CN102803985B - 定位电磁信号源 - Google Patents

Abstract

在此披露了一种估计多个电磁信号源位置的方法，包括：在第一多个位置进行扫描以生成信号源方位数据，该信号源方位数据表示至少一个所述信号源的方位估计；在第一多个位置使用信号检测系统进行扫描以生成信号检测数据，该信号检测数据与在该第二多个位置处从该信号源接收的信号相关；根据该信号检测数据处理该信号源方位数据来校正该信号源方位数据中的估计误差；并输出该处理后的信号源方位数据。

Description

定位电磁信号源

发明领域

本发明涉及一种估计多个电磁信号源位置的方法和系统

发明背景

电磁信号源的一个例子是无线接入点，比如Wi-Fi基站（无线接入点），其用于通过发射和接收无线电波形式的电磁辐射与装置进行无线通信。例如，其他电磁信号源可包括光（红外）通信装置和不同种类的电磁/无线信标台。

有时，希望估计电磁信号源的位置。在一个例子中，确定了无线接入点（WAP）、蜂窝电话桅杆和其他电磁信号源的位置及其他属性的细节。然后，由用户操作的装置可测量在该装置处检测到的电磁信号（例如，WAP射频信号）的属性，并且可以参考以前确定的位置和其他数据来计算用户的位置。例如，具有Wi-Fi功能的智能手机可确定相邻WAP的身份及信号强度，并且可基于上述WAP的已知位置执行三角测量法以确定该智能手机（因此确定用户）的位置。清晰地，信号源（WAP）的方位估计越好，用户的方位估计就越好。

在一个特定的例子中，“沿街扫描”用于确定车辆围绕其行驶的范围内的无线接入点（WAP）的位置。车辆内的全球定位系统（GPS）或类似装置记录该车辆的位置，而信号检测设备（例如，包括高度定向天线和Wi-Fi接口电路）确定WAP的相对位置和其他属性。然后，可使用两部分信息来确定 WAP的绝对方位。通过“沿街漫步”可实现类似的过程，其中由人携带的缩小型设备可实现相同的效果。

沿街扫描受到精度限制，通过该方法可确定WAP及其他信号源的方位。信号传播受环境因素影响，且距离信号源越远，影响（例如多径传播和信号衰减）越显著。道路上的车辆与WAP基站（典型地安装在远离道路的建筑物内）之间的必要距离可导致WAP位置估计中的明显误差，且在该距离可能根本检测不到其他WAP。这些因素会降低位置服务的精度，该位置服务使用来源于沿街扫描的数据。

沿街漫步允许检测设备距离WAP较近，甚至可以在建筑物内；但一旦进入到建筑物内，由于失去与GPS卫星的视线，通常会导致GPS接收器失效。

因此，沿街扫描和沿街漫步二者都受到WPA位置估计的精度限制，且在某些情况下由于GPS或类似定位系统的失效，根本无法确定位置。

发明概述

本发明的一个第一方面提供了一种估计多个电磁信号源（比如无线接入点）的方法，包括：在第一多个位置进行扫描（例如，使用手持或其他扫描仪，比如手机或笔记本）来生成信号源方位数据，该信号源方位数据表示一个或多个所述信号源的方位估计；在第二多个位置（与第一多个位置不同）使用信号检测系统（比如Wi-Fi收发器）进行扫描来生成信号检测数据，该信号检测数据（例如，包括与接收信号强度有关的数据和WAP基站标识符）与在第二多个位置从信号源接收的信号相关；根据该信号检测数据处理该信号源方位数据来纠正信号源方位数据的估计误差；以及，输出（例如，为了在数 据库中存储）已处理的信号源方位数据。在一个实施方案中，该信号源方位数据表示各个（每个）信号源的方位估计。

例如，信号源方位数据包括无线接入点（WAP）的2D或3D坐标及其标识符或其他电磁信号源及其标识符，并可包括进一步的信息，比如信号强度、位置精度估计等。该方法可在任何合适的装置或位置（例如在手机或其他可以执行扫描操作的装置中）和/或远程服务器系统中实现。特别地，该处理步骤可以但不必须由相同的处理器、计算机、微控制器或其他装置来实现，且单个处理步骤可根据需要细分并分布在不同的处理器。

通过使用信号检测系统（比如Wi-Fi接口）在第二组位置（例如，距离WAP基站更近但在面积上不适于沿街扫描）再次扫描，不需要在第二组位置提供类似GPS功能就可校正信号源的位置估计。虽然校正不能在每一种情况下都能提高特定信号源的方位估计，但是作为整体来看，信号源估计通常会得到提高。当然，信号源的特定环境和配置以及扫描位置可能会违反这种趋势（例如，由于在信号高峰点进行扫描，诸如多径效应的远距离传播效应，等）。

优选地，该信号检测数据包括信号强度、与信号源相关的MAC地址（对于网络装置，如果有的话）或其他标识符、信号质量等中的至少一个。优选地，信号源方位数据的处理包括将到达时间（TOA）、到达时差（TDOA）、到达角（AOA）和接收信号强度（RSS）算法中的至少一个应用到信号检测数据。

优选地，信号源方位数据的处理进一步包括使用该信号检测数据来估计该第二多个位置的方位。例如，第二多个位置（即，实现第二组扫描的位置）的方位估计可表示人操作该扫描装置以允许实现可视化或其他检查（例如，将 估计的扫描位置与其他数据相互对照，例如检查该估计的位置是不是不在墙内或其他不可接近及明显错误的位置）。

该方法可进一步包括接收表示与该第二多个位置有关的信息的位置信息数据，且处理信号源方位数据可进一步包括使用位置信息数据来估计该第二多个位置的方位。例如，该位置信息数据可包括所述第二多个位置中的至少一个的方位的用户估计。该位置信息可包括至少一个电磁信号源的方位的用户估计。有效地，该方法进一步包括通过用户输入装置（比如，手持装置）输入该位置信息数据。该方法可包括从用户接收数据，这可实现或提高对第二多个位置的估计。该方法可包括从一个或多个附加传感器接收数据，这些传感器测量与移动、方向或高度有关的参数，例如磁力计、加速计、气压计中的一个或多个。当估计该第二多个位置的方位时可考虑这些接收的数据。

位置信息数据能提高第二多个位置中的至少一个位置的估计。在一个例子中，如果读数出现错误，用户能向近似GPS（如果可用）或其他定位系统读数输入校正值。用户还可（或者可替代地）输入附加参考数据，比如高度，例如这会克服GPS及相似系统中的高度读数的相对误差。高度可以极其简单地以用户所在建筑的层数的形式输入；例如，通过平均/通用楼层高度（比如，5米、10米或中间其他值）与层数相乘并加上该位置的基准高度，或使用有关该讨论中的建筑的更详细信息或位置来获取更准确的结果，可将层数转化为相对近似的高度。

附加地或可替代地，处理信号源方位数据可进一步包括根据环境模型处理信号检测数据，该环境模型表示应用于该信号源的环境因素。这允许考虑不同的环境因素（比如建筑物内人口密度、是否有不同的结构特性、墙的厚度、表面的反射等等）以提高估计精度。在这种情况下，优选地，该方法进一步包括接收环境模型选择数据和环境模型参数数据中的至少一个，该环境模型 选择数据表示选择环境模型，该环境模型参数数据表示选择该环境模型的至少一个参数，以及，依据所述环境模型选择数据和环境模型参数数据中的至少一个来处理信号检测数据。

该方法可进一步包括通过用户输入装置输入所述环境模型选择数据和环境模型参数数据的至少一个。可替代地，例如，在具有适当知识、经验或训练的调查员或系统操作员完成调查之后，可将该选择数据或参数数据输入到其他地方。在另一个实施方案中，可以（适当的程度）自动地推断出（例如，由传感装置或交叉参考相关地理数据的估计扫描位置）该模型或模型参数。

根据特定可测因素，可使用不同的环境模型。例如，可根据扫描位置在室内或室外来使用不同的环境模型（例如，斯坦福大学过渡，SUI，模型）。

本质上，用于在此描述的处理步骤中的任何适当的数据，可以由用户在扫描站点（例如，使用手持装置）或者在远程（与扫描过程同步或者在以后的时间/日期）适度地输入。

此外，优选地，信号源方位数据处理进一步包括根据信号检测数据来生成进一步的信号源方位数据，该数据表示对信号源的新估计。例如，可以绘制这些进一步的信号源数据（例如，WAP基站的一系列更新的估计坐标）以允许信号源位置的之前与当前方位估计的视觉对比。如前面一样，这些新的估计数据可以相互参照，例如，用来检查该新的估计位置是否可信。

优选地，该方法进一步包括处理信号源方位数据和该进一步的信号源方位数据，以确定对该信号源方位数据的适当调整。可采用任何适当的过程来确定适当的调整，例如，包括最小平方估计法。

该方法还进一步包括处理信号检测数据以估计在第一多个位置上没有检测到的附加信号源的位置，以及，向信号源方位数据添加附加信号源方位数据。因此，例如，第二扫描阶段（在第二组位置）可能发现在第一扫描阶段（在第一组位置）中没有发现的信号源（比如，WAP基站）。

优选地，在第一多个位置进行扫描包括：在第一多个位置进行扫描以生成初始信号检测数据，该初始信号检测数据与在第一多个位置从信号源接收的信号有关；依据第一扫描方位数据处理该初始信号检测数据，该第一扫描方位数据表示第一多个位置各自的方位，以生成方位估计数据。因此，信号源可用于两个阶段以协助信号源的方位估计。

在第一多个位置进行扫描可包括使用该（上述）信号检测系统来生成初始信号检测数据。可替代地，视情况而定可使用不同的信号检测系统。例如，在第一扫描阶段可使用更精密的车载设备，并且在第二扫描阶段可使用不太精密但移动性更好的设备。

该方法可进一步包括在第一多个位置中的每一个上使用定位系统（可以是绝对定位系统，例如全球导航卫星系统，比如GPS或AGPS、GLONASS、北斗-2或伽利略）来生成第一扫描方位数据。例如，该定位可包括GPS/AGPS装置、基于蜂窝塔的三角测量、惯性传感器、GIS或结合两个或多个此类子系统的混合系统。可替代地，还可以使用手工方法，例如由扫描设备的操作员使用数据录入。例如，可使用传统的印刷地图来建立每个位置的方位。视需要，确定该位置的其他过程当然可能的。可提供一个用户接口以使得用户能够输入数据，比如对GPS的GPS辅助数据（估计位置、时间、星历表等），来实现或提高定位系统的性能。该方法可包括从一个或多个附加传感器接收数据，这些传感器测量有关移动、方向或高度的参数，例如，磁力计、加速计、气压计中的一个或多个。

通常情况下，该定位系统在第一多个位置比在第二多个位置上更加有效。此外，在第二多个位置的至少一个位置中，该定位系统可能无法操作（或真正不能操作的占第二多个位置中的25%、50%、75%、80%、90%或95%以上）。例如，该第二多个位置可部分（例如25%、50%、75%、80%、90%或95%以上）或全部位于室内，这阻碍了GPS或其他绝对/全球定位系统的有效操作。

相反地，信号检测系统通常在第二多个位置比在第一多个位置上更加有效。例如，信号检测系统可能只在距离信号源相对很近或检测系统与信号源之间没有衰减材料的情况下起作用（或作用更有效），例如部分（比如25%、50%、75%、80%、90%或95%以上）或全部室内或没有墙体阻隔。例如，可能的是，该第一多个位置（例如，受要求所限，比如允许车辆通过）通常会距离（多数）信号源太远而不能有效检测。

该方法可进一步包括使用信号检测系统在进一步的多个位置扫描以生成进一步的信号检测数据，并依据进一步的信号检测数据进一步处理该信号源方位数据。因此，可以重复一次、两次、三次或甚至更多次第二扫描阶段，以进一步改善方位估计的精度。

在进一步的实施方案中，一个第二（或进一步的）信号检测系统可用在第一或第二（或进一步的）多个扫描位置，以补充该（第一）信号检测系统，并进一步提高位置估计的精度。不需要在大体上相同的时间（在同一天或同一星期等）上实现扫描的第一、第二及（可选地）进一步的阶段。

该方法可进一步包括处理该信号源方位数据以生成表示信号源地图的地图数据。优选地，术语“地图”是指包括数据的数据集，该数据编码和/或识别至 少一个地理位置或其他位置。例如，地图可以是一组记录，其中每个记录提供信号源的2D或3D坐标，并且还可包括有关该信号源的进一步数据，比如指定的名字或标识符。例如，该地图可在计算机可读信号或媒质或以人类可读形式（例如，在传统地理平面图上重叠）的信号源的物理表示中实现。例如，该地图可被编码为任何合适的格式，比如GIS文件标准。

该信号源可以是无线接入点，比如无线通信网络中的基站。该信号源可以是Wi-Fi或Wi-Max基站、GSM或其他蜂窝通信塔、无线电发射机或信标发射机、或任何其他合适的电磁信号源。例如，该信号源可促进单向（比如简单的发射机）或双向（比如网络节点）通信。

通过无线接入点可传输信号检测数据、信号源方位数据和已处理的信号源方位数据中的至少一个。例如，这便于在有限计算能力及存储的手持装置和远程服务器及数据库间分布数据处理。可替代地，所有处理和扫描功能可使用同一装置来实现。

典型地，使用手持式便携装置来实现至少一部分扫描。例如，可通过使用配有相应设备的手持装置（比如，适当配置的手机、笔记本或为特定应用定制的手持装置）来实现第二扫描阶段（在第二多个位置）及视需要而定的第一扫描阶段（在第一多个位置）。

附加地或可替代地，至少一部分扫描可通过使用车载便携装置来实现。例如，至少第一扫描阶段可通过使用车载装置来实现，该车载装置与手持装置相比具有更好的能力和选择性（例如，使用定向天线）。

该方法可进一步包括：存储已处理的信号源方位数据；接收来自用户装置（比如，移动电话或其他便携装置）的用户位置请求，该用户位置请求包括 从与用户装置相关的信号检测系统处得到的数据；根据用户位置请求数据处理已存储的信号源方位数据来生成用户位置数据，这些用户位置数据表示用户装置的位置估计；以及，输出该用户位置数据。

因此，上述方法可与用户位置服务相结合。用户位置方法可在用户装置或远程服务器（或其他地方，例如通过互联网）中使用附加的系统来辅助估计用户装置的位置。例如，可使用用户装置中内置的GPS接收器。

该方法可包括识别一个或多个位置，在这些位置处无法提供用户位置服务或用户位置服务精度低于一个门限，并定位一个或多个进一步的电磁信号源以提供或提高在所述被识别位置中用户位置服务的精度。然后，在进一步的第二组位置扫描该新信号源。

在所述任何方法中，扫描可由用户在多个位置间（比如，第一多个位置间，和/或第二多个位置间）移动来实现，例如步行、通过车辆或其他方式。用户可与任何类型的硬件交互以促进上述（下述）任何其他方法步骤。

在本发明的另一方面中，提供了一种估计多个电磁信号源位置的方法，包括：输入信号源方位数据，表示一个或多个所述信号源的方位估计的信号源方位数据是通过在第一多个位置进行扫描所获得的；输入信号检测数据，该信号检测数据与在第二多个位置从信号源接收的信号有关；依据信号检测数据处理该信号源方位数据，以校正信号源方位数据中的估计误差；以及，输出已处理的信号源方位数据。本方法会应用到特定应用上，例如，用于与计算机代码有关的服务器上，该服务器可通过网络或其他通信链路与在扫描位置的用户装置通信。

在本发明的进一步方面中，提供了一种用计算机程序代码编程的便携式装置，使得该便携式装置能实现上述方法。

仍是在本发明的进一步方面中，提供了一种用计算机程序代码编程的服务器，使得该便携式装置能实现上述方法。

尽管根据附图的上述本发明实施方案包括由计算机设备执行的方法以及计算机设备，本发明还扩展至程序指令，特别是在载体上或载体中的程序指令，这些指令被适配为执行本发明的过程或使得计算机作为本发明的计算机设备来运行。程序可以是源代码、目标码、中间源代码的形式（比如部分编译形式）、或适合用于根据本发明过程的实现的任何其他形式。载体可以是任何能承载该程序指令的实体或装置

例如，载体可包括存储媒质（比如，ROM，例如CD ROM或半导体ROM）或磁记录媒质（例如软盘、硬盘或闪存、光存储器等）。此外，该载体可以是可传输载体，比如电信号或光信号，这些信号可通过电线或光纤或通过无线电或其他方式传递。当程序包含在可直接通过电缆传递的信号内时，该载体可由此类电缆或其他装置或工具组成。

尽管上面分别描述了本发明的不同方面和实施方案，但本发明的任何方面和特征可与任何其他合适的方面、实施方案或特征一起使用。例如，设备特征可与方法特征适当互换。

附图说明

根据以下附图，现在展示本发明的一个实例实施方案，其中：

图1是一种使用Wi-Fi无线接入点（WAP）信号源定位用户装置的系统的概图；

图2是展示一种定位供图1系统中使用的无线接入点（WAP）的方位的过程的流程图；

图3是根据图2的过程扫描建筑物内的一组无线接入点（WAP）的第一阶段的图示；

图4是在图2过程中的第一扫描阶段后图3中WAP的估计方位的图示；

图5是图3中建筑物内一组无线接入点（WAP）的第二扫描阶段的图示；

图6是在图5所示的第二扫描阶段期内扫描仪的估计方位的图示；

图7是在图5的过程中的第二扫描阶段后，图3中WAP的估计位置的图示；

图8是三角测量无线接入点（WAP）的方位的过程的图示；

图9是适用于至少图2过程的第一阶段的专用扫描仪系统的原理图；

图10是适用于图2过程的第一和第二阶段的手持装置的原理图；以及

图11是一种使用图2过程中生成的数据定位用户装置的系统的概图。

示例实施方案的详细说明

在此将描述一种定位电磁信号源的方法和系统，其中通过交叉参考在用户装置上接收的信号与之前使用上述方法和系统收集的数据来定位用户装置的系统的特定（但不唯一）应用。因此，对固定电磁信号源的位置进行估计。对固定电磁信号源的位置估计误差进行校正。生成的固定电磁信号源位置随后作为参考点用于定位（典型地移动）用户装置。

在一个特定实施方案中，描述了一种涉及动态确定基于无线技术的定位系统中的无线接入点（WAP）或无线信标的位置（如方位坐标）的方法。显著地，本文所述的无线标准是Wi-Fi，且定位系统是基于Wi-Fi的系统，但本方法可同样用于其他相关标准，比如蓝牙或射频（RF）和其他系统。此外，该方法还可用于确定其他通信技术中的基站位置，比如移动通信（例如，比如GSM和CDMA）、Wi-Max等。

在基于Wi-Fi的定位系统中，WAP的坐标/位置与其他信号处理算法一起使用，以估计用户在无线局域网（WLAN）中的位置。在此，用户可以在WLAN内移动或固定，且具有带有任何内置或外置Wi-Fi功能的装置。该装置还可以具有连接到互联网从而与中心服务器交换参数的功能，例如，Wi-Fi系统参数（比如，Mac地址、信号强度、其坐标等）。一个例子是手机用户使用内置的Wi-Fi连接到互联网。因此，在这个定位方法中，用户的定位精度主要依赖各个WLAN中已知WAP方位的精度。

上述沿街扫描和沿街漫步是确定和/或绘制WAP方位的技术。

图1是一种使用Wi-Fi无线接入点（WAP）信号源定位用户装置的示例系统的概图。用户装置102由用户（未示出）操作并包含一个Wi-Fi适配器（仍未示出）。多个无线接入点（WAP）104、106、108、110、112位于紧邻用户的两个建筑物114、116内。由于信号衰减、发射功率受限及其它因素，用户 装置102内的Wi-Fi适配器只能检测到WAP 104、106、110、112。用户装置102检测不到WAP108。还可以存在GSM（移动电话）桅杆118和其它部件，并且可以它们的特性及其它电磁信号源进行测量并用于定位系统。

用户装置102可测量信号的某些特征，或者关于信号质量（比如信号强度、入射角等）或关于信号承载的数据（比如MAC地址或与发射WAP相关联的其它标识符）。

该系统处理不同的信号特征，并将该特征与数据库中的数据相比较。如同以下的详细描述一样，本定位系统可使用已存储的与某些或所有WAP 104、106、110、112有关的数据来三角定位（或以其他方式确定）用户装置102的方位，然后是用户的方位。

现在将描述一种方法和系统，其中可基本上克服沿街扫描和沿街漫步两个方法中的缺点，使用多阶段处理和使用动态及自我校正递归技术来精确地确定建筑物内及恶劣环境中（例如，有许多障碍物）WAP的位置坐标。从此开始，搜索和确定WAP的位置坐标将被分别称为“扫描”和“绘图”。

图2是展示定位供图1系统中使用的无线接入点（WAP）的方位的过程的流程图。

在步骤S200中，即在该过程的第一阶段，在第一组位置扫描信号源（来自WAP的信号）。可使用不同的扫描过程，例如，使用手持装置（比如，移动电话、智能手机或其他装置），在建筑物外部或内部（本实施方案中）扫描。在可替代的实施方案中，该第一组位置由执行沿街扫描过程的车辆的路线形成。如上述及下述（例如，关于图7），在扫描过程中收集的数据用于生成信号源（WAP）的方位估计。然后存储这些估计的位置（在步骤S202中）。 在第一扫描阶段中，通常（但不必须）通过结合全球或绝对定位系统（比如GPS或AGPS）的输出与相对定位系统（比如使用WAP信号强度（在以下再次更详细描述）的三角测量法）的结果来估计WAP的方位。例如，在另一个实施方案中，第一组估计位置只是从进行扫描的建筑物或位置的地图或平面图中获取，并由用户直接使用装置的用户界面输入到处理软件中。在这种情况下，可概括地解释为术语“扫描”。

在步骤S204中，即在该过程的第二阶段，再次在第二组位置扫描信号源（WAP信号）。在优选的实施方案中，第二组位置是扫描技工的路线，通常在建筑物中或建筑物内，该建筑物已在第一阶段由沿街扫描在远处扫描过。在其他的实施方案中，该扫描自动执行并且也可以由相同或不同配置的沿街扫描设备来执行。扫描位置可由技工“当场”选择或实时或在扫描操作前确定为阶段1收集结果的分析结果，例如参考与扫描环境和建筑物和其中其他结构有关的地理和/或商业数据。在步骤206中记录扫描结果。

如以下更详细描述的，用户还可以记录他们自己对第二组位置的方位估计，或可以输入对自动获得（例如，由GPS）的方位估计的校正值（在适当情况下），并且还可以输入环境模型的选择用于应用和/或用于这个模型（如以下更详细说明）的参数。用户还可以输入数据以实现或提高参考定位系统的性能，比如用于GPS的GPS辅助数据（估计方位、时间、星历表等）。用户可以输入地图中部分或全部第二组位置的方位。输入部分或全部第二组位置的方位的能力可能非常有利，这是因为这可以校正由第一多个位置的估计方位误差引起的误差。

在步骤S208中，使用扫描过程第二阶段的结果处理和校正第一组估计的WAP位置（或其他信号源的位置，比如移动电话桅杆等）。在以下更详细描述这个过程。然后在步骤S210中输出校正后的估计。

在第一个实施方案中，执行绘图过程的用户或用户组具有轻巧的用户装置（比如智能手机、笔记本等）或带有Wi-Fi功能以及优选地其他定位系统能力（比如GPS/AGPS、基于蜂窝塔的定位系统等）的复杂电子装置（比如定制计算装置、放大器、天线等）。这些装置可以具有可以辅助定位的附加传感器，例如，加速计、磁力计等。这些装置还可以具有不同于Wi-Fi的连接到互联网的能力，比如通过无线互联网服务提供商网关。

例如，用户可以配备有Satsis专利软件，该软件运行在带有或没有任何操作系统的用户移动装置上并具有微控制器、GPS/AGPS和Wi-Fi硬件功能。本质上，在此描述的包括多个扫描阶段的所有扫描和绘图过程可通过使用软件（比如，需要的时候，使用前述的硬件）来实现。需要的时候，选中的软件可以能够使用用户的输入来记录有关正在进行扫描/绘图的区域/地点的信息，比如方位坐标、建筑物类型、高度信息（比如扫描楼层等）、城市或乡村类型等。

图3是根据图2的过程扫描建筑物内一组无线接入点（WAP）的第一阶段的个图示。

在图3中，建筑物300包括6个WAP 302、304、306、308、310、312。在建筑物四周选择九个扫描点320、322、324、326、328、330、332、334、336，尽管实际上可能比所有边少，例如可以仅沿着建筑物的一个或两个边（例如，取决可接入性）。将认识到，例如，根据建筑物大小和环境复杂度，会发现更多或更少的WAP，且可使用更多或更少的扫描（及相应的扫描位置）。

WAP（圆形所示）放置在代表性的建筑物内的不同地方。在本实施方案中，带有用户装置（比如带有Wi-Fi和GPS/AGPS功能的智能手机）的前述用户能够从围绕建筑物外部（矩形框所示）的不同地方扫描这个建筑物。在每个地方用户通过GPA/AGPS记录Wi-Fi扫描参数，比如信号强度、可见WAP的MAC地址、信号质量等，以及用户自己的方位。用户还可以记录来自观测结果和/或已有知识的其他有用的环境特定数据，比如建筑物高度和类型、靠近扫描位置的物理信号障碍物的个数和类型等。如果可用，该用户还可记录来自装置上或装置内的附加传感器的数据来辅助定位。例如，他们可以记录从磁力计接收的头数据、从气压计接收的高度信息等。

如上所述，除GPS及其变形外，任何其他定位系统或方法还可用于定位用户的方位，比如基于三角测量法的蜂窝塔、惯性传感器、用户方位输入、GIS等、或组合这些技术的任何混合系统。

如图3所示，可从外部多个位置扫描多个WAP。例如，从三个位置扫描WAP 302、304，从两个位置扫描WAP 310、312，以及从一个位置扫描WAP308。没有从任何位置扫描WAP 306，这是由于其中心位置位于建筑物内，且从外部扫描位置缺乏信号可见性。

来自扫描过程的记录由安装在装置中的软件使用多种信号处理算法共同处理，以确定不同地点的用户位置与可见无线接入点之间的距离，并随后创建这些WAP的地图。

存在多种距离测量算法以允许使用Wi-Fi或其他类似系统进行定位。例如，这些算法包括到达时间（TOA）、到达时间差（TDOA）、到达角（AOA）、接收信号强度（RSS）等。根据软件、移动装置和WAP的技术能力，通常采用基于RSS的距离测量算法，但视情况而定还可以使用其他算法。

在RSS算法中，在接收器（用户）的Wi-Fi信号强度（功率）可通过与来自无线源（WAP）的信号的发射强度相比较来测量，并通过以下空白处的数学方程给出：

$P_r=\frac{P_t{G}_t{G}_r{\mathrm{\λ}}^2}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^2{d}^2}---\left(1\right)$

其中P_r是接收功率，P_t是发射功率，G_r和G_t分别是接收器和发射器天线增益，λ是信号波长，并且d是源与接收器之间的距离。该方程还可描述成传播增益（PG）：

$\mathrm{PG}=\frac{P_r}{P_t{G}_t{G}_r}={\left(\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\πd}}\right)}^2---\left(2\right)$

且分贝形式为：

${\mathrm{PG}}_{\mathrm{dB}}=20\log \left(\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\πd}}\right)---\left(3\right)$

由于信号传播的不确定性，空白处模型（方程）不能不做修改而简单地用于真实世界环境。Wi-Fi信号传播受许多因素影响，比如信号衰减和来自表面的反射（多径效应）、建筑物类型、移动目标和人群、传输频率、天线高度和极化等。然而，存在不同的模型来模拟不同的环境和信号传播行为，通过它们来确定接收器与源之间的距离。例如，对于不同的室内环境，存在许多模型可用于预测信号行为。室内模型之一可由下式描述

${\mathrm{PG}}_{\mathrm{dB}}=20\log \left(\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}{d}_0}\right)+10n\log \left(d_0\right)+\mathrm{X\σ}$ 对于d>d₀    (4) 

其中，X、n和d₀是随不同室内环境而变化并可由经验来确定的参数。例如，对于典型地硬分区办公室环境，X、n和d₀的值分别是7.0、3.0和100。

可提供用户输入以选择环境类型，然后使用存储器中存储的上述参数的特定值（例如，由用户或其他操作员之前输入的）。可替代地，如果用户输入不可用，则可从软件配置中选择默认值。

例如，还有许多模型适用于室外环境。一种称为斯坦福大学过渡（SUI）模型的模型可由下式进行描述：

$\mathrm{PL}=20\log \left(\frac{4\mathrm{\π}{d}_0}{\mathrm{\λ}}\right)+10n\log \left(\frac{d}{d_0}\right)+X_f+X_h+s$ 对于d>d₀    (5)

PL描述为路径损失，而其他参数可与室内模型类似处理，即（例如）或通过用户输入或来自软件配置。

一旦使用任何可用的模型确定所有的距离，可参照地点的位置坐标共同处理，用户从该地点扫描以逐个绘制可见的WAP。根据特定WAP的测量（记录）次数，有许多方法可用于绘制WAP。参照图8，以下描述一种方法----三角测量方法。

图4是在图2过程中的第一扫描阶段后图3中WAP的估计方位的图示。

在图4中，WAP 402、404、406、408、410、412的实际位置用实线圆表示，而WAP 402、404、408、410、412相对应的WAP估计位置分别用重叠的虚线圆452、454、458、460、462来表示。这里没有WAP的估计456，这是因为在第一扫描阶段中没有发现相应的实际WAP 406。

可以再次发现，没有绘出WAP 406，这是由于它的信号在该建筑物外部的九个扫描位置中的任一个处都可见。绘制的WAP的精度取决于许多因素，如扫描距离、环境模型、用户方位精度、从建筑物外部对一个WAP的扫描（测量）次数、以及参考对应的WAP的这些地点的几何图形，等。

图5是图3中建筑物内一组无线接入点（WAP）的第二扫描阶段的图示。在建筑物500内，再次示出了六个WAP 502、504、506、508、510、512.在建筑物内选择五个新的扫描点520、522、524、526、528，这些扫描点（可能的话）散布在WAP之间。

如上所述，在绘图的第二阶段，扫描点被放在建筑物内，在建筑物内用户通常在不具有GPS/AGPS能力下绘图。在这种情况下，使用Wi-Fi定位技术可推断出用户在这五个地点的坐标。Wi-Fi定位将使用所绘制（使用如前所述的第一扫描阶段）和建筑物内对应地点的其他可用WAP的坐标。例如，在地点524的用户将使用WAP 504、508、512利用阶段1绘制的WAP坐标及上述关于阶段1的其他信号处理算法（比如使用Wi-Fi信号强度的距离测量法）和环境模型（比如通过用户输入和和三角测量）等来自我定位。

用户（例如，或其他操作员处理在中心位置接收到的测量数据）可以方便地输入他自己对第二组位置的方位估计，或可以输入对自动得到的方位估计（例如，如果可用且正在使用，校正明显的错误或极度不精确地GPS读出结果）的校正值（在适当的情况下）用户还可以输入数据来实现或提高参考定位系统的性能，比如如果可用且正在使用时，用于GPS的GPS辅助数据（估计方位、时间、星历表等）。特别地，用户可以记录感观上的高度或能更加精确估计高度及其他尺寸的其他测量值（比如建筑物内的层数）。如果对于特定位置的基准高度h_b可得（例如，使用从拓扑图中得到的数据），高度估值h可计算为h_b+h_s×s，其中h_s是每层的估计高度（例如，基于全局或局部 平均或使用在扫描位置上有关建筑物的特定知识），而s是层数（0是底层，1是第一层，诸如此类，使用UK术语）。在一个实施方案中，使用惯量（或差分）定位，例如，适当的时候用户能输入数据（或绝对）值来校准惯量定位系统。

特别地，用户还可输入应用环境模型选择和/或用于此模型的参数（见以下讨论的某些可能的环境模型及其参数）。例如，可使用下拉式菜单或用户接口中的其他输入装置（比如运行在用户携带的手持装置上的交互应用）来进行环境选择（及其它数据）。

例如，当缺少足够的点来执行三角测量法或用户提供的方位估计时，可使用其他可能的方法（如果需要，包括由扫描仪用户或后期处理该数据的操作员手动输入），比如加权平均，来获取扫描位置的“最佳猜测”。

在第二扫描阶段内，从建筑物内扫描所有的六个WAP 502、504、506、508、510、512，由于扫描用户的接近及典型地（例如）缺乏厚的结构墙来衰减信号。可以看出，可以从多个地点扫描多个WAP。例如，从位置522、524、526、528扫描WAP 508。与阶段一类似，用户再次在每个地点记录Wi-Fi扫描参数，比如信号强度、可见WAP的MAC地址、信号质量等，以及用户自己的位置。用户还可以记录来自观测报告和/或已有知识的其他有用环境特定数据，比如建筑物高度与类型、靠近扫描点的物理信号障碍物数量与类型等。如果可用，用户还可以记录来自装置上附加传感器的数据来辅助定位，比如可以提供信头的磁力计、可以提供高度信息的气压计等。

图6是根据上述处理过程在图5所示的第二扫描阶段期内扫描仪的估计位置的图示。与前面一样，示出了建筑物600内的六个WAP 602、604、606、608、610、612。还示出了在扫描点620、622、624、626、628的扫描仪的估计 方位，例如，不同程度上依赖影响信号传播的上述参数，该位置不同于实际扫描点。

在进一步的实施方案中，其中的装置具有互联网连接，可以使用中心web服务器通过与之交换Wi-Fi参数来获得用户的坐标。在这种情况下，中心web服务器是可操作的以便或通过内部数据库或从其他互联网源来提供用户位置。在某些情况下，如果可用，用户还可以使用GPS/AGPS坐标以及其他任何定位技术。用户还可以输入信息，比如坐标、环境类型等（如上对阶段1所述），到处理软件中来辅助绘图处理。

由所有五个扫描位置的扫描构成的记录由装置上的软件使用不同的信号处理算法统一处理，比如使用Wi-Fi信号强度的距离测量、使用用户输入的环境建模、三角测量等（通常更精确），来绘制建筑物内的WAP。

图7是在图5的过程中的第二扫描阶段后图3中WAP的估计方位的原理图。在图7中，WAP 702、704、706、708、710、712的实际位置用实线圆表示，与WAP 702、704、706、708、710、712相对应的估计方位用重叠的虚线圆752、754、756、758、760、762来表示。

注意到，在这种假设的情况下，通常会改进WAP的方位估计，尽管在独立个案情况下，比如对WAP 704（及估计WAP 754），估计会变得比第一阶段（如图4所示）更不精确。阶段II还画出了在阶段I中没有画出的WAP（例如，WAP 706）。

尽管与用户的坐标（使用GPS/AGPS从外部获得的）相比，在扫描点的用户坐标（阶段I后从Wi-Fi定位内部获得的）可能并不精确，但在第二阶段绘图之后，总体上会提高绘图精度和绘制WAP的覆盖范围，这是因为扫描/绘图 用户（建筑物内部）与WAP接近，并因此可以通过应用上述关于阶段I的室内信号传播模型更准确地预测信号传播路径来测量用户与WAP间的距离。

只要在绘制WAP坐标中能有提高，整个绘制过程可以多次延伸到后续阶段来提高覆盖和某种程度的精度。本质上，该过程仍与阶段II相同，而且能够重复，例如，如果确定特定的点为特别困难的环境（例如在检查过初始扫描数据以后），可以在更多的扫描位置（建筑物内部或外部）重新扫描之前的点。

图8是用三角测量法来定位（2D）无线接入点（WAP）的方位的过程的图示。这是估计WAP的方位的可行方法之一。在图8中，示出了三个扫描点802、804、806，每一个扫描点检测来自近似区域808内一个WAP的信号。该WAP/区域808距离扫描点802、804、806分别为d₁、d₂、d₃。每个点802、804、806由一个表示距离d_n的所有点的轨迹的圆包围着。

此处，d₁、d₂、d₃由之前所述任何可用距离测量模型来获得，并与点802、804、806的位置坐标一起用于下式：

$d_i=\sqrt{{(x_r-x_{\mathrm{si}})}^2+{(y_r-y_{\mathrm{si}})}^2}---\left(6\right)$

其中，d_i是距离，x_r和y_r是WAP 7的x坐标和y坐标，x_si和y_si是地点的x坐标和y坐标，其中i是1，2，…，n。建立三个方程并解出区域808中WAP的x坐标和y坐标。可用任何可用的方法求解这些方程，比如最小二乘法。

如图8中所示，绘制的区域808中WAP的坐标是三个圆（扫描点与WAP之间估计距离的轨迹）的重叠部分。因为在距离d₁、d₂、d₃的测量/估计中存在误差且在扫描点802、804、806的参考（或估计）坐标中存在可能误差，因此这些圆没有在单一的点上重叠。

将认识到，上述2D例子可根据要求扩展到3维。通常不需要记录WAP（只是2维方位）的三维方位，但将认识到，如果需要3D位置，则可进行相关的修改。

图9是适用于至少图2过程的第一阶段的专用扫描仪系统的原理图。这个扫描仪可用于某些或全部上述的实施方案中优先于用于手持装置（可以是或可以不是与下述有关图10中装置相同的装置）。

在图9中，所述扫描仪系统（比如沿街扫描装备）包括一个定向天线902（比如有向Wi-Fi天线）；放大来自天线的信号的放大器904；提供扫描仪系统900的参考坐标的GPS（或AGPS或其他类似装置）906；控制和/或处理和/或接收来自任何或全部天线902、放大器904、GPS装置906的数据的计算机908；控制该扫描仪系统、输入相关数据和显示结果的用户接口910；以及存储由扫描过程创建的记录的数据存储装置912.在一个替代实施方案中，提供了一个网络接口装置（未示出）允许通过通信网络发送和/或接收数据，例如，允许远程控制和/或数据收集，这会避免对存储装置比如912的需要。

图10是适用于图2过程的第一和第二阶段的手持装置的原理图。

手持装置包括Wi-Fi接口1002、GPS或AGPS装置1004、网络接口1006（对于扫描仪的完全本地操作，可视情况不存在）、处理器（或微控制器或其他计算化的装置）1008、用户接口1010和数据存储装置1012。与图9有关的上述装置相比，这个装置可具有更少的可选性、信号放大和/或处理功率或存储能力，但另一方面更便携，并因此更容易与需要扫描的任何WAP联系更加紧密。在进一步的实施方案中，该手持装置可省略或停用GPS/AGPS装置1004，例如，如果只在扫描第二阶段用。

在进一步的实施方案中，可提供混合上述有关图9中扫描仪系统900和上述图10中手持装置1000二者特征的扫描仪装置。

图11是一种使用图2过程中生成的数据定位用户装置的系统的概图。

在图11中，示出了一个用户装置1100（例如，比如上述手持装置1000或任何其他装置）、一个电信网络（比如移动电话网络）1102、一个位置服务器1104及一个WAP位置数据库1106（可与位置服务器1104集成一体）。

在使用中，用户使用户装置110向电信网络1102（例如，使用移动电话上的服务）发送一个位置请求1150.该请求1150可典型地包括在用户装置1100接收的数据，比如从附近WAP检测到的信号的属性（比如对于阶段I和阶段II中上述那些）。例如，该请求1150可因此包括附近WAP的信号强度的细节和MAC地址（和/或蜂窝塔信号等）。

请求1152（通常与初始请求1150相同）通过网络1102到达位置服务器1104。然后，位置服务器1104处理该请求1152，同时用WAP查找请求1154查询位置数据库1106来指定与查询请求1152相关的WAP数据。然后，数据库1106向服务器1104返回请求数据1156。服务器结合接收到的请求数据1152完成对数据1156的处理从而生成一个位置估计，并以位置数据1158的形式发送回用户装置1100。网络将位置数据1160（通常与数据1158相同）转发到用户设备1100。然后，用户装置可以处理位置数据1160来恢复（例如，并显示）该位置估计。

上述与图11有关的系统还可以用于初始“发现”阶段，例如，结合上述的阶段I和阶段II。例如，服务器1104可以有选择地或可替代地运行软件来处理扫描数据以生成上述不同的估计。

在一些应用中，在扫描第二阶段得到的数据可用于确定一个或多个位置，这有利于定位进一步的电磁信号源（例如，蓝牙信标）从而来提高提供给一个或多个位置处的用户装置的位置数据的精度。然后，在由此确定的位置上可以提供进一步的电磁信号源。然后，根据本发明，在围绕最新放置电磁信号源的多个位置上进行更进一步的扫描阶段。

将认识到，上述定位系统的其他应用也是完全可行的，例如，包括对用户装置来说是完全本地的定位系统（例如，包括用户装置内所有相关数据和处理能力），以及通过各种各样不同的网络通信的装置（例如，不限于一个或一种电信网络）。

总之，描述了一种使用多阶段自我校正绘图过程来确定无线局域网（WAN）中无线接入点（WAP）的方位坐标的方法虽然WAP典型地是在各自WLAN中的Wi-Fi无线接入点，但它们可以是另一个基于Wi-Fi的定位系统中的其他WAP。例如，本方法和系统可以完全在用户移动装置中实现，或可依靠远程部件及软件（比如，通过某种形式的通信网络连接的中心服务器，比如Wi-Fi、移动电话或其他网络）来实现相同的目的。

尽管参照特定实施方案说明了本发明，显然，对于本领域的技术人员来说修改位于本发明的精神和范围之内。

Claims (28)

1.一种估计多个电磁信号源位置的方法，包括：

在第一多个位置进行扫描来生成信号源方位数据，该信号源方位数据表示一个或多个所述信号源的方位估计；

使用信号检测系统在第二多个位置进行扫描来生成信号检测数据，所述第二多个位置可部分或全部位于室内，且该信号检测数据与在第二多个位置处从信号源接收的信号相关；

根据该信号检测数据处理该信号源方位数据来校正在信号源方位数据中的估计误差；以及

输出该已处理的信号源方位数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其中处理该信号源数据进一步包括使用该信号检测数据来估计该第二多个位置的方位。

3.根据权利要求1或2所述的方法，进一步包括表示有关该第二多个位置的信息的接收位置信息数据，且其中处理该信号源方位数据进一步包括使用该位置信息数据来估计该第二多个位置的方位，其中该位置信息数据包括以下中的至少一个：所述第二多个位置中的至少一个的方位的用户估计；和至少一个电磁信号源的方位的用户估计。

4.根据权利要求3所述的方法，其中该位置信息数据包括所述第二多个位置中至少一个的方位的用户估计。

5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括通过一个用户输入装置输入该位置信息数据。

6.根据权利要求1、2、4和5中任一权利要求所述的方法，其中处理信号源方位数据进一步包括根据一个环境模型处理该信号检测数据，该环境模型表示应用到该信号源的多个环境因素。

7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括接收以下内容中的至少一个：表示选择环境模型的环境模型选择数据以及表示选择环境模型的至少一个环境参数的环境模型参数数据，以及根据环境模型选择数据和该环境模型参数数据中的所述至少一个来处理该信号检测数据。

8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括通过一个用户输入装置输入环境模型选择数据和环境模型参数数据中的所述至少一个。

9.根据权利要求1、2、4、5、7和8中任一权利要求所述的方法，其中处理信号源方位数据进一步包括根据该信号检测数据生成进一步的信号源方位数据，该信号源方位数据表示信号源的新估计。

10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括处理该信号源方位数据和该进一步的信号源方位数据来确定对该信号源方位数据的适当调整。

11.根据权利要求1、2、4、5、7、8和10中任一权利要求所述的方法，进一步包括处理该信号检测数据来估计在第一多个位置上没有检测到的附加信号源的位置，并添加附加信号源方位数据到该信号源方位数据。

12.根据权利要求1、2、4、5、7、8和10中任一权利要求所述的方法，其中在第一多个位置进行扫描包括：

在第一多个位置进行扫描来生成初始信号检测数据，该初始信号检测数据与在第一多个位置处从信号源接收的信号相关；

根据第一扫描方位数据处理该初始信号检测数据，该第一扫描方位数据表示该第一多个位置中每一个的方位，以生成方位估计数据。

13.根据权利要求12所述的方法，其中在第一多个位置进行扫描包括使用该信号检测系统来生成该初始信号检测数据。

14.根据权利要求1、2、4、5、7、8、10和13中任一权利要求所述的方法，进一步包括在该第一多个位置的每一个位置上使用定位系统来生成第一扫描方位数据。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，该定位系统在第一多个位置比在第二多个位置更有效。

16.根据权利要求15所述的方法，其中该信号检测系统在第二多个位置比在第一多个位置更有效。

17.根据权利要求14所述的方法，其中该信号检测系统在第二多个位置比在第一多个位置更有效。

18.根据权利要求1、2、4、5、7、8、10、13和15－17中任一权利要求所述的方法，进一步包括使用信号检测系统在进一步的多个位置上进行扫描来生成进一步的信号检测数据，以及根据该进一步的信号检测数据来进一步处理该信号源方位数据。

19.根据权利要求1、2、4、5、7、8、10、13和15－17中任一权利要求所述的方法，进一步包括处理该信号源方位数据来生成表示信号源地图的地图数据。

20.根据权利要求1、2、4、5、7、8、10、13和15－17中任一权利要求所述的方法，其中该信号源是无线接入点，比如无线通信网络中的基站。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，通过该无线接入点传送该信号检测数据、该信号源方位数据和该已处理信号源方位数据中的至少一个。

22.根据权利要求1、2、4、5、7、8、10、13、15－17和21中任一权利要求所述的方法，其中至少一部分扫描是使用手持式便携装置来完成的。

23.根据权利要求1、2、4、5、7、8、10、13、15－17和21中任一权利要求所述的方法，其中至少一部分扫描是使用车载便携装置来完成的。

24.根据权利要求1、2、4、5、7、8、10、13、15－17和21中任一权利要求所述的方法，进一步包括：

存储该已处理信号源方位数据；

接收来自用户装置的用户位置请求，该用户位置请求包括从一个与该用户装置相关联的信号检测系统获得的数据；

根据该用户位置请求数据处理已存储的信号源方位数据来生成表示该用户装置的位置估计的用户位置数据；以及

输出该用户位置数据。

25.根据权利要求1、2、4、5、7、8、10、13、15－17和21中任一权利要求所述的方法，其中该扫描是由用户在多个位置间移动来完成的。

26.一种估计多个电磁信号源位置的方法，包括：

输入信号源方位数据，该信号源方位数据表示通过在多个第一位置进行扫描获得的一个或多个所述信号源的方位估计；

输入信号检测数据，该信号检测数据与在第二多个位置从该信号源接收的信号相关，所述第二多个位置可部分或全部位于室内；

根据该信号检测数据处理该信号源方位数据来校正该信号源方位数据中的估计误差；以及

输出该已处理的信号源方位数据。

27.一种估计多个电磁信号源位置的系统，包括：

用于在第一多个位置进行扫描来生成信号源方位数据的模块，该信号源方位数据表示一个或多个所述信号源的方位估计；

用于使用信号检测系统在第二多个位置进行扫描来生成信号检测数据的模块，所述第二多个位置可部分或全部位于室内，且该信号检测数据与在第二多个位置处从信号源接收的信号相关；

用于根据该信号检测数据处理该信号源方位数据来校正在信号源方位数据中的估计误差的模块；以及

用于输出该已处理的信号源方位数据的模块。

28.一种便携式装置，包括如权利要求27所述的估计多个电磁信号源位置的系统。