以自适应分辨率定位目标的方法和系统技术方案

本发明专利技术提供了用于以自适应分辨率定位目标的方法和系统。该方法包括：将被测空间划分成关键区和普通区；根据关键区和普通区的位置来布置用于高精度定位的多个高精度定位信号（ＵＳ）收发器和用于低精度定位的多个低精度定位信号（ＲＦ）收发器，其中低精度定位信号收发器的检测范围覆盖被测空间，而高精度定位信号收发器的检测范围仅覆盖关键区；以及当目标在被测空间中移动时，综合高精度定位信号收发器和低精度定位信号收发器对目标的检测结果来以自适应的分辨率确定目标的位置。利用本发明专利技术的系统，对于不同区域，可以按不同的定位分辨率（精度或粒度）进行目标定位，并且由于无需使用大量高精度定位设备，而使得系统成本大大降低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般地涉及定位系统和位置感测，更具体而言，涉及将诸如超声波(us)定位之类的高精度定位技术与诸如射频(RF)定位之类的低精度定位技术相结合，从而为基 于位置的服务提供自适应的定位分辨率的混合定位系统和方法。
技术介绍
无庸置疑，位置信息可被用于提取用户和环境之间的地理位置关系，以进一步理 解用户的行为。位置感知应用的重要性使得用于提供位置信息的系统的设计和实现变得越 来越流行和受关注，尤其对于室内环境和城区环境。当前，在很多不同的应用情形中，例如 办公室、医疗机构、矿场、地铁、智能建筑、宾馆等环境，对于实时精确的位置跟踪的市场需 要越来越大。例如，在办公室环境中，雇员可能被要求访问某一安全区中的机密信息，而在 安全区之外，任意访问都将被禁止。安全区的示例可以是一个房间、工作区的一部分或者甚 至一张桌子。 迄今为止，已经开发出多种定位系统可被用于提供基于位置的服务。但是，这些现 有的定位系统存在某些共同的局限性。 首先，从技术角度来看，大多数现有的定位系统仅仅利用一种定位设备，例如US 设备或RF设备，来进行目标定位。实际上，每种信号类型都具有其自己的优势和缺陷。例 如，US定位可以实现很高的精确度但规模较小，而另一方面，RF定位可以提供大规模应用 但精确度较低。 其次，从应用角度来看，例如针对基于位置的访问控制，人们通常希望在不同区域具有不同的定位分辨率。在用户感兴趣的区域，他们需要粒度较小的精确定位来确保该区域中的定位结果足够精确，而在其他区域，粒度较大的低精度定位也是可以接受的。 下面，将对可用于室内定位的流行的现有技术进行简要介绍。这里需要指出的是，全球定位系统(GPS)可以在室外以数十米的精确度提供目标的位置信息，但是，在室内环境中，GPS是无法工作的，因为受多路径影响和信号阻碍，GPS的定位结果在室内将急剧恶化。 —般而言，当前存在三种常见的可被用于室内定位的技术，即超声定位、射频定位 和红外定位。 例 如， 题 为"Detection System for Determining Positional and Otherlnformation about Objects"的美国专利No. 6， 493， 649提供了一种使用超声定位的 "Bat"系统，例如如图1A所示。在该系统中，用户可以佩戴一种包含US发射器的小徽章， US发射器可以在被中央系统无线触发时发射出超声波脉冲。在被测环境的天花板上安装 有密集的US接收器阵列，系统可以确定超声波脉冲从小徽章到US接收器阵列的到达时间 (T0A)，并利用三角测量或多点定位算法来计算徽章的三维位置。 图IB示出诸如"Bat"系统之类US定位系统的结构框图。附着在将被定位的目标 上的US标签设备101包含US发射器，安装在天花板上的US定位设备102包含多个US接收器。US定位设备102中的US定位单元可以从不同的发射器收集多于3个TOA结果，然后 通过使用三角测量或多点定位方法来推导出目标的位置。计算出的目标位置随后可以被存 储在US定位结果存储器中。 由P. Bahl等人所写的题为"In-Building RF-based User Location andTracking System"的文章中提出一种RADAR系统，这是一种基于接收到的802. 11无线网络信号的强 度来进行定位的定位系统。RADAR系统的基本定位方法包括两个阶段。首先，在离线阶段， 系统被校准并构建RF模型，该模型指示出分布在目标区域中的有限多个位置上的接收信 号强度。然后，在目标区域中的在线操作期间，移动单元报告接收自每个基站的信号强度， 并由系统确定在线观测结果与在线模型中的任意点的最佳匹配。最佳匹配点的位置被报 告，作为位置估计结果。 由R. Want提出的题为"Infrared Beacon Position System"的美国专利 No. 6， 216， 087提出一种红外定位系统"Active Badge",该系统被构建在双向红外链路上 方，其中在每个房间中安装有一个红外信标，而移动单元是一种每隔固定间隔广播唯一 ID 的小型红外收发器。由于红外信号难以穿透墙壁，因此ID广播被容易地包含在办公室之 内，从而在房间粒度上提供高度精确的定位。 以上专利及非专利文献通过引用被整体上结合于此，以用于所有目的。 以下表1示出超声波、射频和红外信号被用于室内定位应用时的详细比较。为了方便起见，以下比较是根据用于这三种信号的三种当前有代表性的系统作出的，即针对红外的"Active Badge",针对射频的"RADAR"和针对超声波的"Bat"。 表1红夕卜(ActiveBadge)RF (Radar)US (Bat)精确度房间粒度3-6米3-5厘米定位策略近似性(Proximity)RSSI模型基于TOA的三角测工作频率20M-45MHz433M，915M，2. 4GHz40KHz成本低中高 从上表可以基本上总结出基于红外的定位系统由于精确度低和易受自然光影响而较少使用，而使用信号强度进行位置估计的RF系统由于在建筑物中的RF传播严重偏离经验算术模型而无法得到令人满意的结果。 关于基于US的Bat系统，实践中部署这样的网状系统是很困难的，需要很高的安 装和维护成本。具体地讲，由于至少需要三个距离样本才能估计出目标位置，因此需要在建 筑物中部署非常密集的US接收器，从而使得系统成本很高。另一方面，虽然US定位方法可 以实现高精确度，但是US定位设备的高密度将导致高部署成本。尤其对于不需要精确定位 的普通区域，部署US定位设备是不划算的，因为对于这些区域，米级定位分辨率已经足够6好了。 综上所述，在不同区域需要不同定位分辨率的环境中，上述任意一种现有定位方 法都无法在降低部署成本的同时实现高精确度且高效的定位。
技术实现思路
基于以上分析，针对现有室内定位系统的缺陷而研制出本专利技术，本专利技术提供了一 种混合室内定位系统(HIPS)，该系统既包含用于高精度定位的高精度定位设备(例如US设 备)，也包括用于低精度定位的低精度定位设备(例如RF设备)，从而能够为基于位置的服 务提供自适应的定位分辨率。 在本专利技术中，应用情形被划分成两种区域，S卩"关键区"和"普通区"，其中关键区需 要高度精确的定位(例如厘米级)，而普通区对于较低的定位精确度(例如米级或房间级) 也是可以接受的。作为示例，超声定位设备(US设备)被部署在"关键区"中以实现高度精 确的定位，而射频定位设备(RF设备)被部署在"普通区"中以用于较大分辨率的定位。另 外，本专利技术还提出一种在线训练算法，可被用于根据来自US定位设备的实时定位结果来训 练RF模型(即RF电子地图(Radio M即))。具体地讲，在US定位设备的覆盖区域中(即 关键区)，可以利用精确的US定位结果来标注RF信号强度(RSS)数据，而在普通区中，由 于US定位设备无法覆盖而不会对RSS数据进行标注。然后，可以执行半监督学习算法，从 而通过实时地使用经标注和未经标注的RSS数据来训练RF电子地图。因此可以大大减少 对于该混合定位系统的校准消耗。 另外，根据本专利技术，"关键区"的设定可以根据用户需求，也可以基于启发式规则 (例如桌子本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种以自适应分辨率定位目标的方法，包括：将被测空间划分成关键区和普通区；根据所述关键区和普通区的位置来布置高精度定位信号收发器和低精度定位信号收发器，其中所述低精度定位信号收发器的检测范围覆盖所述被测空间，而所述高精度定位信号收发器的检测范围覆盖所述关键区；以及当所述目标在所述被测空间中移动时，综合所述高精度定位信号收发器和所述低精度定位信号收发器对所述目标的检测结果来以自适应的分辨率确定所述目标的位置。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵军辉，王永才，
申请(专利权)人：日电中国有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]