CN103502833A

CN103502833A - 定位方法

Info

Publication number: CN103502833A
Application number: CN201180061304.3A
Authority: CN
Inventors: J·艾克曼; G·拉梅尔
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2011-11-04
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2031-11-04
Also published as: JP2014505241A; EP2656096B1; JP5717875B2; US20130314104A1; DE102010063702A1; KR101902030B1; KR20130137015A; US9285408B2; WO2012084322A1; EP2656096A1; CN103502833B

Abstract

本发明涉及一种定位方法，包括一个第一步骤(10)，其中，由基本上位置固定的发射器的无线电信号确定一个第一位置序列(12)，其中，通过耦合由其它的传感器数据确定一个第二位置序列(14)。本发明的核心在于，在一个第二步骤(20)中对第一位置序列(12)和第二位置序列(14)相互比较。此外，本发明还涉及一种用于执行该方法的计算机程序产品。本发明也涉及一种定位装置(100)，尤其是在一台移动终端设备内，包括：一个接收器(110)，用于接收位置固定的发射器的无线电信号；定位部件(160)，用于由位置固定的发射器的无线电信号确定接收器的一个第一位置；传感器(120)，至少用于确定一个方向和一个路程，以便通过耦合确定一个第二位置；一个存储器(130)，用于存储一个第一位置序列和一个第二位置序列。本发明的核心在于，定位装置具有一个处理装置(140)用于补偿第一位置序列和第二位置序列。

Description

定位方法

技术领域

本发明涉及一种定位方法，包括一个第一步骤，在该步骤中从基本上位置固定的发射器的无线电信号确定一个第一位置序列，其中通过耦合从其它的传感器数据中确定一个第二位置序列。此外，本发明还涉及一种用于执行所述方法的计算机程序产品。本发明也涉及一种定位装置。

背景技术

在商业应用领域到目前为止主要有WLAN定位系统，所述定位系统是以可识别的发射器(例如，WLAN路由器)的发射信号，以及在一个接收器，例如，一个定位系统，测得的这些发射信号的接收强度为基础来确定该接收器位置。对此，原则上有两种不同的理论，它们分别称作“位置指纹定位”或“信号路径建模”。在“位置指纹定位”时，在使用定位系统之前，对定位系统的整个应用区域进行测量和在每个位置对应的一个网格上面输入全部可使用的WLAN网络的接收强度。当定位系统处于运行状态时，在定位仪处测得的接收强度与存储在数据库中的接收强度相比较并通过专用的算法计算位置。最简单可行的算法是从数据库中把其测量的接收强度与定位时测量的接收强度之间几何距离最小的位置确定为位置。

在“信号路径建模”技术中，是以包含所有位于定位区域内的WLAN基站的位置的数据库作为前提条件，此外，如文献US7,403,762中所述可以通过测量定位区域内的接收强度确定这些位置。在定位过程中，在终端设备处测得的接收强度通过一种数学相关性换算成与从属基站之间的距离并且以已知的路由器位置为基础通过三边测量法确定当前位置。在这里，三边测量法与熟知的三角测量法的区别在于，只使用距离信息而不使用角度信息。

这两种方法的准确性依赖于基础数据库的质量，因为定位永远都不可能比通过数据库给定的参考位置更精确。在这里，在编制数据库时可能会出现各式的干扰，因为，测得的接收强度不仅与距离，此外还与位于传输路径上的对象、终端设备的方位和时间相关。此外，还有可能是，甚至是在编制完数据库之后路由器的位置还会发生变化，清除路由器或新添加路由器。为了能够在这些情况下仍保证定位系统的功能性，例如，在文献US7,474,897中采取的措施是，评价每一个路由器的定位信息的质量并借此决定，是否可以使用该路由器定位。

文献US7,493,127介绍了一种在运行状态下升级数据库的方法，其中，在运行状态下在每一个定位过程中都对接收信息的完整性进行检测和在接收信息不完整或有新的接收信息的情况下能够以通过其它的路由器确定的终端设备的位置为基础改变或新添加路由器的位置。这些方法保证，当存在足够数量的其它的路由器并且能够借助这些路由器定位时，系统的功能性不会因单个路由器的特性发生变化而受到限制。

一种可以对改善行人的定位精确度的方法是通过从一个起始位置开始计算方向和距离的计算航迹导航法，也被称作惯性导航系统(INS)。例如，一个INS可以以MEMS传感器为基础。在这里，使用的是一个加速度传感器，通过计算步数与确定步长相结合来探测位置变化。此外，使用一个电子罗盘，并且是常常结合一个转速传感器来确定水平运动的方向，而压力传感器负责识别在纵轴方向的运动。此外，在“Advanced Integration of WIFIand Inertial Navigation Systems for Indoor Mobile Positioning”(Evennou，F.，Marx，F.，Eurasip journal on applied signal processing，Hindawi publishingcorp.，Newyork(2006))和WLAN-Based Pedestrian Tracking Using ParticleFilters and Low-costMEMS Sensor(H.Wang，H.Lenz，A.Szabo，J.Bamberger，和U.Hanebeck，Procedings of Workshop on Positioning，Navigation andCommunication，2007.，pp-1-7，2007)中，通过利用传感器信息融合技术融合INS-数据和WLAN-数据可以实现改善定位精度。在这里，为了在一段时间内，例如，通过一个粒子滤波器来更加准确地确定借助WLAN确定的位置，使用了INS-数据，如果没有INS则不可能实现。

此外，可以如在”Sensor Data Fusion for Pedestrian Navigation UsingWLAN and INS“(J.Seitz，L Patino-studencka，B.Schindler，S.Haimerl，J.G.Boronat，S.Meyer，和J.Thielecke，in Procedings of Gyro TechnologySymposium2007，Sep.2007)中所述，使用一个INS用于简化编制一个“位置指纹定位“数据库。为此，在编制数据库过程期间，借助从INS中获取的数据在两个手动输入的参考位置之间内插路径，借此只需很少的手动输入。如在背景技术中所述，由于在使用WLAN-定位系统时参考位置可能包括，例如，路由器位置，因此包含参考位置的基础数据库的质量会限制一个定位系统的精度。熟知的数据库优化方法只使用自己从定位系统中获取的信息用于识别位置参考的变化。例如，为了能够确定一个新的路由器的位置，必须借助位于多个地点的多个路由器的接收强度确定最新位置。因为在这里位置测量总是伴有误差，因此新定位的路由器的位置的不确定性要大于作为参考使用的路由器的位置。此外，系统错误，例如，由终端设备的方位造成的接收特性所导致的系统错误，在定位时会直接传播给新路由器的位置。位置数据库的质量经过一段时间之后会因此而下降，因为，当一个路由器位置每次变化时，路由器的位置的不稳定性都会变大。

此外，新的路由器只是在多个其它路由器的附近被分配给一个位置，否则的话不能确定参考位置。因此只能在路由器密度高的区域执行数据库优化方法和例如，在城市边缘和农村则不行。

发明内容

本发明涉及一种定位方法，包括一个第一步骤，其中，由基本上位置固定的发射器的无线电信号确定一个第一位置序列，其中，通过耦合由其它的传感器数据确定一个第二位置序列。本发明的核心是，在一个第二步骤(20)中对第一位置序列(12)和第二位置序列(14)相互比较。

按照本发明的方法能够自动改进定位用数据库，无须借助一个参考系统再次测量。可以逐步地扩充位于应用领域的边缘地带的位置数据库。可以测绘建筑物内的路径。这一切都形成一种优势，对于定位系统的用户，借此可以改进定位精度，对于定位系统运营商，借此可以促成极低的运营成本，因为无须额外的运营费用，通过用户的定位仪即可改进数据库的质量。

优选，按照本发明的方法可以在一个按照本发明的计算机程序产品中实施或也可以通过一个按照本发明的定位装置执行。

附图说明

图1显示的是按照本发明的定位方法的一个示例。

图2显示的是按照本发明比较第一位置序列和第二位置序列。

图3显示的是按照本发明的定位装置的一个示例。

具体实施方式

至今的系统使用INS数据和WLAN数据用于在最低的层面改进定位准确性。本发明的主题是，使系统首先单独地确定走过的路程和随后通过比较已经确定的路径识别以无线电发射机为基础的定位系统的定位错误。在这里尤其可以识别出定位系统数据库内的系统错误和也可以在边缘区域和位置参考较少的区域添加新的位置参考。本发明的理念是，以计算航迹导航法为基础，通过用户的定位装置一般性地改善位置数据库。例如，为此在定位装置内使用MEMS传感器。下面示范性地对可能的实施进行介绍。

图1显示的是按照本发明的定位方法的一个示例。在每次数据融合的初始阶段需要确定单个系统的精度。在以无线电发射机为基础的定位系统的情况下，通常逐个地确定每个已经测量的位置的定位精度2，此外，如果是INS，可以通过比较罗盘数据和转速传感器数据或罗盘偏移-补偿的特性和步长确定的精度确定定位精度4。然后，在真正的定位过程中记录数据。例如，如图2所示记录数据。

图2显示的是按照本发明比较第一位置序列和第二位置序列。此外，该示例还显示，对两个位置序列进行补偿，以便作为结果，从中求得一个位置序列。从位置固定的无线电发射器的测量值中和借助定位系统的数据库，在一个第一步骤10确定一个第一位置序列12。利用在一个INS内执行计算航迹导航法在同一个步骤10确定一个第二位置序列14，即，一个路径。在一个第二步骤20中对这两个位置序列12和14相互比较。此外，在本例中，这两个位置序列12和14相互补偿并且作为结果从中求得一个位置序列。比较或数据融合是，例如，通过最小二乘估计法(LSE：Least-Square-Estimation)执行。在这里需要注意，当使用一个罗盘作为INS的一个传感器时，只须观察平移自由度。在这种情况下，由于是借助INS的罗盘测量绝对值，不需要转动。基于大多数时的正确的估计，即，通过INS确定的路径比通过以无线电发射机为基础的定位系统确定的位置更准确，在完成比较之后同样可以确定图2中箭头所示的定位系统的误差。通过按照各个路由器的位置区分由定位系统确定的位置，定位系统的误差可以换算成数据库的一个误差，可通过加权处理利用INS的精度对该误差进行纠正。该方法的较大优势在于，可以假定定位系统的误差和INS的误差是不相干的，借此，即使在没有或只能使用错误的信息用于借助定位系统进行定位的时候，也仍然可以优化数据库。这可以扩充位于具有位置参考的区域的边缘区域的数据库。该方法的另一个较大优势在于，可以假定，不同的人可以通过不同的终端设备(例如，定位装置)执行定位过程。因为不同终端设备的INS的误差之间是没关于联的，当通过不同终端设备执行多个过程时，这些误差相互抵消。由于在全部用于定位的参考对象之间生成一个在均值上无误差的关系，因此，实际上数据库也可以通过这种方法得以改善。唯一一个不能通过该方法纠正的误差是定位系统的全部参考对象的位置的非零平均值的偏移。但是，这种情况在实际上不具备任何相关性。

因此，与背景技术相得出一系列的优势。按照本发明的方法可以自动改善定位用数据库(位置数据库)，无须借助一个参考系统再进行测量。可以逐步地扩大位于应用领域的边缘区域的位置数据库。可以测绘建筑物内的路径。这一切都形成一种优势，对于定位系统的用户，借此可以改进定位精度，对于定位系统运营商，借此可以促成极低的运营成本，因为无须额外的运营费用，通过用户的定位仪即可改进数据库的质量。

按照本发明的定位方法涉及的关键部分有，以无线电发射机为基础的定位系统，用于记录一个运动路径的INS(耦合)，用于融合绝对位置和路径信息的算法，用于从融合的数据中优化数据库的方法。下面对这些部分进行详细的说明。

基于无线电发射机的定位系统

该定位系统是以一个数据库为基础，数据库用于把在终端设备确认的信息映射到当前的位置。这尤其涉及以无线电网络为基础的定位系统，而这些网络目前大多是数WLAN网络。但是，这些系统原则上也可以用于蓝牙或其它类型的无线电网络。原则上甚至可以考虑使用非电磁传输途径(例如，声学)。在WLAN定位方法范围内，该方法尤其可以应用于以包含路由器位置的数据库为基础的或使用“位置指纹定位”-方法的系统。

记录运动路径

如上所述，例如，可以以微机械传感器(MEMS)为基础记录一个运动路径。MEMS因其尺寸微小，结实耐用和耗能低特别适用于移动定位仪。在记录一个运动路径时，需要至少一个用于确定位置变化数值的传感器和至少一个用于确定位置变化方向的传感器。它们尤其可以是加速度传感器，罗盘和转速传感器。但是，原则上也可以以其它的传感器数据为基础记录路径信息，例如，可以使用一个车辆的速度和转向角，其中，所述车辆可以是汽车或自行车。也可以考虑把罗盘与车轮转速仪组合应用于自行车上。

位置信息和路径信息的融合

无论是位置信息还是路径信息都可以用数学方法表示为一定数量的元组

元组至少由两个坐标组成，但是也可以含有一个第三坐标和一个时间戳。

{\overset{&RightArrow;}{X}}_{i} = (x_{i}, y_{i}, z_{i}, t_{i}), i = 1 . . . N

在这里，位置信息和路径信息的元组的数量可以不同。假定，存在N个位置元组和M个路径元组。对于位置元组，如上使用指数i，对于路径元组，使用指数j。然后，可以通过按照变量Δ确定一个映射的极限值完成位置信息和路径信息的融合，

g (Δ) = \underset{i, j}{Σ} f {(X_{i}, X_{j}, Δ)}^{-}

其中，变量说明位置信息和路径信息之间的偏移。在这里，尤其是这些情况收到关注，即，f(X_i，X_j，Δ)只为在一个类似的时间点记录的X_i和X_j反馈一个不等于零的数值。对于两维元组和N＝M以及同时i＝j时，最简单的情况是：

f (X_{i}, X_{j}, Δ) = {\overset{0}{\sqrt{{(Δ_{x} + x_{i} - x_{j})}^{2} + {(Δ_{y} + y_{i} - y_{j})}^{2}}}

如果i≠j，则是另一种情形。在这里Δ_x说明路径信息和位置信息的坐标系之间在x-方向的偏移。与此类似，Δ_y是用于定义y-方向。如果在这种定义时需要确定一个最小值g(Δ)，通过选择确定的Δ，可以使位置信息和路径信息之间的几何距离达到最低值。

同样，这可以在多个维度和通过使用不同的距离定义实现。在这里，尤其是按方向不同程度地加权处理偏差，致使，例如，由于在z-方向的定位可能更不准确，对y方向的一个偏差的加权处理强于在x-方向的一个偏差。在这里也可以像对待几何方向的数值一样处理两个测量系统的测量点之间的时差。

融合步骤的结果是，对于每一个测量点，在元组的所有维度方面在两个测量系统之间都存在一个偏差。如果一个可以系统被视作是近乎毫无错误的，确定的误差E_i是位于观察点i的另一个系统的测量误差。

优化数据库

为了以确定的误差E_i为基础优化数据库，首先为每一个位置或者每一个包括一个高于阈值的E_i的位置确定，数据库中会产生哪些变化，这些变化对测量的位置会造成什么样影响。在数学上这相当于在测量位置发生变化之后在数据库P_i中区分位置。因此，可以以该值为基础修正数据库：

在这里，k是一个系数，通过该系数可以加权处理数据库的变化。这个系数与例如测量系统的精度和期望的数据库优化速度关于。

如果对于一个位置在数据库中没有任何输入项，但是可以以之前确定的位置和测量的路径为基础确定一个位置，这时，可以像在背景技术中所述，使用该位置用于计算还未知的位置参考(常常是WLAN路由器)的位置。

总的来讲，按照本发明的定位方法包含一个第一步骤10的基本特征，在该步骤中从一个基本上位置固定的发射器的无线电信号中确定一个第一位置序列12和通过耦合确定一个第二位置序列14，以及一个第二步骤20的按照本发明的基本特征，在该步骤中对第一位置序列12和第二位置序列14进行比较。

在按照本发明方法的一个结构形式中，对第一位置序列12和第二位置序列14进行补偿并且作为结果，通过这种补偿得到一个位置序列。

在按照本发明的方法的一个使用的“位置指纹”定位方法的实施示例中，第一位置序列12是从存储的关于可能已经定位的传感器的信息中，例如，从一个位置数据库中确定。在按照本发明方法的另一个使用“信号路径建模”定位方法的实施示例中，第一位置序列12是从存储的传感器的位置和/或信号强度，例如，从一个位置数据库中确定。

在按照本发明的方法的一个结构形式中，在第二步骤20之后，在一个第三步骤30从第一位置序列12中校正出至少一个位置32。借此可以改善位置数据库。在按照本发明的方法的一个结构形式中，在第二步骤20之后，在一个第三步骤30至少为源自第一位置序列12中的一个位置34存储关于已经定位的传感器或至少一个传感器的位置和/或信号强度的信息。借此可以给位置数据库补充一项新的输入和继续扩容。也可以按先后顺序多次执行按照本发明的方法。例如，在第二步骤20或第三步骤30之后重新执行第一步骤10。其中，尤其是在第一步骤10，通过添加新的位置，第一位置序列12和第二位置序列分别变成一个新的位置序列，然后，这些新的位置序列在第二步骤20接受补偿或数据融合。在该方法的一个实施示例中，在第一步骤10之前，确定第一序列12的各个位置的定位精度2和第二序列14的位置的精度4。

除了上述按照本发明的定位方法，一种用于执行所述方法的计算机程序产品也是本发明的主题。

此外，一种定位装置也是本发明的主题。图3所示的按照本发明的定位装置的一个示例。所示的是一个定位装置100，该定位装置可以安装在，例如，一台移动终端设备内。定位装置100包含一个接收器110，用于接收位置固定的发射器的无线电信号，定位部件160，用于从位置固定的发射器的无线电信号中确定接收器的一个第一位置，以及传感器120，用于通过计算航迹导航法，即，耦合，确定一个第二位置。为此，传感器120包含至少一个用于查明一个方向的传感器，例如，一个电子罗盘，一个转速传感器或一个旋转加速度传感器和至少一个用于计算里程的传感器，例如，一个步程计，一个里程表，一个速度测量仪或一个加速度传感器。也可以包含，例如，一个压力传感器用于计算竖直的里程部分。这些传感器可以是，例如，MEMS结构形式。MEMS的优点在于，结构紧凑，结实耐用和运行时耗能低。此外，定位装置100还包含一个存储器130用于存储一个第一位置序列和一个第二位置序列。按照本发明，定位装置具有一个处理装置140用于比较第一位置序列和第二位置序列。

在一个实施示例中，处理装置是以这样的方式配置，例如，按照上述的按照本发明方法的实施示例，在第二步骤20对两个位置序列执行补偿或数据融合并且尤其是作为结果，从中生成一个位置序列。在一个实施示例中，定位部件160包含一个数据库162用于存储关于可能已经定位的传感器的信息，即，一个包含“位置指纹”定位方法所需信息的数据库，在所述数据库中，全部可使用的无线电发射器，例如，WLAN-网络，的接收强度都记录在定位装置的可能的位置的一个网格内。在一个实施示例中，定位部件160包含一个数据库162用于存储“信号路径建模”定位方法所需的传感器的位置和/或信号强度。

Claims

1.定位方法，包括一个第一步骤(10)，

-其中，由基本上位置固定的发射器的无线电信号确定一个第一位置序列(12)，

-其中，通过耦合由其它的传感器数据确定一个第二位置序列(14)

其特征在于，在一个第二步骤(20)中对第一位置序列(12)和第二位置序列(14)进行相互比较。

2.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，在第二步骤(20)中对第一位置序列(12)和第二位置序列(14)进行补偿并且由所述补偿求得一个合成的位置序列。

3.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，第一位置序列(12)由存储的关于配设给可能的地点的发射器的信息确定。

4.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，第一位置序列(12)由存储的发射器的位置和/或信号强度确定。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的定位方法，其特征在于，在一个第三步骤(30)中由第一位置序列(12)校正至少一个位置(32)。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的定位方法，其特征在于，在一个第三步骤(30)中至少为第一位置序列(12)中的一个位置(34)存储关于所述的发射器或至少一个发射器(34)的位置和/或信号强度的信息。

7.根据前述权利要求中任一项所述的定位方法，其特征在于，按先后顺序多次执行该方法。

8.根据前述权利要求中任一项所述的定位方法，其特征在于，通过添加新的位置，第一位置序列和/或第二位置序列(12，14)被补充成新的第一和/或第二位置序列(12，14)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的定位方法，其特征在于，在第一步骤(10)之前，确定用于第一序列(12)的位置的各个定位的精度(2)和用于第二序列(14)的位置的精度(4)。

10.用于执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法的计算机程序产品。

11.定位装置(100)，尤其是在一个移动终端设备中，

-一个用于位置固定的发射器的无线电信号的接收器(110)，

-定位部件(160)，用于由位置固定的发射器的无线电信号确定接收器的一个第一位置，

-传感器(120)，至少用于确定一个方向和一个路程，以便通过耦合确定一个第二位置，

-一个存储器(130)，用于存储一个第一位置序列和一个第二位置序列，

其特征在于，定位装置具有一个处理装置(140)用于比较第一位置序列和第二位置序列。

12.根据权利要求11所述的定位装置，其特征在于，处理装置(140)被配置用于补偿第一位置序列和第二位置序列，以便求得一个合成的位置序列。

13.根据权利要求11或12所述的定位装置，其特征在于，定位部件(160)包含一个数据库(162)用于存储关于配设给可能的地点的发射器的信息。

14.根据权利要求11或12所述的定位装置，其特征在于，定位部件(160)包含一个数据库(162)用于存储发射器的位置和/或信号强度。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的定位装置，其特征在于，定位装置包含一个转速传感器和/或一个电子罗盘和/或一个加速度传感器和/或一个计步器和/或一个压力传感器。