CN102223706A - 一种移动定位服务系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种定位服务系统，由定位管理平台、定位终端LE和定位信标LIU组成。定位管理平台通过通信网络连接多个LE和LIU；LE具备定位测量、无线传感和通信功能；LIU具备无线传感和通信功能；LE定时将定位测量数据上报定位管理平台，由管理平台通过信息融合技术获得LE位置的最优估计。当LE接近至LIU无线传感单元探测范围时可被自动识别，其中的识别号ID-1被LIU自动读取并上报给定位管理平台，管理平台据此校正对应LE的位置数据。应用本发明系统，可大大简化LE的数据处理，降低其功耗，有利于开展多种定位增值服务，特别有利于开展那些对LE有低功耗、隐蔽性要求的定位服务。

Description

一种移动定位服务系统

技术领域

本发明涉及移动定位服务系统，尤其涉及综合利用GPS技术、惯性导航技术以及无线通信技术提供定位服务的系统。

背景技术

作为无线通信系统的特色业务之，定位服务作为移动增值业务的一个亮点受到业界的普遍关注。目前，北美、欧洲和亚太地区的主要移动运营商都已开通了移动定位业务。移动定位服务大致分为以下几种类型。

公共安全业务：主要是为拨打紧急呼叫电话的用户定位，以方便公共安全部门为其提供迅速、准确的救援服务。此类业务的主要代表是美国的移动911紧急呼叫服务。

跟踪业务：提供对人员、车辆等可移动目标的跟踪服务，允许用户定期或按需要查询目标的位置。具体的应用有儿童和老人监护、宠物追踪、车辆防盗、物流及出租车队调度与管理等。

基于位置的个性化信息服务：为用户提供与其当前所处位置相关的综合信息服务，例如为旅游者提供当地的交通状况、天气预报、旅游指南等分类信息，帮助其查找附近的酒店、停车场、娱乐场所等。

导航服务：为用户提供由当前位置到目的地的引导服务，例如针对旅行者的路线规划服务和行程中的引导服务(提供转向提示、到达通知等)。

所有这些移动定位服务都是基于定位技术实现的，目前在移动定位服务中应用的定位技术主要有以下几种：

基于网络的源小区(COO)定位技术，即基于Cell ID的定位技术，它由网络侧获取用户当前所在的基站Cell信息以获取用户当前位置，其精度取决于移动基站的分布及覆盖范围的大小；

基于到达时间(TOA)或到达时间差(TDOA)原理的三角测量技术，如CDMA网络中使用的AFLT(Advanced Forward Link Trilateration)定位技术，在定位操作时，手机/终端同时监听多个基站的导频信息，利用码片时延来确定到附近基站的距离，最后用三角定位法算出具体位置；

基于星基无线导航系统的辅助GPS(A-GPS)技术。传统GPS技术由于过于依赖终端性能，即将卫星扫描、捕获、伪距信号接收及定位运算等工作集于终端一身，从而造成定位灵敏度低技终端耗电量大等方面缺陷。A-GPS将终端的位置计算工作简化，由网络侧的定位服务器与终端相互配合完成定位工作，将卫星扫描及定位运算等最为繁重的工作从终端一侧转移到网络一侧的定位服务器完成。提高了终端的定位精度、灵敏度和冷启动速度、降低终端耗电。具体地，A-GPS技术利用一个由多个高灵敏度GPS接收机组成的广域GPS卫星参考网络，负责全天候监测覆盖区域上空所有GPS卫星的星历数据、多普勒频移等定位所需信息，动态刷新存储于定位平台中的GPS卫星数据库(卫星数据与地理位置对应关系)。终端只有在需要定位时才通过无线网络向定位平台通报大概位置(属于哪个基站)，然后通过定位平台获得GPS卫星信息，从而大大缩短卫星捕获时间，大幅度降低耗电。借助定位服务器强大的运算能力，可以采用复杂的定位算法以降低接收信号弱等不利因索的影响从而提高定位精度和灵敏度；

GPSONE技术是美国高通公司为基于位置的移动服务开发的定位技术。它将无线辅助A-GPS和AFLT三角定位法两种定位技术有机结合，在GPS卫星信号和无线网络信号都无法单独完成定位的情形下，GPSONE系统会组合这两种信息源，只要有一颗卫星和一个小区站点就可以完成定位，解决了传统GPS无法解决的问题，实现较高精度、高可用性和快速定位，改善了室内定位效果。在这两种定位技术均无法使用的环境中，GPSONE会自动切换到Coll ID扇区定位方式，确保定位成功率。

此外，近年还出现一些利用短距离无线技术和三角测量技术实现的定位方案RTLS，如WiFi定位系统、ZigBee定位系统等，他们工作机理都是通过部署多台定位基站，然后待定位的终端通过测量临近基站的信号强度并通过定位算法模型计算出位置坐标，这些技术方案只能用于小范围特别是室内区域的定位而且精度不高，适用场合有限。

对于公共安全、定位跟踪、导航等服务，基于CELL ID和基站无线测量的定位技术虽然成功率高但是精度远远不能满足业务要求，因此这类服务大多采用基于GPS的定位技术，如A-GPS或GPSONE。不过在实际应用中GPS技术的可用性存在很大问题，比如在城市环境GPS信号会受到很多高楼的阻挡、定位终端周围建筑对GPS信号的反射会引起测量误差、许多需要定位服务的位置无法收到GPS信号(如城市高架下的道路、地下停车场、车站码头等室内环境等等)。为解决上述问题，近年来一些新技术被引入定位服务领域，如常见的车辆导航系统就采用GPS接收器加上航位推算(Dead-Reckoning)设备共同完成导航功能，常见的航位推算设备如陀螺仪、加速度仪、电子指南针以及车轮转动信号等，它们能测量车辆在相对短的时间内的位置变化，而GPS接收器能够在确定的误差范围内测量车辆的绝对位置。二者具有天然的互补性：航位推算设备能够平均掉GPS接收器短时间内的误差，GPS接收器能够在长时间内对航位推算设备进行校准。用于航空航天领域的传统航位推算设备精度高但是体积庞大且价格昂贵，并不适用于一般的民用车辆导航。随着近十几年来微机电系统(MEMS)工艺的进步，采用MEMS工艺的微陀螺仪、微加速仪器件的性能得到了迅速的提高，MEMS器件以其体积小、成本低、外围电路简单等优点为导航定位系统的设计提供了新的选择。除了GPS接收器和航位推算设备，车载导航仪还装载有一个数字化的交通道路数据库——数字地图。利用数字地图的信息和测量数据通过地图匹配能够很好地确定待导航车辆的位置。设计良好的导航仪能够很好的整合来自GPS接收器和航位推算设备的测量数据，从而进一步做出很好的地图匹配。为了很好整合这些测量数据以达到满意的导航效果，业界常常采用卡尔曼滤波器(Kalman filter)来平衡当前测量和历史测量数据，以线性、无偏、最小方差为原则实现最优估计，尽可能减少系统噪声从而提高定位精度和可用性。

美国专利US20080091351提出一种利用MEMS器件构成的惯性系统调整汽车GPS导航精度的方法和系统。系统中集成了由MEMS器件构成的惯性测量单元IMU、GPS接收机单元和Kalman滤波单元，在GPS接收机因为多经信号影响导致定位精度下降时，该专利提出的方法能够利用IMU测量数据改善系统的导航精度。不过该专利提供的方法和系统适用于车载导航应用，并不满足公共安全领域应用时的微型化、隐蔽性和低功耗要求。

美国专利US20080143596提出一种利用MEMS器件测试手机三维移动速度进而为GPS定位计算提供辅助信息，这样在GPS信号不够理想无法捕获足够GPS卫星信号时仍然可以实现手机定位。但是该专利并未涉及具体的基于位置信息的定位服务以及满足定位服务需求所涉及的技术解决方案。

综上所述，移动定位技术经过近年来的不断发展取得显著进步，但是要满足优质移动定位服务的要求，尤其是对于一些诸如人员定位跟踪、敏感或危险物品的定位追踪等公共安全领域的应用，目前市场提供所技术和产品尚有以下不足：

现有的定位产品尺寸较大且没有考虑隐蔽性设计，难以满足上述应用的小型化、微型化和隐蔽性需求；

现有的定位产品在低功耗设计上没有进行特别设计，难以满足上述应用中采用电池供电时的低功耗需求；

现有的定位产品和服务局限于获取定位信息、通报定位信息或结合地理信息系统(GIS)和电子地图提供简单的历史轨迹记录功能，缺少跟踪预警、利用后合系统对大量定位终端的统一管理、利用后台系统的历史冗余信息提高定位精度和成功率等增值服务功能。

因此，市场需要一种能够提供可靠的定位信息并基于定位信息提供增值服务的移动定位服务系统，并且其中的定位终端要满足低功耗、小型化和隐蔽性需求。

发明内容

本发明提出一种提供定位服务的系统，该系统包括：

(1)定位终端LE，负责进行定位测量并通过通信网络上报结果；

(2)定位信标LIU，负责自动侦测其周围的LE，自动读取LE的识别号ID-1并通过通信网络上报；

(3)定位管理平台，负责通过通信网络采集LE上报的定位测量信息，经过信息融合处理并结合数据库中的LE历史轨迹信息确定LE当前的位置，接收LIU上报的LE识别信息并利用该信息校正该LE的当前位置。

所述系统还包括经定位管理平台授权的第三方定位服务商LBS和定位服务用户LUE，他们通过通信网络连接，接收定位管理平台发布的位置服务信息，包括LE即时位置信息、位置告警和航迹。

所述通信网络指能够提供广域覆盖的移动通信网络、有线宽带网络、无线宽带网络或者它们的组合，所述移动通信网络包括GSM网络、GPRS网络、EDGE网络、CDMA2000 1x网络、CDMA2000 EVDO网络、WCDMA网络、TD-SCDMA网络以及基于上述移动网络的演进网络。

所述LE包括GPS单元、无线传感单元、惯性测量单元IMU、无线通信单元和主控单元。所述LIU包括无线传感单元、通信单元和主控单元。而定位管理平台则包括信息采集发布单元、数据库单元、数据处理单元和管理单元。

所述LE根据定位策略定时触发定位测量和结果上报，定位测量包括GPS测量、惯性导航测量和无线网络参数测量。定位策略包括LE需定时测量和上报的定位参数、定时测量和上报的时间间隔；所述时间间隔是和LE即时运动速度相关的一个动态变化量，其变化规律是速度越高时间间隔越小；定位策略由定位管理平台根据LE申请的定位业务类别、LE的常规运动模式和LE的运算能力预先确定并通过下发参数配置于LE中。在两次定位测量和结果上报期间LE进入休眠状态并关断外围电路电源。

定位管理平台通过下述步骤处理LE上报的定位测量信息：

1)定位信息采集单元接收来自LE的定时上报消息，提取其中的定位信息，包括GPS定位测量信息、IMU测量信息和无线网络参数；

2)数据处理单元首先对定位信息进行预处理，包括计算GPS定位数据置信度C_L，根据IMU测量数据计算出本次上报数据中所包含的各采样时刻的LE即时速度矢量和航向，根据上报信息中包含的无线网络参数确定LE当前的服务基站和相邻基站；

3)根据第2)步预处理所得数据，进行定位信息融合处理，获得可靠的LE位置坐标。

其中的无线网络参数包括：伪随机码相位偏置系数、导频激活集、导频候选集和导频相邻集数据；根据这些无线网络参数通过检索数据库中预先存储的无线网络规划信息确定LE当前的服务基站和相邻基站；然后结合数字地图估计LE的大致位置，作为LE定位的辅助信息。

GPS定位数据置信度C_L通过下式计算：

$C\_L=\frac{N\_S}{4}*{\mathrm{\Π}}_i{10}^{\frac{({\mathrm{SN}}_i-{\mathrm{SN}}_0)}{10}}$

其中，N_S是GPS定位测量信息中的卫星数量，SN_i，i＝1，2，...n是卫星信号信噪比，SN₀是GPS接收机正确解调信号所需的卫星信号信噪比阈值，单位为dB，该数值作为LE的属性参数预先存储在定位管理平台数据库单元。

所述定位信息融合处理进一步包括：

(a)由卡尔曼(Kalman)滤波单元对GPS定位测量数据进行最优估计；

(b)航位推算(Dead-Reckoning)单元使用IMU测量数据进行航位推算；

(c)信息融合单元对(a)、(b)的结果进行信息融合处理：当GPS定位信息置信度C_L＜C_L₀时，舍弃GPS定位信息，直接采用航位推算结果作为LE的定位结果，同时启动航位推算导航计时器T，当T＞T₀时，发出系统告警；否则对a)、b)输出信息进行Kalman滤波处理，获得LE位置信息最优估计；所述C_L₀和T₀为定位管理平台预先设定的门限值，并且可根据相应定位服务对精度的要求和实际使用效果随时修改；

(d)使用LE周围区域的数字地图校正LE的位置坐标和航迹；

(e)将LE的定位结果送到航位推算单元进行反馈校正，钳制航位推算随着时间积累的系统识差；更新定位管理平台数据库单元记录的LE历史运动速度、航迹和姿态数据。

定位管理平台通过下述步骤处理LIU上报的LE探测信息：

A)收到来自LIU的LE探测消息后根据LIU上报的LE识别号ID-1触发进入相关LE的定位更新流程；

B)根据LIU的识别号ID-2检索数据库调出该LIU的属性数据，包括部署位置、能够有效探测LE的距离和无线传感单元天线方向性参数；

C)根据LIU上报的LE无线传感单元信号强度和LIU无线传感单元天线方向性参数计算LE对于该LIU的相对方位，然后通过LIU部署位置信息得出LE在被LIU探测到的时刻t_s时的位置；

D)检索数据库调出该LE最近的运动轨迹数据，对LIU上报的探测时间t_s时刻的LE位置进行校正，并重新基于IMU历史数据通过航位推算更新t_s时刻之后直到当前的LE航迹，将校正和计算结果更新至数据库。

本发明大大简化了LE的数据处理，降低其功耗，有利于开展多种定位增值服务，特别有利于开展那些对LE有低功耗、隐蔽性要求的定位应用。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本发明系统一个实施例的系统架构图；

图2是本发明系统中LE一个实施例的功能框图；

图3是本发明系统中LIU一个实施例的功能框图；

图4是本发明系统中LE一个实施例的硬件实现方案；

图5是本发明系统中LIU一个实施例的硬件实现方案；

图6是本发明系统一个实施例中LE在定位管理平台的注册流程示意图；

图7是本发明系统一个实施例中LE和定位管理平台之间的接口协议示意图；

图8是本发明系统一个实施例中定位管理平台处理LE上报信息的流程示意图；

图9是通过无线参数估计LE大概位置的原理示意图；

图10是本发明系统一个实施例中定位管理平台处理LIU上报信息的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

图1给出了本发明一个实施例的系统架构图，其中定位管理平台S102通过通信网络S101与多个定位终端LE建立通信连接，采集各LE上报的定位测量信息，结合数据库中的终端历史轨迹信息和定位算法确定并记录各LE当前的位置。同时，定位管理平台S102还通过通信网络S101和定位信标LIU建立通信连接，实时接收LIU上报的LE识别信息并利用该信息校正该LE的当前位置。另外，定位管理平台S102还通过通信网络S101与经授权的第三方定位服务商LBS和定位服务用户LUE建立通信连接，向LBS和LUE发布LE的即时位置信息和位置告警、历史轨迹等增值服务信息。所述通信网络是指能够提供广域覆盖的移动通信网络、有线宽带网络、无线宽带网络或者它们的组合，这里为了表述清晰简洁，仅以CDMA移动通信网络为例来说明本发明的思想。如图1所示，定位管理平台S102通过S101中的短信网关、分组数据服务节点PDSN(Packet DataServing Node)和路由器与多个LE、LIU以及LUE和LBS建立通信连接。

定位管理平台S102在具体实施时采用分布式、模块化的架构，可视应用规模灵活采用一台服务器或多台服务器群组构成。其中包括信息采集发布单元、数据处理单元、数据库单元和管理单元，各单元的功能和连接关系如下：

信息采集发布单元负责基于TCP/IP协议或短信SMS完成定位管理平台S102和LE、LIU、LUE以及LBS之间的通信，完成它们之间交互消息的封装与拆封；同时还负责从LE的上报消息中提取LE识别号、定位测量信息并转交给数据处理单元，从LIU上报的消息中提取LE的识别号、LE信息识别时间和LIU识别号信息并转交数据处理单元；另外，信息采集发布单元还负责按照管理单元的指令向授权LBS和LUE发布LE位置信息。

数据库单元是多种逻辑数据库的综合，包括终端管理数据库TM_DB、用户管理数据库CM_DB及业务数据库TF_DB。TM_DB存储的终端管理数据包括所有LE的识别号、LE的常规运动模式和当前运动模式、LE当前的姿态、LE的定位服务类别、LE配置的定位测量能力，以及LIU的识别号、LIU部署位置的坐标信息、LIU识别LE的距离等。CM_DB存储的用户管理数据包括LUE和LBS的识别号、鉴权认证信息、授权服务类别和等级等。TF_DB存储的业务数据包括开展业务地区的数字地图、地物地貌信息、移动基站规划信息、LE历次上报的定位测量信息、LE历史位置信息、LIU历次上报的LE识别信息等。

数据处理单元负责按照定位算法处理信息采集单元转交的LE定位测量数据，结合数据库单元记录的该LE历史运动轨迹、前一时刻运动模式和运动姿态以及LE所在区域的地理信息系统，确定该LE当前位置坐标、当前运动模式和运动姿态并记录结果。同时负责处理信息采集单元转交的LIU上报信息，查询数据库中该LIU的关联信息并结合这些信息及时校正LE当前位置坐标。

管理单元负责管理所有LE、LIU的注册、接入认证、工作状态监测统计、升级维护以及关联属性数据的更新，还负责管理LBS和LUE的业务开通、业务变更和业务使用记录。

图2给出了LE一个实施例的功能框图。其中，

GPS单元负责接收GPS信号并解码输出定位结果至主控单元。GPS的输出信号遵循美国国家航海电子协会NMEA(National MarineElectronics Association)制订的NMEA-0183协议规范，其中包括GPS定位数据时间、经度、纬度、所用到的卫星数、高度、观察到的GNSS卫星数量及其编号、位置、信噪比、地面数率、地面航向、日期等信息。

无线传感单元采用短距离无线通信技术，利用RFID标签或者配置成精简功能设备RFD的ZigBce模块存储LE的身份识别号ID-1，当LE接近定位信标LIU时可自动被LIU识别并读取其中的ID-1。

惯性测量单元IMU(Inertial Measurement Unit)中包括直角坐标系X/Y/Z三个方向上的加速度传感器和角速度传感器，负责实时测量LE在三个坐标轴向的加速度和角速度，据此可计算出LE的运动姿态、航向和航速并上报主控单元。

无线通信单元负责通过接入通信网络S101从而和管理平台S102建立通信连接，同时还可根据主控单元的控制指令上报一些无线网络参数，对于CDMA网络所述无线网络参数包括伪随机码相位偏置系数、导频激活集、导频候选集和导频相邻集，这些参数在无线通信模块接入CDMA网络时从网络侧获取。

主控单元通过控制和数据接口连接其他功能单元，完成各单元的初始化、参数配置、工作状态监测控制，处理GPS单元、IMU单元上报的测量结果并通过无线通信单元上报管理平台S102，同时通过无线通信单元接收并响应管理平台S102的管理指令。

图3给出了LIU一个实施例的功能框图，其中无线传感单元采用RFID或ZigBee等短距离无线通信技术，采用RFID技术时，此无线传感单元配置成RFID读取器，采用ZigBee技术时则配置成ZigBee全功能设备FFD。通过调整LIU无线传感单元的无线发射功率和配套天线，可将无线传感单元的探测范围控制在一个合适的视距范围。这样当配置有RFID标签或ZigBee精简功能设备的LE进入其探测范围时，LIU就能够自动探测到LE的识别号ID-1并报告主控单元。通信单元则负责通过有线或无线的方式接入通信网络S101，进面和定位管理平台S102建立通信连接。主控单元通过控制和数据接口连接无线传感单元和通信单元，完成各单元的初始化、参数配置、工作状态监测控制，接收无线传感单元上报的LE探测结果并通过通信单元上报管理平台S102，同时通过通信单元接收并响应管理平台S102的管理指令。LIU本身也预先配置并存储唯一识别号ID-2，用于和定位管理平台S102交互消息时标识自己的身份。

在实际应用中，定位终端LE安装在需要定位跟踪的车辆或物品上，或者佩带在需要定位跟踪的人员身上，因此大多数情况下需要采用电池供电，小型化、低功耗设计显得尤为重要。定位信标LIU则部署在定位服务区内的一些关键位置，如对于货物定位跟踪应用，LIU可部署在重要道路路口、货场出入口、停车场进出口等位置；而对于少儿安全看护应用，则可以部署在小区进出口、幼儿园/学校门口、车站码头和重要路口等地方。每个LIU安装地点的准确位置信息、其身份识别号和此LIU的无线探测范围信息都存储在定位管理平台S102的数据库单元，用于数据处理单元在接收到LIU的上报消息后对相应LE当前位置的实时校正。

图4进一步给出了LE的一种硬件实现方案，该方案采用美国高通公司的CDMA终端芯片解决方案实现主控单元和无线通信单元的功能，同时通过主芯片的异步串行接口UART连接ZigBee模块实现无线传感单元功能，连接加速度传感器实现IMU单元功能。如图4所示，天线S401接收的CDMA信号经双工器送入RFL6000进行低噪声放大处理，然后经声表面波滤波器RxSAW滤波后送入RF接收模块RFR6000，RFR6000将接收信号解调到模拟基带后送入CDMA主芯片MSM6050的Rx ADC端口进行AD变换，将模拟基带信号转换成数字基带信号后再进行CDMA信号处理。天线S402接收的GPS卫星信号经过带通滤波后同样送入RF接收模块RFR6000，RFR6000将接收信号解调到模拟基带后送入MSM6050的Rx ADC端口进行AD变换，将模拟基带信号转换成数字基带信号后再进一步进行GPS信号解码处理。MSM6050将需要发送的CDMA基带信号通过Tx DAC送入RF发送模块RFT6100，经变频调制后进行滤波TxSAW、功率放大PA处理，最后通过双工器将射频发送信号馈入天线S401发送出去。电源管理芯片PM6050负责LE内部的电源和时钟管理，包括电池管理，如供电、充电、电量显示等；电源电压升压降压转换；背光照明管理；提供各芯片工作电源；RF接收，发送时钟管理，系统休眠时钟管理等等。MSM6050通过串行总线接口SBI连接PM6050、RFR6000和RFT6100，实现对上述芯片的控制管理。MSM6050内嵌有ARM7微处理器，可作为定位终端LE的主控单元使用。通过其并行数据总线、地址总线和存储器管理端口连接SDRAM和FLASH作为LE的存储单元。LE的输入按钮或键盘连接至MSM6050的GPIO接口，音频编解码器接口连接外围的音频电路，可提供音频输入输出功能。用户识别模块UIM(User Identity Model)卡电路可直接连接至MSM6050的UART接口。实现IMU功能的加速度传感器输出信号经模数转换后输入MSM6050的GPIO接口，实现无线传感功能的ZigBee模块则通过串口连接至MSM6050的UART接口。MEMS传感器可选用美国模拟器件公司ANALOG DEVICES的加速度传感器ADXL335和陀螺仪ADXRS150，可实现X/Y/Z三个轴向的加速度测量和角速度测量。ZigBee模块可选用美国TI公司的CC2431芯片实现，CC2431内嵌了C8051微处理器、2.4GHz符合IEEE802.15.4标准的射频收发信机、128KB FLASH、8KB RAM，通过在C8051中装载ZigBee协议栈实现ZigBee RFD设备功能。

图4所示的LE硬件实现方案经过裁减就可以用于实现LIU，即省去与GPS、加速度传感器、输入键盘和音频接口相关的电路和器件，当然CC2431中C8051需要改为装载实现FFD设备功能的ZigBee协议栈。不过按照这种硬件方案实现的LIU是通过CDMA无线网络连接至后台定位管理平台S102的，如果LIU需要通过有线宽带网络连接至后台定位管理平台，则可采用如图5所示的硬件方案，其中S3C4510B是Samsung公司出品的ARM7微处理器，它通过UART接口连接ZigBee模块CC2431，通过以太网控制接口连接100M以太网接口电路，通过存储控制接口连接SDRAM和FLASH，再配以电源和时钟等外围电路就构成了支持100M以太网口的LIU。

定位终端LE在安装新UIM卡后首次使用前需通过注册流程通过定位管理平台S102的鉴权认证，获得合法性授权，具体步骤如图6所示：

S601：LE加电启动：

S602：LE检测是否为未注册状态，如果为未注册状态则转到S603，否则结束该流程，转入登陆流程；

S603：LE通过无线通信单元接入通信网络S101，进而和定位管理平台S102建立通信连接；

S603：LE发送注册请求到定位管理平台S102，其中包括终端编号和UIM卡信息；

S604：定位管理平台S102对LE信息进行校验，包括该定位终端编号是否符合规则、定位终端是否已经在平台登记、是否已经注销，如果校验出错，结束注册流程；

S605：定位管理平台S102对UIM卡信息进行校验，包括UIM卡是否开通、状态是否可用，如果校验出错，结束注册流程；

S606：定位管理平台S102对UIM卡和终端编号分别进行逻辑校验，检查该UIM卡是否已经和其它终端编号绑定，或者该终端编号是否已经和其它UIM卡绑定，如果存在上述绑定关系则解除原先的绑定。

S607：定位管理平台S102根据验证结果向LE返回注册结果，下发接入密码，并创建终端编号与UIM卡的绑定关系；

S608：终端变更自身注册状态为已注册。

已经注册成功的定位终端LE在每次加电启动后还需要通过登陆流程验证终端和UIM卡的合法性，确保终端能够正确地接入定位管理平台并顺利开展定位业务。

定位管理平台S102通过向已登陆的定位终端LE下发配置参数来控制LE的定位策略。所述定位策略根据此LE申请的定位业务类别、LE的常规运动模式和LE的运算能力等因素确定，定位策略包括终端需定时测量和上报的定位参数、定时测量和上报的时间间隔、在运动状态突变时如何相应改变定位策略等内容。比如对于车载定位应用，定位管理平台S102预先记录了该车载定位终端所属车辆的正常行驶速度范围、日常活动范围等信息，根据这些信息并结合定位跟踪精度要求以及LE节电需求可定义该LE的定位策略如下：当IUM测量的LE运动速率小于1m/s时，LE每10秒进行一次GPS测量并上报结果，每100毫秒采样并记录一次IUM测量结果但累计100次结果后上报(即每10秒上报一次)，每10分钟上报一次无线网络参数；当IUM测量的LE运动速率大于等15m/s时，LE每秒种进行一次GPS测量并上报结果，每10毫秒采样并记录一次IUM测量结果但累计100次结果后上报(即每秒上报一次)，每1分钟上报一次无线网络参数；当IUM测量的LE运动速率处于1m/s至15m/s时，按照运动速率由低到高逐步减少LE定位测量和上报的时间间隔。采用这种定位策略，LE可以在两次测量上报期间采取休眠、关断外围电路电源等节电措施，显著降低LE的平均功耗，同时又保证定位管理平台及时获取足够的定位信息，保证对LE的定位和轨迹跟踪精度，确保定位服务质量。

当定位终端LE上的特定按钮被按下后即进入告警状态，此时LE立即向定位管理平台S102发送告警消息，定位管理平台S102接收到告警消息后可以在跟踪该LE的运动轨迹的同时向该LE发起语音呼叫，LE对来自定位管理平台S102的呼叫自动应答，建立并保持此语音呼叫，然后由定位管理平台S102监听并记录从该LE传回的任何声音信息。显然，这些来自定位终端LE现场的声音信息有助于对LE所处的紧急情况进行辨别和应急处理。

上述定位终端LE和定位管理平台之间的业务流程中使用的交互消息由预先定义的承载在SMS TCP或UDP之上的应用层接口协议封装，如图7所示。其中的TCP和UDP端口号作为可配置参数，可以预先配置或在线修改。定位终端LE和定位管理平台S102通过解析和响应来自对方的消息，完成注册、登陆鉴权、参数配置、定位信息上报和告警管理等功能。需要说明的是，以上仅以LE的注册流程详细说明了定位终端LE和定位管理平台S102之间的交互过程，对于其它诸如登陆、参数配置、定位信息上报和告警等等流程均可采用类似机理，在此不再一一赘述。

定位信标LIU在上电启动后同样需要通过登陆流程获得定位管理平台的合法性授权。若LIU使用的是无线接入方式(如通过CDMA网络)连接定位管理平台，还需要在第一次使用或更换UIM卡后通过注册流程完成在定位管理平台上的鉴权认证并绑定其UIM卡和识别号。定位管理平台通过参数配置流程将LIU自动识别LE所需要的参数信息，如LE无线传感单元配置的频点、网络识别号、加密方式等下发给LUU。LIU根据这些配置信息，自动搜导覆盖范围内的LE，一旦探测到LE的活动，立即向定位管理平台上报LE探测信息，包括探测时间、探测到的LE识别号ID-1、目标LE的信号强度等、定位信标LIU与定位管理平台之间可采用和上述LE与定位管理平台之间类似的交互消息封装协议和业务流程完成LIU的注册、登陆、参数配置、LE探测信息上报等功能。

对于LE第m次上报的定位信息，定位管理平台的处理流程如图8所示：

1)定位信息采集单元接收来自LE的定时上报消息，提取其中的定位信息，包括GPS定位输出信息、IMU测量信息和无线网络参数；

2)数据处理单元首先对定位信息进行预处理，为下一步定位运算做准备：

A)对于GPS定位输出信息(定位时间、经度、纬度、所用到的卫星数、高度、观察到的GNSS卫星数量及其编号、位置、信噪比、地面速率、地面航向、日期等信息)，需要对其进行置信度评估，具体做法如下：定义GPS定位信息置信度C_L，它由GPS定位输出信息中的卫星数量N_S和卫星信号信噪比SN_i，i＝1，2，...n按照下式计算得出，

$C\_L=\frac{N\_S}{4}*{\mathrm{\Π}}_i{10}^{\frac{({\mathrm{SN}}_i-{\mathrm{SN}}_0)}{10}}$

式中SN₀为该LE配置的GPS接收机正确解调信号所需的卫星信号信噪比阈值，单位为dB，该数值作为LE的属性参数预先存储在定位管理平台数据库单元。

B)根据IMU测量数据计算出本次上报数据中所包含的各采样时刻的LE即时速度矢量和航向。

C)若本次上报信息中包含无线网络参数，则根据其中的伪随机码相位偏置系数、导频激活集、导频候选集和导频相邻集数据通过检索数据库中预先存储的无线网络规划信息确定LE当前的服务基站和相邻基站。

3)根据第二步预处理所得数据，进一步进行定位运算，获得可靠的LE位置坐标。

A)采用业界惯用的卡尔曼(Kalman)滤波结构对GPS定位数据进行最优估计；

B)用IMU测量数据进行航位推算(Dead-Reckoning)，即根据各采样时间点的即时速度和航向通过积分运算获得LE在本次上报周期内的航迹；

C)由LE当前服务基站和相邻基站信息结合数字地图估计LE的大致位置；例如图9所示的理想情况下，通过检索数据库存储的LE相邻基站S901、S902和S903的位置及覆盖范围可判断出LE位于三个基站的共同覆盖区S904内；当然实际的无线覆盖情况要复杂得多，但是仍然可以通过通常的无线网络规划方法获得基站接近实际情况的覆盖，进而估计LE的大致位置，所述无线络规划方法包括根据基站周边区域的地形地貌特征建立电波传播模型，利用基站的无线参数(如天线挂高、发射功率、接收灵敏度等)以及周边区域的数字地图采用电波传播模型计算基站周边区域的无线覆盖情况；

D)查询数据库确定LE的类型和当前的运动模式，调取LE之前的运动姿态和轨迹数据备用；

E)查询数据库调取LE周围区域的数字地图备用；

F)采用信息融合技术对上述a)-e)获得的定位信息进行综合处理，以期获得全局最优的定位估计，包括如下措施：

i.当GPS定位信息置信度C_L＜C_L₀时，舍弃GPS定位信息，直接采用航位推算结果，同时启动航位推算导航计时器T，当T＞T₀时，发出系统告警；否则采用Kalman滤波技术对a)、b)输出信息进行信息融合处理，获得LE位置信息最优估计；所述C_L₀和T₀为定位管理平台预先设定的门限值，并且可根据相应定位服务对精度的要求和实际使用效果随时修改；

ii.对于i获得的LE位置信息，利用数字地图进行匹配运算，即将LE当前的运动模式、之前的运动姿态、轨迹数据、航向变化及预期位置与附近的地图特征进行相关性比较，当LE的航迹变化和数字地图中矢量道路的变化相关时，那么就可以利用数字地图中的道路坐标信息进一步修正LE的当前位置和航迹，特别是当LE沿道路运动至路口拐弯时，地图匹配算法可以很好地校正LE的位置坐标；

iii.确认LE的位置信息和由c)获得的LE大致位置的一致性；

G)输出定位结果后结束该流程，包括将结果送到IMU航位推算单元进行反馈校正，以便将其随着时间积累的系统误差钳制在可容忍的范围；更新数据库记录的LE历史运动速度、航迹和姿态。

对于LIU上报的消息，定位管理平台采用如图10所示的处理流程：

1)收到来自LIU的LE探测消息后根据LIU上报的LE识别号ID-1触发进入相关LE的定位更新流程；

2)根据LIU的识别号ID-2检索数据库调出该LIU的属性数据，包括部署位置。能够有效探测LE的距离和无线传感单元天线方向性参数；

3)根据LIU上报LE无线传感单元信号强度和LIU无线传感单元天线方向性参数计算LE对于该LIU的相对方位，该计算可依据电波在自由空间的传播模型进行，然后通过LIU部署位置信息得出LE在被LIU探测到的时刻t_s时的位置；

4)检索数据库调出该LE最近的运动轨迹数据，对LIU上的的探测时间t_s时刻的LE位置进行校正，并重新基于IMU历史数据通过航位推算更新t_s时刻之后直到当前的LE航迹，将校正和计算结果更新至数据库。

通过上述实施例的描述可以看出，本发明系统的特点在于：定位管理平台通过通信网络连接多个定位终端LE和多个定位信标LIU；LE具备GPS定位测量和IMU测量功能，以及无线传感功能和通信功能；LIU具备无线传感功能和通信功能；优选的，上述通信功能基于移动通信网络和技术，上述通信网络指移动通信网络，如GSM、GPRS、EDGE、WCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000 1x、CDMA2000 EVDO网络以及基于上述移动网络的演进网络。LE根据预先定义的定位策略定时将定位测量数据上报定位管理平台，由管理平台综合处理GPS、IMU和无线网络数据并结合数字地图匹配技术获得LE位置的最优估计。当LE接近至LIU无线传感单元探测范围时可被自动识别，其中的识别号ID-1被LIU自动读取并上报给定位管理平台，管理平台据此根据部署LIU时预先记录的LIU位置信息及其无线传感单元探测范围校正对应LE的位置数据。由此可见，LE的定位计算工作主要在管理平台进行，LE只负责GPS和IMU测量并上报测量数据，这样就大大简化了LE的数据处理要求，有利于降低LE的功耗。进一步地，可以根据LE运动状态动态定义不同的定位策略，将LE定位测量、上报的时间间隔和其运动速度关联起来，运动速度升高则减少定位测量、上报时间间隔，反之则增加定位测量、上报时间间隔，在两次定位测量、上报期间LE可通过休眠、关断外围电路电源等措施节省功耗，这样既保证了定位管理平台对LE的定位跟踪服务质量，又尽可能地减少LE的工作时间从而降低其平均功耗。

通过实施本发明的系统可以向用户提供多种定位增值服务，根据服务需求定位管理平台可以针对相应的LE组制定专门的服务策略，例如定义LE合法的活动范围、正常的运动状态，一旦管理平台监测到LE的位置超出预设的正常范围或LE的运动状态超出正常范围即可向用户发出告警信息，管理平台还可以根据LE的航迹和当前状态预测LE是否有触发告警的趋势从而决定是否提前发出预警信息。

不脱离本发明的范围和构思，上述定位服务系统可以做出多种改变和变形，很多变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。本发明的描述是为了示例而给出的，并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。本发明的范围由所附权利要求书确定。

Claims (12)

1.一种提供定位服务的系统，其特征在于，所述系统包括：定位终端LE，负责进行定位测量并通过通信网络上报结果；定位信标LIU，负责自动侦测其周围的LE，自动读取LE的识别号ID-1并通过通信网络上报；

定位管理平台，负责通过通信网络连接至少一台LE和一台LIU，采集LE上报的定位测量信息，经过信息融合处理并结合数据库中的LE历史航迹信息确定LE当前的位置和相关航迹，接收LIU上报的LE识别信息并利用该信息校正该LE的相关航迹。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括经定位管理平台授权的第三方定位服务商LBS和定位服务用户LUE，他们通过通信网络连接，接收定位管理平台发布的位置服务信息，包括LE即时位置信息、位置触发的告警和航迹。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述通信网络指能够提供广域覆盖的移动通信网络、有线宽带网络、无线宽带网络或者它们的组合，所述移动通信网络包括GSM网络、GPRS网络、EDGE网络、CDMA20001x网络、CDMA2000 EVDO网络、WCDMA网络、TD-SCDMA网络以及基于上述移动网络的演进网络。

4.根据权利要求1-3任一项所述的系统，其特征在于，所述LE包括：

GPS单元，负责接收GPS信号并解码输出定位结果至主控单元；

无线传感单元，采用短距离无线通信技术，利用RFID标签或者配置成精简功能设备RFD的ZigBee模块存储LE的身份识别号ID-1；

惯性测量单元IMU，负责实时测量LE在三个坐标轴向的加速度和角速度，据此计算出LE的运动姿态、航向和航速并上报主控单元；

无线通信单元，负责接入通信网络与定位管理平台建立通信连接，根据主控单元的控制指令上报无线网络参数，对于CDMA 网络所述无线网络参数包括伪随机码相位偏置系数、导频激活集、导频候选集和导频相邻集；

主控单元通过控制和数据接口连接其他功能单元，完成各单元的初始化、参数配置、工作状态监测控制，处理GPS单元、IMU单元上报的测量结果并通过无线通信单元上报定位管理平台，同时通过无线通信单元接收并响应定位管理平台的管理指令。

5.根据权利要求1-4任一项所述的系统，其特征在于，所述LIU预先配置并存储唯一识别号ID-2，用于和定位管理平台交互消息时标识自己的身份，LIU进一步包括：

无线传感单元，采用RFID或ZigBee短距离无线通信技术，配置成RFID读取器或配置成ZigBee全功能设备FFD，其探测范围可通过调节其无线发射功率和配套天线来调整；负责自动探测进入其探测范围的LE并自动读取LE识别号且报告主控单元；

通信单元，负责通过有线或无线的方式接入通信网络，进而和定位管理平台建立通信连接；

主控单元，通过控制和数据接口连接无线传感单元和通信单元，完成各单元的初始化、参数配置、工作状态监测控制，接收无线传感单元报告的LE探测结果并通过通信单元上报定位管理平台，同时通过通信单元接收并响应定位管理平台的指令。

6.根据权利要求1-5任一项所述的系统，其特征在于，所述定位管理平台采用分布式、模块化的架构，由一台服务器或多台服务器群组构成；其中包括：

信息采集发布单元，负责基于TCP/IP协议或短信SMS完成定位管理平台和LE、LIU、LUE以及LBS之间的通信，完成它们之间交互消息的封装与拆封；负责从LE的上报消息中提取LE识别号、定位测量信息并转交给数据处理单元，从LIU上报的消息中提取LE的识别号、LE信息识别时间和LIU识别号信息并转交数据处理单元；负责按照管理单元的指令向授权LBS和LUE发布LE定位服务信息；

数据库单元，是多种逻辑数据库的综合，包括终端管理数据库TM_DB、用户管理数据库CM_DB及业务数据库TF_DB；TM_DB存储的终端管理数据包括所有LE的识别号、LE的常规运动模式和当前运动模式、LE当前的姿态、LE的定位服务类别、LE配置的定位测量能力，以及LIU的识别号、LIU部署位置的坐标信息、LIU识别LE的距离；CM_DB存储的用户管理数据包括LUE和LBS的识别号、鉴权认证信息、授权服务类别和等级；TF_DB存储的业务数据包括开展业务地区的数字地图、地物地貌信息、移动基站规划信息、LE历次上报的定位测量信息、LE历史位置信息、LIU历次上报的LE识别信息；

数据处理单元，负责处理信息采集单元转交的LE定位测量数据，结合数据库单元记录的该LE历史运动轨迹、前一时刻运动模式和运动姿态以及LE所在区域的地理信息系统，确定该LE当前位置坐标、当前运动模式和运动姿态并记录结果；同时负责处理信息采集单元转交的LIU上报信息，查询数据库中该LIU的关联信息并结合这些信息及时校正LE当前位置坐标；

管理单元，负责管理所有LE、LIU的注册、接入认证、工作状态监测统计、升级维护以及关联属性数据的更新，还负责管理LBS和LUE的业务开通、业务变更和业务使用记录。

7.根据权利要求1-6任一项所述的系统，其特征在于，所述LE进行的定位测量包括GPS测量、惯性导航测量和无线网络参数测量；所述定位测量和结果上报根据定位策略定时触发，所述定位策略由定位管理平台根据LE申请的定位业务类别、LE的常规运动模式和LE的运算能力预先确定并通过下发参数配置于LE中，定位策略包括LE需定时测量和上报的定位参数、定时测量的时间间隔和上报的时间间隔；所述时间间隔是和LE即时运动速度相关的一个动态变化量，其变化规律是速度越高时间间隔越小；在两次定位测量期间LE进入休眠状态并关断外围电路电源。

8.根据权利要求1-7任一项所述的系统，其特征在于，所述定位管理平台通过下述步骤处理LE上报的定位测量信息：

1)定位信息采集单元接收来自LE的定时上报消息，提取其中的定位信息，包括GPS定位测量信息、IMU测量信息和无线网络参数；

2)数据处理单元首先对定位信息进行预处理，包括计算GPS定位数据置信度C_L，根据IMU测量数据计算出本次上报数据中所包含的各采样时刻的LE即时速度矢量和航向，根据上报信息中包含的无线网络参数确定LE当前的服务基站和相邻基站；

3)根据第2)步预处理所得数据，进行定位信息融合处理，获得可靠的LE位置坐标。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述定位管理平台处理LE上报的定位测量信息第2)步骤中的GPS定位数据置信度C_L通过下式计算：

$C\_L=\frac{N\_S}{4}*{\mathrm{\Π}}_i{10}^{\frac{({\mathrm{SN}}_i-{\mathrm{SN}}_0)}{10}}$

其中，N_S是GPS定位测量信息中的卫星数量，SN_i，i＝1，2...n是卫星信号信噪比，SN₀是GPS接收机正确解调信号所需的卫星信号信噪比阈值，单位为dB，该数值作为LE的属性参数预先存储在定位管理平台数据库单元。

10.根据权利要求8或9所述的系统，其特征在于，所述定位管理平台处理LE上报的定位测量信息第3)步骤中的定位信息融合处理包括：

(a)由卡尔曼(Kalman)滤波单元对GPS定位测量数据进行最优估计；

(b)航位推算(Dead-Reckoning)单元使用IMU测量数据进行航位推算；

(c)信息融合单元对(a)、(b)的结果进行信息融合处理：当GPS定位信息置信度C_L＜C_L₀时，舍弃GPS定位信息，直接采用航位推算结果作为LE的定位结果，同时启动航位推算导航计时器T，当T＞T0时，发出系统告警；否则对a)、b)输出信息进行Kalman滤波处理，获得LE位置信息最优估计；所述C_L₀和T0为定位管理平台预先设定的门限值，并且可根据相应定位服务对精度的要求和实际使用效果随时修改；

(d)使用LE周围区域的数字地图校正LE的位置坐标和航迹；

(e)将LE的定位结果送到航位推算单元进行反馈校正，钳制航位推算随着时间积累的系统误差；更新定位管理平台数据库单元记录的LE历史运动速度、航迹和姿态数据。

11.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述定位管理平台处理LE上报的定位测量信息第1)步骤中的无线网络参数包括：伪随机码相位偏置系数、导频激活集、导频候选集和导频相邻集数据；根据这些无线网络参数通过检索数据库中预先存储的无线网络规划信息确定LE当前的服务基站和相邻基站；然后结合数字地图估计LE的大致位置，作为LE定位的辅助信息。

12.根据权利要求1-11任一项所述的系统，其特征在于，所述定位管理平台通过下述步骤处理LIU上报的LE探测信息：

A)收到来自LIU的LE探测消息后根据LIU上报的LE识别号ID-1触发进入相关LE的定位更新流程；

B)根据LIU的识别号ID-2检索数据库调出该LIU的属性数据，包括部署位置、能够有效探测LE的距离和无线传感单元天线方向性参数；

C)根据LIU上报的LE无线传感单元信号强度和LIU无线传感单元天线方向性参数计算LE对于该LIU的相对方位，然后通过LIU部署位置信息得出LE在被LIU探测到的时刻t_s时的位置；

D)检索数据库调出该LE最近的运动轨迹数据，对LIU上报的探测时间t_s时刻的LE位置进行校正，并重新基于IMU历史数据通过航位推算更新t_s时刻之后直到当前的LE航迹，将校正和计算结果更新至数据库。

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