CN102741892A - 用于构建和利用信标位置数据库的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

支持建筑物内的客户端设备位置发现的方法包括将建筑物位置坐标归结于建筑物内的信标。将建筑物位置坐标转换为物理位置坐标。用支持位置分辨的至少一个附加参数扩充物理位置坐标。客户端设备与位于建筑物内的访问信标通信。还访问特征化访问信标的物理位置的信标位置数据库。基于访问信标的物理位置计算客户端设备的物理位置。

Description

用于构建和利用信标位置数据库的装置和方法
相关申请交叉引用
本申请要求2009年9月18日提交的美国申请第12/562,875号的权益，特此为了所有目的通过引用并入其全部内容。
技术领域
本发明一般涉及定位无线电子设备的位置。更具体地，本发明涉及构建和利用信标位置数据库用于建筑物内的客户端设备位置的发现的技术。
背景技术
快速增长的对基于位置的服务的兴趣已经增大了对比以往更精确的定位系统的需要。全球定位系统（GPS）已经成为用于确定在地球上任何地方人和目标的位置的实际上的标准。然而，GPS有一个主要的限制：弱信号不传播进入建筑物内。因此，期望开发允许建筑物内的设备位置发现的技术。
发明内容
一种支持建筑物内的客户端设备位置发现的方法包括将建筑物位置坐标归结于（ascribe）建筑物内的信标。建筑物位置坐标被转换为物理位置坐标。用支持位置分辨的至少一个附加参数扩充物理位置坐标。客户端设备与位于建筑物内的访问信标通信。还访问特征化访问信标的物理位置的信标位置数据库。基于访问信标的物理位置计算客户端设备的物理位置。
附图说明
结合以下连同附图进行的详细描述将更充分地理解本发明，其中
图1图示根据本发明实施例配置的系统。
图2图示与本发明实施例相关联的处理操作。
图3图示与建筑物的楼层平面图相关联的信标位置信息。
图4图示根据本发明实施例的信标位置信息的规格化。
图5图示根据本发明实施例的根据正北方位的信标位置信息的规格化。
遍及附图的若干视图，同样的参考数字指代对应的部分。
具体实施方式
图1图示根据本发明实施例配置的系统100。系统100包括至少一个无线客户端设备102（图示为客户端设备1021到102N）和至少一个服务器104（图示为服务器1041到104N），其根据无线协议通信。该系统还包括一组信标1061到106N，其支持根据无线协议的无线通信。每个信标是以指定无线电频率发送连续的或周期的无线电信号的发送器。例如，在Wi-Fi（使用IEEE 802.11a/b/g/n规范的无线局域网）领域，术语信标指来自无线接入点的具体数据传输，其携带服务集标识（SSID）、信道编号和安全协议。该传输不包含另一Wi-Fi设备的链路层地址，所以其可以由任何客户端接收。
每个客户端设备102包括标准组件，诸如中央处理单元110，其经由总线114与输入/输出设备112通信。输入/输出设备112可以包括键盘和显示器。无线接口电路116也连接到总线114以支持无线通信。存储器120也连接到总线114。存储器120包括支持与本发明相关联的操作的可执行指令。例如，存储器120存储支持无线通信操作的通信模块122。存储器120还存储位置计算模块124，该模块执行允许客户端设备发现其在建筑物内的位置的操作。
服务器104也包括标准组件，诸如经由总线162连接到输入/输出设备164的中央处理单元160。网络接口电路166也连接到总线162。网络接口电路166支持与有线或无线设备的联网通信。服务器104还包括连接到总线162的存储器170。存储器170存储实现本发明的操作的可执行指令。在一实施例中，存储器170存储建筑物信息建模（BIM）工具。BIM工具生成和管理建筑物数据。典型地，BIM工具使用三维、实时、动态建筑物建模软件来提高建筑物设计和建造的生产率。BIM工具特征化建筑物几何形状、空间关系、地理信息、以及建筑物组件的数量和特性。根据本发明，补充BIM工具以包括信标位置信息。在一实施例中，信标位置计算模块174补充BIM工具。信标位置计算模块174包括计算位于建筑物内的信标的物理位置的可执行指令。换句话说，从与BIM工具相关联的建造文件或模型提取信标的建筑物位置坐标。这些坐标随后由信标位置计算模块转换为物理位置坐标（例如，全球定位坐标）。这得到特征化信标位置的信标数据库176。信标数据库176还可以包括支持客户端位置分辨的附加信息，如下所讨论的。
存储器170还存储支持与无线客户端102通信的通信模块178。在一实施例中，存储器170还存储客户端位置计算模块180，其用于计算建筑物内的客户端设备的位置。客户端位置计算模块180依赖于客户端设备提供的信标信息。客户端位置计算模块180可以利用比客户端设备上可用的更复杂的定位计算。客户端位置随后可以传回到客户端设备。此外，客户端位置计算模块180可以用于填充（populate）客户端位置数据库182。该数据库跟踪建筑物内客户端设备的位置。
图2图示与本发明实施例相关联的处理操作。最初，建筑物位置坐标被归结于信标200。优选地，BIM工具172用于提供对于信标的建筑物位置坐标。可替代地，可以构建单独的数据库以存储该信息。建筑物位置坐标随后转换为物理位置坐标202。可以使用多种转换技术。在本发明的一实施例中，将极坐标规格化为正北方位。转换还可以包括将全球定位系统（GPS）坐标归结于每个信标。优选用支持位置分辨的至少一个附加参数扩充物理位置坐标，如下面讨论的。
客户端设备102随后与信标通信206。例如，图1的客户端设备1021可以与位于建筑物内的信标1061到106N通信。还访问信标数据库208。信标数据库176的版本可以在客户端设备中。可替代地，按照需要，来自信标数据库176的相关信息可以从服务器1041传递到客户端设备1021。然后计算设备位置210。典型地，客户端设备1021将使用位置计算模块124计算其位置。特别地，位置计算模块124依赖于邻近信标的物理位置来计算其位置。可替代地，客户端可以传递关于邻近信标的信息到服务器104，该服务器计算客户端设备的位置，随后将位置信息传递到客户端设备。该方法的优点是其均衡了服务器的计算能力。因此，更复杂或动态的位置计算可以用于确定位置。例如，计算可以考虑建筑物内的建造材料，或者使用建筑物信息模型中存储的先进的无线热图。服务器104可以随着其计算客户端位置，维护客户端位置数据库182。可替代地，通过使每个客户端设备周期地报告其位置，可以维护客户端位置数据库182。客户端位置数据库182支持基于位置的服务。因此，例如，商业街中的客户端设备可以接收关于该商业街中商店的减价信息。
参考具体示例更全面地理解本发明的操作。建筑物内无线信标的位置用BIM工具指定。典型的BIM工具允许用户将可计算信息附接到表示建筑物和建筑物内包含的对象的表面、边缘和体积。
图3示出BIM工具定义的楼层平面图300。拖拽工具允许定位楼层平面图300上的信标302。结果，自动向信标分配建筑物位置坐标。考虑以下具有三个信标（AP1、AP2和AP3）和关联坐标的示例。
  信标   X坐标   Y坐标  Z坐标
  AP1   6.86573624   93.3055607  70
  AP2   29.2206297   52.2223299  70
  AP3   106.001336   96.7549541  70
建筑物位置坐标随后转换为物理位置坐标。在一实施例中，通过使用极矢量便利转换。如图4所示，通过距原点的距离和与垂直面的角度定义信标位置。这导致以下信息。
  信标   量值（ft.）   方位（°）
  =sqrt(X2+Y2)   =90-atan2(y/X)/Π*180
  AP1   93.55782162   4.208431115
  AP2   59.84159874   29.22888144
  AP3   143.5193519   47.61107494
随后关于正北方位确定物理方位，如图5所示。然后用于该地点的参考全球定位系统（GPS）坐标用作原点(0,0)。在该示例中，GPS坐标是(37.8038630,-122.2718963)。使用正北和投射北（project north）之间的计算差别，调整方位角以便它们朝向正北。在该示例中，要求63.5°的角调整。这导致以下更新数据。
  信标   量值（ft.）  方位（°）
 =360－63.5+Θ
  AP1   93.55782162  300.7153755
  AP2   59.84159874  325.7358258
  AP3   143.5193519  344.1180193
现在从极矢量和基准坐标(lat1,lon1)计算信标的GPS坐标。这导致以下数据。
Figure BDA00001654474400051
每个信标具有唯一的标识符。例如，在Wi-Fi接入点的情况下，唯一标识符是其MAC地址。唯一标识符增加到信标数据库176。这可以导致以下表。
Figure BDA00001654474400052
信标范围内的客户端设备可以查询数据库并且检索信标的精确坐标。与信号强度耦合的该信息允许设备计算其到GPS坐标的距离。例如，用来自至少两个其他信标的信息，设备可以计算其位置。例如，客户端设备中的感测无线电检测和测量来自附近信标的信号。在Wi-Fi接入点的情况下，信标的无线电的MAC地址用于唯一地识别检测到的无线电信号，因为自动广播该信息作为Wi-Fi规范的一部分。其他类型的位置信标可以在唯一的频率上广播，或者广播对该信标唯一的其他信息。
一旦已经唯一地识别信号，并且已经测量这些信号的强度，就从信标数据库176检索作为该信号来源的位置信标的位置。在一实施例中，信标数据库176是客户端设备上的文本文件，该文件的每一行由信标的标识符、其维度、其经度和其高度构成。定位程序随后可以在该文本文件中搜索唯一的标识符，并且检索信标的GPS坐标。可替代地，可以经由因特网访问该数据库，并且客户端设备可以远程连接到该数据库以便检索信息。
用至少三个位置信标的测量信号强度和GPS坐标，客户端设备可以计算其自身的位置。首先，估计到每个信标的距离。这可以以许多的方式实现。一种方法是使用自由空间路径损失（free space path loss）等式：
FSPL(dB)=20log10(d)+20log10(f)+92.44其中d是以米为单位的距离，f是以兆赫兹为单位的信号频率，并且损失(FSPL)是信标的输出功率与接收功率的比率。这不考虑发送器或接收器中的天线增益，也不考虑由于障碍物的额外损失。更精确的方法是使用链路预算计算（linkbudget calculation）。链路预算是在电信系统中从发送器经过介质到接收器的所有增益和损失的总计。链路预算考虑由于传播、天线增益和各种损失的发送信号的衰减。简单的链路预算等式为：
接收功率（dBm）=发送功率（dBm）+增益（dB）－损失（dB）
另一更精确的方法依赖于实验室测试，以便对于每个类型的信标确定用于作为信号强度的函数的距离的正确等式。最终，用距每个信标的近似距离，设备可以使用三边测量（trilateration）计算其位置。三边测量是用于确定给出三个球体的中心和半径的三个球面的交叉点的方法。通过采用用于三个球体的公式和将其设置为彼此相等，可以得到用于三维三边测量问题的解的数学推导。
可以补充信标数据库176以包括支持位置分辨的附加参数。该信息可以包括信标制造商、信标模型编号、信标天线设计参数和信标功率输出参数。下表图示具有扩充信息的信标数据库。
Figure BDA00001654474400061
以上表可以包括其他信息，诸如实验确定的距离函数。例如，每一行可以包括定义接收功率(dBm)＝fx(d)的列。
可以使用各种技术开发该信息。例如，如果用于具体信标的天线设计是高度定向而不是全向，则在更精确的位置计算中可以考虑该信息。
本发明的实施例涉及具有计算机可读存储介质的计算机存储产品，该计算机可读存储介质上具有用于执行各种计算机实现操作的计算机代码。介质和计算机代码可以是为了本发明的目的专门设计和构造的介质和代码，或可以属于总所周知的种类并且对计算机软件领域的技术人员可用。计算机可读介质的示例包括但不限于：磁介质，诸如硬盘、软盘和磁带；光介质，诸如CD-ROM、DVD和全息设备；磁光介质；和专门配置为存储和执行程序代码的硬件设备，诸如专用集成电路（“ASIC”）、可编程逻辑器件（“PLD”）和ROM与RAM器件。计算机代码的示例包括诸如由编译器产生的机器代码，以及包含使用解释器由计算机执行的高级代码的文件。例如，本发明的实施例可以使用通用编程语言、
Figure BDA00001654474400071
C++或其他面向对象或非面向对象编程语言和开发工具来实现。本发明的另一实施例可以以硬连线电路代替机器可执行软件指令或与机器可执行软件指令结合来实现。
为了说明的目的，上述描述使用特定术语提供本发明的透彻理解。然而，为了实施本发明不要求具体细节对本领域的技术人员是显而易见的。因此，为了说明和描述的目的提供上述本发明具体实施例的描述。它们不意图穷举或将本发明限制为公开的精确形式；显然，鉴于以上教导许多修改和变化是可能的。选择和描述各实施例以便最佳地说明本发明的原理及其实际应用，从而按照适于预期的特定使用，本发明的原理及其实际应用使本领域的其他技术人员能够最佳地利用本发明和具有各种变化的各种实施例。意图是以下权利要求和其等价物定义本发明的范围。

Claims (20)

1.一种识别建筑物内的客户端设备的物理位置的方法，包括：
与位于建筑物内的访问信标通信；
访问特征化访问信标的物理位置的信标位置数据库；以及
基于访问信标的物理位置计算客户端设备的物理位置。
2.根据权利要求1的方法，还包括基于访问信标的物理位置和附加参数计算客户端设备的物理位置。
3.根据权利要求2所述的方法，其中附加参数选自：信标制造商、信标模型编号、信标天线设计参数、以及信标功率输出参数。
4.根据权利要求1所述的方法，其中基于访问信标的物理位置计算客户端设备的物理位置包括执行三边测量计算。
5.根据权利要求1所述的方法，其中基于访问信标的物理位置计算客户端设备的物理位置包括执行自由空间路径损失计算。
6.根据权利要求1所述的方法，其中基于访问信标的物理位置计算客户端设备的物理位置包括执行链路预算计算。
7.根据权利要求1所述的方法，其中通过客户端设备执行通信、访问和计算。
8.根据权利要求1所述的方法，其中通过服务器执行计算。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括在服务器中存储客户端设备位置信息。
10.一种填充建筑物信息建模（BIM）工具以包括支持建筑物内的客户端设备位置发现的信标位置信息的方法，包括：
将建筑物位置坐标归结于建筑物内的信标；
将建筑物位置坐标转换为物理位置坐标；以及
用支持位置分辨的至少一个附加参数扩充物理位置坐标。
11.根据权利要求10所述的方法，其中转换包括利用极矢量。
12.根据权利要求10所述的方法，其中转换包括将全球定位系统（GPS）坐标归结于建筑物内的信标。
13.根据权利要求10所述的方法，其中至少一个附加参数选自：信标制造商、信标模型编号、信标天线设计参数、以及信标功率输出参数。
14.根据权利要求10所述的方法，还包括将物理位置坐标和至少一个附加参数传递到建筑物内的客户端设备。
15.根据权利要求10所述的方法，还包括在服务器中计算建筑物内的客户端设备位置。
16.根据权利要求10所述的方法，还包括在服务器中存储客户端设备位置信息。
17.一种计算机可读存储介质，包括可执行指令，用以：
将建筑物位置坐标归结于建筑物内的信标；
将建筑物位置坐标转换为物理位置坐标；
用支持位置分辨的至少一个附加参数扩充物理位置坐标；以及
将物理位置坐标和至少一个附加参数传递到建筑物内的客户端设备。
18.根据权利要求17所述的计算机可读存储介质，其中至少一个附加参数选自：信标制造商、信标模型编号、信标天线设计参数、以及信标功率输出参数。
19.根据权利要求17所述的计算机可读存储介质，其中用以转换的可执行指令包括用以利用极矢量的可执行指令。
20.根据权利要求19所述的计算机可读存储介质，其中用以转换的可执行指令包括用以将全球定位系统（GPS）坐标归结于建筑物内的信标的可执行指令。
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