本發(fā)明涉及一種室內(nèi)定位技術(shù)，尤其涉及一種基于tdoa的室內(nèi)手機(jī)定位方法。

背景技術(shù)：

隨著移動智能終端和無線網(wǎng)絡(luò)的廣泛普及，基于位置服務(wù)（locationbasedservices，lbs）的應(yīng)用已日益增長，并在行車導(dǎo)航、智慧管理、社交網(wǎng)絡(luò)、安防監(jiān)控等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。其中，終端定位是位置服務(wù)的關(guān)鍵前提，只有獲得終端位置信息，物理與信息融合的各種應(yīng)用和控制才能有效切換。例如，一些大型的室內(nèi)場所（如停車場、物流倉儲、礦井、監(jiān)獄、考古現(xiàn)場、會展中心）都需要對人員或物品進(jìn)行定位，才能實現(xiàn)導(dǎo)航、監(jiān)控和管理。此外，在物聯(lián)網(wǎng)中，感知層為用戶提供終端所在環(huán)境的上下文相關(guān)信息，其中80%的信息和位置有關(guān)。終端節(jié)點(diǎn)所采集的信息不僅包含諸如運(yùn)動參數(shù)、溫濕度等感知數(shù)據(jù)，也包含了終端自身的位置信息。

gps系統(tǒng)以及基于開放網(wǎng)絡(luò)設(shè)施（通信基站/wifi熱點(diǎn)）的無線定位是目前主流的手機(jī)終端定位機(jī)制。然而，由于信號阻擋和定位精度不足，上述的兩種手機(jī)定位系統(tǒng)均無法適用于封閉的室內(nèi)環(huán)境?；趙ifi網(wǎng)絡(luò)的信號指紋定位是目前最常見的室內(nèi)無線定位方法，然而信號指紋定位算法需要預(yù)先建立離線地圖，存在人工消耗大等問題，而且精度和穩(wěn)定性仍然無法滿足大多數(shù)室內(nèi)定位場景的需求。而一些基于zigbee、藍(lán)牙或rfid的短距離定位系統(tǒng)，由于覆蓋范圍小且依賴于特殊硬件，其應(yīng)用推廣也受到諸多局限。由此可見，如何利用無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)施提供一種輕量級、精度滿足應(yīng)用需求的手機(jī)定位系統(tǒng)，是當(dāng)前位置服務(wù)發(fā)展中亟待解決的熱門問題之一。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對智能手機(jī)的室內(nèi)定位需求，本發(fā)明提出一種基于tdoa（timedifferenceofarrvial，到達(dá)時間差）的室內(nèi)手機(jī)定位方法。該方法利用智能手機(jī)內(nèi)置的麥克風(fēng)和無線網(wǎng)卡實現(xiàn)聲波信標(biāo)和無線信標(biāo)的收發(fā)，并依據(jù)無線信號和聲波信號的傳輸時間差進(jìn)行測距和定位。定位基站周期發(fā)送廣播無線信標(biāo)和聲波信標(biāo)，并通過驅(qū)動層分別記錄兩者的發(fā)送時間戳；定位手機(jī)接收附近定位基站的無線信標(biāo)和聲波信標(biāo)，并通過驅(qū)動層分別記錄兩者的到達(dá)時間戳。基于上述的4個時間戳，定位手機(jī)可以計算出到達(dá)定位基站的距離。其中，聲波信標(biāo)基于mac地址進(jìn)行調(diào)頻調(diào)制，實現(xiàn)源地址識別。當(dāng)定位手機(jī)分別測得3個定位基站的到達(dá)距離時，就可以采用極大似然估計法計算自身的位置坐標(biāo)。本發(fā)明不依賴于特殊硬件，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)間無需時間同步，具有簡單易行，定位精度高，穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案：

一種基于tdoa的室內(nèi)手機(jī)定位方法，其包括以下步驟：

步驟1，在系統(tǒng)部署時，預(yù)先在室內(nèi)環(huán)境中部署多個具有發(fā)送聲波信標(biāo)和無線信標(biāo)功能的定位基站，基站的部署數(shù)量應(yīng)確保每個定位手機(jī)至少與3個基站具有視距傳輸條件；

步驟2，在定位初始階段，定位手機(jī)首先進(jìn)行聲速檢測，獲得當(dāng)前環(huán)境下的聲速值vs；然后從定位服務(wù)器下載所有定位基站的位置坐標(biāo)；

步驟3，在定位階段，每個定位基站周期性廣播無線信標(biāo)和基于mac地址調(diào)頻調(diào)制的聲波信標(biāo)，要求聲波信標(biāo)發(fā)送在先，無線信標(biāo)發(fā)送在后；在發(fā)送信標(biāo)時，基站通過驅(qū)動層分別記錄兩者的發(fā)送時間戳ts1和ts2，然后計算δt=|ts2-ts1|，并將δt通過無線信標(biāo)攜帶廣播；

步驟4，定位手機(jī)接收附近定位基站的無線信標(biāo)和聲波信標(biāo)，并通過驅(qū)動層分別記錄兩者的到達(dá)時間戳tr1和tr2，并獲得無線信標(biāo)中攜帶的δt值；在此基礎(chǔ)上，定位手機(jī)基于mac地址識別同一個基站發(fā)送的無線和聲波信標(biāo)，并計算出到達(dá)該基站的距離，計算公式為d=vs×(|tr2-tr1|-δt)；

步驟5，定位手機(jī)分別測得3個定位基站的到達(dá)距離，即采用極大似然估計法，計算自身的位置坐標(biāo)。

進(jìn)一步地，所述步驟2中的聲速檢測的具體方法為：將手機(jī)放置在距離某個定位基站1米處，然后接收該基站的聲波信標(biāo)和無線信標(biāo)，并分別記錄兩者的到達(dá)時間戳tr1'和tr2'，同時也獲得了該基站通過無線信標(biāo)攜帶的δt'，即可計算出當(dāng)前環(huán)境下的聲速，計算公式為vs=1/(|tr2'-tr1'|-δt')。

進(jìn)一步地，所述步驟3中每個定位基站的信標(biāo)發(fā)送周期可以定義為2秒。

進(jìn)一步地，所述步驟3中測量聲波信標(biāo)的發(fā)送時間的獲取方法為：在linux系統(tǒng)的聲音播放過程中，當(dāng)聲音驅(qū)動采用中斷方式完成將聲音數(shù)據(jù)從dma緩沖區(qū)傳輸?shù)接布彌_區(qū)時，會通過相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)更新dma緩沖區(qū)指針，記錄該更新操作的時間，即為聲波信標(biāo)的實際發(fā)送時間。

進(jìn)一步地，所述步驟3中基于mac地址的聲波信標(biāo)調(diào)頻調(diào)制方法的具體做法為：取自身無線網(wǎng)卡的mac地址的后13位為聲波信標(biāo)的身份標(biāo)識符id，定義為b13，b12，…，b1，調(diào)制時，從高位到低位，當(dāng)bi=1時，則附加一個時隙頻率為fi的音調(diào)，fi=18000hz+(i-1)×250hz，當(dāng)bi=0則跳過，i=1，2，…，13。

進(jìn)一步地，所述步驟4中測量聲波信標(biāo)的到達(dá)時間的獲取方法為：在linux系統(tǒng)的聲音記錄過程中，當(dāng)聲卡硬件完成填寫一個單元的聲音樣本到dma緩沖區(qū)時，會通過中斷通知聲音驅(qū)動去更新dma緩沖區(qū)指針，記錄該更新操作的時間，即為聲波的實際到達(dá)時間。

進(jìn)一步地，所述步驟4中聲波信標(biāo)的源基站識別方法為：定義每個定位基站的id為其無線mac地址，手機(jī)端通過解調(diào)聲波信標(biāo)獲得其id，再通過比對相應(yīng)無線信標(biāo)的mac地址的后13位，當(dāng)后13位相同則兩者來自同一個定位基站，即可鑒別出聲波信標(biāo)的源基站。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案，其利用智能手機(jī)內(nèi)置的麥克風(fēng)和無線網(wǎng)卡實現(xiàn)聲波信標(biāo)和無線信標(biāo)的收發(fā)，并依據(jù)無線信號和聲波信號的傳輸時間差進(jìn)行測距和定位。定位基站周期發(fā)送廣播無線信標(biāo)和聲波信標(biāo)，并通過驅(qū)動層分別記錄兩者的發(fā)送時間戳；定位手機(jī)接收附近定位基站的無線信標(biāo)和聲波信標(biāo)，并通過驅(qū)動層分別記錄兩者的到達(dá)時間戳?；谏鲜龅?個時間戳，定位手機(jī)可以計算出到達(dá)定位基站的距離。其中，聲波信標(biāo)基于mac地址進(jìn)行調(diào)頻調(diào)制，該調(diào)制方法可以標(biāo)識信標(biāo)的源地址。當(dāng)定位手機(jī)分別測得3個定位基站的到達(dá)距離時，就可以采用極大似然估計法計算自身的位置坐標(biāo)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：一方面本發(fā)明采用tdoa測距技術(shù)，降低了定位系統(tǒng)對時間測量精度要求和同步的要求；另一方面，本發(fā)明通過記錄音頻數(shù)據(jù)在dma緩沖區(qū)與聲卡硬件設(shè)備之間的傳輸時間，提高了聲波信號發(fā)送時間和到達(dá)時間的測量精度，提高了定位精度和穩(wěn)定性。本發(fā)明不依賴于特殊硬件，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)間無需時間同步，具有簡單易行，定位精度高，穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

以下結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明；

圖1為本發(fā)明一種基于tdoa的室內(nèi)手機(jī)定位方法的算法流程圖；

圖2為本發(fā)明一種基于tdoa的室內(nèi)手機(jī)定位方法的無線測距原理圖。

具體實施方式

如圖1或2所示，本發(fā)明公開一種基于tdoa的室內(nèi)手機(jī)定位方法，包括以下步驟：

步驟1，在系統(tǒng)部署時，預(yù)先在室內(nèi)環(huán)境中部署多個具有發(fā)送聲波信標(biāo)和無線信標(biāo)功能的定位基站，基站的部署數(shù)量應(yīng)確保每個待定位手機(jī)至少與3個基站具有視距傳輸條件；具體到本發(fā)明中可將無線路由器改造為定位基站，硬件方案選擇支持openwrt的無線路由器，并增加usb聲卡和音箱；軟件平臺采用openwrt。

步驟2，在定位初始階段，定位手機(jī)首先進(jìn)行聲速檢測，獲得當(dāng)前環(huán)境下的聲速值vs；然后從定位服務(wù)器下載所有定位基站的位置坐標(biāo)。

進(jìn)一步地，步驟2中的聲速檢測。具體做法為：將手機(jī)放置在距離某個定位基站1米處，然后接收該基站的聲波信標(biāo)和無線信標(biāo)，并分別記錄兩者的到達(dá)時間戳tr1'和tr2'，同時也獲得了該基站通過無線信標(biāo)攜帶的δt'，即可計算出當(dāng)前環(huán)境下的聲速，計算公式為vs=1/(|tr2'-tr1'|-δt')；

步驟3，在定位階段，每個定位基站周期性廣播無線信標(biāo)和基于mac地址調(diào)頻調(diào)制的聲波信標(biāo)，具體地每個定位基站分別通過無線網(wǎng)卡和聲卡+音箱廣播無線信標(biāo)和聲波信標(biāo)，周期為2秒，并要求聲波信標(biāo)發(fā)送在先，無線信標(biāo)發(fā)送在后；在發(fā)送信標(biāo)時，基站通過驅(qū)動層分別記錄兩者的發(fā)送時間戳ts1和ts2，然后計算δt=|ts2-ts1|，并將δt通過無線信標(biāo)攜帶廣播，如圖2所示。

更進(jìn)一步地，步驟3中的聲波發(fā)送時間的測量，在linux系統(tǒng)的聲音播放過程中，當(dāng)聲音驅(qū)動采用中斷方式完成將聲音數(shù)據(jù)從dma緩沖區(qū)傳輸?shù)接布彌_區(qū)時，會通過相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)更新dma緩沖區(qū)指針，記錄該更新操作的時間為聲波的實際發(fā)送時間。

更進(jìn)一步地，步驟3中基于mac地址的聲波信標(biāo)調(diào)頻調(diào)制方法。具體做法為：取自身mac地址后13位為聲波信標(biāo)的身份標(biāo)識符id，定義為b13，b12，…，b1，調(diào)制時，從高位到低位，當(dāng)bi=1時，則附加一個時隙頻率為fi的音調(diào)，fi=18000hz+(i-1)×250hz，當(dāng)bi=0則跳過，i=1，2，…，13。

步驟4，定位手機(jī)接收附近定位基站的無線信標(biāo)和聲波信標(biāo)，并通過驅(qū)動層分別記錄兩者的到達(dá)時間戳tr1和tr2，并獲得無線信標(biāo)中攜帶的δt值。在此基礎(chǔ)上，定位手機(jī)基于mac地址識別同一個基站發(fā)送的無線和聲波信標(biāo)，并計算出到達(dá)該基站的距離，計算公式為d=vs×(|tr2-tr1|-δt)。

更進(jìn)一步地，步驟4中的聲波到達(dá)時間的測量，在linux系統(tǒng)的聲音記錄過程中，當(dāng)聲卡硬件完成填寫一個單元的聲音樣本到dma緩沖區(qū)時，會通過中斷通知聲音驅(qū)動去更新dma緩沖區(qū)指針，記錄該更新操作的時間為聲波的實際到達(dá)時間。

更進(jìn)一步地，步驟4中聲波信標(biāo)的源基站識別方法。定義每個定位基站的id為其無線mac地址，手機(jī)端通過解調(diào)聲波信標(biāo)獲得其id，再通過比對相應(yīng)無線信標(biāo)的mac地址的后13位，即可鑒別出聲波信標(biāo)的源基站。如果相同，則兩者來自同一個定位基站。

步驟5，當(dāng)定位手機(jī)分別測得3個定位基站的到達(dá)距離，即采用極大似然估計法，計算自身的位置坐標(biāo)。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案，其利用智能手機(jī)內(nèi)置的麥克風(fēng)和無線網(wǎng)卡實現(xiàn)聲波信標(biāo)和無線信標(biāo)的收發(fā)，并依據(jù)無線信號和聲波信號的傳輸時間差進(jìn)行測距和定位。定位基站周期發(fā)送廣播無線信標(biāo)和聲波信標(biāo)，并通過驅(qū)動層分別記錄兩者的發(fā)送時間戳；定位手機(jī)接收附近定位基站的無線信標(biāo)和聲波信標(biāo)，并通過驅(qū)動層分別記錄兩者的到達(dá)時間戳?；谏鲜龅?個時間戳，定位手機(jī)可以計算出到達(dá)定位基站的距離。其中，聲波信標(biāo)基于mac地址進(jìn)行調(diào)頻調(diào)制，該調(diào)制方法可以標(biāo)識信標(biāo)的源地址。當(dāng)定位手機(jī)分別測得3個定位基站的到達(dá)距離時，就可以采用極大似然估計法計算自身的位置坐標(biāo)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：一方面本發(fā)明采用tdoa測距技術(shù)，降低了定位系統(tǒng)對時間測量精度要求和同步的要求；另一方面，本發(fā)明通過記錄音頻數(shù)據(jù)在dma緩沖區(qū)與聲卡硬件設(shè)備之間的傳輸時間，提高了聲波信號發(fā)送時間和到達(dá)時間的測量精度，提高了定位精度和穩(wěn)定性。本發(fā)明不依賴于特殊硬件，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)間無需時間同步，具有簡單易行，定位精度高，穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。