專利名稱：用于確定物體位置的定位系統和方法
技術領域：
本發(fā)明通常涉及一種用于確定附著于一件物品或者一個人上的一個發(fā)射站的位置的定位系統，尤其涉及一種用于有效地確定多個在室內、諸如在商店、倉庫、和辦公室內的發(fā)射站的位置的定位系統，其具有高精確度而不會受到來自環(huán)境因素的過多影響。
相關技術說明無線標簽(或者發(fā)射站)在各個領域中使用。例如，一個在圖1中說明的標簽系統實際上在許多商店中運行。如圖1所示的系統包括一個門121和附著于物品或者商品上的無線標簽123。如果分別具有標簽123a和123b的物品122a和122b穿過門121而沒有在一個出納員處付費，則該系統會產生報警。這個系統是一個所謂的使用門的無源標簽系統，其中無源標簽被用作發(fā)射站。該無源標簽接收從門121產生的無線電波，調制該無線電波，并且把信號返回到門121。當門121接收了從標簽123發(fā)送的返回信號時，它產生報警。該與一個門結合的無源標簽系統在維護方面是優(yōu)越的，這是因為標簽(或者發(fā)射站)123不需要一個電源。但是，通信范圍被局限在幾十厘米內，因此它不適合用于一個長距離的標簽系統。
在另一方面，在圖2說明了一個所謂的有源標簽系統，其被認為是一個長距離的標簽系統。在該有源標簽系統中，一個電源被提供給每一個發(fā)射站127a-127f以便擴展通信范圍。通常，有源標簽系統使用分配給一個特定低功率的頻帶，并且能夠在從幾米到幾十米的范圍中進行通信。然而，這個有源無線電標簽系統僅僅具有分別在接收站124a和124b的通信區(qū)域125a和125b中確定發(fā)射站127a-127f(標簽1到標簽6)的存在或者不存在的功能。如果傳統的有源標簽系統(即，有源發(fā)射站127和接收站124的一個組合)被用來估計每一個發(fā)射站的位置，則該位置估計精度超過了通信范圍(即，超過了通信區(qū)域大小)。為了提高該定位精度，必須降低發(fā)射站的發(fā)射功率，或者必須減小接收站的靈敏度，同時增加接收站的數目，以縮小由每一個接收站覆蓋的區(qū)域。
為了克服該有源標簽系統的上述問題，提供了在圖3中說明的一個定位系統，其在JPA(日本專利公開出版物)9-161177中公開。在圖3中顯示的系統包括一個發(fā)射站131、三個或更多基站132a-132c、以及一個與該基站132通信的中心站133。發(fā)射站131使用無線電波、以一個預定時間間隔發(fā)送一個包含該發(fā)射站本身的標識碼和當前時間(即，發(fā)送時間)的信號。每當基站132從發(fā)射站131接收到信號時，它們每一個都通過無線電波把所接收的信號、連同接收時間和它們的標識碼一起發(fā)送到中心站133。中心站133基于從基站132接收的信息，計算在發(fā)射站131和每一個基站132之間的距離，并且估計發(fā)射站131的位置。更確切地說，中心站133從發(fā)送時間和接收時間中確定信號傳播時間，并且通過把該傳播時間乘以無線電波傳播速度來計算在發(fā)射站131和每一個基站132之間的距離。然后，中心站133基于相對于基站132的位置關系估計發(fā)射站131的位置。
在JPA9-161177中公開的系統能夠通過準確地測量時間來估計發(fā)射站的位置。然而，在發(fā)射站131處的該信號發(fā)送間隔通常被設置為較長以便保持長的電池壽命。這導致一個當實際上需要這樣的位置信息時、不能獲得精確的位置信息的問題。此外，必須固定至少三個基站132以便估計發(fā)射站的位置，而且如果該發(fā)射站移出該固定基站的通信區(qū)域的話，則不能估計發(fā)射站的位置。還有另一個問題是沒有有關該發(fā)射站環(huán)境的信息。
圖4說明了另一個已知的定位系統，其在JAP9-159746中公開。如圖4所示的系統包括一個發(fā)送無線電信號的發(fā)射站131；三個或更多基站132，其從發(fā)射站131接收無線電信號并且測量接收信號的強度；以及一個中心站133，其基于從每一個基站132提供的接收信號的強度估計發(fā)射站131的位置。在這個系統中，發(fā)射站131在定位操作期間產生并且發(fā)送無線電信號。每一個基站132把信號強度的測量結果提供到中心站133。中心站133從該強度計算在發(fā)射站131和每一個基站132之間的距離，并且基于在發(fā)射站131和每一個基站132之間的位置關系估計發(fā)射站131的位置。
一個列出在接收信號強度和相應距離之間關系的表格被事先保存在中心站133中。中心站133通過把接收強度應用到該表格來確定距離。這個系統通過創(chuàng)建一個指示在強度和距離之間關系的精確表格，能夠估計發(fā)射站131的位置。然而，為了指定該位置，必須固定至少三個基站。如果發(fā)射站131離開了基站的通信區(qū)域，則發(fā)射站131的位置就不再能被估計了。
因此，傳統的“無源標簽系統”不適合用于一個長距離的無線電標簽系統，是因為它的通信范圍只有幾十厘米那么短。
傳統的“有源標簽系統”需要增加接收站的數目以便提高定位精度。
在圖3中說明了傳統的定位系統，其基于傳輸時間估計距離，并且需要把信號傳輸間隔設置為較長以便保持較長的發(fā)射站電池壽命。因此，當實際上需要精確位置信息時，這個系統很難獲得該信息。此外，必須固定至少三個基站以便估計位置，而且如果該發(fā)射站移出通信區(qū)域的話，則不再能估計發(fā)射站的位置。這個系統不能確定該發(fā)射站正在什么環(huán)境下操作。
在圖4中說明的傳統定位系統，其基于接收信號的強度確定距離，并需要至少三個基站要被固定。如果發(fā)射站在基站通信區(qū)域的外面，則就不再能估計它的位置。
雖然一個利用一個GPS的定位裝置在戶外可能是有效的，但是因為反射波，它不適合于在室內使用。在反射波的影響下如在一個GPS中那樣使用一個絕對時間差是無效的，因為誤差變得太大了。即使使用振幅信息估計一個位置，在很多情況下在距離和接收信號強度之間的關系不滿足Frii公式。
眾所周知，Frii公式表達為L=20×log10(4πdλ)---(0)]]>其中L表示傳播損失，d表示距離，而λ表示波長。
為什么Frii公式不能用于室內傳播的原因是接收站位于隱匿處、或者由于反射波影響，在接收信號的強度中發(fā)生局部波動。

發(fā)明內容
本發(fā)明鑒于在現有技術中的上述問題進行構思，而且本發(fā)明的一個目的是克服有限的通信范圍，其是傳統無源標簽系統中的問題；并且避免當準確地估計一個位置時接收站數目的不希望的增加，其是在傳統有源標簽系統中的問題。
本發(fā)明的另一個目的是通過考慮在該發(fā)射站周圍的環(huán)境，甚至在室內高精確度地估計一個發(fā)射站的位置。
本發(fā)明還有另一個目的是當實際需要精確位置信息時，允許一個用戶獲得這樣的位置信息。
本發(fā)明還有另一個目的是當估計一個發(fā)射站的位置時，消除固定三個或更多基站(或者接收站)的必要。
本發(fā)明還有另一個目的是即使一個發(fā)射站離開一個固定基站的通信區(qū)域的話，也能順序地估計該發(fā)射站的位置。
這些目的在一個依據本發(fā)明提供的定位系統和方法中實現。這樣的一個系統和方法不僅適用于監(jiān)控危險的物體或者阻止盜竊，而且適用于以一種有效的方式在倉庫或者辦公室中控制存貨和管理資產。
為了實現上述目的，在本發(fā)明的一個方面中，一個用于確定一個物體的位置的系統包括(a)一個發(fā)射站，被配置為以一種定期方式發(fā)送一個包括一個第一標識符的第一ID信號，(b)一個接收站，被配置為接收第一ID信號，測量第一ID信號的強度，并且讀取第一標識符，(c)一個數據管理單元，被配置為與從該接收站提供的第一標識符相關聯地存儲和管理該強度，以及(d)一個定位計算機，被配置為使用由該數據管理單元管理的數據來估計該發(fā)射站的位置。
該定位計算機確定一個把接收信號的強度“e”定義為距離“d”的一個函數的第一校正公式。該定位計算機然后使用第一校正公式和已知的(或者可用的)位置信息估計發(fā)射站的位置。
如果第i發(fā)射站的位置是(xi，yi)而且第j接收站的位置是(uj，vj)，在第i發(fā)射站和第j接收站之間的距離dij為dij=(xi-uj)2+(yi-vj)2.---(1)]]>第一校正公式可以表示為eij＝f0(dij)＝S1×log10(dij)+S2(2)’或eij＝f0(dij)＝S1×log10(dij+S2)(24)’其中eij是由第i發(fā)射站發(fā)送、在第j接收站接收的ID信號的強度，以及S1和S2是校正系數。
優(yōu)選地，第一公式進一步包括發(fā)射站的一個環(huán)境系數Kti或者接收站的一個環(huán)境系數Krj中的至少一個。這個方案允許考慮周圍環(huán)境來更精確地估計位置。
接收站可以具有一個激勵信號發(fā)生器，其產生一個用于導致發(fā)射站發(fā)送另一個ID信號的激勵信號。在這種情況下，接收站把該激勵信號發(fā)送到發(fā)射站，而且在接收到該激勵信號時，發(fā)射站發(fā)送一個包含一個第二標識符的第二ID信號。
發(fā)射站具有一個用于感測由外界因素所引起的變化的傳感器。當檢測到任何變化時，發(fā)射站把一個包含一個第三標識符的第三ID信號發(fā)送到該接收站。這樣的變化包括由于外部作用力引起的振動或加速，在入射光、溫度、濕度及其他參數中的變化。
通過使用激勵信號及/或傳感器，當實際上需要必要的位置信息時(例如，當接收站尋找發(fā)射站時或者當發(fā)射站已經物理地移動到一個不同的位置處時)，能夠獲得這樣的位置信息，并且考慮了環(huán)境變化。此外，因為不必要縮短周期信號的發(fā)射間隔，所以延長了電池的壽命。
接收站還具有一個時間計算單元，其測量一個響應于該激勵信號獲取第二ID信號所需的傳輸時間。在這種情況下，定位計算機確定一個定義在通過空氣的信號傳播時間和距離之間的關系的第二校正公式。該定位計算機然后使用第二校正公式和已知的(或者可用的)位置信息估計一個未知發(fā)射站的位置。
第二校正公式可以表示為pij=f1(tij,eij)=tij-B-gexp(-h×eij)=Kdij=K(ui-uj)2+(vi-vj)2---(9)']]>其中pij是ID信號通過空氣從位于(ui，vi)的第i發(fā)射站傳播到位于(uj，vj)的第j接收站所需要的傳播時間，eij是在第j接收站處接收的ID信號的強度，tij是第j接收站響應于激勵信號獲取該ID信號所需要的傳輸時間，dij是在第i發(fā)射站和第j接收站之間的距離，B、g、和h是校正系數，且K是一個比例常數。
利用第二校正公式，基于實際上的測量值(eij和tij)，使用一個近似函數確定由電磁波或者超聲波承載的一個信號的傳播速率。因此，無需附加地測量溫度和空氣濕度來用于該校正。此外，因為基于實際上的測量值校正了在傳播時間和距離之間的關系，所以即使由于為了實現低功耗而不能執(zhí)行高速操作，但還是提高了估計精度。
該定位系統可以包括單個固定位置接收站(即，一個第一接收站)和單個移動接收站(即，一個第二接收站)以便減小用作基站的固定位置接收站的數目。這個方案還允許該系統正確地估計一個已經離開該固定位置接收站的通信區(qū)域的發(fā)射站的位置。在這種情況下，該定位計算機使用從該固定(第一)接收站提供的有關一個已知發(fā)射站的位置信息，確定第一和第二校正公式中的至少一個。然后，(A)該定位計算機使用校正公式，以及從一個已知或者估計位置的發(fā)射站中傳送過來并且在移動接收站處接收的信號信息，和有關該已知或者估計位置的發(fā)射站的位置信息，來估計該移動(或者第二)接收站的位置。此外，(B)該定位計算機使用從一個未知發(fā)射站中傳送過來并且在該固定位置接收站或者在一個估計位置的移動接收站接收的信號信息，以及有關該固定位置接收站或者該移動接收站的估計位置的位置信息，來估計該位置未知的發(fā)射站(在下文中，簡單地稱為一個“未知發(fā)射站”)的位置。當移動接收站移動時，定位計算機重復地處理(A)和(B)以順序地獲取未知發(fā)射站的位置信息。
用于減小接收站數目的另一個有效結構是使用單個移動站，而不使用一個固定位置接收站。在這種情況下，定位計算機使用從位置未知的移動接收站提供的有關那些位置已知的發(fā)射站的位置信息，確定第一和第二校正公式中的至少一個。然后，(A)該定位計算機使用從已知或者估計位置的發(fā)射站傳送到接收站的信號信息，有關該已知或者估計位置的發(fā)射站的位置信息，以及確定的校正公式(一個或多個)，來估計該接收站的當前位置。然后，(B)該定位計算機使用從一個未知發(fā)射站提供到位于當前位置的接收站的信號信息，以及有關該接收站當前位置的位置信息，來估計該未知發(fā)射站的位置。當移動接收站移動時，定位計算機重復地處理(A)和(B)以順序地獲取未知發(fā)射站的位置信息。
通過僅僅使用一個移動接收站或者與一個固定位置接收站結合使用一個移動接收站，能夠在一個廣闊區(qū)域內準確地確定和控制多個發(fā)射站的存在和位置。
可以使用包括無線電波和紅外線的電磁波，或者包括超聲波和可聽波的聲波，作為在發(fā)射站和接收站之間傳輸的信號的一個載波。在說明書和權利要求中，術語“聲波”包括超聲波和可聽波。用于激勵信號和ID信號的載波可以彼此相同或者彼此不同。
在本發(fā)明的第二方面，提供了一種用于確定一個物體的位置的定位方法。該方法包括步驟在一個接收站接收一個包含一個發(fā)射站的第一標識符的第一ID信號；測量該第一ID信號的強度；確定一個定義在強度和距離之間的關系的第一校正公式；以及使用第一校正公式估計一個未知發(fā)射站的一個位置。
從位于(xi，yi)處的第i發(fā)射站到位于(uj，vj)處的第j接收站的距離dij為dij=(xi-uj)2+(yi-vj)2,---(1)]]>并且第一校正公式可以表示為eij＝f0(dij)＝S1×log10(dij)+S2(2)’其中eij是測量的強度，而且S1和S2是校正系數。
優(yōu)選地，第一校正公式包括用于接收站的一個環(huán)境系數Krj和用于發(fā)射站的一個環(huán)境系數Kti中的至少一個。如果使用了用于接收站的環(huán)境系數Krj，第一校正公式可以表示為eij＝f0(dij)＝S1×log10(dij)+S2-Krj.(2)”在這種情況下，基于已知的位置信息確定未知參數S1、S2、和Krj，而且使用這些系數的確定值估計第i發(fā)射站的位置。
如果使用了用于發(fā)射站的環(huán)境系數Kti，第一校正公式可以表示為
eij＝f0(dij)＝S1×log10(dij)+S2-Kti.(2)在這種情況下，基于已知的位置信息確定未知參數S1、S2、和Kti，而且使用這些系數的確定值估計第i發(fā)射站的位置。
可以使用一個修改的第一校正公式。該修改的第一校正公式可以表示為eij＝f0(dij)＝S1×log10(dij+S2).(24)’優(yōu)選地，修改的第一校正公式除了校正系數S1和S2之外，還包括用于接收站的一個環(huán)境系數Krj和用于發(fā)射站的一個環(huán)境系數Kti中的至少一個。如果使用Kri，則修改的第一校正公式可以表示為eij＝f0(dij)＝S1×log10(dij+S2)-Krj.(24)如果使用Kti，則修改的第一校正公式可以表示為eij＝f0(dij)＝S1×log10(dij+S2)-Kti.(24)”該定位方法進一步包括步驟從接收站把一個激勵信號發(fā)送到發(fā)射站；在接收站接收響應于該激勵信號發(fā)送的、一個包含一個第二標識符的第二ID信號；以及測量一個獲取響應于該激勵信號的第二ID信號所需的傳輸時間“t”。在這種情況下，使用一個定義在信號通過空氣的傳播時間“p”和距離之間的關系的第二校正公式來估計一個未知發(fā)射站的位置。
第二校正公式可以表示為pij=f1(tij,eij)=Kdij=K(xi-uj)2+(yi-vj)2---(9)'']]>其中dij是從位于(xi，yi)的第i發(fā)射站到位于(uj，vj)的第j接收站的距離，pij是通過空氣的信號傳播時間，tij是獲取第二ID信號所需的傳輸時間，且K是一個比例常數。


通過讀取下列詳細說明并且結合附圖，本發(fā)明的其它目的、特征、和優(yōu)點將變得更為明顯，其中附圖為圖1說明了一個傳統的使用一個門的無源標簽系統；圖2說明了一個傳統的有源標簽系統；圖3說明了一個傳統的、使用時間信息的定位系統；圖4說明了一個傳統的、使用接收信號強度的定位系統；圖5說明了依據本發(fā)明第一實施例的一個定位系統；圖6說明了在第一實施例的定位系統中使用的發(fā)射站和接收站的結構；圖7說明了在圖6顯示的發(fā)射站中使用的運動傳感器的一個示例；圖8說明了依據第一實施例的定位系統的操作流程；圖9說明了使用依據第一實施例的定位系統時，發(fā)射站位置的測量結果；圖10說明了依據本發(fā)明第二實施例的一個定位系統；圖11說明了在第二實施例的定位系統中使用的發(fā)射站和接收站的結構；圖12說明了依據第二實施例的發(fā)射站的操作流程；圖13說明了依據第二實施例的接收站的操作流程；圖14說明了依據第二實施例的定位計算機的操作流程；圖15說明了第二實施例的定位系統的第一改進；圖16說明了在圖15顯示的第一改進中使用的發(fā)射站和接收站的結構；圖17說明了第二實施例的定位系統的第二改進；
圖18說明了在圖17顯示的第二改進中使用的發(fā)射站和接收站的結構；圖19說明了在第二改進中使用的定位計算機的操作流程；圖20說明了第二實施例的定位系統的第三改進；圖21說明了在圖20顯示的第三改進中使用的發(fā)射站和接收站的結構；圖22說明了依據本發(fā)明第三實施例的一個定位系統；圖23說明了在第三實施例的定位系統中使用的發(fā)射站和接收站的結構；圖24說明了在第三實施例中使用的接收站的操作流程；圖25說明了在第三實施例中使用的定位計算機的操作流程；圖26說明了依據本發(fā)明第四實施例的一個定位系統；圖27說明了在第四實施例的定位系統中使用的發(fā)射站和接收站的結構；圖28說明了在第四實施例中使用的接收站的操作流程；圖29說明了在第四實施例中使用的定位計算機的操作流程；圖30說明了依據本發(fā)明第五實施例的一個定位系統；圖31說明了在第五實施例的定位系統中使用的發(fā)射站和接收站的結構；圖32說明了在第五實施例中使用的定位計算機的操作流程；圖33說明了使用依據本發(fā)明第六實施例的修改的第一校正公式時，一個發(fā)射站位置的測量結果；以及圖34說明了使用依據本發(fā)明第六實施例的修改的第一校正公式時，一個不同發(fā)射站的位置的另一個測量結果。
具體實施例方式
現在將參考附圖對本發(fā)明進行詳細描述。
圖5示意地說明了依據本發(fā)明第一實施例的定位系統1的一個示例，而且圖6說明了在定位系統1中使用的發(fā)射站21和接收站31。定位系統1包括發(fā)射站21(T1-T8)、接收站31(R1-R4)、一個連接到接收站31并且用作一個數據管理單元的服務器12、以及一個連接到服務器12的定位計算機11。定位系統1還包括連接到定位計算機11的用戶終端3a-3c。這些組件經由LAN 2彼此相連。
在圖5顯示的示例中，接收站31(R1-R4)是固定的，而且它們的位置是已知的。發(fā)射站T1-T4被分別附著于接收站R1-R4上，因此，發(fā)射站T1-T4的位置能夠被認為是和接收站R1-R4的那些相同。發(fā)射站T5-T8的位置是未知的。事先已知的的第j接收站的位置是(uj，vj)，而第i發(fā)射站的未知位置可以表示為(xi，yi)。每一個發(fā)射站21都傳送一個唯一的信號，而且接收站31從發(fā)射站21接收這些信號。由第i發(fā)射站發(fā)送并且在第j接收站處接收的信號的強度可以表示為eij。在第i發(fā)射站和第j接收站之間的距離可以表示為dij。例如，從位于(x5，y5)的發(fā)射站T5到接收站R1的距離是d51，而且由T5發(fā)送并且在R1處接收的信號的強度是e51。
發(fā)射站21具有一個微控制器22、一個發(fā)射機23、一個ID信號發(fā)生器25、以及一個運動傳感器13。ID信號發(fā)生器25定期產生一個包含那個發(fā)射站21的一個唯一標識符(ID)的ID信號。當運動傳感器13感測到發(fā)射站的任何移動時，ID信號發(fā)生器也產生一個包含該標識符的ID信號。
在圖7中說明了運動傳感器13的一個示例。在這個示例中，運動傳感器13包括一個使用一個倒擺14的加速度傳感器，以及一個連接到該運動傳感器13的保持電路15。保持電路15還連接到發(fā)射站21的振蕩器16，并且只有當運動傳感器13的電極14a和14b彼此接觸時(或者作為選擇，當它們彼此分開時)該保持電路把振蕩器16的電池17接通幾分鐘時間。
保持電路15具有設置一個長的振蕩周期的功能，而不管運動傳感器(加速度傳感器)13的ON/OFF操作。這個功能對于恒定地控制發(fā)射站21的位置是有效的。振蕩周期不必須是完全恒定的。通過隨機地使振蕩周期改變幾個周期百分比，能夠避免信號同時從不同的站傳送過來。運動傳感器13允許發(fā)射站21設置較長的振蕩周期，是因為當發(fā)射站21是靜止時定期ID信號不必被頻繁地發(fā)送。這個方案能夠減小能量消耗并且延長電池壽命。此外，能夠使日志文件變得較小。
所有的發(fā)射站T1-T8都可以使用和圖6所示相同的結構，或者作為選擇，可以使用兩種不同類型的發(fā)射站。在后面的情況中，為位置未知的發(fā)射站T5-T8提供了運動傳感器13，同時固定的發(fā)射站T1-T4僅具有一個短周期振蕩功能而沒有運動傳感器13。
返回到圖6，接收站31具有一個微控制器32、一個接收機33、以及一個防沖突確定單元36。接收機33接收信號，并且測量接收信號的強度。接收機33然后把接收的信號提供到防沖突確定單元36，后者從接收的信號中讀取(或者提取)標識符。接收站31把接收信號的強度和相應的標識符，連同時標一起提供到服務器12。服務器12與相應的標識符和時標相關聯地記錄和存儲每一個強度。當服務器12從接收站31接收信號信息時，可以由服務器12創(chuàng)建時標。
定位計算機11使用保存在服務器12中、有關發(fā)射站T5的信息估計這個發(fā)射站的位置(在圖5所示的示例中)。估計結果也被保存在服務器12中。用戶通過經由用戶終端3輸入要在服務器12中檢索的發(fā)射站T5的標識符，能夠獲得這個發(fā)射站T5的位置。
定位計算機11確定一個定義在強度和距離之間的關系的第一校正公式，以便在室內環(huán)境下準確地估計發(fā)射站或者接收站的位置。如上面已經描述的那樣，一個接收信號的強度eij實際上在一個接收站處、在室內傳播條件下進行測量。定位計算機11使用實際測量值，確定在強度eij和從發(fā)射站21到接收站31的距離dij之間的關系。第一校正公式是一個使用包括環(huán)境系數在內的校正系數進行校正的Frii公式。因為基于實際上的測量值并且考慮校正因子來估計該距離(因此也估計了一個發(fā)射站的位置坐標)，所以甚至在室內也提高了定位精度。
將在下面詳細說明使用了一個校正的Frii公式(這就是說，第一校正公式)的算法。為了簡化起見，將在下面使用二維坐標進行說明；然而在實際使用中，定位計算機11使用三維(空間)坐標估計位置。
<校正的Frii公式的算法>
如果第j接收站的已知位置是(uj，vj)而且如果第i發(fā)射站的位置是(xi，yi)，則在第i發(fā)射站和第j接收站之間的距離用下面的方程(1)表示。dij=(xi-uj)2+(yi-vj)2---(1)]]>然后，定義用于第j接收站的環(huán)境系數Krj。環(huán)境系數Krj是一個指數，指示接收站的靈敏度是怎樣偏離理想狀態(tài)變化的。類似地，定義用于第i發(fā)射站的環(huán)境系數Kti。
首先，在距離和強度是處于對數關系的假定之下，使用校正系數S1、S2、以及一個環(huán)境系數Krj校正Frii公式以定義在距離“d”和強度“e”之間的關系。校正了的公式可以表示為eij＝S1×log10(dij)+S2-Krj.(2)這個校正公式被稱為一個第一校正公式。
使用已知的信息確定系數S1、S2、以及Krj。在圖5所示的示例中，使用從已知位置的發(fā)射站T1-T4(因為它們附著于固定位置接收站R1-R4上)接收的信號的測量強度eij來確定這些系數(即，未知參數)。相應的距離dij也是已知的。這些未知參數的使誤差最小化的解能夠通過最小化由下面的方程(3)給出的估計函數“q”來獲得。 其中rn表示在已知位置處的接收站的數目，而tn表示在已知位置處的發(fā)射站的數目。在圖5的示例中，rn和tn都是四(4)，因此存在十六(16＝4×4)個聯立方程。因此，六個未知數(S1、S2、Kr1-Kr4)都被解出。為了闡明該說明，在方程(3)中用在符號上面的一個弧形來標記未知數。
有許多方法可用于求解方程(3)。雖然不會對這些方法進行詳細說明，但是例如，把函數q對于每一個變量求偏微分，并且能夠通過，例如牛頓法，獲得讓相應的偏微分為0的數值解。作為選擇，可以使用單純形法、最速下降法(或者鞍點法)、使用神經網絡的方法。使用這些方法的任何一個，能夠確定校正系數S1和S2以及環(huán)境系數Krj。
如果在已知位置處的發(fā)射站或者接收站的數目不足并且沒有足夠的聯立方程，則僅僅在第一校正公式中使用校正系數S1和S2而不使用環(huán)境系數Krj。即使沒有環(huán)境系數，也能夠實現一個滿意的校正效果。
接下來，將引入用于一個未知位置的目標發(fā)射站(簡單地稱為“未知發(fā)射站”)的環(huán)境系數Kti。雖然在發(fā)射站處的發(fā)送強度是恒定的，環(huán)境系數取決于位置而變化，而且因此接收信號的強度也會變化。因此引入一個用于發(fā)射站的環(huán)境系數。例如，除了校正系數S1和S2、以及環(huán)境系數Kr1之外，使用環(huán)境系數Kt5表示來自一個未知發(fā)射站(例如，T5)、在一個已知接收站(例如，R1)接收的一個信號的強度。通過引入用于一個發(fā)射站的環(huán)境系數Kti，從測量的強度中導出的一個距離mdij可以表示為方程(4)。mdij=10(eij-S2+Krj+Kti)/S1---(4)]]>現在，通過最小化估計函數hi可以確定目標(未知)發(fā)射站(i)的位置和環(huán)境系數Kti，其中估計函數hi表示為方程(5)。

在方程(5)中的未知數用在符號上面的一個弧形進行標記以用于說明。使用上述方法，即使固定位置接收站的數目不是太多的話，也能夠準確地估計一個未知發(fā)射站的位置。
發(fā)射站的估計位置被保存在服務器12中。如已經說明的那樣，為了檢查一個目標發(fā)射站的位置，該用戶(或者管理器)簡單地通過經由用戶終端3輸入目標發(fā)射站的標識符、經由LAN2向服務器12進行查詢。
接下來，將考慮一種其中一個發(fā)射站位于一個受遮蔽的位置的情況。即使從一個自由空間損失的觀點來看，一個發(fā)射站位于一個接收站的一個可傳達區(qū)域之內，但是當該發(fā)射站相對于那個接收站被遮蔽時，從那個發(fā)射站中發(fā)送過來的信號可能不會在接收站處接收到。在這種情況下，可以發(fā)現該接收站不具有有關那個發(fā)射站的信息。
然而，沒有從一個特定發(fā)射站接收一個信號意味著，這個特定發(fā)射站與那些信號被接收了的發(fā)射站相比，其位于一個不利的(或者較遠的)位置。因此，來自一個特定發(fā)射站的信號不能被接收的事實是值得作為用于位置估計的信息的。因此，依據本發(fā)明的定位系統使用這樣的遮蔽信息作為一個限制條件。
例如，來自發(fā)射站T2的一個信號在接收站R1、R2、和R3處被接收了，但是不在R4處被接收。在這種情況下，限制條件d21＜d24d22＜d24d23＜d24被添加了。因此，甚至是未知信息也沒有被丟棄，而代之以，它在位置估計中被有效地使用了。
定位計算機11使用更新信息重復地估計和更新發(fā)射站的位置。如上面已經描述的那樣，每一個發(fā)射站21都具有一個運動傳感器13，當其物理地移動時發(fā)送一個ID信號。利用這個方案，即使周期信號的間隔是較長，也可估計一個發(fā)射站的當前位置并且把它保存在服務器12中。
圖8說明了依據本發(fā)明第一實施例的定位系統的操作流程的一個示例。每一個固定在接收站R1-R4處的發(fā)射站T1-T4都以一個預定時間間隔發(fā)送一個定期的ID信號(S101和S102)。在另一方面，每一個不固定的發(fā)射站T5-T8中，微控制器22監(jiān)控運動傳感器1 3以確定加速度是否已經應用于該發(fā)射站上(S103)。如果加速度已經應用了(在S103中的是)并且已經經過了一個預定時間(在S101中的是)，則發(fā)射站發(fā)送一個包含一個唯一標識符的ID信號。
接收站31從相應的發(fā)射站接收ID信號并且測量接收的ID信號的強度(S111)。然后，該接收站31把測量的強度和相應的時標提供到服務器12(S112)。從ID信號中讀取的發(fā)射站標識符和接收站本身的標識符也被提供給服務器12。當從接收站31接收信息時，可以在服務器12處創(chuàng)建時標。
定位計算機11檢查在保存在服務器12的數據中的時標并且將當前數據與先前數據進行比較(S131)以確定當前數據是否已經更新了(S132)。如果有數據從先前的數據中更新了(在S132中的是)，則從所有更新的數據中提取事先已知位置的、固定位置發(fā)射站(在圖5所示的示例中的T1-T4)的數據(S133)。然后，確定系數S1、S2和環(huán)境系數Krj以便最小化方程(3)并且確定第一校正(傳播)公式(S134)。然后，相對于所有有關不固定發(fā)射站(T5-T8)的數據求解方程(5)來估計這些發(fā)射站的位置，并且把估計結果連同發(fā)射站的環(huán)境系數Kti一起保存在服務器12中(S135)。把估計的位置與先前的結果進行比較，以選定那些位置已經變化了一個預定值或更多的發(fā)射站(在S136中的是)和那些信號不在任何接收站處被接收的發(fā)射站(在S137中的是)。選定發(fā)射站的數據被記錄在服務器12中(S138)，而且一個報警消息被提供給相關的用戶終端(S139)。
在表格1中顯示了一個用于在服務器12中記錄從接收站提供的信號信息的數據結構的一個示例，并且在表格2中了顯示一個用于在服務器12中記錄從定位計算機11提供的估計結果的數據結構的一個示例。在表格中，“RS ID”代表接收站標識符，而“TS ID”代表發(fā)射站標識符。
表1從接收站提供的信號信息的數據結構

表2從定位計算機提供的估計結果的數據結構

環(huán)境系數Kti反映一個發(fā)射站的周圍環(huán)境，而且當實際上試圖確定發(fā)射站位置時它提供了有用的信息。如果環(huán)境系數是大的，它指示該發(fā)射站相對于接收站位于一個受遮蔽的位置處。如果該環(huán)境系數是小的，則該發(fā)射站位于一個開放空間或者一個無遮蔽的位置處。添加這樣的環(huán)境信息到該估計的位置允許用戶實際地查找該目標發(fā)射站。
用戶終端3具有一個接收從定位計算機11提供的一個報警消息的功能，以及一個檢索一個目標發(fā)射站的位置的功能。用戶把目標發(fā)射站的標識符(ID)輸入到用戶終端中(S121)。用戶終端經由LAN 2(在圖5所示的示例中)，或者作為選擇經由無線電波訪問服務器12(S122)。在服務器12中檢索有關該目標發(fā)射站的過去記錄，并且在用戶終端上顯示該發(fā)射站相應的時標、位置信息、環(huán)境系數(S123)。用戶能夠獲得在由該時標描述的一個時間處、該發(fā)射站的位置，并且能夠從環(huán)境系數Kti的值中估計該發(fā)射站是否位于一個開放空間處。此外，通過在某一時段上檢查該記錄，用戶能夠確定何時應用了加速(其意味著何時該發(fā)射站移動了)。
如上面已經描述的那樣，依據第一個實施例的定位系統使用第一校正公式，并且同時使用實際測定的信號強度和已知的位置信息，準確地估計多個發(fā)射站的位置。
圖9說明了使用第一實施例的定位系統1的位置估計結果。接收站被固定在位置P1-P6處。使用從這些接收站提供的信息估計發(fā)射站(1到16)的位置。發(fā)射站的實際位置用*標記，而估計位置用白色矩形標記。連接實際位置到相應估計位置的線表示信號傳播狀態(tài)。虛線指示一個好的狀態(tài)，而粗線指示一個不好的狀態(tài)。在該圖形中的正方形是在該場地上的一個單位面積，而且它的邊是1.35m。
從這個估計結果上看，最小誤差僅僅為13.5cm，而最大誤差大約4.5m。均方根誤差是2.3m，并且用于位于一個相對好的傳播狀態(tài)下的發(fā)射站1、2和12的誤差在1m以內。通過執(zhí)行如圖8所示、使用第一校正公式的定位計算機11的操作流程，考慮環(huán)境因素的影響，能夠高準確度地估計多個發(fā)射站的位置。
雖然該說明已經使用一個發(fā)射站或者一個標簽作為位置估計的物體(或者目標)的一個示例進行了說明，但是目標不局限于一個發(fā)射站。例如，兼?zhèn)浒l(fā)送功能和接收功能的設備，諸如蜂窩電話或者移動終端，可以被用作該目標。在這種情況下，使用這樣設備的發(fā)送功能來指定持有該設備的一個人的位置。
圖10說明了依據本發(fā)明第二實施例的定位系統的一個示意圖，而圖11說明了第二實施例中使用的發(fā)射站21和接收站31。在第二實施例中，接收站定期發(fā)送一個激勵信號到發(fā)射站。當接收了該激勵信號時，發(fā)射站發(fā)送一個不同于自發(fā)產生的ID信號的ID信號。因此，發(fā)射站產生三種不同類型的ID信號，即(1)一個由，例如一個內置振蕩器自發(fā)產生的周期信號(即，第一ID信號)，(2)一個響應于該激勵信號產生的信號(即，第二ID信號)，以及(3)一個當檢測到由于外界因素而產生的一個變化時產生的信號(即，第三ID信號)。
在圖10所示的示例中，激勵信號和ID信號都經由電磁波進行發(fā)送。該系統的配置，其中接收站R1-R4、服務器12、定位計算機11、以及用戶終端3a-3c經由LAN 2互相連接，以及用戶終端的操作都與在第一實施例中的那些相同，而且將省略用于它們的說明。
發(fā)射站21具有一個微控制器22、一個發(fā)射機23、一個ID信號發(fā)生器25、以及一個傳感器26。ID信號發(fā)生器25定期產生一個包含那個發(fā)射站21的一個唯一標識符(ID)的ID信號。微控制器22控制發(fā)射站21的操作，并且具有內置的存儲器、諸如ROM和RAM。接收機24接收從接收站中發(fā)送過來的激勵信號，并且把該激勵信號提供到ID信號發(fā)生器25。傳感器26檢測由外界因素27所引起的、在各個參數中的變化，并且把檢測結果提供到ID信號發(fā)生器25。ID信號發(fā)生器25(1)以一個相對長的間隔以定期方式、(2)當從接收站接收該激勵信號時、以及(3)當檢測到一個變化時，產生上述三種類型的ID信號。在這點上，由傳感器26檢測到的變化可以起一個激勵信號的作用以導致ID信號發(fā)生器產生一個標識符；然而，它必須不同于由接收站產生和發(fā)送的激勵信號。
傳感器26不僅檢測加速度(或者一個運動中的變化)，而且檢測環(huán)境變化，諸如在入射光、溫度、濕度、及其他因素中的一個變化。例如，當一個發(fā)射站(或者附著于一個物品上的一個標簽)從一個暗處(諸如一個書庫)移動到一個明亮放置時，傳感器26進行操作并且導致發(fā)射站發(fā)送一個ID信號。在接收站處接收這個ID信號，而且在相應接收站處測量的強度被提供給服務器12。因此，定位計算機11估計已經移到明亮位置的發(fā)射站的新位置以更新該位置信息。另一個示例是當一個發(fā)射站從一個有空調的位置移動到一個沒有空調的位置時，傳感器26檢測到在溫度和濕度中的一個變化并且導致該發(fā)射站發(fā)送一個ID信號。傳感器26由一個光傳感器、一個溫度傳感器、一個濕度傳感器、一個運動傳感器、及其他類型的傳感器的一個組合實現。
優(yōu)選地，發(fā)射站21具有一個設置一個長的振蕩周期的功能，而不管傳感器26的ON/OFF操作，以便有效地控制發(fā)射站21的位置。振蕩周期不必必須是完全恒定的。通過把振蕩周期隨機地變化一個該周期的幾個百分數的寬度，能夠避免信號同時從不同的站發(fā)送過來。
接收站31具有一個微控制器32、一個接收機33、一個發(fā)射機34、一個激勵信號發(fā)生器35、以及一個防沖突確定單元36。微控制器32控制接收站21的操作，并且具有內置的存儲器、諸如ROM和RAM。激勵信號發(fā)生器35以一種定期方式產生一個激勵信號。接收機33接收第一到第三ID信號，并且測量相應信號的強度。防沖突確定單元36從相應類型的ID信號中讀取標識符(第一、第二、和第三標識符)。接收站31然后把接收信號的強度和相應的標識符，連同時標一起提供到服務器12。服務器12與相應標識符和時標相關聯地記錄和存儲每一個強度。當服務器12從接收站31接收信號信息時，可以由服務器12創(chuàng)建時標。
圖12說明了依據本發(fā)明第二實施例的發(fā)射站21的操作流程。發(fā)射站21依據情況產生和發(fā)送具有不同標識符的不同類型ID信號。
(A)當從接收站接收一個激勵信號時(在S201中的是)，它確認該激勵信號是否是一個期望的規(guī)定激勵信號(S201)。如果它是期望的激勵信號(在S201中的是)，則ID信號發(fā)生器25產生一個包含一個類型a標識符的類型a的ID信號，其被發(fā)送到接收站(S203)。
(B)發(fā)射站還以一種定期方式每預定時間間隔地發(fā)送一個類型b的ID信號(S204和S205)。
(C)此外，當傳感器26檢測到由于外界因素引起的一個變化時(在S206中的是)，它確認是否一個預定數量的時間已經過去了(S207)。如果已經過去了一段預定時間(在S207中的是)，則發(fā)射站依據已經檢測到什么類型的變化發(fā)送另一種類型的ID信號。在圖12所示的示例中，當已經感測到一個在運動中的變化或者感測到加速度時，發(fā)送一個類型c的ID信號，且當傳感器26檢測到在入射光中的一個變化時，發(fā)送一個類型d的ID信號。類似地，當檢測到在溫度和濕度中的變化時，分別發(fā)送類型e和類型f的ID信號。在這個示例中，由傳感器輸出產生的第三ID信號包含對應于環(huán)境因素的不同類型標識符。
通過導致發(fā)射站響應于激勵信號發(fā)送一個ID信號，當實際上需要那個目標發(fā)射站的位置時能夠估計它，而不耗損發(fā)射站的電池電源。通過導致發(fā)射站依據檢測到的變化產生不同類型ID信號，能夠知道在該發(fā)射站周圍環(huán)境中的變化，并且因此提高估計精度和效率。
圖13說明了依據本發(fā)明第二實施例的接收站31的操作流程。當需要發(fā)送一個激勵信號時(在S211中的是)，接收站31發(fā)送一個激勵信號到發(fā)射站(S212)。每當該接收站響應于激勵信號接收一個ID信號時，它確定接收的信號是否是一個類型a的信號(S213)。如果響應于激勵信號接收了一個類型a的ID信號(在S213中的是)，則測量該類型a的ID信號的強度(S214)。接收站也從發(fā)射站接收其他類型的ID信號而不考慮該激勵信號。因此，它確定是否其他類型的ID信號已經被接收了(S215)。如果已經接收了其他類型ID信號(在S215中的是)，測量這些ID信號的強度(S216)，并且從這些ID信號中讀取標識符。在步驟S214和S216中測量的強度，連同時標、從ID信號中讀取的標識符、以及接收站本身的標識符一起被提供給服務器12。當由服務器12接收該信號信息時，可以由服務器12創(chuàng)建該時標。
圖14說明了依據本發(fā)明第二實施例的定位計算機11的操作流程。定位計算機11檢查保存在服務器12中的數據的時標，而且確定一段預定數量的時間是否已經過去了(S231)。定位計算機還把當前數據與先前的數據進行比較(S232)以確定當前數據是否已經被更新了(S233)。如果有數據單元從先前的數據單元中更新了(在S233中的是)，則從所有更新的數據中提取事先已知位置的、固定位置發(fā)射站(在圖14所示的示例中的T1-T4)的數據(S234)。
使用該固定位置發(fā)射站的數據，確定了第一校正公式eij＝S1×log10(dij)+S2-Krj(2)定義了在強度eij(或者電磁場的傳播特性)和距離dij之間的一個關系。更確切地說，確定校正系數S1、S2和環(huán)境系數Krj以便最小化方程(3)(S235)。

然后，為其它(未知)發(fā)射站T5-T8假定由方程(4)定義的關系，而且使用確定的公式，對于不固定發(fā)射站(T5-T8)的數據求解方程(5)，以估計這些發(fā)射站的位置(S236)。mdij=10(eij-S2+Krj+Kti)/S1---(4)]]>

估計的位置被保存在服務器12中。把估計的位置與先前結果進行比較，以選定那些位置已經變化了一個預定值或更多的發(fā)射站(在S237中的是)和那些信號不在任何接收站處被接收的發(fā)射站(在S238中的是)。選定發(fā)射站的數據被記錄在服務器12中(S239)，而且一個報警消息被提供給相關的用戶終端(S240)。
在第二實施例的服務器12中的數據結構示例顯示在表格3和4中。表格3顯示了一個存儲從接收站提供的信號信息的數據結構，而表格4顯示了一個存儲從定位計算機11提供的估計結果的數據結構。
表3從接收站提供的信號信息的數據結構

表4從定位計算機提供的估計結果的數據結構

環(huán)境系數Kti反映一個發(fā)射站的周圍環(huán)境，而且當實際上試圖確定發(fā)射站位置時它提供了有用的信息。如果環(huán)境系數是大的，它指示該發(fā)射站相對于該接收站位于一個受遮蔽的位置處。如果該環(huán)境系數是小的，則該發(fā)射站位于一個開放空間或者一個無遮蔽的位置處。添加這樣的環(huán)境信息到該估計的位置，允許用戶實際地定位該目標發(fā)射站。
因為在第二實施例中，依據導致產生ID信號的因素，在ID信號上給予了不同類型的標識符，與第一實施例相比較用于未知發(fā)射站的估計精度被進一步提高了。此外，響應于激勵信號產生一個類型a的ID信號，在這個實施例中該激勵信號從接收站提供。因此，能夠使用于發(fā)送一個定期ID信號(即，類型b的ID信號)的時間間隔變得更長一些。這個方案能夠降低發(fā)射站的功耗。
如在第一實施例中說明的那樣，沒有從某一發(fā)射站接收一個信號的信息能夠被有效地用作一個限制條件。例如，來自發(fā)射站T2的一個信號在接收站R1、R2、和R 3處被接收了，但是未在R4處被接收。在這種情況下，限制條件d21＜d24d22＜d24d23＜d24被添加了。因此，甚至是未知信息也沒有被丟棄，而代之以，它在位置估計中被有效地使用了。發(fā)射站不局限于一個標簽，可以使用一個無線電設備、諸如蜂窩電話和移動終端的發(fā)送功能。
<改進1>
圖15和16說明了第二實施例中的定位系統的第一改進(改進1)。在改進1中，接收站31經由超聲波發(fā)送激勵信號，同時當發(fā)射站21接收該激勵信號時，該發(fā)射站21經由電磁波(例如，無線電波)產生和發(fā)送一個類型a的ID信號。發(fā)射站21的其它結構是相同的。因此，當感測任何由外界因素所引起的變化時，發(fā)射站21產生包含對應于檢測到的變化種類的不同類型標識符的ID信號。
當從發(fā)射站21接收一個ID信號時，接收站31測量ID信號的強度并且讀取標識符。測量的強度以及發(fā)射站和接收站本身的標識符，連同時標一起，被提供給服務器12。(時標可以由服務器12創(chuàng)建。)定位計算機11使用關于在電磁場的傳播特性(即，一個接收ID信號的強度)和距離之間的關系的一個校正算法。定位計算機11的操作流程與如圖14所示的相同。
<改進2>
圖17和18說明了第二實施例的第二種改進(改進2)。在改進2中，接收站32經由超聲波發(fā)送激勵信號，同時響應于該激勵信號，該發(fā)射站22經由超聲波產生和發(fā)送一個類型a的ID信號。
接收站31測量由超聲波承載的ID信號的強度，讀取標識符并且把測量的強度和標識符提供到服務器12。定位計算機11確定一個定義一個在超聲波傳播特性(即，強度)和距離之間的關系的第一校正公式，并且使用依據在圖14中顯示的算法確定的公式，估計一個未知發(fā)射站的位置。在圖14中顯示的算法同樣適用于由電磁波和超聲波承載的信號。
因此，當一個信號經由超聲波從在(xi yi)處的一個第i發(fā)射站中發(fā)送并且在(uj，vj)處的一個第j接收站接收時，在該第j接收站處測量超聲波信號的強度eij。在第i發(fā)射站和第j接收站之間的距離可以表示為方程(1)。dij=(xi-uj)2+(yi-vj)2---(1)]]>然后，使用實際測量的強度和已知的位置信息，確定一個定義在一個超聲波信號強度和距離之間的關系的第一校正公式。因為由于衍射和被介質(即，空氣)所吸收的能量損失而產生的球面擴散損失，通過空氣傳播的一個超聲波信號的強度隨著距離的增加而衰減。因此，一個超聲波信號的強度與距離具有一個對數關系，而且定義了方程(2)。
eij＝S1×log10(dij)+S2-Krj(2)其中S1、S2是校正系數而Krj是用于該接收站的一個環(huán)境系數。環(huán)境系數Krj是一個指數，指示接收站的靈敏度是如何偏離理想狀態(tài)變化的。
在這個階段，強度eij是從每一個位置事先已知的發(fā)射站T1-T4中發(fā)送、并且在一個接收站“j”測量的超聲波信號的強度。通過最小化由方程(3)表示的一個估計函數q，可以獲得使誤差最小化的、用于未知參數(S1、S2、和Krj)的解，其中方程(3)為 其中rn是已知接收站的數目，而且tn是已知發(fā)射站的數目。為了求解所有未知數，必須滿足rn×tn rn+2。在圖17所示的示例中，rn是四，而且tn是四。因此，所有的未知數都能夠被求解。
然后，引入用于發(fā)射站的一個環(huán)境系數Kti，并且使用S1、S2和Krj的確定值，為其它(未知)發(fā)射站T5-T8假定由方程(4)定義的關系。mdij=10(eij-S2+Krj+Kti)/S1---(4)]]>其中mdij是從超聲波信號的測量強度中導出的一個距離。如在使用電磁波的情況中那樣，通過最小化由方程(5)表示的一個估計函數hi，確定一個未知發(fā)射站“i”的位置和環(huán)境系數Kti。 估計的位置被保存在服務器12中。有關一個超聲波信號沒有在某一接收站被接收的未知信息被用作一個限制條件。
圖19說明了在第二改進中11的定位計算機11的操作流程。與在圖14中使用電磁波的那些步驟相同的步驟用相同的數字索引表示。定位計算機11檢查保存在服務器12中的數據的時標，而且確定一段預定數量的時間是否已經過去了(S231)。因為發(fā)射站不連續(xù)操作，而且因為ID信號可能由于信號重迭而不被接收到，所以執(zhí)行這個步驟以便防止被忽略。如果一段預定時間已經過去了(在S231中的是)，則定位計算機11在時標基礎上為每一種類型的標識符比較當前數據與先前數據(S232)。如果有數據單元從先前的數據單元中更新了(在S233中的是)，則從所有更新的數據中提取事先已知位置的、固定位置發(fā)射站(在圖19所示的示例中的T1-T4)的數據(S234)。
然后，獲得使方程(3)最小化的Krj、S1、和S2以確定關于在超聲波傳播特性和距離之間的關系的第一校正公式(S241)。使用有關超聲波傳播特性的確定的公式，通過相對于其它發(fā)射站(T5-T8)的數據求解方程(5)，估計未知發(fā)射站的位置(S243)。估計的位置被保存在服務器12中。
把估計的位置與先前結果進行比較，以選定那些位置已經變化了一個預定值或更多的發(fā)射站(在S237中的是)和那些信號不在任何接收站處被接收的發(fā)射站(在S238中的是)。選定發(fā)射站的數據被記錄在服務器12中(S239)，而且一個報警消息被提供給相關的用戶終端(S240)。
用于在服務器12中記錄來自接收站的信號信息和從定位計算機11提供的估計結果的數據結構和在表格3和4中顯示的那些相同。用戶終端3的結構和操作與第一實施例中描述的那些相同。
<改進3>
圖20和21說明了第二實施例的第三種改進(改進3)。在改進3中，接收站經由超聲波發(fā)送一個激勵信號，而且響應于該激勵信號，該發(fā)射站21經由超聲波產生和發(fā)送一個類型a的ID信號。
接收站31測量該超聲信號的強度，并且把測量結果連同在接收的超聲波信號中包含的標識符一起提供到服務器12。定位計算機11的操作流程與在改進2中的那個相同，并且將省略用于它的說明。
在第二實施例中，從接收站31提供激勵信號以便導致每一個發(fā)射站21發(fā)送一個ID信號。當實際上需要必要的位置信息時，該方案允許該系統獲得該必要的位置信息，同時延長電源的壽命。此外，當檢測到由于環(huán)境或者外界因素引起的任何變化，諸如在振動(加速)、入射光、溫度、和濕度中的一個變化時，發(fā)射站21產生并且發(fā)送其他類型的ID信號。這允許該系統考慮周圍的環(huán)境更準確地估計一個發(fā)射站的位置。
圖22是依據本發(fā)明第三實施例的定位系統的一個示意圖，而圖23說明了在第三實施例中使用的發(fā)射站21和接收站31。在第三實施例中，接收站31具有一個裝置，用于響應于該激勵信號、測量獲取一個類型a的ID信號所需要的一段傳輸時間。因此，如圖22中說明的那樣，除了強度e51之外，接收站R1測量從發(fā)射站T5獲取ID信號所需要的一段傳輸時間t51。其它固定位置的接收站R2-R4也測量強度和ID信號傳輸時間。
在第三實施例中，使用了一個定義在通過空氣的信號傳播時間和距離之間的關系的第二校正公式。通過使用第二校正公式，能夠更準確地估計一個發(fā)射站的位置。在第三實施例中，ID信號由電磁波進行傳送。
服務器12與從ID信號中讀取的發(fā)射站21的標識符相關聯地存儲并且管理從接收站31提供的強度數據和傳輸時間。定位計算機11基于測量的傳輸時間，使用校正系數，確定在發(fā)射站21和接收站31之間、通過空氣的電磁信號的一個傳播時間。然后，定位計算機11從一個規(guī)定比例常數與該傳播時間的比率中估計一個發(fā)射站的位置。因為在第三實施例中，該信號的傳播速率使用一個近似函數從實際測量的傳輸時間中進行校正，所以不必要測量空氣溫度或者濕度用于校正。
第三實施例的發(fā)射站21具有和在第二實施例中的那個相同的結構。發(fā)射站21具有一個微控制器22、一個發(fā)射機23、一個ID信號發(fā)生器25、以及一個傳感器26。ID信號發(fā)生器25定期產生一個包含那個發(fā)射站21的一個唯一標識符(ID)的ID信號。微控制器22控制發(fā)射站21的操作，并且具有內置的存儲器、諸如ROM和RAM。接收機24接收從接收站中發(fā)送過來的激勵信號，并且把該激勵信號提供到ID信號發(fā)生器25。傳感器26檢測由外界因素27所引起的、在各個參數中的變化，并且把檢測結果提供到ID信號發(fā)生器25。
發(fā)射站21設置一個長的振蕩周期，而不管傳感器26的ON/OFF操作。振蕩周期不必必須是完全恒定的。通過隨機地把振蕩周期變化幾個周期百分比，能夠避免從不同站發(fā)送過來的信號沖突。
依據導致發(fā)射站21產生ID信號的因素，ID信號發(fā)生器25產生不同類型的ID信號。當從一個接收站31中接收一個激勵信號時，ID信號發(fā)生器25產生一個類型a的ID信號。還基于周期振蕩產生一個類型b的ID信號。當已經由傳感器26感測到在運動中的一種變化或者加速度時，產生一個類型c的ID信號。當感測到在入射光、溫度、和濕度中的變化時，分別產生一個類型d、類型e、和類型f的ID信號。
接收站31具有一個微控制器32、一個接收機33、一個發(fā)射機34、一個激勵信號發(fā)生器35、一個防沖突確定單元36、以及一個時間計算單元37。微控制器32控制接收站21的操作，并且具有內置的存儲器、諸如ROM和RAM。激勵信號發(fā)生器35以一種定期方式產生一個激勵信號。接收機33接收第一到第三ID信號，并且測量相應信號的強度。防沖突確定單元36從相應類型的ID信號中讀取標識符(第一、第二、和第三標識符)。時間計算單元37測量響應于該激勵信號獲取ID信號所需要的傳輸時間。在這個實施例中，傳輸時間是從產生該激勵信號到從接收的ID信號中讀取標識符所用的時間。時間計算單元37可以被布置在發(fā)射機34和接收機33之間。在這種情況下，傳輸時間是從傳輸該激勵信號到接收該ID信號所用的時間。
<用于校正傳輸時間的算法>
如上面已經描述的那樣，定位計算機11使用校正系數，基于由接收站31測量的傳輸時間，確定一個定義在通過空氣的信號傳播時間和距離之間的關系的第二校正公式。
在圖22顯示的示例中，發(fā)射站T1-T4附著于接收站R1-R4上，而且它們的位置是事先已知的。發(fā)射站T1-T4的位置被認為是和接收站R1-R4的位置相同。發(fā)射站T5-T8是不固定的，而且它們的位置是未知的。
如果第j接收站的已知位置是(uj，vj)而且如果第i發(fā)射站的位置是(xi，yi)，則在第i發(fā)射站和第j接收站之間的距離用下面的方程(1)表示。dij=(xi-uj)2+(yi-vj)2---(1)]]>首先，使用固定位置接收站的已知位置信息校正從一個發(fā)射站獲取ID信號所需的傳輸時間tij。傳輸時間tij是信號通過空氣(在這個實施例中是電磁波)的傳播時間pij、在接收站中的一個信號傳播時間A、以及在發(fā)射站中的一個信號傳播時間b的總和。
tij＝pij+A+b (6)
在右手側的項當中，在接收站31中的傳播時間A能夠被認為在接收站當中是恒定的，因為使用一個足夠的電源實現了一個高速接收操作。相反，在發(fā)射站21中的傳播時間b和強度eij具有強烈的相關性，因為傳播的可逆性取決于每一個發(fā)射站的激勵信號檢測電路(沒有顯示)的配置。該相關性取決于用于檢測激勵信號的技術而變化，而且可以應用一個使用一個多項式或者一個指數函數的近似公式。例如，激勵信號的接收由一個二極管感測，并且對一個電容器充電。然后，當電壓到達一個預定的電平時，可以認為該激勵信號已經被檢測到了。在這種情況下，由方程(7)定義的一個近似公式假定使用一個指數函數，其描述了發(fā)射站中在強度eij和傳播時間b之間的相關性。
b＝f+gexp(-h×eij) (7)在方程(7)中，f，g、和h是校正系數。方程(7)被插入到方程(6)中以獲得方程(8)。
tij＝pij+A+f+gexp(-h×eij) (8)因為在發(fā)射站21和接收站31之間的距離dij與通過空氣的信號傳播時間pij成比例，所以方程(8)被修改為方程(9)。
pij＝tij-A-f-gexp(-h×eij)＝Kdij(9)方程(9)是第二校正公式，其中K是一個比例常數。
在這個階段，eij是從每一個位置事先已知的發(fā)射站T1-T4(稱為“已知發(fā)射站”)中發(fā)送過來的ID信號的強度。未知參數為五個，即A、F、g、h和K。如果A和f被認為是單個參數B(＝A+f)，則未知數的數目變?yōu)樗膫€。用于這些未知參數的、使誤差最小化的解可以通過最小化由下面的方程(10)給出的估計函數“qq”來獲得。 其中rn是位置已知接收站(稱為“已知接收站”)的數目，且tn是已知發(fā)射站的數目。為了求解所有未知數，必須滿足rn×tn4。在圖22所示的示例中，rn是四且tn是四。因此，所有的未知數都能夠被求解。為了說明起見，用在符號上面的一個弧形來標記未知數。
有許多已知的方法可用于求解方程(10)。例如，把函數qq對于每一個變量求偏微分，并且使用，例如牛頓法，獲得讓相應的偏微分為0的數值解。作為選擇，可以使用單純形法、最速下降法(或者鞍點法)、使用神經網絡的方法。使用這些方法的任何一個，確定校正系數B、g和h，以及用于信號傳播時間pij和距離dij的比例常數K。
使用由方程(10)確定的信號傳播時間pij，能夠導出從一個未知發(fā)射站到一個已知接收站的距離ndij。在ndij和pij之間的關系可由使用比例常數K的方程(11)表示。ndij=Pij/K={tij-B-gexp(-h×eij)}/K---(11)]]>其中ndij是從實際測量的傳輸時間中導出的一個距離。通過最小化由方程(12)表示的估計函數hhi，能夠確定第i未知發(fā)射站的位置。

為了說明起見，在方程(12)中用在符號上面的一個弧形來標記未知數。利用上面所述的方法；能夠從測量的傳輸時間中估計出第i未知發(fā)射站的位置(xi，yi)使用未知發(fā)射站的估計位置，也能夠提高用于這個發(fā)射站的環(huán)境系數Kti的估計精度。
首先，如在第二實施例中那樣，定義用于接收站j的環(huán)境系數Krj。環(huán)境系數Krj是一個指數，指示接收站的靈敏度是如何偏離理想狀態(tài)的。類似地，定義用于發(fā)射站i的環(huán)境系數Kti。
使用利用已知接收站位置信息的校正的Frii公式(即第一校正公式)校正在一個接收信號的強度和距離之間的關系。使用在已知發(fā)射站T1-T4和已知接收站R1-R4之間的實際測量值來確定一個定義在強度eij和距離dij之間的關系的第一校正公式。假定強度和距離具有一個對數關系，然后假定了方程(2)。
eij＝S1×log10(dij)+S2-Krj(2)其中S1和S2是校正系數。在這個階段，強度eij是已知發(fā)射站T1-T4中每一個發(fā)送、并且在已知接收站R1-R4中每一個處測量的一個ID信號的強度。通過最小化由方程(3)表示的一個估計函數q，可以獲得使誤差最小化的、用于在方程(2)中的未知數的解，其中方程(3)為 其中rn是已知接收站的數目，而且tn是已知發(fā)射站的數目。為了求解所有未知數，必須滿足rn×tn4。在圖22所示的示例中，rn是四且tn是四。因此，所有的未知數都能夠被求解。為了說明起見，用在符號上面的一個弧形來標記未知數。
可以通過，例如把函數q對于每一個變量求偏微分，并且使用牛頓法獲得讓相應的偏微分為0的數值解，來獲得用于方程(3)的解。作為選擇，可以使用單純形法、最速下降法(或者鞍點法)、使用神經網絡的方法，如在第二實施例中的那樣。使用這些方法的任何一個，能夠確定校正系數S1和S2。
接下來，引入用于未知發(fā)射站的環(huán)境系數Kti。雖然在一個發(fā)射站處的發(fā)送強度是恒定的，但是環(huán)境系數依據位置而變化，而且因此接收信號的強度也會變化。因此，在強度和距離之間的一個關系被假定為方程(4)，其除了由方程(3)確定的校正系數S1、S2和用于接收站的環(huán)境系數Krj之外，還引入用于發(fā)射站的環(huán)境系數Kti。mdij=10(eij-S2+Krj+Kti)/S1---(4)]]>其中mdij是從測量的強度中導出的一個距離。能夠通過最小化由方程(13)表示的估計函數hhhi獲得環(huán)境系數Kti。 為了說明起見，用在符號上面的一個弧形來標記未知數。對于發(fā)射站的位置(xi，yi)，使用了由使用用于傳輸時間的校正算法的方程(12)估計的值。以這樣的方式，提高了用于發(fā)射站i的環(huán)境系數Kti的估計精度。
如在第一和第二實施例中那樣，有關一個ID信號沒有在某一接收站處被接收到的信息被用作一個限制條件。因此，在位置估計中有效地使用了未知信息。
圖24說明了依據第三實施例的接收站31的操作流程。在一個用于發(fā)送一個激勵信號的時間處(在S311中的是)，接收站31把一個激勵信號發(fā)送到發(fā)射站21(S312)。然后，當響應于該激勵信號從發(fā)射站接收一個ID信號時，確認接收的信號是否是一個類型a的信號(S313)。如果已經接收了一個類型a的ID信號(在S313中的是)，則測量獲取ID信號所需要的傳輸時間(例如，從激勵信號的產生直到讀取該標識符所需要的時間)(S314)。還測量了接收的ID信號的強度(S315)。測量的傳輸時間和強度，連同發(fā)射站的標識符、接收站本身的標識符、和時標一起被提供給服務器12(S316)。時標可以由服務器12創(chuàng)建。
發(fā)射站不僅當接收了一個激勵信號時發(fā)送ID信號，而且當檢測到由于外界因素引起的變化時也發(fā)送ID信號。因此，該接收站確定是否其他類型的ID信號已經被接收了(S317)。如果一個不同于類型a的ID信號的ID信號已經被接收了(在S317中的是)，則從ID信號中讀取標識符，并且測量該ID信號的強度(S318)。測量的強度，發(fā)射站的標識符、和接收站本身的標識符、連同時標一起被提供給服務器12(S319)。
圖25說明了依據第三實施例的定位計算機11的操作流程。定位計算機11檢查保存在服務器12中的數據的時標，而且確定一段預定數量的時間是否已經過去了(S331)。因為發(fā)射站不連續(xù)操作，而且因為ID信號可能由于信號重迭而不被接收，所以執(zhí)行這個步驟以便防止被忽略。然后，基于時標，為每一個標識符把當前數據和先前數據相比較(S332)以確定當前數據是否已經被更新了(S333)。如果有數據單元從先前的數據單元中更新了(在S333中的是)，則從所有更新的數據中提取事先已知位置的、固定位置發(fā)射站(在圖22所示的示例中的T1-T4)的數據(S334)。
使用該固定位置發(fā)射站的數據，確定使方程(10)最小化的校正系數B、g、h和用于pij(通過空氣的信號傳播)與dij(距離)的比值的比例常數K(S335)。此外，確定使方程(3)最小化的校正系數S1、S2和環(huán)境系數Krj以提供一個用于該電磁場的傳播公式(S336)。
然后，使用適當的算法估計數據更新了的發(fā)射站的位置，其中該算法取決于下列情況
1)從ID信號中讀取的標識符是類型a的(這就是說，響應于激勵信號發(fā)送的ID信號)；或者2)從ID信號中讀取的標識符是類型b-f的信號之一(這就是說，通過周期振蕩或者檢測到變化而自發(fā)傳送的ID信號)。
因此，確定來自數據更新了的發(fā)射站的ID信號是否是類型a的信號(S337)。如果該ID信號是類型a的ID信號(在S337中的是)，則求解方程(12)以從測量的傳輸時間中估計該發(fā)射站的位置(S338)。估計結果被保存在服務器12中。然后，求解方程(13)以從估計的位置和測量的強度中確定用于該發(fā)射站的環(huán)境系數Kti(S339)。確定的環(huán)境系數Kti也被保存在服務器12中。
在另一方面，如果來自數據更新了的發(fā)射站的ID信號是類型b-f的ID信號之一(在S337中的否)，則用該發(fā)射站的位置作為一個未知參數來求解方程(13)以估計該發(fā)射站的位置和環(huán)境系數(S340)。估計結果被保存在服務器12中。
如果有任何其他的更新數據(在S341中的是)，重復步驟S337到S340為該更新的數據估計發(fā)射站的位置和環(huán)境系數。如果沒有更多的數據更新了的發(fā)射站(在S341中的否)，則把估計的結果與先前結果進行比較，以選定那些位置已經變化了一個預定值或更多的發(fā)射站(在S342中的是)和那些信號不在任何接收站處被接收的發(fā)射站(在S343中的是)。選定發(fā)射站的數據被記錄在服務器12中(S344)，而且把一個報警消息提供給相關的用戶終端(S345)。
表格5顯示了在服務器12中記錄來自接收站的數據的一個數據結構的一個示例，且表格6顯示了記錄從定位計算機11提供的估計結果的一個數據結構的一個示例。
表5從接收站提供的信號信息的數據結構

表6從定位計算機提供的估計結果的數據結構

環(huán)境系數Kti反映一個發(fā)射站的周圍環(huán)境，而且當實際試圖確定發(fā)射站位置時它提供了有用的信息。如果環(huán)境系數是大的，它指示該發(fā)射站相對于該接收站位于一個受遮蔽的位置處。如果該環(huán)境系數是小的，則該發(fā)射站位于一個開放空間或者一個無遮蔽的位置處。添加這樣的環(huán)境信息到該估計的位置，允許用戶實際地定位該目標發(fā)射站。
用戶終端3具有兩種功能，如在第一和第二實施例中那樣，即，接收從定位計算機11提供的一個報警消息，以及檢索一個目標發(fā)射站的位置。用戶把目標發(fā)射站的標識符(ID)輸入到用戶終端中。用戶終端訪問服務器12以在服務器12中檢索那個標識符的過去記錄，諸如時標、位置信息、環(huán)境系數、等。檢索結果顯示在用戶終端上。
用戶能夠從由時標和相應的環(huán)境系數描述的位置信息中確定該目標發(fā)射站是否位于一個開放空間處。此外，用戶能夠從該過去記錄中確定何時在發(fā)射站處接收了一個激勵信號或者何時已經檢測到了外部變化。
在該第三實施例中，使用了獲取一個ID信號所需要的傳輸時間，連同接收的ID信號的強度，來估計一個發(fā)射站的位置。估計結果與僅僅使用強度的情況相比較要更加精確。
由于當定義一個第二校正公式時，使用一個近似函數來從實際測量值中校正了通過空氣的信號傳播時間，所以沒有必要測量在空氣中的溫度和濕度來用于校正。
也使用一個近似函數來從實際測量值中校正在強度和時間之間的關系。因此，即使一個接收站為了降低功耗而不能執(zhí)行高速接收操作，仍然提高了估計精度。
圖26說明了依據本發(fā)明第四實施例的一個定位系統，圖27說明了在圖26所示的系統中使用的發(fā)射站21和接收站31的結構。在該第四實施例中，一個接收站R1固定在一個已知位置處(在下文中稱為“固定位置接收站”)，而另一個接收站R2自由地移動(在下文中稱為“移動接收站”)，這兩個接收站用來估計多個發(fā)射站的位置。
如圖26所示，一個定位系統包括一個固定位置接收站(或者一個第一接收站R1)51a、一個移動接收站(或者一個第二接收站R2)51b、發(fā)射站21(T1-T8)、一個定位計算機11、和用戶終端3。定位計算機11、服務器12、和用戶終端3經由LAN 2互相連接。由于在第四實施例中使用了一個移動接收站R2，所以接收站51經由一個無線網絡連接到服務器12。為此，服務器12具有一個無線LAN基站41。接收站51a和51b中的每一個也都具有一個無線LAN蜂窩站40。
接收站51a和51b每一個都具有一個微控制器32、一個接收機33、一個發(fā)射機34、一個激勵信號發(fā)生器35、一個防沖突確定單元36、以及一個時間計算單元37。微控制器32控制接收站51的操作，并且具有內置的存儲器、諸如ROM和RAM。激勵信號發(fā)生器35產生一個激勵信號，而且發(fā)射機34把該激勵信號發(fā)送到發(fā)射站。接收機33從每一個發(fā)射站接收一個ID信號并且測量接收的ID信號的強度。防沖突確定單元36從該ID信號中讀取或者提取標識符。時間計算單元37測量獲取該ID信號所需要的一段傳輸時間。在第四實施例中，傳輸時間是從激勵信號的產生開始直到讀取該標識符所需要的時間。然而，時間計算單元37可以連接在發(fā)射機34和接收機33之間。在這種情況下，傳輸時間是從傳輸該激勵信號開始、直到接收該ID信號所需的時間。
發(fā)射站21和在第二和第三實施例中的說明的發(fā)射站具有相同的結構。即，發(fā)射站21具有一個微控制器22、一個發(fā)射機23、一個ID信號發(fā)生器25、以及一個傳感器26。ID信號發(fā)生器25定期產生一個包含那個發(fā)射站21的一個唯一標識符(ID)的ID信號。微控制器22控制發(fā)射站21的操作，并且具有內置的存儲器、諸如ROM和RAM。接收機24接收從接收站中發(fā)送過來的激勵信號，并且把該激勵信號提供到ID信號發(fā)生器25。傳感器26檢測由外界因素27所引起的、在各個參數中的變化，并且把檢測結果提供到ID信號發(fā)生器25。ID信號發(fā)生器25除了產生一個相對長間隔的周期信號之外，還當從接收站接收了激勵信號時和當檢測到一個變化時，產生各種類型的ID信號。利用這個方案，當實際地需要一個ID信號時就發(fā)送該信號，而且可以降低電池的能量消耗。還可以減小日志文件的大小。傳感器26由一個使用一個倒擺的加速度傳感器、一個光傳感器、一個溫度傳感器、一個濕度傳感器、及其他類型的傳感器的一個組合實現。
定位計算機11基于保存在服務器12中的數據，使用第一和第二校正公式，依據如下所述的算法，估計一個發(fā)射站的位置。
<用于校正傳輸時間的算法>
在圖26所示的示例中，發(fā)射站T1-T4的位置是已知的(而且這些發(fā)射站被稱為“已知發(fā)射站”)。固定位置接收站R1被設置在和發(fā)射站T1相同的位置處，而且它的位置是(u1，v1)。移動接收站R2隨著它的位置改變而移動，如由虛線箭頭指示的那樣。為了便于說明和估計，R3和R4表示移動接收站的新位置。移動接收站R2的第j位置是(uj，vj)。發(fā)射站T5-T8的位置是未知的(而且這些發(fā)射站被稱為“未知發(fā)射站”)，而且第i發(fā)射站的位置是(xi，yi)。一個ID信號經由電磁波從一個發(fā)射站發(fā)送到接收站R1和R2，在第j位置處的接收站(為了方便起見，稱為第j接收站)接收的ID信號的強度是eij。在第i發(fā)射站和第j接收站之間的距離是dij，其可以表示為方程(1)。dij=(xi-uj)2+(yi-vj)2---(1)]]>首先，使用固定位置接收站的已知位置信息校正獲取ID信號和讀取該標識符所需的傳輸時間tij。傳輸時間tij是信號通過空氣(在這個實施例中是電磁波)的傳播時間pij、在接收站中的一個信號傳播時間A、以及在發(fā)射站中的一個信號傳播時間b的總和。
tij＝pij+A+b(6)在右手側的項當中，在接收站51中的傳播時間A可以被認為在多個接收站當中是恒定的，因為使用一個足夠的電源實現了一個高速接收操作。相反，在發(fā)射站21中的傳播時間b與強度eij具有強烈的相關性，因為傳播的可逆性取決于每一個發(fā)射站的激勵信號檢測電路(沒有顯示)的配置。該相關性依據用于檢測激勵信號的技術而變化，而且可以應用一個使用一個多項式或者一個指數函數的近似公式。例如，激勵信號的接收由一個二極管感測，并且對一個電容器充電。然后，當電壓到達一個預定的電平時，可以認為該激勵信號已經被檢測到了。在這種情況下，由方程(7)定義的一個近似公式假定使用一個指數函數，其描述了在發(fā)射站中在強度eij和傳播時間b之間的相關性。
b＝f+gexp(-h×eij) (7)在方程(7)中，f，g、和h是校正系數。方程(7)被插入到方程(6)中以獲得方程(8)。
tij＝pij+A+f+gexp(-h×eij) (8)因為在發(fā)射站21和接收站31之間的距離dij與通過空氣的信號傳播時間pij成比例，所以方程(8)被修改為方程(9)。
pij＝tij-A-f-gexp(-h×eij)＝Kdij(9)
方程(9)是第二校正公式，其中K是一個比例常數。
在這個階段，eij是從每一個位置事先已知的發(fā)射站T1-T4(稱為“已知發(fā)射站”)中發(fā)送過來的ID信號的強度。未知參數為五個，即A、F、g、h和K。如果A和f被認為是單個參數B(＝A+f)，則未知數的數目變?yōu)樗膫€。用于這些未知參數的、使誤差最小化的解可以通過最小化由下面的方程(14)給出的估計函數“qqq”來獲得。 其中rn是已知位置接收站的數目，而且tn是已知發(fā)射站的數目。為了求解所有未知數，必須滿足rn×tn4。在圖26所示的示例中，rn是一且tn是四。因此，所有的未知數都可以被求解。為了說明起見，用在符號上面的一個弧形來標記未知數。
有許多已知的方法可用于求解方程(14)。例如，把函數qqq對于每一個變量求偏微分，并且可以使用例如牛頓法，獲得讓相應的偏微分為0的數值解。作為選擇，可以使用單純形法、最速下降法(或者鞍點法)、使用神經網絡的方法。使用這些方法中的任何一個，確定了校正系數B、g和h，以及用于信號傳播時間pij和距離dij的比例常數K。
使用由方程(14)確定的信號傳播時間pij，可以導出從一個未知發(fā)射站到一個已知接收站的距離ndij。在ndij和pij之間的關系可由使用比例常數K的方程(15)表示。nndij=pij/K={tij-B-gexp(-h×eij)}/K---(15)]]>
其中nndij是從測量的傳輸時間中導出的一個距離。然后，求解方程(3)以確定校正系數S1、S2和用于該接收站的環(huán)境系數Krj。
<當移動接收站移動時使用的算法>
當移動接收站R2移動到R3、以及到R4時，通過最小化由方程(16)表示的估計函數hhhhj，使用在T1-T4當中至少三個已知發(fā)射站的位置信息，可以估計該移動接收站的新位置(uj，vj)，其中方程(16)為hhhhj=Σi=1ttn({tij-B-g exp(-h×eij)}/K-(xi-u)j)2+(yi-v)j)2)2---(16)]]>其中ttn是其位置信息可以被使用的已知發(fā)射站的數目。為了說明起見，用在符號上面的一個弧形來標記未知數。
然后，把一個激勵信號從位于估計位置的移動站發(fā)送到一個未知的發(fā)射站。這個未知發(fā)射站的位置可以使用有關接收站的至少三個位置的信息(包括固定位置接收站R1的位置信息、以及移動接收站的估計位置R2，R3…)進行估計。通過最小化由方程(17)表示的估計函數hhhhhi，估計未知發(fā)射站的位置(xi，yi)。 其中rrn是用于估計的接收站的可用位置的數目。為了說明，用在符號上面的一個弧形來標記未知數。
<當已知發(fā)射站在區(qū)域外面時使用的算法>
隨著移動接收站51b的移動，固定在已知位置的的發(fā)射站T1-T4會處于該接收站51b的通信區(qū)域外面。因此，已經以上述方式進行估計的發(fā)射站T5-T8的位置被用于估計該移動接收站51b的一個新位置。
使用利用第二校正公式的時間校正算法和用于移動接收站的算法，順序地估計出未知發(fā)射站T5-T8的位置。通過利用估計的位置信息，可以提高用于這個發(fā)射站的環(huán)境系數Kti的估計精度。
定義了用于接收站“j”的環(huán)境系數Krj。環(huán)境系數Krj是一個指數，指示接收站的靈敏度是如何偏離理想狀態(tài)變化的。類似地，也定義了用于一個目標發(fā)射站的環(huán)境系數Kti。
首先，使用校正系數S1、S2、以及一個環(huán)境系數Krj來校正Frii公式，以使用在發(fā)射站21和接收站51之間的實際測量值，定義在距離“d”和強度“e”之間的一個關系?；诰嚯x和強度是對數關系的假定，定義了方程(2)。
eij＝S1×log10(dij)+S2-Krj(2)其中S1和S2是校正系數。在這個階段，eij是從一個位置已經被估計出來的已知發(fā)射站發(fā)送過來的ID信號的強度。用于這些未知參數的、使誤差最小化的解可以通過最小化由方程(3)給出的估計函數q獲得。該估計函數q為 其中rn是已知位置接收站的數目，而tn是已知發(fā)射站的數目。為了求解所有未知數，必須滿足un×tn rn+2。在圖26所示的示例中，rn是一且tn是四。因此，所有的未知數都可以被求解。為了說明起見，用在符號上面的一個弧形來標記未知數。
有許多方法用于求解方程(3)，例如通過把函數q對每一個變量進行偏微分，并且使用牛頓法獲得讓相應的偏微分為0的數值解。作為選擇，可以使用單純形法、最速下降法(或者鞍點法)、使用神經網絡的方法。使用這些方法中的任何一個，可以確定校正系數S1、S2以及環(huán)境系數Krj。
接下來，引入用于一個未知發(fā)射站的環(huán)境系數Kti。雖然在一個發(fā)射站處的發(fā)送強度是恒定的，但是環(huán)境系數取決于位置而變化，因此在強度和距離之間的一個關系被假定為方程(4)，其引入用于發(fā)射站的環(huán)境系數Kti。方程(4)包含已經由方程(3)確定的系數S1、S2和用于接收站的環(huán)境系數Krj。mdij=10(eij-S2+Krj+Kti)/S1---(4)]]>其中mdij是從測量的強度中導出的一個距離。kti可以通過最小化由方程(18)表示的估計函數hhhhhhi來確定。 為了說明起見，用在符號上面的一個弧形來標記未知數。在方程(18)中，使用估計值來描述位置(xi，yi)，其中該估計值是使用方程(17)從測量的強度和傳輸時間中確定得到的。
在第四實施例中，定位計算機11執(zhí)行下列步驟(1)使用實際測量的強度和傳輸時間，以及已知的位置信息確定在第一和第二校正公式中的未知數；(2)使用未知數的確定值和已知位置信息估計該移動接收站的一個新位置(算法A)；以及(3)使用該移動接收站的已知或者估計位置信息估計一個未知發(fā)射站的位置(算法B)。
隨著移動接收站R2的移動，它的通信區(qū)域也在移動。通過隨著通信區(qū)域的移動重復算法A和B，可以在新區(qū)域中順序地獲得未知發(fā)射站的位置和環(huán)境系數。結果，在一個廣闊的區(qū)域上實現了高精度的位置估計。
估計結果(包括未知發(fā)射站的位置和移動接收站R2的新位置)被保存在服務器12中。為了獲得一個目標發(fā)射站的位置，用戶簡單地通過用戶終端3輸入目標發(fā)射站的標識符，其經由LAN 2在服務器12中進行檢索。
如在第一到第三實施例中那樣，當一個ID信號不能在某一接收站處接收時，這個未知信息被用作一個限制條件。例如，來自發(fā)射站T2的一個信號在接收站R1、R2、和R3處被接收了，但是未在R4處被接收。在這種情況下，限制條件d21＜d24d22＜d24d23＜d24被添加了。因此，甚至是未知信息也沒有被丟棄，而代之以，它在位置估計中被有效地使用了。
圖28說明了接收站51的操作流程?；旧希潭ㄎ恢媒邮照?1a(R1)和移動接收站51b(R2→R3→R4)執(zhí)行相同的操作，其和在第三實施例中使用的接收站31執(zhí)行的操作相同。
在一個用于發(fā)送一個激勵信號的時間處(在S411中的是)，接收站31把一個激勵信號發(fā)送到發(fā)射站21(S412)。然后，當響應于該激勵信號從發(fā)射站接收一個ID信號時，確認所接收的信號是否是一個類型a的ID信號(S413)。如果已經接收了一個類型a的ID信號(在S413中的是)，則測量獲取ID信號所需要的傳輸時間(例如，從激勵信號的產生開始直到讀取該標識符所需要的時間)(S414)。
也測量了接收的ID信號的強度(S415)。測量的傳輸時間和強度，連同發(fā)射站的標識符、接收站本身的標識符、和時標一起被提供給服務器12(S416)。時標可以由服務器12創(chuàng)建。
發(fā)射站不僅當接收了一個激勵信號時發(fā)送ID信號，而且當檢測到由于外界因素引起的變化時也發(fā)送ID信號。因此，該接收站確定是否其他類型的ID信號已經被接收了(S417)。如果一個不同于類型a ID信號的ID信號已經被接收了(在S417中的是)，則從ID信號中讀取標識符，并且測量該ID信號的強度(S418)。測量的強度，發(fā)射站的標識符、和接收站本身的標識符、連同時標一起被提供給服務器12(S419)。
圖29說明了依據第四實施例的定位計算機11的操作流程。定位計算機11檢查保存在服務器12中的數據的時標，而且確定一段預定數量的時間是否已經過去了(S431)。因為發(fā)射站不連續(xù)操作，而且因為ID信號可能由于信號重迭而不被接收，所以執(zhí)行這個步驟以便防止被忽略。然后，基于時標，為每一個標識符把當前數據和先前數據相比較(S432)以確定當前數據是否已經被更新了(S433)。如果有數據單元從先前的數據單元中更新了(在S433中的是)，則從所有更新的數據中提取事先位置已知的、固定位置發(fā)射站的數據(在圖26所示的示例中的T1-T4)。使用該固定位置發(fā)射站的數據，確定使方程(14)最小化的校正系數B、g、h和用于pij(通過空氣的信號傳播時間)與dij(距離)的比值的比例常數K。此外，確定使方程(3)最小化的校正系數S1、S2和環(huán)境系數Krj以提供一個用于該電磁場的傳播公式(S434)。
(A)然后，從在一個未知位置的接收站R2提供的數據中提取出已知或者估計位置的發(fā)射站的數據(S4 35)。然后確定來自一個數據更新的發(fā)射站的ID信號是否是類型a的信號(S436)。如果ID信號是類型a的信號(在S436中的是)，則使用測量的強度和獲取該標識符所需要的的傳輸時間來求解方程(16)以估計該移動接收站的位置。估計結果被保存在服務器12中。此外，求解方程(3)以確定在估計位置處的移動接收站的環(huán)境系數Krj，其也被保存在服務器12中(S437)。
在另一方面，如果該ID信號是類型b-f的ID信號之一(在S436中的否)，則用該移動接收站的位置作為一個未知參數來求解方程(3)，以估計該接收站的位置和環(huán)境系數。估計結果被保存在服務器12中(S438)。步驟435-438對應于上面描述的算法(A)。
(B)然后，從固定位置接收站R1或者在估計位置(R2、R3)處的移動接收站提供的數據中提取一個未知發(fā)射站的數據(S439)。對于數據更新的發(fā)射站確定該ID信號是否是類型a的ID信號(S440)。如果ID信號是類型a的ID信號(在S440中的是)，則使用測量的傳輸時間和強度求解方程(17)以估計未知發(fā)射站的位置，該位置信息被保存在服務器12中。此外，求解方程(18)以估計用于那個發(fā)射站的環(huán)境系數Kti，該值也被保存在服務器12中(S441)。
在另一方面，如果該ID信號不是類型a的ID信號(在S440中的否)，則用該目標發(fā)射站的位置作為一個未知參數來求解方程(18)，以估計該目標(未知)發(fā)射站的位置和環(huán)境系數。估計結果被保存在服務器12中(S442)。步驟S439到S442對應于上面描述的算法(B)。
為所有數據被更新的發(fā)射站重復步驟S435-S442(也就是說，算法(A)和(B))(在S443中的是)。把當前估計結果和先前的結果進行比較，以選擇那些已經移動一個預定量或更多的發(fā)射站(在S444中的是)和那些其ID信號沒有在任何接收站處被接收的發(fā)射站(在S445中的是)。選擇結果被保存在服務器12中(S446)，而且把一個報警消息提供給相關的用戶終端(S447)。
表格7顯示在服務器12中記錄來自接收站51的數據的一個數據結構的一個示例，而表格8了顯示記錄從定位計算機11提供的估計結果的一個數據結構的一個示例。
表格7從接收站提供的信號信息的數據結構

表格8從定位計算機提供的估計結果的數據結構

環(huán)境系數Kti反映一個發(fā)射站的周圍環(huán)境，而且當實際地試圖確定發(fā)射站位置時它提供了有用的信息。如果環(huán)境系數是大的，它指示該發(fā)射站相對于該接收站位于一個受遮蔽的位置處。如果該環(huán)境系數是小的，則該發(fā)射站位于一個開放空間或者一個無遮蔽的位置處。添加這樣的環(huán)境信息到該估計位置，允許用戶實際地定位該目標發(fā)射站。
用戶終端3具有兩種功能，如在第一到第三實施例中那樣，即，接收從定位計算機11提供的一個報警消息，以及檢索一個目標發(fā)射站的位置。用戶把目標發(fā)射站的標識符(ID)輸入到用戶終端中。該用戶終端訪問服務器12以在服務器12中檢索那個標識符的過去記錄，諸如時標、位置信息、環(huán)境系數、等。檢索結果顯示在用戶終端上。
用戶可以從由時標和相應的環(huán)境系數描述的位置信息中確定該目標發(fā)射站是否位于一個開放空間處。此外，用戶可以從該過去記錄中確定何時在發(fā)射站處接收了一個激勵信號或者何時已經檢測到了外部變化。
在第四實施例中，使用一個固定位置接收站和一個移動接收站，實現了在一個廣闊的區(qū)域上對許多發(fā)射站的精確位置估計。例如，使用了有關在已知位置處的四個發(fā)射站和一個接收站的位置信息，同時允許另一個接收站是移動的。從已知發(fā)射站和已知接收站的位置信息、以及測量的傳輸時間和強度中確定在第一和第二校正公式中的未知參數。然后，(A)從至少三個已知或者估計位置的發(fā)射站的位置信息中估計在一未知位置處的移動接收站的位置，以及(B)從至少三個已知及/或估計位置的接收站的位置信息中估計一個未知發(fā)射站的位置。通過重復操作(A)和(B)，順序地估計出未知發(fā)射站的坐標。
作為第四實施例的一個應用，固定位置接收站51a可以被實現為一個門，而移動接收站51b可以附著于一個物體，諸如一個真空吸塵器上，其在一個預定區(qū)域內四處移動。
雖然在第四實施例中僅僅使用了單個固定位置接收站，但是兩個或更多固定位置接收站可以與一個移動接收站相結合。在這種情況下，如果固定位置接收站的數目是rn，并且如果已知發(fā)射站的數目是tn，則必須滿足rn×tn 4和rn×tn rn+2。如果使用了兩個固定位置接收站，則在最初階段需要的已知發(fā)射站數目是二。
圖30說明了依據第五實施例的一個定位系統，而且圖31說明了在圖30所示的系統中使用的發(fā)射站2 1和接收站51的結構。在第五實施例中，僅僅使用了單個移動接收站，而不使用一個固定位置接收站。
如在圖30中說明的那樣，第五實施例的定位系統包括一個移動接收站51、發(fā)射站21(T1-T10)、一個服務器12、一個定位計算機11、和用戶終端3。定位計算機11、服務器12、和用戶終端3經由LAN 2互相連接。因為在第五實施例中，使用了單個移動接收站51，所以服務器12具有一個無線LAN基站41，而且接收站51具有一個無線LAN蜂窩站40。
移動接收站51具有一個微控制器32、一個接收機33、一個發(fā)射機34、一個激勵信號發(fā)生器35、一個防沖突確定單元36、以及一個時間計算單元37。微控制器32控制接收站51的操作，并且具有內置的存儲器、諸如ROM和RAM。激勵信號發(fā)生器35產生一個激勵信號，而且發(fā)射機34把該激勵信號發(fā)送到發(fā)射站。接收機33從每一個發(fā)射站接收一個ID信號并且測量接收的ID信號的強度。防沖突確定單元36從該ID信號中讀取或者提取標識符。時間計算單元37測量獲取該ID信號所需要的傳輸時間。在第四實施例中，傳輸時間是從激勵信號的產生開始直到讀取該標識符所需要的時間。然而，時間計算單元37可以連接在發(fā)射機34和接收機33之間。在這種情況下，傳輸時間是從傳輸該激勵信號開始、直到接收該ID信號所需的時間。
發(fā)射站21和在第二到第四實施例中的說明的發(fā)射站具有相同的結構。即，發(fā)射站21具有一個微控制器22、一個發(fā)射機23、一個ID信號發(fā)生器25、以及一個傳感器26。ID信號發(fā)生器25定期產生一個包含那個發(fā)射站21的一個唯一標識符(ID)的ID信號。微控制器22控制發(fā)射站21的操作，并且具有內置的存儲器、諸如ROM和RAM。接收機24接收從接收站中發(fā)送過來的激勵信號，并且把該激勵信號提供到ID信號發(fā)生器25。傳感器26檢測由外界因素27所引起的、在各個參數中的變化，并且把檢測結果提供到ID信號發(fā)生器25。ID信號發(fā)生器25除了產生一個相對長間隔的周期信號之外，還當從接收站接收了激勵信號時和當檢測到一個變化時，產生不同類型的ID信號。利用這個方案，當實際地需要一個ID信號時發(fā)送該信號，而且可以降低電池的能量消耗。還可以減小日志文件的大小。傳感器26由一個使用一個倒擺的加速度傳感器、一個光傳感器、一個溫度傳感器、一個濕度傳感器、及其他類型的傳感器的一個組合實現。
定位計算機11基于從移動接收站51經由無線LAN提供到服務器12的數據，依據如下所述的算法，估計一個發(fā)射站的位置。
<用于校正傳輸時間的算法>
在圖30所示的示例中，發(fā)射站T1-T7的位置是已知的(而且這些發(fā)射站被稱為“已知發(fā)射站”)。移動接收站R2隨著它的位置R1→R2→R3→R4改變而移動，如由虛線箭頭指示的那樣。移動接收站51的初始位置R1是(u1，v1)，而且移動接收站51的第j位置是(uj，vj)。發(fā)射站T8-T10的位置是未知的(而且這些發(fā)射站被稱為“未知發(fā)射站”)，而且第i發(fā)射站的位置是(xi，yi)。一個ID信號經由電磁波從一個發(fā)射站發(fā)送到接收站51，而且在第j位置處的接收站(為了方便起見，稱為第j接收站)接收的ID信號的強度是eij。在第i發(fā)射站和第j接收站之間的距離是dij，其可以表示為方程(1)。dij=(xi-uj)2+(yi-vj)2---(1)]]>首先，使用已知發(fā)射站的已知位置信息來校正獲取ID信號和讀取該標識符所需要的傳輸時間tij。傳輸時間tij是信號通過空氣(在這個實施例中是電磁波)的傳播時間pij、在接收站中的一個信號傳播時間A、以及在發(fā)射站中的一個信號傳播時間b的總和。
tij＝pij+A+b(6)在右手側的項當中，在接收站51中的傳播時間A可以被認為是恒定的，因為使用一個充足的電源實現了一個高速接收操作。相反，在發(fā)射站21中的傳播時間b和強度eij具有強烈的相關性，因為傳播的可逆性取決于每一個發(fā)射站的激勵信號檢測電路(沒有顯示)的配置。該相關性依據用于檢測激勵信號的技術而變化，而且可以應用一個使用一個多項式或者一個指數函數的近似公式。例如，激勵信號的接收由一個二極管感測，并且對一個電容器充電。然后，當電壓到達一個預定的電平時，可以認為該激勵信號已經被檢測到了。在這種情況下，由方程(7)定義的一個近似公式假定使用一個指數函數，其描述了在發(fā)射站中強度eij和傳播時間b之間的相關性。
b＝f+gexp(-h×eij) (7)在方程(7)中，f，g、和h是校正系數。方程(7)被插入到方程(6)中以獲得方程(8)。
tij＝pij+A+f+gexp(-h×eij)(8)因為在發(fā)射站21和接收站51之間的距離dij與通過空氣的信號傳播時間pij成比例，所以方程(8)被修改為方程(19)。pij=tij-A-f-gexp(-h×eij)=Kdij=K(xi-uj)2+(yi-vj)2---(19)]]>其中K是一個比例常數。
在這個階段，eij是從每一個位置事先已知的發(fā)射站T1-T7(稱為“已知發(fā)射站”)中發(fā)送過來的ID信號的強度。未知參數為七個，即A、F、g、h、K、uj和vj。如果A和f被認為是單個參數B(＝A+f)，則未知數的數目變?yōu)榱鶄€。用于這些未知參數的、使誤差最小化的解可以通過最小化由方程(20)給出的估計函數“qqqq”來獲得。該方程(20)為 其中rn是接收站的數目，而且tn是已知發(fā)射站的數目。為了求解所有未知數，必須滿足rn×tn 3×rn+4。在圖30所示的示例中，rn是一且tn是七。因此，所有的未知數都可以被求解。為了說明起見，用在符號上面的一個弧形來標記未知數。
有許多已知的方法可用于求解方程(20)。例如，把函數qqqq對于每一個變量求偏微分，并且可以使用例如牛頓法，獲得讓相應的偏微分為0的數值解。作為選擇，可以使用單純形法、最速下降法(或者鞍點法)、使用神經網絡的方法。使用這些方法中的任何一個，確定了校正系數B、g和h、一個用于信號傳播時間pij和距離dij的比例常數K、以及接收站51的位置(uj，vj)。
使用由方程(20)確定的信號傳播時間pij，可以導出從一個未知發(fā)射站到一個已知接收站的距離nndij。在ndij和pij之間的關系可由使用比例常數K的方程(21)表示。nnndij=pij/K={tij-B-gexp(-h×eij)}/K---(21)]]>其中nndij是從實際測量的傳輸時間中導出的一個距離。然后，使用由方程(20)確定的K、B、g、h結合在估計位置的接收站51處測量的強度和傳輸時間，可以估計一個未知發(fā)射站的位置。
<當移動接收站移動時使用的算法>
當移動接收站51從R1移動到R2以及到R3時，使用方程(20)，使用已知發(fā)射站T1-T7的位置信息，可以估計該移動接收站51的新位置(uj，vj)。
移動接收站51在每一個估計位置處把一個激勵信號發(fā)送到一個未知發(fā)射站。然后，該接收站51的至少三個估計位置“j”被用來估計未知發(fā)射站“i”的位置(xi，yi)。通過最小化由方程(22)表示的估計函數hhhhhhhi，進行該估計。 其中rrrn是移動接收站51的可用(估計的)位置的數目。為了說明起見，用在符號上面的一個弧形來標記未知數。
<當已知發(fā)射站在區(qū)域外面時使用的算法>
隨著移動接收站51的移動，固定在已知位置的發(fā)射站T1-T7會落在該接收站51的通信區(qū)域外面。因此，已經以上述方式進行估計的發(fā)射站T8-T10的位置被用于估計該移動接收站51的一個新位置。
使用利用第二校正公式的時間校正算法和用于一個移動接收站的算法，順序地估計出發(fā)射站T8-T10的位置。通過利用估計的位置信息，可以提高用于這個發(fā)射站的環(huán)境系數Kti的估計精度。
如在先前的實施例中那樣，首先定義用于接收站“j”的環(huán)境系數krj。環(huán)境系數Krj是一個指數，指示接收站的靈敏度是如何偏離理想狀態(tài)變化的。類似地，也定義了用于一個目標發(fā)射站的環(huán)境系數Kti。
首先，使用校正系數S1、S2、以及一個環(huán)境系數Krj來校正Frii公式，以使用在發(fā)射站21和接收站51之間的實際測量值，定義在距離“d”和強度“e”之間的一個關系?；诰嚯x和強度是對數關系的假定，定義了方程(2)。
eij＝S1×log10(dij)+S2-Krj(2)其中S1和S2是校正系數。在這個階段，eij是從已知發(fā)射站T1-T7的每一個發(fā)送過來的ID信號的強度。用于這些未知參數的、使誤差最小化的解可以通過最小化由方程(3)給出的估計函數q獲得。方程(3)為 其中rn是已知位置接收站的數目，而tn是已知發(fā)射站的數目。為了求解所有未知數，必須滿足un×tn rn+2。在圖26所示的示例中，rn是一且tn是七。因此，所有的未知數都可以被求解。為了說明起見，用在符號上面的一個弧形來標記未知數。
有許多方法用于求解方程(3)，例如通過把函數q對每一個變量進行偏微分，并且使用牛頓法獲得讓相應的偏微分為0的數值解。作為選擇，可以使用單純形法、最速下降法(或者鞍點法)、使用神經網絡的方法。使用這些方法中的任何一個，可以確定校正系數S1、S2以及環(huán)境系數Krj。
接下來，引入用于一個未知發(fā)射站的環(huán)境系數Kti。雖然在一個發(fā)射站處的發(fā)送強度是恒定的，但是環(huán)境系數依據位置而變化，因此在強度和距離之間的一個關系被假定為方程(4)，其引入用于發(fā)射站的環(huán)境系數Kti。方程(4)包含已經由方程(3)確定的系數S1、S2和用于接收站的環(huán)境系數Krj。mdij=10(eij-S2+Krj+Kti)/S1---(4)]]>其中mdij是從測量的強度中導出的一個距離。kti可以通過最小化由方程(23)表示的估計函數hhhhhhhi來確定。hhhhhhhhi=Σj=1rn(10(eij-S2+Krj+K)ti)/S1-(xi-uj)2+(yi-vj)2)2---(23)]]>為了說明起見，用在符號上面的一個弧形來標記未知數。在方程(23)中，使用估計值來描述位置(xi，yi)，其中該估計值是使用方程(22)從測量的強度和傳輸時間中確定得到的。
如在第一到第四實施例中那樣，當一個ID信號不能在某一接收站處接收時，這個未知信息被用作一個限制條件。例如，來自發(fā)射站T2的一個信號在接收站的位置R1、R2、和R3處被接收了，但是未在R4處被接收。在這種情況下，限制條件d21＜d24d22＜d24d23＜d24被添加了。因此，甚至是未知信息也沒有被丟棄，而代之以，它在位置估計中被有效地使用了。
圖32說明了依據第四實施例的定位計算機11的操作流程。定位計算機11檢查保存在服務器12中的數據的時標，并且確定一段預定數量的時間是否已經過去了(S531)。因為發(fā)射站不連續(xù)操作，而且因為ID信號可能由于信號重迭而不被接收，所以執(zhí)行這個步驟以便防止被忽略。如果一段預定時間已經過去了(在S531中的是)，則為每一個標識符將當前數據與先前的數據相比較(S532)，以確定當前數據是否已經被更新了(S533)。如果有數據單元從先前的數據單元中更新了(在S533中的是)，則從所有更新的數據中提取事先位置已知的、固定位置發(fā)射站(在圖30所示的示例中的T1-T7)的數據。使用該固定位置發(fā)射站的數據，確定使方程(20)最小化的校正系數B、g、h和用于pij(通過空氣的信號傳播時間)與dij(距離)的比值的比例常數K。此外，確定使方程(3)最小化的校正系數S1、S2和環(huán)境系數Krj以提供一個用于該電磁場的傳播公式(S534)。
(A)然后，從在一個未知位置處的移動接收站51提供的數據中提取出已知或者估計位置的發(fā)射站的數據(S535)。然后確定來自一個數據更新的發(fā)射站的ID信號是否是類型a的ID信號(S536)。如果ID信號是類型a的ID信號(在S536中的是)，則使用測量的強度和傳輸時間來求解方程(20)以估計該移動接收站的位置。估計結果被保存在服務器12中。此外，求解方程(3)以確定在估計位置處的移動接收站的環(huán)境系數Krj，其也被保存在服務器12中(S537)。
在另一方面，如果該ID信號是類型b-f的ID信號之一(在S536中的否)，則沒有有關該傳輸時間的信息，因此用該移動接收站的位置作為一個未知參數來求解方程(3)以估計該接收站的位置和環(huán)境系數。估計結果被保存在服務器12中(S538)。
(B)然后，從在估計位置處的移動接收站51中提供的數據中提取一個未知發(fā)射站的數據(S539)。對于該數據更新的發(fā)射站確定該ID信號是否是類型a的ID信號(S540)。如果ID信號是類型a的ID信號(在S540中的是)，則使用測量的傳輸時間和強度求解方程(22)以估計未知發(fā)射站的位置，該位置信息被保存在服務器12中。此外，求解方程(23)以估計用于那個發(fā)射站的環(huán)境系數Kti，該值也被保存在服務器12中(S541)。
在另一方面，如果該ID信號不是類型a的ID信號(在S540中的否)，則用該目標發(fā)射站的位置作為一個未知參數來求解方程(23)，以估計該目標(未知)發(fā)射站的位置和環(huán)境系數。估計結果被保存在服務器12中(S542)。
為所有數據更新的發(fā)射站重復算法(A)和(B)(在S543中的是)。當所有的更新數據都已經被處理了時(在S543中的否)，將當前估計結果與先前的那個進行比較以選擇那些已經移動了一個預定量或更多的發(fā)射站(在S544中的是)和那些其ID信號沒有在任何接收站處被接收的發(fā)射站(在S545中的是)。選擇結果被保存在服務器12中(S546)，而且把一個報警消息提供給相關的用戶終端(S547)。
表格9顯示了在服務器12中記錄來自接收站51的數據的一個數據結構的一個示例，而表格10顯示了記錄從定位計算機11提供的估計結果的一個數據結構的一個示例。
表格9從接收站提供的信號信息的數據結構

表格10從定位計算機提供的估計結果的數據結構

環(huán)境系數Kti反映一個發(fā)射站的周圍環(huán)境，而且當實際地試圖確定發(fā)射站位置時它提供了有用的信息。如果環(huán)境系數是大的，它指示該發(fā)射站相對于該接收站位于一個受遮蔽的位置處。如果該環(huán)境系數是小的，則該發(fā)射站位于一個開放空間或者一個無遮蔽的位置處。添加這樣的環(huán)境信息到該估計位置，允許用戶實際地定位該目標發(fā)射站。
用戶終端3具有兩種功能，如在第一到第四實施例中那樣，即，接收從定位計算機11提供的一個報警消息，以及檢索一個目標發(fā)射站的位置。用戶把目標發(fā)射站的標識符(ID)輸入到用戶終端中。該用戶終端訪問服務器12以在服務器12中檢索那個標識符的過去記錄，諸如時標、位置信息、環(huán)境系數、等。檢索結果顯示在用戶終端上。
用戶可以從由時標和相應的環(huán)境系數描述的位置信息中確定該目標發(fā)射站是否位于一個開放空間處。此外，用戶可以從該過去記錄中確定何時在發(fā)射站處接收了一個激勵信號或者何時已經檢測到了外部變化。
在第五實施例中使用單個移動接收站，實現了在一個廣闊的區(qū)域上對許多發(fā)射站的精確位置估計。使用一個固定位置接收站需要增加接收站的數目，而且用于系統構造的成本也增加了。利用第五實施例的系統，大大地減小了建造成本和維護費用。
如果接收站在傳統的系統中移動，可以確認該接收站的存在或者不存在，但是不能獲得位置坐標。相反，第五實施例中的定位系統可以估計一個未知發(fā)射站的位置，同時允許接收站四處移動。也就是說，使用有關七個已知發(fā)射站T1-T7的位置信息確定第一和第二校正公式。然后，(A)使用有關至少已知或者估計位置的發(fā)射站的信息估計該移動接收站的位置，以及(B)使用有關接收站的至少三個估計位置的信息估計一個未知發(fā)射站的位置。通過重復(A)和(B)，順序地獲取在一個廣闊區(qū)域上的未知發(fā)射站的位置信息。
通過確定用于一個發(fā)射站的環(huán)境系數，位置估計把環(huán)境考慮在內變得更加精確。
作為第五實施例的一個應用，移動接收站51附著于一個物體、諸如一個真空吸塵器上，其在一個預定區(qū)域內四處運動。隨著該物體(或者真空吸塵器)的移動，可以定期和自動地檢查全部的區(qū)域。在一個廣闊的區(qū)域上控制存貨或者資產而無需使用許多固定位置的接收站。因此，可以減小整個系統的成本，而且可以實現一個經濟而且有效的系統。
在第一到第五實施例中，一個第一校正公式表示為eij＝S1×log10(dij)+S2-Krj(2)當估計一個發(fā)射站的位置時使用該公式。在第六實施例中，提供了該第一校正公式(方程(2))的一個修改。將使用在圖5和6中顯示的第一實施例的定位系統說明該改進的公式。
有四個位置事先已知的接收站R1-R4。有八個發(fā)射站T1-T8，其中T1-T4的位置是已知的。第j已知接收站的位置是(uj，vj)，而第i發(fā)射站的位置可以表示為(xi，yi)。在第j接收站處接收的ID信號的強度是eij，在第i發(fā)射站和第j接收站之間的距離由方程(1)表示。dij=(xi-uj)2+(yi-vj)2---(1)]]>
然后，定義用于第j接收站的環(huán)境系數Krj。環(huán)境系數Krj是一個指數，指示接收站的靈敏度是如何偏離理想狀態(tài)變化的。類似地，定義用于第i發(fā)射站的環(huán)境系數Kti。在距離和強度是處于對數關系中的假定之下，使用校正系數S1、S2、以及一個環(huán)境系數Krj來校正Frii公式以定義在距離“d”和強度“e”之間的一個關系。校正了的公式可以表示為eij＝S1×log10(dij+S2)-Krj(24)其中S1、S2是校正系數，而eij是從已知發(fā)射站T1-T4發(fā)送過來的ID信號的強度。用于這些未知參數的、使誤差最小化的解可以通過最小化由方程(25)給出的估計函數q獲得。方程(25)為 其中rn是已知位置接收站的數目，而tn是已知發(fā)射站的數目。為了求解所有未知數，必須滿足un×tn rn+2。在第一實施例的示例中，rn是四且tn是四。因此，所有的未知數都可以被求解。為了說明起見，周在符號上面的一個弧形來標記未知數。
有許多方法用于求解方程(25)，例如通過把函數q對每一個變量進行偏微分，并且使用牛頓法獲得讓相應的偏微分為0的數值解。作為選擇，可以使用單純形法、最速下降法(或者鞍點法)、使用神經網絡的方法。使用這些方法中的任何一個，可以確定校正系數S1、S2以及環(huán)境系數Krj。
接下來，將引入用于一個位置未知的目標發(fā)射站(簡單地稱為“未知發(fā)射站”)的環(huán)境系數Kti。雖然在一個發(fā)射站處的發(fā)送強度是恒定的，但是環(huán)境系數依據位置而變化，而且因此接收信號的強度也會變化。因此，使用由方程(25)確定的環(huán)境系數Krj、和校正系數S1和S2，在方程(26)中假定了在強度和距離之間的一個關系。mdij=10(eij+Krj+kti)/(S1)-S2---(26)]]>其中mdij是從測量的強度中導出的一個距離，而且Kti是用于發(fā)射站“i”的環(huán)境系數。通過最小化估計函數(27)獲得發(fā)射站“i”的位置和環(huán)境系數。 以這樣的方式，使用一個修改的校正公式，從實際地測量的強度和已知的位置信息中可以準確地估計出來一個未知發(fā)射站的位置和環(huán)境系數。
圖33和圖34說明了使用修改的第一校正公式、使用圖5所示的定位系統1時，發(fā)射站的實際估計位置的測試結果。在該測試中，四個接收站被固定在由pos1-pos4指示的位置處。圖33顯示了用于發(fā)射站T6的估計結果，而圖34顯示了用于發(fā)射站T7的估計結果。圓圈指示發(fā)射站的實際位置，而十字標指示使用修改的第一校正公式的估計位置。由方程(27)表示的估計函數被體現為在該圖中的等值線。用于發(fā)射站T6的估計誤差在X軸方向是0.4且在Y軸方向是0.9，而且相應的距離是1.0。用于發(fā)射站T7的估計誤差在X軸方向是0.9且在Y軸方向是-0.7，而且相應的距離是1.14。在該圖中的正方形是在場地上的一個單位面積，而且它的邊是1.35m。
傳統的系統僅僅具有指定一個發(fā)射站在某一接收站的通信區(qū)域內存在或者不存在的功能。為此，由傳統系統估計的位置和具有最大強度的接收站位置一致。利用該傳統系統，發(fā)射站的估計位置與在圖33中的pos2位置一致，而且估計誤差在X軸方向是-6.0而且在Y軸方向是-5.0。相應的距離是7.8。在圖34的示例中，由該傳統系統估計的位置與pos4一致，而且估計誤差在X軸方向是3.0且在Y軸方向是3.0。相應的距離是4.3。將這些結果與第六實施例的估計結果進行比較，對于發(fā)射站T6，第六實施例的估計精度是傳統系統的8倍，而且對于發(fā)射站T7、估計精度是傳統系統的四倍。
在該測試中，發(fā)射站T6位于一個開放空間處，而發(fā)射站T7位于一個鋼制盒子中。由使用上述算法的定位系統確定的環(huán)境系數Kt6和Kt7分別是-2.99和16.01，其與實際環(huán)境一致。這個事實證明環(huán)境系數提供了用于位置估計的有效信息。
在上述示例中，校正的Frii公式的一個修改(即，第一校正公式)可以表示為eij＝f0(dij)＝S1×log10(dij+S2)-Krj. (24)然而，可以僅僅使用校正系數S1和S2而不使用環(huán)境系數。在這種情況下，校正公式可以表示為eij＝f0(dij)＝S1×log10(dij+S2).(24)’此外，由方程(24)’或者(24)”表示的校正公式可以用于一個發(fā)射站。
eij＝f0(dij)＝S1×log10(dij+S2)-Kti(24)”已經使用其中方程(24)用于一個接收站而且方程(24)”用于一個發(fā)射站的一個示例對第六實施例進行了描述。然而，方程(24)’可以同時用于發(fā)射站和接收站。在這種情況下，一個未知發(fā)射站的位置仍然以高精確度進行估計。如果使用了方程(24)’，則使用方程(26)’確定估計函數(27)’。mdij=10(eij)/(S1)-S2---(26)']]>hij=Σ(10(eij)/(S1)-S2-dij)2---(27)']]>如果方程(24)’用于一個接收站且方程(24)”用于一個發(fā)射站，則使用方程(26)”確定方程(27)”的估計函數。mdij=10(eij+Kti)/(S1)-S2---(26)'']]>hij=Σ(10(eij+Kti)/(S1)-S2-dij)2---(27)'']]>如果方程(24)用于一個接收站且方程(24)’用于一個發(fā)射站，則使用方程(26)確定方程(27)的估計函數。mdij=10(eij+Kti)/(S1)-S2---(26)''']]>hij=Σ(10(eij+Krj)/(S1)-S2-dij)2---(27)''']]>不用說，在第六實施例中說明的修改的校正公式可以不僅在第一實施例的定位系統中使用，而且可以在第二到第五實施例的定位系統中使用。
雖然已經基于優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，本發(fā)明不局限于這些示例，而是覆蓋在本領域技術人員能力范圍之內的許多修改、變化、和替換，而不背離本發(fā)明的范圍。例如，位置估計的物體(或者目標)不局限于作為一個標簽的發(fā)射站，可以估計一個可以發(fā)送一個信號的任意物品的位置。發(fā)射站可以兼?zhèn)浒l(fā)送與接收功能，就像一個蜂窩電話或者一個移動終端那樣。在這種情況下，可以估計和管理具有這樣一個設備的人的位置。此外，發(fā)射站和接收站都可以具有發(fā)送/接收功能。
在第二到第五實施例中，由接收站產生和提供激勵信號以便導致一個發(fā)射站發(fā)送一個ID信號。然而，可以通過多點傳送從一個大功率的遠程基站中提供該激勵信號。在這種情況下，該系統可以通過遠程操作獲得有關許多發(fā)射站的數據或者信息。這個方案可以減小人力并且提高數據收集效率。此外，可以簡化接收站的結構。
接收站可以經由電纜或者以一種無線方式連接到服務器(或者數據管理單元)。如果如在第四和第五實施例中那樣使用了一個移動接收站，則更可取的是使用諸如無線LAN的無線網絡。在這種情況下，單個系統可以在多個場地或者建筑物上控制資產或者整個存貨。用戶終端也可以經由一個電纜或者一個無線網絡連接到服務器。不論是哪種情況，用戶都簡單地輸入附著于一個物品上的一個標簽的標識符(或者標識號碼)以讓定位計算機估計那個物品的位置。
在第一到第五實施例中，一個第一校正公式表示為eij＝S1×log10(dij)+S2-Krj(2)其用于一個接收站。然而，僅僅校正系數S1和S2可以用于該公式而不使用環(huán)境系數Krj。在這種情況下，用于接收站的第一校正公式由方程(2)’表示。
eij＝f0(dij)＝S1×log10(dij)+S2(2)’
類似地，對于一個發(fā)射站，方程(2)’或者(2)”可以用作第一校正公式eij＝f0(dij)＝S1×log10(dij)+S2-Kti(2)”如果方程(2)’同時用于發(fā)射站和接收站，則使用方程(4)’和(5)’代替方程(4)和(5)來分別表示一個導出的距離和一個估計函數。mdij=10(eij-S2)/S1---(4)']]>hij=Σ(10(eij-S2)/S1-dij)2---(5)']]>如果方程(2)’用于一個接收站且方程(2)”用于一個發(fā)射站，則使用方程(4)”求解由方程(5)”表示的一個估計函數來確定位置。mdij=10(eij-S2+Kti)/S1---(4)'']]>hij=Σ(10(eij-S2+Kti)/S1-dij)2---(5)'']]>如果方程(2)用于一個接收站且方程(2)’用于一個發(fā)射站，則使用方程(4)求解由方程(5)表示的一個估計函數來確定位置。mdij=10(eij-S2+Krj)/S1---(4)''']]>hij=Σ(10(eij-S2+Krj)/S1-dij)2---(5)''']]>如果僅僅使用S1和S2的方程(2)’被選為第一校正公式，而且如果沒有已知的發(fā)射站(tn＝0)，則已知接收站的數目必須滿足rn 5。類似地，如果沒有已知的接收站(rn＝0)，則已知發(fā)射站的數目必須滿足tn 5。
如果使用環(huán)境系數Kti的方程(2)”被選為第一校正公式，而且如果沒有已知的發(fā)射站(tn＝0)，則已知接收站的數目必須滿足rn 6。類似地，如果沒有已知的接收站(rn＝0)，則已知發(fā)射站的數目必須滿足tn 6。
使用一個其中在初始狀態(tài)已知發(fā)射站的數目大于接收站已知位置的數目的示例來說明了第四和第五實施例。因此，在校正公式的未知參數被確定了之后，重復一種估計該接收站位置、然后使用該接收站的估計位置估計一個未知發(fā)射站的位置、然后進一步估計接收站的新位置的算法。然而，在初始狀態(tài)接收站已知位置的數目可能大于已知發(fā)射站的數目。在這種情況下，在校正公式(一個或多個)被確定了之后，重復一種估計一個發(fā)射站的位置、然后估計該接收站的新位置、然后進一步估計另一個發(fā)射站的位置的算法。
在前一種情況下(首先估計接收站的位置)，(a)使用從至少一個位于一個已知位置(ui，vi)的已知發(fā)射站“i”中發(fā)送過來、并在位于一個第一未知位置(xj，yj)的接收站“j”處測量的一個第一信號的第一強度eij，以及從發(fā)射站“i”到接收站“j”的一個距離dij，把第一近似函數eij=f0(dij)=f0((ui-xj)2+(vi-yj)2)]]>確定為一個第一校正公式，以導出接收站“j”的第一未知位置的一個位置(uj，vj)；
(b)使用從位于一個未知位置(xi，yi)的未知發(fā)射站“i”中發(fā)送過來、并在位于一個已知或者估計位置的接收站“j”處測量的一個第二信號的第二強度eij，以及所述已知或者估計位置的接收站“j”的位置信息(uj，vj)，基于該第一校正公式定義第二近似函數eij=f0((xi-uj)2+(yi-vj)2)]]>以導出所述未知發(fā)射站“i”的一個位置(ui，vi)；然后(c)使用從位于(ui，vi)的一個已知或者估計位置的發(fā)射站“i”中發(fā)送過來、并在位于一個第二未知位置的接收站“j”處測量的一個第三信號的第三強度eij，以及所述已知或者估計位置的發(fā)射站“i”的位置信息，基于第一校正公式定義一個第三近似函數eij=f0((ui-xj)2+(vi-yj)2)]]>以導出接收站“j”的第二未知位置的一個位置(uj，vj)。重復步驟(b)和(c)以順序地估計一個未知接收站和一個未知發(fā)射站的位置。
在后面的一種情況下(首先估計一發(fā)射站的位置)，(a)使用從一個位于一個第一已知位置(xi，yi)的第一未知發(fā)射站“i”中發(fā)送過來、并在位于已知位置(uj，vj)的一個或多個已知接收站“j”處測量的第一信號的第一強度eij，以及從發(fā)射站“i”到接收站“j”的一個距離dij，把第一近似函數eij=f0(dij)=f0((xi-uj)2+(yi-vj)2)]]>確定為一個第一校正公式，以導出第一未知發(fā)射站“i”的一個位置(ui，vi)；(b)使用從位于(ui，vi)的一個已知或者估計位置的發(fā)射站發(fā)送過來、并在位于一個未知位置(xj，yj)的一個未知接收站“j”處測量的一個第二信號的第二強度eij，以及所述已知或者估計位置的發(fā)射站“i”的位置信息(ui，vi)，基于該第一校正公式定義第二近似函數eij=f0((ui-xj)2+(vi-yj)2)]]>以導出所述未知接收站“j”的一個位置(uj，vj)；然后(c)使用從位于一個第二未知位置(xi，yi)的第二未知發(fā)射站“i”發(fā)送過來、并在(uj，vj)處的一個已知或者估計位置的接收站“j”處測量的第三信號的第三強度eij，以及所述已知或者估計位置的接收站“j”的位置信息，基于第一校正公式定義一個第三近似函數eij=f0((xi-uj)2+(yi-vj)2)]]>以導出第二未知發(fā)射站“i”的第二未知位置的一個位置(ui，vi)，重復步驟(b)和(c)以順序地估計一個未知發(fā)射站和一個未知接收站的位置。
這也適用于使用第二校正公式的算法。雖然在第四和第五實施例中，在第二校正公式的未知參數被確定之后首先估計移動接收站的位置，但是如果有許多該接收站的已知或者估計位置，則可以首先估計一個未知發(fā)射站的位置。
在前一種情況下(首先估計移動站的位置)，(a)使用從位于一個已知位置(ui，vi)的至少一個已知發(fā)射站“i”中發(fā)送過來、并在位于一個第一未知位置(xj，yj)的接收站“j”處測量的一個第一信號的第一強度eij、以及第一信號傳輸時間tij、通過空氣的一個第一信號傳播時間pij、和所述已知發(fā)射站的位置信息，把第一近似函數pij=f1(tij,eij)=Kdij=K(ui-xj)2+(vi-yj)2]]>和一個常數K確定為一個第二校正公式，以導出接收站“j”的第一未知位置的一個位置(uj，vj)；(b)使用從位于一個未知位置(xi，yi)的未知發(fā)射站“i”中發(fā)送過來、并在位于一個已知或者估計位置的接收站“j”處測量的一個第二信號的第二強度eij，以及第二信號傳輸時間(tij)和所述已知或者估計位置的接收站“j”的位置信息(uj，vj)，基于第二校正公式定義第二近似函數f1(tij,eij)=K(xi-uj)2+(yi-vj)2]]>以導出所述未知發(fā)射站“i”的一個位置(ui，vi)；然后(c)使用從位于(ui，vi)的一個已知或者估計位置的發(fā)射站“i”發(fā)送過來、并在位于一個第二未知位置的接收站“j”處測量的一個第三信號的第三強度eij，以及一個第三信號傳輸時間(tij)和所述已知或者估計位置的發(fā)射站“i”的位置信息，基于第二校正公式定義一個第三近似函數f1(tij,eij)=K(ui-xj)2+(vi-yj)2]]>以導出接收站“j”的第二未知位置的一個位置(uj，vj)。重復步驟(b)和(c)以順序地估計一個未知接收站和一個未知發(fā)射站的位置。
在后面的一未知種情況下(首先估計一個未知發(fā)射站的位置)，(a)使用從位于一個第一已知位置(xi，yi)的一個第一未知發(fā)射站“i”中發(fā)送過來、并在位于已知位置(uj，vj)的一個或多個已知接收站“j”處測量的一個第一信號的第一強度eij，以及第一信號傳輸時間(tij)、通過空氣的一個第一信號傳播時間(pij)，和所述已知接收站“j”的位置信息，把第一近似函數pij=f1(tij,eij)=Kdij=K(xi-uj)2+(yi-vj)2]]>和一個常數K確定為一個第二校正公式，以導出第一未知發(fā)射站“i”的一個位置(ui，vi)；(b)使用從位于(ui，vi)的一個已知或者估計位置的發(fā)射站發(fā)送過來、并在位于一個未知位置(xj，yj)的一個未知接收站“j”處測量的一個第二信號的第二強度eij，以及第二信號傳輸時間(tij)和所述已知或者估計位置的發(fā)射站“i”的位置信息(ui，vi)，基于該第二校正公式定義第二近似函數f1(tij,eij)=K(ui-xj)2+(vi-yj)2]]>以導出所述未知接收站“j”的一個位置(uj，vj)；然后(c)使用從位于一個第二未知位置(xi，yi)的一個第二未知發(fā)射站“i”發(fā)送過來、并在位于(uj，vj)的一個已知或者估計位置的接收站“j”處測量的一個第三信號的第三強度eij，以及一個第三信號傳輸時間(tij)和所述已知或者估計位置的接收站“j”的位置信息，基于第二校正公式定義一個第三近似函數f1(tij,eij)=K(xi-uj)2+(yi-vj)2]]>
以導出第二未知發(fā)射站“i”的第二未知位置的一個位置(ui，vi)。重復步驟(b)和(c)以順序地估計一個未知發(fā)射站和一個未知接收站的位置。
權利要求
1.一種用于確定一個物體的位置的系統，包括一發(fā)射站，被配置為以一種定期方式發(fā)送一個包含一個第一標識符的第一ID信號；一接收站，被配置為接收第一ID信號，測量第一ID信號的強度，并且提取第一標識符；一數據管理單元，被配置為與第一標識符相關聯地存儲和管理該強度；以及一定位計算機，被配置為使用保存在該數據管理單元中的信息估計該發(fā)射站的一個位置。
2.如權利要求1所述的系統，其特征在于該接收站包括一激勵信號發(fā)生器，被配置為產生一個激勵信號，該激勵信號用于導致發(fā)射站產生一個第二ID信號；以及一發(fā)射機，被配置為把該激勵信號發(fā)送到該發(fā)射站，并且其中該接收站具有一個ID信號發(fā)生器，其被配置為響應于該激勵信號產生包含一個第二標識符的第二ID信號。
3.如權利要求1所述的系統，其特征在于該發(fā)射站接收從一個遠程基站提供的一個激勵信號，而且具有一個ID信號發(fā)生器，其被配置為響應于該激勵信號產生包含一個第二標識符的第二ID信號。
4.如權利要求1所述的系統，其特征在于該發(fā)射站具有一個傳感器，用于感測由于一個外界因素引起的變化；以及一個ID信號發(fā)生器，被配置為當感測到該變化時產生一個包含一個第三標識符的第三ID信號。
5.如權利要求4所述的系統，其特征在于ID信號發(fā)生器依據變化的類型產生不同類型的所述第三標識符。
6.如權利要求1所述的系統，其特征在于定位計算機確定一個定義在該接收站處測量的強度與在發(fā)射站和接收站之間的距離之間的關系的第一校正公式并且使用第一校正公式和已知的位置信息估計一個未知發(fā)射站的位置。
7.如權利要求6所述的系統，其特征在于第一校正公式是eif＝f0(dij)＝S1×log10(dij)+S2或者eij＝f0(dij)＝S1×log10(dij+S2)其中eij是從在(xi，yi)處的第i發(fā)射站發(fā)送過來并且在(uj，vj)處的第j接收站測量的一個信號的強度，dij是從第i發(fā)射站到第j接收站的距離，其可以表示為dij=(xi-uj)2+(yi-vj)2]]>而且S1和S2是校正系數，其中定位計算機使用已知的位置信息確定校正系數S1和S2以估計該未知發(fā)射站的位置。
8.如權利要求7所述的系統，其特征在于當使用eij＝f0(dij)＝S1×log10(dij)+S2作為第一校正公式時，該定位計算機從測量的強度中導出一個距離mdij=10(eij-S2)/S1]]>，而且確定一個估計函數hij=Σj=1rn(10(eij-S2)/S1-dij)2,]]>而且當使用dij＝f0(dij)＝S1×log10(dij+S2)作為第一校正公式時，該定位計算機從測量的強度中導出一個距離mdij=10(eij)/(S1)-S2]]>，而且確定一個估計函數hij=Σ(10(eij)/(S1)-S2-dij)2]]>以便用hij/mdij進行加權，以估計該未知發(fā)射站的位置。
9.如權利要求6所述的系統，其特征在于第一校正公式是eij＝f0(dij)＝S1×log10(dij)+S2-Krj或者eij＝f0(dij)＝S1×log10(dij+S2)-Krj其中eij是從在(xi，yi)處的第i發(fā)射站發(fā)送過來并且在(uj，vj)處的第j接收站接收的一個信號的強度，dij是從第i發(fā)射站到第j接收站的距離，其可以表示為dij=(xi-uj)2+(yi-vj)2,]]>S1和S2是校正系數，而且Krj是用于該接收站的一個環(huán)境系數，其中定位計算機使用已知的位置信息確定校正系數S1、S2和Krj以估計該未知發(fā)射站的位置。
10.如權利要求9所述的系統，其特征在于當使用eij＝f0(dij)＝S1×log10(dij)+S2-Krj作為第一校正公式時，該定位計算機從測量的強度中導出一個距離mdij=10(eij-S2+Krj)/S1---(4)''']]>，而且確定一個估計函數hij=Σ(10(eij-S2+Krj)/S1-dij)2,]]>而且當使用eij＝f0(dij)＝S1×log10(dij+S2)-Krj作為第一校正公式時，該定位計算機從測量的強度中導出一個距離mdij=10(eij+Krj)/(S1)-S2]]>，而且確定一個估計函數hij=Σ(10(eij+Krj)/(S1)-S2-dij)2]]>以便用hij/mdij進行加權，以估計該未知發(fā)射站的位置。
11.如權利要求6所述的系統，其特征在于第一校正公式是eij＝f0(dij)＝S1×log10(dij)+S2-Kti或者eij＝f0(dij)＝S1×log10(dij+S2)-Kti其中eij是從在(xi，yi)處的第i發(fā)射站發(fā)送過來并且在(uj，vj)處的第j接收站接收的一個信號的強度，dij是從第i發(fā)射站到第j接收站的距離，其可以表示為dij=(xi-uj)2+(yi-vj)2,]]>S1和S2是校正系數，而且Kti是用于該發(fā)射站的一個環(huán)境系數，其中定位計算機使用已知的位置信息確定校正系數S1、S2和Kti以估計該未知發(fā)射站的位置。
12.如權利要求11所述的系統，其特征在于當使用eij＝f0(dij)＝S1×log10(dij)+S2-Kti作為第一校正公式時，該定位計算機從測量的強度中導出一個距離mdij=10(eij-S2+Kti)/(S1)]]>，并且確定一個估計函數hij=Σ(10(eij-S2+Kti)/S1-dij)2,]]>而且當使用eij＝f0(dij)＝S1×log10(dij+S2)-Kti作為第一校正公式時，該定位計算機從測量的強度中導出一個距離mdij=10(eij+Kti)/(S1)-S2]]>，并且確定一個估計函數hij=Σ(10(eij+Kti)/S1-S2-dij)2]]>以便用hij/mdij進行加權，以估計該未知發(fā)射站的位置。
13.如權利要求1所述的系統，其特征在于該接收站包括一激勵信號發(fā)生器，被配置為產生一個激勵信號，該激勵信號用于導致發(fā)射站發(fā)送一個包含一個第二標識符的第二ID信號；一發(fā)射機，被配置以把該激勵信號發(fā)送到發(fā)射站；以及一時間計算單元，被配置為測量一個響應于該激勵信號從發(fā)射站中獲取第二標識符所需要的傳輸時間。
14.如權利要求13所述的系統，其特征在于定位計算機確定一個定義在一個信號通過空氣的傳播時間與在發(fā)射站和接收站之間的距離之間的關系的第二校正公式，并且使用第二校正公式和已知的位置信息來估計一個未知發(fā)射站的位置。
15.如權利要求14所述的系統，其特征在于第二校正公式可以表示為pij=f1(tij,eij)=tij-B-gexp(-h×eij)=Kdij=K(ui-uj)2+(vi-vj)2]]>其中eij是從在(xi，yi)處的第i發(fā)射站發(fā)送過來并且在(uj，vj)處的第j接收站接收的第二ID信號的強度、tij是傳輸時間、pij是傳播時間、dij是從第i發(fā)射站到第j接收站的距離，其可以表示為dij=(xi-uj)2+(yi-vj)2,]]>B、g、和h是校正系數，而且K是一個比例常數，而且其中定位計算機從已知的位置信息中確定校正系數B、g、和h、以及比例常數K以估計未知發(fā)射站的位置。
16.如權利要求15所述的系統，其特征在于該定位計算機從通過空氣的傳播時間中導出一個距離ndij=pij/K={tij-B-gexp(-h×eij)}/K]]>，并且使用導出的距離確定一個估計函數hhij=Σ({tij-B-gexp(-h×eij)}/K-dij)2]]>，以用hhij/ndij進行加權以估計該未知發(fā)射站的位置。
17.如權利要求1所述的系統，其特征在于該接收站包括一個固定位置接收站和一個移動接收站，而且其中該定位計算機執(zhí)行下列步驟(a)使用從該固定位置接收站提供的已知位置信息確定一個第一校正公式，其定義在一個接收信號的強度和一個距離之間的關系；(b)使用該第一校正公式，連同從一個已知或者估計位置的發(fā)射站中發(fā)送過來的信號信息和有關所述已知或者估計位置的發(fā)射站的位置信息一起，估計該移動接收站的位置；以及(c)基于從所述未知發(fā)射站發(fā)送到該固定位置接收站或者在一個估計位置的移動接收站的信號信息，以及有關該固定位置接收站和所述估計位置的移動接收站的位置信息，估計一個未知發(fā)射站的位置，而且其中該定位計算機重復步驟(b)和(c)以隨著移動接收站的移動順序地估計多個未知發(fā)射站的位置。
18.如權利要求13所述的系統，其特征在于該接收站包括一個固定位置接收站和一個移動接收站，而且其中該定位計算機執(zhí)行下列步驟(a)使用在該固定位置接收站測量的傳輸時間和強度以及從該固定位置接收站提供的已知位置信息確定一個第二校正公式，其定義在通過空氣的一個信號傳播時間和一個距離之間的關系；(b)使用該第二校正公式，連同從一個已知或者估計位置的發(fā)射站中發(fā)送到該移動站的信號信息、有關所述已知或者估計位置的發(fā)射站的位置信息、和在該移動接收站處測量的一個傳輸時間一起，估計該移動接收站的當前位置；以及(c)基于從所述未知發(fā)射站發(fā)送到該固定位置接收站或者在一個估計位置的移動接收站的信號信息、有關該固定位置接收站和所述估計位置的移動接收站的位置信息、以及在該固定位置接收站或者在估計位置處的移動接收站處測量的一個傳輸時間，估計一個未知發(fā)射站的位置，而且其中該定位計算機重復步驟(b)和(c)以隨著移動接收站的移動順序地估計多個未知發(fā)射站的位置。
19.如權利要求1所述的系統，其特征在于該接收站包括單個移動接收站，而且其中該定位計算機執(zhí)行下列步驟(a)使用從一個位置已知的發(fā)射站發(fā)送到在一個未知位置的移動接收站的信號信息、以及所述發(fā)射站的位置信息，來確定一個定義在一個接收信號的強度和一個距離之間的關系的第一校正公式；(b)使用該第一校正公式，基于從一個已知發(fā)射站或者一個估計位置的發(fā)射站中發(fā)送過來的信號信息、和有關所述已知發(fā)射站或者估計位置的發(fā)射站的位置信息，估計該移動接收站的一個當前位置；以及(c)基于從所述未知發(fā)射站發(fā)送到在估計的當前位置處的移動接收站的信號信息、有關該估計的當前位置的位置信息，估計一個未知發(fā)射站的一個位置，而且其中該定位計算機重復步驟(b)和(c)以隨著移動接收站的移動順序地估計多個未知發(fā)射站的位置。
20.如權利要求13所述的系統，其特征在于該接收站包括單個移動接收站，而且其中該定位計算機執(zhí)行下列步驟(a)使用從一個位置已知的發(fā)射站發(fā)送到在一個未知位置的移動接收站的信號信息、所述發(fā)射站的位置信息、以及在該移動接收站處測量的傳輸時間，來確定一個定義在通過空氣的信號傳播時間和距離之間的關系的第二校正公式；(b)使用該第二校正公式，基于從該已知發(fā)射站或者一個估計位置的發(fā)射站中發(fā)送過來的信號信息、有關所述已知發(fā)射站或者估計位置的發(fā)射站的位置信息、和由該移動接收站測量的傳輸時間，估計該移動站的當前位置；以及(c)基于從所述未知發(fā)射站發(fā)送到在估計的當前位置處的移動接收站的信號信息、有關該估計當前位置的位置信息，以及由在估計當前位置處的該移動接收站測量的傳輸時間，估計一個未知發(fā)射站的一個位置，而且其中該定位計算機重復步驟(b)和(c)以隨著移動接收站的移動順序地估計多個未知發(fā)射站的位置。
21.如權利要求1所述的系統，其特征在于使用電磁波或者聲波發(fā)送第一ID信號。
22.如權利要求2所述的系統，其特征在于使用電磁波或者聲波發(fā)送第一和第二ID信號，以及使用電磁波或者聲波發(fā)送該激勵信號。
23.如權利要求6所述的系統，其特征在于如果從第i發(fā)射站發(fā)送的第一ID信號的強度在第j接收站處測量到，但是沒有在第m接收站處測量到，則該定位計算機確定第一校正公式添加了一個限制條件dij＜dim其中dij是在第i發(fā)射站和第j接收站之間的一個距離，而dim是在第i發(fā)射站和第m接收站之間的一個距離。
24.一種用于確定一個物體的位置的方法，包括步驟在一個接收站處接收一個從發(fā)射站發(fā)送過來的包含一個第一標識符的第一ID信號；測量在接收站處接收的第一ID信號的強度；確定一個定義在該接收信號的強度和距離之間的關系的第一校正公式；以及使用第一校正公式和已知的位置信息估計一個未知發(fā)射站的一個位置。
25.如權利要求24所述的方法，其特征在于第一校正公式被表示為eij＝f0(dij)＝S1×log10(dij)+S2或者eij＝f0(dij)＝S1×log10(dij+S2)其中eij是從在(xi，yi)處的第i發(fā)射站發(fā)送過來并且在(uj，vj)處的第j接收站測量的一個信號的強度，dij是從第i發(fā)射站到第j接收站的距離，其可以表示為dij=(xi-uj)2+(yi-vj)2,]]>而且S1和S2是校正系數。
26.如權利要求25所述的方法，進一步包括步驟如果使用eij＝f0(dij)＝S1×log10(dij)+S2作為第一校正公式，則從測量的強度中導出距離mdij=10(eij-S2)/S1]]>，并且確定一個估計函數hij=Σj=1rn(10(eij-S2)/S1-dij)2]]>以便用hij/mdij進行加權以估計該未知發(fā)射站的位置。
27.如權利要求25所述的方法，進一步包括步驟如果使用eij＝f0(dij)＝S1×log10(dij+S2)作為第一校正公式，則從測量的強度中導出距離mdij=10(eij)/(S1)-S2]]>，并且確定一個估計函數hij=Σ(10(eij)/(S1)-S2-dij)2]]>以便用hij/mdij進行加權以估計該未知發(fā)射站的位置。
28.如權利要求24所述的方法，進一步包括步驟從接收站把一個激勵信號發(fā)送到發(fā)射站；響應于該激勵信號，把一個包含一個第二標識符的第二ID信號從該發(fā)射站發(fā)送到接收站；響應于在該接收站處的激勵信號，測量獲取第二ID信號所需要的一個傳輸時間；基于測量的傳輸時間確定一個定義在通過空氣的一個信號傳播時間和一個距離之間的關系的第二校正公式；以及使用第二校正公式和已知的位置信息估計一個未知發(fā)射站的一個位置。
29.如權利要求28所述的方法，其特征在于第二校正公式是pij=f1(tij,eij)=tij-B-gexp(-h×eij)=Kdij=K(ui-uj)2+(vi-vj)2]]>其中eij是從在(xi，yi)處的第i發(fā)射站發(fā)送過來并且在(uj，vj)處的第j接收站測量的第二ID信號的強度、tij是傳輸時間、pij是傳播時間、dij是從第i發(fā)射站到第j接收站的距離，其可以表示為dij=(xi-uj)2+(yi-vj)2,]]>B、g、和h是校正系數，而且K是一個比例常數，而且其中定位計算機從已知的位置信息中確定校正系數B、g、和h、以及比例常數K，以估計未知發(fā)射站的位置。
30.一種用于確定一個物體的位置的方法，包括步驟(a)使用從至少一個位于一個已知位置(ui，vi)的已知發(fā)射站“i”中發(fā)送過來、并在位于一個第一未知位置(xj，yj)的接收站“j”處測量的一個第一信號的第一強度eij，以及從發(fā)射站“i”到接收站“j”的一個距離dij，確定第一近似函數eij=f0(dij)=f0((ui-xj)2+(vi-yj)2)]]>作為一個第一校正公式，以導出接收站“j”的第一未知位置的一個位置(uj，vj)；(b)使用從位于一個未知位置(xi，yi)的未知發(fā)射站“i”中發(fā)送過來、并在位于一個已知或者估計位置的接收站“j”處測量的一個第二信號的第二強度eij，以及所述已知或者估計位置的接收站“j”的位置信息(uj，vj)，基于該第一校正公式定義一個第二近似函數eij=f0((xi-uj)2+(yi-vj)2)]]>以導出所述未知發(fā)射站“i”的一個位置(ui，vi)；以及(c)使用從位于(ui，vi)的一個已知或者估計位置的發(fā)射站“i”中發(fā)送過來、并在位于一個第二未知位置的接收站“j”處測量的一個第三信號的第三強度eij，以及所述已知或者估計位置的發(fā)射站“i”的位置信息，基于第一校正公式定義一個第三近似函數eij=f0((ui-xj)2+(vi-yj)2)]]>以導出接收站“j”的第二未知位置的一個位置(uj，vj)，步驟(b)和(c)被重復以順序地估計一個未知接收站和一個未知發(fā)射站的位置。
31.一種用于確定一個物體的位置的方法，包括步驟(a)使用從一個位于一個第一已知位置(xi，yi)的第一未知發(fā)射站“i”中發(fā)送過來、并在位于已知位置(uj，vj)的一個或多個已知接收站“j”處測量的第一信號的第一強度eij，以及從發(fā)射站“i”到接收站“j”的一個距離dij，確定第一近似函數eij=f0(dij)=f0((xi-uj)2+(yi-vj)2)]]>作為一個第一校正公式，以導出第一未知發(fā)射站“i”的一個位置(ui，vi)；(b)使用從位于(ui，vi)的一個已知或者估計位置的發(fā)射站發(fā)送過來、并在位于一個未知位置(xj，yj)的一個未知接收站“j”處測量的一個第二信號的第二強度eij，以及所述已知或者估計位置的發(fā)射站“i”的位置信息(ui，vi)，基于該第一校正公式定義一個第二近似函數eij=f0((ui-xj)2+(vi-yj)2)]]>以導出所述未知接收站“j”的一個位置(uj，vj)；然后(c)使用從位于一個第二未知位置(xi，yi)的第二未知發(fā)射站“i”發(fā)送過來、并在(uj，vj)處的一個已知或者估計位置的接收站“j”處測量的第三信號的第三強度ei j，以及所述已知或者估計位置的接收站“j”的位置信息，基于第一校正公式定義一個第三近似函數eij=f0((xi-uj)2+(yi-vj)2)]]>以導出第二未知發(fā)射站“i”的第二未知位置的位置(ui，vi)，重復步驟(b)和(c)以順序地估計一個未知發(fā)射站和一個未知接收站的位置。
32.一種用于確定一個物體的位置的方法，包括步驟(a)使用從位于一個已知位置(ui，vi)的至少一個已知發(fā)射站“i”中發(fā)送過來、并在位于一個第一未知位置(xj，yj)的接收站“j”處測量的一個第一信號的第一強度eij，以及第一信號傳輸時間tij、通過空氣的一個第一信號傳播時間pij，和所述已知發(fā)射站的位置信息，確定第一近似函數pij=f1(tij,eij)=Kdij=K(ui-xj)2+(vi-yj)2]]>和一個常數K作為一個第二校正公式，以導出接收站“j”的第一未知位置的一個位置(uj，vj)；(b)使用從位于一個未知位置(xi，yi)的未知發(fā)射站“i”中發(fā)送過來、并在一個已知或者估計位置的接收站“j”處測量的一個第二信號的第二強度eij，以及第二信號傳輸時間(tij)和所述已知或者估計位置的接收站“j”的位置信息(uj，vj)，基于第二校正公式定義一個第二近似函數f1(tij,eij)=K(xi-uj)2+(yi-vj)2]]>以導出所述未知發(fā)射站“i”的一個位置(ui，vi)；以及(c)使用從位于(ui，vi)的一個已知或者估計位置的發(fā)射站“i”發(fā)送過來、并在位于一個第二未知位置的接收站“j”處測量的一個第三信號的第三強度eij，以及一個第三信號傳輸時間(tij)和所述已知或者估計位置的發(fā)射站“i”的位置信息，基于第二校正公式定義一個第三近似函數f1(tij,eij)=K(ui-xj)2+(vi-yj)2]]>以導出接收站“j”的第二未知位置的一個位置(uj，vj)，重復步驟(b)和(c)以順序地估計一個未知接收站和一個未知發(fā)射站的位置。
33.一種用于確定一個物體的位置的方法，包括步驟(a)使用從位于一個已知位置(xi，yi)的一個第一未知發(fā)射站“i”中發(fā)送過來、并在位于已知位置(uj，vj)的一個或多個已知接收站“j”處測量的一個第一信號的第一強度eij，以及第一信號傳輸時間(tij)、通過空氣的一個第一信號傳播時間(pij)，和所述已知接收站“j”的位置信息，確定第一近似函數pij=f1(tij,eij)=Kdij=K(xi-uj)2+(yi-vj)2]]>作為一個第二校正公式，以導出第一未知發(fā)射站“i”的一個位置(ui，vi)；(b)使用從位于(ui，vi)的一個已知或者估計位置的發(fā)射站“i”發(fā)送過來、并在位于一個未知位置(xj，yj)的一個未知接收站“j”處測量的一個第二信號的第二強度eij，以及第二信號傳輸時間(tij)和所述已知或者估計位置的發(fā)射站“i”的位置信息(ui，vi)，基于該第二校正公式定義一個第二近似函數f1(tij,eij)=K(ui-xj)2+(vi-yj)2]]>以導出所述未知接收站“j”的一個位置(uj，vj)；以及(c)使用從位于一個第二未知位置(xi，yi)的一個第二未知發(fā)射站“i”發(fā)送過來、并在位于(uj，vj)的一個已知或者估計位置的接收站“j”處測量的一個第三信號的第三強度eij，以及一個第三信號傳輸時間(tij)和所述已知或者估計位置的接收站“j”的位置信息，基于第二校正公式定義一個第三近似函數f1(tij,eij)=K(xi-uj)2+(yi-vj)2]]>以導出第二未知發(fā)射站“i”的第二未知位置的一個位置(ui，vi)，重復步驟(b)和(c)以順序地估計一個未知發(fā)射站和一個未知接收站的位置。
全文摘要
一種用于確定一個物體的位置的定位系統，包括一個發(fā)射站，其發(fā)送一個包含這個發(fā)射站的第一標識符的第一ID信號；一個接收站，接收第一ID信號，測量第一ID信號的強度，并且提取第一標識符；一個數據管理單元，與第一標識符相關聯地存儲和管理該強度，該強度和標識符從該接收站中提供；以及一個定位計算機，其基于保存在數據管理單元中的數據，使用一個定義在強度和距離之間的關系的第一校正公式，估計該發(fā)射站的位置。
文檔編號G01S5/02GK1474193SQ0212769
公開日2004年2月11日 申請日期2002年8月7日 優(yōu)先權日2002年8月7日
發(fā)明者林等, 清水雅史, 須田博人, 涉谷昭范, 人, 史, 林 等, 范 申請人:日本電信電話株式會社