一直在寻求解决室内定位问题(ips,indoor positioning system)的方法。在城市的高楼商场，多层公路和立体交叉路口，地下停车库，大型仓库管理和工厂机器人导航，以及未来无人驾驶汽车和生活智能机器人等等应用，都需要稳定可靠而高精度的室内定位系统。
3.市场上如今也不乏各种依赖商业通讯信号(蜂窝手机通信，wifi,甚至蓝牙等等)的室内定位方法，但这些都不是严谨可靠的方法，定位精度也不高。
4.就数学原理而言，任何室内定位方法，都必须解决以下问题：
5.1.时间同步问题：所有信号源在时间上必须严格同步。在gnss设计中，每个卫星上携带着精准的原子钟。地面控制站里，也有一整套矫正方法使得每个卫星在时间上是绝对同步的。每隔一秒，每颗卫星都同时播放能让接收机检测到时间延迟的信号，也播放卫星此刻太空位置的信息。
6.2.信号覆盖问题：在所服务地区，接收机必须至少检测到4颗信号发射源(比如卫星)的信号。
7.3.时间差检测精度问题：要实现dx的空间分辨率，在时间检测上，必须达到的时间分辨率。
8.要把gnss定位原理照搬应用到室内定位是不切实际的。首先，基于原子钟的时间同步不适合广泛的民用市场，因为原子钟实在太贵了；第二，在工业应用上，室内定位需要分米级的空间分辨率，考虑电磁波的速度是3*108m/s，所以对应的时间分辨率要达到纳秒(10-9
s)级别。那么，对应电磁波信号带宽要超过1ghz，所需要的基带信号处理代价也很昂贵。
9.所以，单纯采用传播速度非常高的电磁波是很难适用于高精度室内定位的。采用传播速度低(约340m/s)的声波是更合适的方法。
10.中国专利申请号:201710092563.1，申请日：2017年02月21日，公开日：2017年08月15日，专利名称为：一种室内定位的数据库建立方法和室内定位方法及装置，该发明公开了一种室内定位的数据库建立方法和室内定位方法及装置，该方法包括：接收各用户设备在移动轨迹中上报的信号源的标识和信号状态信息；根据所述信号源的标识和信号状态信息，目标空间的平面地图，以及用户设备的移动距离，建立无线信号网络模型并进行训练；如果所述无线信号网络模型达到收敛条件，则将所述无线信号网络模型作为所述目标空间的信号指纹数据库。通过本发明的技术方案，避免了由于信号源不稳定导致过度增加采集
的工作量的情况，能够实现高精度的室内定位，并尽量减少采集的人工工作量。
11.上述专利文献虽然公开了一种室内定位的数据库建立方法和室内定位方法及装置，但是，该室内定位方法成本较高，计算量大，系统比较复杂、操作不够简便，稳定性不好，实用性不强。
技术实现要素：12.有鉴于此，本发明在于提供一种稳定性好、定位准确，操作简便，成本较低，实用性强的一种基于电声双波模式的室内定位方法。
13.为了实现本发明目的，可以采取以下技术方案：
14.一种基于电声双波模式的室内定位方法，包括至少三个信号源，至少一个接收器；所述信号源包括电磁波发射信号和亚超声波发射信号；所述接收器包括电磁波接收信号模块和亚超声波接收信号模块；
15.将所述信号源设置在室内的天花板或墙壁或柱子上，将接收器设置在需要被定位的设备上；
16.所述接收器，以电磁波的到达作为时间起始，然后测量对应的亚超声波到达时间t，计算出该接收机离所述信号源的距离为：d＝t*v*c/(c-v)；c是光速，v是亚超声波在空气中的传播速度；
17.所述接收器在检测到至少三个信号源的信号后，通过gps方程，求解出该接收器的位置。
18.所述信号源含有本身对应的坐标位置，所述坐标位置需要通过控制接口，预先灌入到信号源设备里；所述信号源周期性地同时播放电磁波和亚超声波信号。
19.所述电磁波发射信号为时间同步信号；所述亚超声波发射信号是信号源坐标信息携带信号。
20.所述同步信号是便于接收机快速锁定该信号，用于测量出时间差；所述亚超声波发射信号是带信号源坐标位置的通讯信号，用于播放信号源的坐标位置。
21.所述接收器用于在所述信号源使用的坐标系统里确定坐标位置。
22.所述接收器确定坐标位置方法包括：
23.步骤1)、所述接收器打开电磁波接收信号模块，探测所有可能的m个同步信号，在其中挑出n个(m≥n≥3)最强的同步信号，获取其代码，然后解出对应的信号，获得每个信号源的坐标位置；
24.步骤2)、所述接收器打开亚超声接收信号模块，探测与电磁波同步信号带码相同的声波同步信号，并计算出时间差，依据时差和已知速度信息，计算出离某信号源的距离；
25.步骤3)、所述接收器解出对应声波信号中的坐标位置信息；如果声波和电磁波中解出的位置信息对应，那么为有效信号，否则，放弃该信号。
26.所述步骤1)获得信号源坐标位置包括如下方法：
27.所述接收器的未知位置是(x,y,z),而且接收器成功地探测到了n(n≥3)个有效信号源的信号，获得了n个距离信息(d1,d2,d3,
…
,dn),并获得了这n个信号源的已知坐标位置，那么，将获得以下n个gps方程：
28.(x-x1)2+(y-y1)2+(z-z1)2＝d
12
29.(x-x2)2+(y-y2)2+(z-z2)2＝d
22
30.(x-x3)2+(y-y3)2+(z-z3)2＝d
32
[0031][0032]
(x-xn)2+(y-yn)2+(z-zn)2＝d
n2
。
[0033]
本发明的有益效果是：1)本发明采用双波动信号源的方法，自动解决了时间同步问题，也不要求所有信号源保持绝对时间同步，这使得这种系统的布置工程(信号源安装)非常简单方便；另外，本发明室内定位方法的时间差是依据声波速度的，而声波速度，在数量级上，只是电磁波速度的百万分之一，所以，室内定位精准，实用性强,；2)本发明在信号频率选择上，电磁波的频率可以选择使用各类开放的ism波段，甚至使用已有的gnss频段；在室内，卫星上传来的gnss信号强度只有电子噪声水平，不会对我们的室内定位系统造成干扰，而我们的信号源只在有限的室内范围内，不会干扰户外的gnss信号；本发明声波信号频率，建议优先选择20khz到100khz的“亚超声“波段。这一波段，即高于人耳听觉系统，不会对人造成不适，而又具备很好的空气传播特性；3)本发明抗干扰能力强，成本低，使用简便，用户体验感好；4)本发明安全可靠，稳定好，使用方式多样，是本领域的一次技术升级，适于普遍推广使用。
附图说明
[0034]
图1为本发明实施例基于电声双波模式的室内定位方法的实现室内定位方法原理示意图。
具体实施方式
[0035]
下面结合附图及本发明的实时例对发明作进一步详细的说明。
[0036]
实时例1
[0037]
参看图1，该一种基于电声双波模式的室内定位方法，包括至少三个信号源，至少一个接收器；所述每个信号源都包括电磁波发射信号和亚超声波发射信号；所述接收器包括电磁波接收信号模块和亚超声波接收信号模块；
[0038]
将所述信号源设置在室内的天花板或墙壁或柱子上，将接收器设置在需要被定位的设备上；
[0039]
所述接收器，以电磁波的到达作为时间起始(时间零点)，然后测量对应的亚超声波到达时间t，计算出该接收机离所述信号源的距离为：d＝t*v*c/(c-v)；c是光速，v是亚超声波在空气中的传播速度；
[0040]
所述接收器在检测到至少三个信号源的信号后，通过gps方程，求解出该接收器的位置；所述接收器位置包括x,y,z坐标信息。
[0041]
本实施例，所述信号源包括至少三个，也就是说可以设置多个信号源；所述接收器也可以设置多个。
[0042]
本实施例，优选地，所述磁波发射信号通过电磁波天线发射；所述亚超声波发射信号通过亚声波传感器发射；所述电磁波接收信号模块可以通过电磁波天线接收电磁波信
号；所述亚超声波接收信号模块可以通过亚超声波传感器接收亚声波信号。
[0043]
本发明所述信号源包括电磁波发射信号和亚超声波发射信号，该电磁波发射信号和亚超声波发射信号为双波动信号源；所述双波动信号源的方法，自动解决了时间同步问题，也不要求所有信号源保持绝对时间同步，这使得这种系统的布置工程(信号源安装)非常简单方便。另外，双波动信号源的方法的时间差是依据声波速度的，而声波速度，在数量级上，只是电磁波速度的百万分之一，所以，声波在时间分辨率上1ms就相当于电磁波的1ns,这把信号处理代价大大降低，便于广泛民用市场。
[0044]
所述信号源在信号频率选择上，电磁波的频率可以选择使用各类开放的ism波段，甚至使用已有的gnss频段。在室内，卫星上传来的gnss信号强度只有电子噪声水平，不会对我们的室内定位系统造成干扰，而我们的信号源只在有限的室内范围内，不会干扰户外的gnss信号。声波信号频率，优选地，选择20khz到100khz的“亚超声“波段。这一波段，即高于人耳听觉系统，不会对人造成不适，而又具备很好的空气传播特性。
[0045]
本实施例，所述电磁波发射信号和亚超声波发射信号两者都将被调制携带描述某一信号源坐标位置的信息。所述接收器在解码两者信息时，只有当两者吻合，才确定信号的真实性。
[0046]
所述双模式编码保真特性使得这种系统能承受干扰和抵御恶意的黑客攻击。每个信号源之间采用同频段，但又在数学上相互正交的信号，以避免相互干扰。这类信号设计，即可参照现有gnss中随机码的方式，也可采用4g/5g通讯中正交多频同步信号的设计。
[0047]
本实时例，所述接收器还可以实现在一台手机上，因为手机已经具备电磁波和声波接收功能，或者，将接收器的核心完全可以芯片化，以达到广泛普适性。
[0048]
本实时例，优选地，所述信号源含有本身对应的坐标位置，所述坐标位置需要通过控制接口，预先灌入到信号源设备里；所述信号源周期性地同时播放电磁波和亚超声波信号。
[0049]
本实时例，优选地，所述电磁波发射信号为时间同步信号；所述亚超声波发射信号是信号源坐标信息携带信号。
[0050]
本实时例，优选地，所述同步信号是便于接收机快速锁定该信号，用于测量出时间差；所述亚超声波发射信号是带信号源坐标位置的通讯信号，用于播放信号源的坐标位置。
[0051]
参看图1，本实施例，所述每个信号源播放的两种波动信号中都各自包含两类信号，一类是时间同步信号(信号1)；另一类是信号源坐标信息携带信号(信号2)。
[0052]
本实施例，同步信号的目的是便于接收机快速锁定该信号，并以此精准测量出时间差，所以，这个同步信号属于雷达或声纳探测类信号。这个信号将占据所给予的整个频带，便于接收机准确测定时间差。
[0053]
所述同步探测信号是一组m个相互正交的宽频信号，每个信号有自己的代码，每个代码决定该信号的生成特征和方式。每个信号源发射器使用一个预先被安排的固定代码的同步信号。相同代码的同步信号可重复使用，只需保证邻近的信号源不使用同样的代码即可。
[0054]
所述信号2是携带信号源坐标位置的纯通讯信号，其目的是播放信号源的坐标位置。依据信号1的代号信息，信号2将采用不同资源块(不同窄频率段)，或采用不同随机码，以保证邻近信号源不相互干扰。某种意义上，信号1类似4g/5g信号里的主同步信号(pss:
primary synchronization signal).信号2则类似4g/5g中的次同步信号(sss:secondary synchronization signal)或者广播信号(pbch:public broadcast channel)。
[0055]
本实时例，优选地，所述接收器用于在所述信号源使用的坐标系统里确定坐标位置。
[0056]
本实时例，优选地，所述接收器确定坐标位置方法包括：
[0057]
步骤1)、所述接收器打开电磁波接收信号模块，探测所有可能的m个同步信号，在其中挑出n个(m≥n≥3)最强的同步信号，获取其代码，然后解出对应的信号，获得每个信号源的坐标位置；优选地，所述坐标位置包括x,y,z坐标信息；
[0058]
步骤2)、所述接收器打开亚超声接收信号模块，探测与电磁波同步信号带码相同的声波同步信号，并计算出时间差，依据时差和已知速度信息，计算出离某信号源的距离；
[0059]
步骤3)、所述接收器解出对应声波信号中的坐标位置信息；如果声波和电磁波中解出的位置信息对应，那么为有效信号，否则，放弃该信号。
[0060]
本实施例，该接收器的目的是要在各信号源使用的坐标系统里确定自己的坐标位置，所述坐标位置包括x,y,z坐标信息。
[0061]
首先，接收器打开电磁波接收部分，探测所有可能的m个同步信号(信号1)，在其中挑出n个(m≥n≥3)最强的同步信号，获取其代码，然后解出对应的信号2，获得每个信号源的坐标位置。
[0062]
随后，打开亚超声接收部分，探测与电磁波同步信号带码相同的声波同步信号，并计算出时间差(对应的电磁波信号和声波信号之间的时差)，依据时差和已知速度信息，计算出离某信号源的距离。
[0063]
接着，解出对应声波信号2中的坐标位置信息。如果声波和电磁波中解出的位置信息吻合，那么可认为这是有效信号，否则，抛弃该信号。
[0064]
本实施例中，所述步骤1)获得信号源坐标位置包括如下方法：
[0065]
本实时例，进一步，优选地，所述接收器的未知位置是(x,y,z),而且接收器成功地探测到了n(n≥3)个有效信号源的信号，获得了n个距离信息(d1,d2,d3,
…
,dn),并获得了这n个信号源的已知坐标位置，那么，将获得以下n个gps方程：
[0066]
(x-x1)2+(y-y1)2+(z-z1)2＝d
12
[0067]
(x-x2)2+(y-y2)2+(z-z2)2＝d
22
[0068]
(x-x3)2+(y-y3)2+(z-z3)2＝d
32
[0069][0070]
(x-xn)2+(y-yn)2+(z-zn)2＝d
n2
。
[0071]
上述求解(x,y,z).以上超定3元二次方程组就是有名的gps方程组，其求解方法，可在公开文献上查到，在此不作重复阐述。
[0072]
本发明不仅施工安装简便，并且室内定位精准，成本较低，是本领域技术的一次升级改进，适于普遍推广。
[0073]
以上所述，仅为本发明的较佳实时例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
技术特征：1.一种基于电声双波模式的室内定位方法，其特征在于：包括至少三个信号源，至少一个接收器；所述信号源包括电磁波发射信号和亚超声波发射信号；所述接收器包括电磁波接收信号模块和亚超声波接收信号模块；将所述信号源设置在室内的天花板或墙壁或柱子上，将接收器设置在需要被定位的设备上；所述接收器，以电磁波的到达作为时间起始，然后测量对应的亚超声波到达时间t，计算出该接收机离所述信号源的距离为：d＝t*v*c/(c-v)；c是光速，v是亚超声波在空气中的传播速度；所述接收器在检测到至少三个信号源的信号后，通过gps方程，求解出该接收器的位置。2.根据权利要求1所述基于电声双波模式的室内定位方法，其特征在于：所述信号源含有本身对应的坐标位置，所述坐标位置需要通过控制接口，预先灌入到信号源设备里；所述信号源周期性地同时播放电磁波和亚超声波信号。3.根据权利要求2所述基于电声双波模式的室内定位方法，其特征在于：所述电磁波发射信号为时间同步信号；所述亚超声波发射信号是信号源坐标信息携带信号。4.根据权利要求3所述基于电声双波模式的室内定位方法，其特征在于：所述同步信号是便于接收机快速锁定该信号，用于测量出时间差；所述亚超声波发射信号是带信号源坐标位置的通讯信号，用于播放信号源的坐标位置。5.根据权利要求4所述基于电声双波模式的室内定位方法，其特征在于：所述接收器用于在所述信号源使用的坐标系统里确定坐标位置。6.根据权利要求5所述基于电声双波模式的室内定位方法，其特征在于：所述接收器确定坐标位置方法包括：步骤1)、所述接收器打开电磁波接收信号模块，探测所有可能的m个同步信号，在其中挑出n个(m≥n≥3)最强的同步信号，获取其代码，然后求解出对应的信号，获得每个信号源的坐标位置；步骤2)、所述接收器打开亚超声接收信号模块，探测与电磁波同步信号带码相同的声波同步信号，并计算出时间差，依据时差和已知速度信息，计算出离某信号源的距离；步骤3)、所述接收器解出对应声波信号中的坐标位置信息；如果声波和电磁波中解出的位置信息对应，那么为有效信号，否则，放弃该信号。7.根据权利要求6所述基于电声双波模式的室内定位方法，其特征在于：所述步骤1)获得信号源坐标位置包括如下方法：所述接收器的未知位置是(x,y,z),而且接收器成功地探测到了n(n≥3)个有效信号源的信号，获得了n个距离信息(d1,d2,d3,
…
,d
n
),并获得了这n个信号源的已知坐标位置，那么，将获得以下n个gps方程：(x-x1)2+(y-y1)2+(z-z1)2＝d
12
(x-x2)2+(y-y2)2+(z-z2)2＝d
22
(x-x3)2+(y-y3)2+(z-z3)2＝d
32
(x-x
n
)2+(y-y
n
)2+(z-z
n
)2＝d
n2
。
技术总结本发明公开了一种基于电声双波模式的室内定位方法，包括至少三个信号源，至少一个接收器；所述信号源包括电磁波发射信号和亚超声波发射信号；所述接收器包括电磁波接收信号模块和亚超声波接收信号模块；所述接收器，以电磁波的到达作为时间起始，然后测量对应的亚超声波到达时间T，计算出该接收机离所述信号源的距离为：D＝T*V*C/(C-V)；C是光速，V是亚超声波在空气中的传播速度；所述接收器在检测到至少三个信号源的信号后，通过GPS方程，求解出该接收器的位置。本发明在于提供一种稳定性好、定位准确，操作简便，成本较低，实用性强的一种基于电声双波模式的室内定位方法。基于电声双波模式的室内定位方法。基于电声双波模式的室内定位方法。
技术研发人员：戴仁寿 林楠林 王盛明
受保护的技术使用者：深圳市麒博精工科技有限公司
技术研发日：2022.03.22
技术公布日：2022/7/5
