CN100501333C

CN100501333C - 一种基于无线定位技术的导航系统

Info

Publication number: CN100501333C
Application number: CNB2006100341463A
Authority: CN
Inventors: 罗笑南; 凌若天
Original assignee: National Sun Yat Sen University
Current assignee: Sun Yat Sen University; National Sun Yat Sen University
Priority date: 2006-03-09
Filing date: 2006-03-09
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2026-03-09
Also published as: CN1818560A

Abstract

本发明公开了一种基于无线定位技术的导航系统，主要由若干位置信息发送器和若干位置信息接收器组成。位置信息发送器是一种可以与位置信息接收器直接通讯的设备，位置信息发送器间可以相互通讯，用户还可以在其上设置本位置信息发送器与其它位置信息发送器的物理位置的连通关系。位置信息接收器是一种可以与系统中所有位置信息发送器相通讯的设备，当用户带着位置信息接收器进入系统信号的覆盖范围后，位置信息接收器马上与所有的位置信息发送器相通信。本发明可以实现精确定位和三维导航，适用于大型展馆、公园等设施。

Description

一种基于无线定位技术的导航系统

技术领域

本发明涉及一种导航系统，特别是一种提供三维导航服务、基于无线定位技术的导航系统。

背景技术

无线定位技术是当今的主要定位技术，在导航、交通、工程等邻域具有广泛用途。目前，通过卫星已经能实现精确定位，而新出现的通过无线系统进行定位的技术，正以其廉价和灵活的特点受到广泛关注。

实现无线定位主要有两大类解决方案，第一类是由移动站主导的定位技术。单从技术角度讲，这种技术更容易提供比较精确的用户定位信息，它可以利用现有的一些定位系统，但这类技术需要在移动站上增加新的硬件，这将对移动站的尺寸和成本带来不利的影响。第二类是由基站(BS)主导的定位技术，这种解决方案需要对现存的基站、交换中心做出某种程度的改进，但它可以兼容现有的终端设备。

现在的大型展馆往往包含多层建筑，每层又有若干个功能房间、展厅等，一位参观者若不熟悉室内的建筑结构，进入这样一个大型展馆，找到自己想要去的房间往往颇费周折。同样，对于一个由很多景点组成的主题公园，游客想要走到某个景点，冤枉路也是不可避免的，而且常常需要多次进行问路才能到达目的地。

但目前并没有系统能很好地解决上述存在的问题，于是我们结合无线定位定位技术设计出了本系统，系统旨在使参观者、游客等能够方便的在场馆、小区内迅速地到达目的地，节省在寻路上的时间开销。

无线定位技术现在已经进入一个蓬勃发展的阶段并已出现了多种成熟的无线定位方案，这里只介绍目前较适合本系统实现的无线定位技术。

(1)GPS定位技术

GPS是美国军方的卫星定位系统，由24颗定位卫星组成的空间部分、地面监控系统以及GPS信号接收机组成，拥有较高的定位精度。利用4颗GPS卫星算出观测者的三维坐标的原理是：卫星不断向地面发射编码后的调制信号，信号上载有卫星信号准确发送时间和卫星在不同时间的空中位置，用户接收机收到信号后，与接收机时钟相比，可知传播时间T；卫星与用户接收机时钟并不是完全同步的，有一个时间差△t(卫星之间是同步的)。这样我们可以由用户的三维坐标(有x，y，z三个变量)、卫星的三维坐标(也有x，y，z三个变量)、T和△t列出一个方程，这里△t和用户的坐标都是未知量，共有4个未知量，我们使用4颗卫星，列出4个不同的方程，于是可以求出用户的位置与△t。

(2)超声波定位技术

该技术由于其成本低、结构简单易于实现而被人们广泛采用。超声波测距大都采用反射式测距法，即发射超声波并接收由被测物产生回波，根据回波与发射波的时间差计算出待测距离，有的则采用单向测距法。超声波定位系统可由若干个应答器和一个主测距器组成，主测距器放置在被测物体上，在微机指令信号的作用下向位置固定的应答器发射同频率的无线电信号，应答器在收到无线电信号后同时向主测距器发射超声波信号，得到主测距器与各个应答器之间的距离。

近年来，无线定位和导航产品相继出现，其中又以手机定位服务发展最为迅猛，手机定位服务又叫做移动位置服务(LBS--Location BasedService)，它是通过电信移动运营商的网络(如GSM网、CDMA网)获取移动终端用户的位置信息(经纬度坐标)，在电子地图平台的支持下，为用户提供相应服务的一种增值业务，例如目前中国移动动感地带提供的动感位置查询服务等。其大致原理为：移动电话测量不同基站的下行导频信号，得到不同基站下行导频的TOA(Time of Arrival，到达时刻)，根据该测量结果并结合基站的坐标，一般采用三角公式估计算法，就能够计算出移动电话的位置。实际的位置估计算法需要考虑多基站(3个或3个以上)定位的情况，因此算法要复杂很多。一般而言，移动台测量的基站数目越多，测量精度越高，定位性能改善越明显。目前手机定位仅仅局限于定位服务，以及通过电子地图服务向用户提供周围一些商场、饭店等服务设施，但还不能进行导航服务。与手机定位相比，GPS系统能提供导航服务，一些GPS系统作为汽车电子的一部分，已经逐渐推广开来。但是无论是手机定位技术还是GPS定位技术，现行的系统一个不能提供很高精度的地图以适合展馆、小区等精确定位或导航，第二它们提供导航服务都是二维的导航，这在多层建筑内，二维的导航是不够的。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有系统的不足，提供一种能够提供精确定位、基于无线定位技术的三维导航系统。

为达到上述目的，本发明的导航系统具有：若干位置信息发送器，位置信息发送器是一种可以与位置信息接收器直接通讯的设备，位置信息发送器间可以相互通讯，用户还可以在其上设置本位置信息发送器与其它位置信息发送器的物理位置的连通关系；系统通过在目的地布置一个位置信息发射器，通过发射器与用户手中的位置信息接收器通讯，得到位置信息发射器与位置信息接收器的相对位置信息，相对位置信息包括方向与距离，把该信息显示在用户手中的位置信息接收器显示面板上；当需要导航的目的地不只一个的时候，系统可以动态地加入一个或多个位置信息发射器，把位置信息发射器分别放置在不同的目的地中，就可以实现对多个目的地进行导航的功能；这时用户只需要从位置信息接收器的控制面板中选择想要到达的目的地即可，如果用户现在想去目的地A，当他到达A后，又想去目的地B，那么多位置信息发射器系统结构可以满足用户的这种需求；

若干位置信息接收器，位置信息接收器是一种可以与系统中所有位置信息发送器相通讯的设备，当用户带着位置信息接收器进入系统信号的覆盖范围后，位置信息接收器马上与所有的位置信息发送器相通信，得到位置信息接收器与所有发送器间的距离矢量关系和发送器间的连通关系，并把这矢量关系返回给用户，结果的返回形式可以采用图像的形式，图像以用户所在的位置为中心，把发送器的所在的点显示在位置信息接收器的屏幕上。

所述位置信息发送器放置入系统的工作流程如下，①用户向位置信息发送器S输入初始化命令，②位置信息发送器S与系统中已有的所有位置信息发送器相通讯，得到位置信息发送器与其它位置信息发送器的距离矢量(距离矢量包括距离与方向信息)，③把得到的距离矢量存储到位置信息发送器S中，④用户在位置信息发送器S上设定与其它位置信息发送器的连通关系，我们认为如果一个人现在在A位置信息发送器的地点，他想要到达B位置信息发送器的地点，但是其路途必须经过C位置信息发送器，那么A与C是连通的，C与B也是连通的，但是A与B则是不连通的，⑤把位置信息发送器S与其他位置信息发送器的连通关系存储到位置信息发送器S中。

位置信息接收器为用户导航的工作流程如下，①用户想去位置信息发送器S所在的地点，于是用户向位置信息接收器发送导航命令，②位置信息接收器进入导航状态，位置信息接收器与所有的位置信息发送器相通讯，得到位置信息接收器与所有位置信息发送器间的距离矢量关系，同时也把各个位置信息发送器间的连通关系保存到位置信息接收器中，重新获得这些信息是为了防止用户在中途修改了连通关系，③根据位置信息接收器与各个位置信息发送器间的距离矢量与位置信息发送器间的连通关系，位置信息接收器计算得到前往S的最佳路径，并把路径保存在位置信息接收器中，④把用户应该前进的方向和离目标地点的行走距离返回给用户，⑤位置信息发送器每间隔一段时间即重新接收位置信息发送器发送过来的距离矢量信息，重新计算用户应该前进的方向与行走距离，⑥用户到达目的地后，位置信息发送器发现自己与发送器间的距离小于某个值，就认为用户到达目的地，于是位置信息接收器自动停止导航，不再与其他位置信息发送器通讯直到用户再次发送导航命令。

所述导航系统支持一个或多个位置信息接收器同时在系统中运作，当有多个用户同时使用本导航系统的时候，可以为每个用户配置一个独立接收器，每个接收器可以用户导航不同的目的地。

所述导航系统是一种三维导航系统，一般的导航系统只能提供东南西北的相对方位信和相对距离信息，我们这个系统除了能提供这些信息，还提供高度的相对信息，即用户当前所在的物理位置是在目的地的上方还是下方。

所述导航系统可设置发射器间的物理连通关系，当系统中被放置了多个发射器后，发射器将自动两两相互交换相对位置信息，比如当前系统的3个目的地a、b、c分别放置了A、B、C三个发射器，那么A、B、C之间将相互交换相对位置信息，但是系统默认接收器是物理间项目连通的，如果目的地a与b连通、b与c连通，但是a与c间是不连通的，用户从a到达c地点，途中必须经过地点b，那么管理员可以在系统中设置A与C间不连通。

所述导航系统可自动选择路径的导航系统，根据发射器间相互交换的位置信息和管理员设置的发射器连通信息，系统再结合用户当前的物理位置可以为用户自动选择路径，比如当前系统的3个目的地a、b、c，如果用户现在位于地点a，他想去目的地c，那么系统将先把用户导航到b地点，当用户到达b地点后，再把用户导航到c地点。

采用本发明的导航系统，可以在展馆、小区等小型区域内为人们提供精确的定位和三维导航服务。

附图说明

图1是系统实施基本体系结构图；

图2是位置信息接收器屏幕显示示意图；

图3是展馆内部示意图；

图4是用户位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

这里用一个大型的展馆作为例子说明我们系统是如何运行的。展馆中有多个展厅、报告厅等其他功能的房间。展馆的管理者为了方便参观者，为每个功能房间等里都放上了一个位置信息发送器，并且在每个位置信息发送器上设置了发送器间的连通关系，系统实施基本体系结构图如1所示。这里为了简化说明，我们假设这个展馆只有5个功能房间，分别为A、B、C、D、E，如图2所示。

现在用户走进展馆，管理者为他配备了一个位置信息接收器，他现在携带着位置信息接收器进入展馆，他的位置信息接收器发现进入了位置信息发送器的信号范围，于是马上和展馆内的所有位置信息发送器相通信，得到了所有位置信息发送器与接收器的距离矢量关系，把这些关系显示在接收器的屏幕上，屏幕上可以看到如图3所示的图像。

他想先到房间A中参观，于是他向位置信息接收器发送导航到A的命令，接收器又与所有的位置信息发送器相通信，重新得到距离矢量关系与发送器间的连通关系，然后计算出用户现在直接想A地点走去是最短的路径，由于A在用户所在地的北方，所以位置信息发送器指示用户向北走，当用户走到A房间，位置信息停止导航。

用户在A参观完毕后，随便在馆内走动，走到了如图4所示位置现在他想去房间D，于是又向接收器发送导航到D的命令。位置信息接收器于是又重新与发送器通讯，重新计算，得到到达D点的路径应该为B—>E—>D，于是接收器先把用户导航到B房间，等用户到达了B房间再把用户导航到E房间，然后再导航到D房间，命令完成。

Claims

1、一种基于无线定位技术的导航系统，其特征在于具有：

(a)若干位置信息发送器，位置信息发送器是一种可以与位置信息接收器直接通讯的设备，位置信息发送器之间可以相互通讯，并且能设置两个位置信息发送器之间物理位置的连通关系；系统通过在目的地布置一个位置信息发送器，来与用户手中的位置信息接收器通讯，得到位置信息发送器与位置信息接收器的相对位置信息，把该信息显示在用户手中的位置信息接收器显示面板上，其中，相对位置信息包括方向与距离；此外，系统可以动态地加入一个或多个位置信息发送器，把它们分别放置在不同的目的地中，就可以实现对多个目的地进行导航的功能；这时用户只需要从位置信息接收器的控制面板中选择想要到达的目的地即可；

(b)若干位置信息接收器，位置信息接收器是一种与系统中所有位置信息发送器进行通讯并为用户显示位置信息发送器所在的点的设备，当用户带着位置信息接收器进入系统信号的覆盖范围后，位置信息接收器马上与所有的位置信息发送器相通信，得到位置信息接收器与所有位置信息发送器间的距离矢量关系和连通关系，并把这些关系返回给用户，结果的返回形式采用图像的形式，图像以用户所在的位置为中心，把位置信息发送器的所在的点显示在位置信息接收器的屏幕上。

2、根据权利要求1所述的基于无线定位技术的导航系统，其特征是：所述位置信息发送器放置入系统的工作流程如下，①用户向位置信息发送器S输入初始化命令；②位置信息发送器S与系统中已有的所有位置信息发送器相通讯，得到位置信息发送器S与其它位置信息发送器的距离矢量，其中，距离矢量包括距离与方向信息；③把得到的距离矢量存储到位置信息发送器S中；④用户在位置信息发送器S上设定与其它位置信息发送器的连通关系，我们认为如果一个人现在在位置信息发送器A的位置，他想要到达位置信息发送器B，但是其路途必须经过位置信息发送器C，那么A与C是连通的，C与B也是连通的，但是A与B则是不连通的；⑤把位置信息发送器S与其他位置信息发送器的连通关系存储到位置信息发送器S中。

3、根据权利要求1或2所述的基于无线定位技术的导航系统，其特征是：位置信息接收器为用户导航的工作流程如下，①用户想去位置信息发送器S所在的地点，于是用户向位置信息接收器发送导航命令；②位置信息接收器进入导航状态，与所有的位置信息发送器相通讯，得到位置信息接收器与所有位置信息发送器间的距离矢量关系，同时把各个位置信息发送器所存储的连通关系保存到位置信息接收器中，重新获得这些信息是为了防止用户在中途修改了连通关系；③根据位置信息接收器与各个位置信息发送器间的距离矢量以及位置信息发送器间的连通关系，计算得到前往位置信息发送器S所在的地点的最佳路径，并把路径保存在位置信息接收器中；④把用户应该前进的方向和离目标地点的行走距离返回给用户；⑤位置信息接收器每间隔一段时间重新得到位置信息接收器与所有位置信息发送器间的距离矢量关系，重新计算用户应该前进的方向与行走距离；⑥用户到达目的地后，位置信息接收器自动停止导航，不再与其他位置信息发送器通讯直到用户再次发送导航命令。

4、根据权利要求1所述的基于无线定位技术的导航系统，其特征是：所述导航系统支持一个或多个位置信息接收器同时在系统中运作，当有多个用户同时使用本导航系统的时候，可以为每个用户配置一个独立位置信息接收器，每个位置信息接收器可以为不同用户导航不同的目的地。

5、根据权利要求1所述的基于无线定位技术的导航系统，其特征是：所述导航系统是一种三维导航系统，一般的导航系统只能提供东南西北的相对方位信息和相对距离信息，而本系统除了提供这些信息之外，还提供高度的相对信息，即指出用户当前所在的物理位置是在目的地的上方还是下方。

6、根据权利要求1或2所述的基于无线定位技术的导航系统，其特征是：所述导航系统可设置位置信息发送器间的物理连通关系，当系统中被放置了多个位置信息发送器后，位置信息发送器将自动两两相互交换相对位置信息。

7、根据权利要求3所述的一种基于无线定位技术的导航系统，其特征是：所述导航系统根据位置信息发送器间相互交换的位置信息和位置信息发送器之间的连通信息，并结合用户当前的物理位置，系统可以为用户自动选择路径。