CN103533649A - 一种室内外无缝定位系统 - Google Patents

Abstract

一种室内外无缝定位系统，包括感知层L1、算法层L2、硬件层L3、数据层L4和应用层L5；感知层L1由用户需求模块L11、场景模块L12和状态模块L13组成；用户需求模块L11，场景模块L12和状态模块L13是并列的；算法层L2由算法选择软件组成，基于感知层L1发送的信令集S1的信息，实现算法选择；硬件层L3由硬件开关管理软件组成，基于算法层L2的算法选择结果，完成GNSS和WIFI的硬件开关状态切换；数据层L4由WIFI数据分析、定位软件和GNSS数据分析、定位软件和MEMS定位软件组成；应用层L5由客户端软件组成，是为用户提供基于位置的服务。本发明特点在于无缝定位系统可根据场景进行自适应地软硬件切换，使得大部分时间GNSS和WiFi设备只有一个处于运行状态，节省了终端电量。

Description

一种室内外无缝定位系统

技术领域

本发明提供一种室内外无缝定位系统，具体说是一种基于无线传输技术（WIFI）和全球卫星导航系统（GNSS）定位技术的室内外无缝定位系统，包括软硬件架构设计及信令流程。该设计能够随使定位技术随环境变化自适应地进行切换的同时，相应的WIFI和GNSS硬件开关状态也随着进行切换，属于无线传输和导航技术领域。

背景技术

随着人类社会发展，人们对自身位置信息的需求越来越大，由此发展了诸多的导航定位系统。全球卫星导航系统（GNSS）为人们提供了高精度、全天候的定位服务，但是由于其测量信号不能穿透建筑物的特点，在高密集建筑群区和室内无法有效进行GNSS定位服务。为了满足人们对任意时间，任意位置的定位需求，无缝定位技术已经成为国内外专家和学者研究发展的对象。所谓无缝定位技术就是指在人类活动的地上，地下空间和外层空间范围内，能够联合采用不同定位技术以达到对各种定位应用的无缝覆盖，同时保证各种场景下定位技术、定位算法、定位精度和覆盖范围的平滑过渡和无缝连接。

为了解决高密集建筑群区和室内定位难题，国内外专家提出了一系列技术方案，例如：基于移动通信网络的辅助GNSS（A‐GNSS）、伪卫星技术、射频标签（RFID）等。尽管各种技术的精度和易用性各有差别，但是大多数技术需要布设额外设备和改装大量已有设备，以其为解决实现的无缝定位系统将耗资巨大，可用性弱。从技术成熟和大规模应用的角度考虑，室外靠GNSS定位、高密集建筑群区和室内以WIFI定位为主的方案已成为当前主流的、也是未来最具发展潜力的无缝定位技术。

无缝定位技术的软硬件集成是无缝定位技术的关键技术之一。

目前的大部分无缝系统中WIFI和GNSS一直处于工作状态，通过两个系统分别在室内和室外定位来提供定位结果。而本发明通过对WIFI定位技术和GNSS技术特点的研究，提出一种分层的系统架构，通过随着室内外环境的改变，实现定位技术和硬件的同时切换，并设计了各层之间的通信信令。例如当用户从室内移动到室外时，切换为GNSS定位技术，同时WIFI设备关闭，GNSS设备打开。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种室内外无缝定位系统，包括软硬件架构的分层结构设计和各层之间的通信信令设计。

本发明的技术方案是：

基于室内环境使用WIFI定位技术和室外环境使用GNSS定位技术的无缝定位架构，本发明提出了一种室内外无缝定位系统。该系统设计利用分层理念，将整个架构分为5层结构，各层在软硬件结构上相互独立，通过信令实现交互，每层的软硬件结构利用下层结构发送的信令完成该层相应的功能，并将其结果以规定的信令格式发送给上层结构。为了使整个无缝定位系统工作于自主模式，在相应的分层之间设计了反馈信令。从用户需求或者环境变化监测获得切换指示后，通过各层之间的信令交换完成定位技术及相应硬件开关切换。即当用户从室内向室外移动，或者从室外向室内移动时，定位技术进行切换，同时相应的硬件装置开关状态进行转换。

本发明一种室内外无缝定位系统，主要包括以下5个部分：感知层L1，算法层L2，硬件层L3，数据层L4，应用层L5。下面详细说明各层的结构和功能：

感知层L1主要由三个模块组成，用户需求模块L11，场景模块L12和状态模块L13。它们之间的相互关系是：用户需求模块L11，场景模块L12和状态模块L13是并列的。

用户需求模块L11由终端输入软件构成，获取用户输入的特定要求，包括精度要求和延迟要求，并形成相应的精度信令即精度标识（Accuracy_flag）和时延信令即时延标识（Timedelay_flag）。场景模块L12由光传感器和基站信号接收器等设备组成，通过光通量强度变化、基站信号强度变化检测等等方法实现室内、室外、边缘区域的场景变换判断，得到场景指示即场景标识（Scenario_flag）和切换指示信令即切换指示标识（Handover_flag）。状态模块L13由加速计，电子罗盘等传感器组成，获得移动终端的运动状态来确定定位结果更新时间。

其中，所述的“终端输入软件”，是指用户将定位精度，时延的要求输入定位系统用于选择合适的定位算法。

算法层L2由算法选择软件组成，主要基于感知层L1发送的信令集S1的信息，实现算法选择。

其中，所述的“算法选择软件”由以下几个模块组成：

（1）若Scenario_flag=1，选择WIFI定位算法，若Scenario_flag=2，选择GNSS定位算法，若Scenario_flag=3，选择待切换区MEMS定位算法；（2）基于感知层L1的切换指示标识Handover_flag完成算法切换；（3）基于数据层L4的反馈信令S4实现算法更换。例如：GNSS数据中卫星数据过少，或者GDOP不符合要求，可以反馈至算法层L2更换定位算法。

其中，所述的“WIFI定位算法”，通过首先给带定位的区域建立离线数据库，存储一系列参考点位置的信号强度和接入点集合，将实际接收到的参考信号强度向量与离线数据库中所有参考点位置的信号强度矢量进行匹配，欧氏距离最小的参考点就认为是定位结果。

其中，所述的“GNSS”定位算法“，是通过解算接收到的GNSS数据中的卫星坐标，星历，时钟偏差等各种信息，建立方程求解。

其中，所述的“建立方程求解”，其求解的方法如下：设时刻t_i在测站点P用GPS接收机同时测得P点至四颗GPS卫星S1、S2、S3、S4的距离ρ₁、ρ₂、ρ₃、ρ₄，通过GPS电文解译出四颗GPS卫星的三维坐标(X^j,Y^j,Z^j),j=1,2,3,4，用距离交会的方法求解P点的三维坐标(X,Y,Z)的观测方程为：

${\mathrm{\ρ}}_1^2={(X-X^1)}^2+{(Y-Y^1)}^2+{(Z-Z^1)}^2+\mathrm{c\δt}$

${\mathrm{\ρ}}_2^2={(X-X^2)}^2+{(Y-Y^2)}^2+{(Z-Z^2)}^2+\mathrm{c\δt}$

${\mathrm{\ρ}}_3^2={(X-X^3)}^2+{(Y-Y^3)}^2+{(Z-Z^3)}^2+\mathrm{c\δt}$

${\mathrm{\ρ}}_4^2={(X-X^4)}^2+{(Y-Y^4)}^2+{(Z-Z^4)}^2+\mathrm{c\δt}$

式中的c为光速，δt为接收机钟差。

其中，所述的“MEMS定位算法”，是指基于移动终端中的加速计和电子罗盘，随着终端的移动，测量移动方向和移动距离，不断累加，得到定位结果。

硬件层L3由硬件开关管理软件组成，基于算法层L2的算法选择结果，完成GNSS和WIFI的硬件开关状态切换。

其中，所述的“开关管理软件”，流程如下：若GNSS_flag=1，则硬件层L3将GNSS置于开启状态，GNSS硬件装置开始接收GNSS卫星信号。若WIFI_flag=1，则硬件层L3将WIFI置于开启状态，WIFI硬件装置开始接受WIFI信号。

数据层L4由WIFI数据分析软件、WIFI数据定位软件和GNSS数据分析软件、GNSS数据定位软件，MEMS定位软件组成，简称“由WIFI数据分析、定位软件和GNSS数据分析、定位软件，MEMS定位软件组成”，根据硬件层L3测量的信号获取定位所需数据进行定位结果计算，通过对所获数据和所得结果进行分析判断算法层L2的算法是否可定位并产生反馈信令集S4。由于WIFI定位算法是一种通过测量数据与数据库数据匹配实现定位，所以信令集S5是为了实现WIFI匹配定位而设计的非分层之间通信的信令集。

其中，所述的“WIFI数据分析软件”，是通过首先给带定位的区域建立离线数据库，存储一系列参考点位置的信号强度和接入点集合，将实际接收到的接入点集合与离线数据库中的集合进行匹配比较，若都属于该数据库，则认为接收到的WIFI数据有效，并采用WIFI数据定位软件进行定位；否则认为WIFI无效，采用MEMS定位软件进行定位。

其中，所述的“WIFI数据定位软件”，通过将实际接收到的参考信号强度向量与离线数据库中所有参考点位置的信号强度矢量进行匹配，欧氏距离最小的参考点就认为是定位结果。

其中，所述的“GNSS数据分析软件”，是通过检测获得GNSS数据中卫星数量，若大于或等于4，则认为GNNS数据有效，并采用GNSS数据定位软件进行定位；否则认为GNSS数据无效，并采用MEMS定位软件进行定位。

其中，所述的“GNSS”数据定位软件“，是通过解算接收到的GNSS数据中的卫星坐标，星历，时钟偏差等各种信息，建立伪距方程求解。

其中，所述的“MEMS定位软件”，是指基于移动终端中的加速计和电子罗盘，随着终端的移动，测量移动方向和移动速度，转化成相应时间内的位移，最后将位移不断累加，得到定位结果。

应用层L5由客户端软件组成，主要是为用户提供基于位置的服务（LBS）。例如：结合地图数据库进行位置可视化显示。

其中，所述的“客户端软件”，是指基于位置服务的各种应用程序，例如，地图显示，位置查询等等。

系统各层之间的关系如下：

感知层L1产生信令集S1与算法层L2进行通信，定义S1如下：

本发明的优点在于：

一、通过自适应地进行各层之间的信令交互，完成室内外定位技术与硬件开关状态同时切换，有效地节约了终端电量。

二、各层之间在软硬件结构上互相独立，具有较强的灵活性；

三、各层之间在软硬件结构上可分割，利于物理实现和维护；

四、各层之间通过信令实现通信，利于标准化。

附图说明

图1本发明基于室内外环境检测实现WIFI和GNSS分别定位的示意图。

图2本发明所述的基于GNSS和WIFI的室内外无缝定位系统的软硬件架构的分层结构示意图。

图3本发明各分层之间的信令流图

图4本发明所涉及的软件流程图

图中符号、代号说明如下：

GNSS Golabl Navigation Satellite System全球卫星导航系统

WIFI Wireless Fidelity无线传输技术

MEMS Micro Electro Mechanic System微机电系统

具体实施方式

参见图1，为基于室内外环境检测实现WIFI和GNSS结合定位的示意图，首先通过室内外环境变化检测，如果是室内，则关闭GNSS，打开WIFI装置；如果是在室外，则打开GNSS，关闭WIFI装置。通过WIFI定位技术，MEMS辅助定位技术，GNSS定位技术来实现无缝定位结果输出。

参见图2、图3，本发明主要包括5个分层：感知层L1，算法层L2，硬件层L3，数据层L4，应用层L5。以用户从室内移动到室外为例说明本设计的无缝定位系统工作过程。

首先，由感知层L1中包括的三个模块，用户需求模块L11，场景模块L12和状态模块L13触发定位技术切换。用户需求模块L11根据交互模块的信息判断用户需求，包括精度要求和延迟要求，并形成相应的信令Accuracy_flag，Timedelay_flag。场景模块通过光传感器、基站信号强度检测等等方法实现室内、室外、边缘区域的场景判断，得到场景判断指示信令Scenario_flag以及切换指示信令Handover_flag。状态模块实现用户静止、上升下降运动、直线运动状态的判断，得到状态指示信令State_flag。感知层L1产生信令集S1如下

算法层L2主要基于感知层L1发送的信令集S1的信息，实现算法选择。根据Scenario_flag=2，选择GNSS定位算法，并产生信令集S2要求打开GNSS设备，定义S2如下：

硬件层L3基于算法层L2的算法选择结果，完成GNSS和WIFI的硬件结构开关切换。根据GNSS_flag=1，则硬件层L3将GNSS设备处于开启状态，开始接收GNSS卫星信号。硬件层产生信令集S3，定义S3如下：

数据层L4根据硬件层L3测量的信号获取定位所需数据进行定位结果计算，通过对所获数据和所得结果判断WIFI数据无法定位，而GNSS数据可以用于定位。数据层L4产生信令集S4，S5，S6。S4，S5，S6定位如下：

由于WIFI定位是一种通过测量数据与数据库数据匹配实现定位，所以信令集S5是为了实现WiFi匹配定位而设计的非分层之间通信的信令集。

应用层L5主要是为用户提供基于位置的服务（LBS）。例如：结合地图数据库进行位置可视化显示。

参见图4，为系统所涉及的软件流程图：

1.当系统开始运行后，首先由终端输入程序输入定位精度和定位延时要求，同时场景信息和状态信息也作为输入。

2.判断是否触发切换，如果触发切换，则执行步骤3进行算法选择，否则，基于执行步骤5。

3.算法选择程序根据输入信息进行算法选择

4.硬件开关选择程序基于选择使用的算法来确定打开或者关闭WIFI、GNSS模块。

5.如果WIFI模块打开，GNSS模块关闭，则向下运行,执行WIFI数据分析软件，否则向右执行，执行GNSS数据分析软件。

6.如果WIFI数据分析软件的结果认为WIFI数据有效，则向下运行WIFI数据定位软件，否则，采用MEMS定位软件。

7.如果GNSS数据分析软件的结果认为GNSS数据有效，则向下运行GNSS数据定位软件，否则，采用MEMS定位软件。

8.将定位结果输出给客户端软件。

9.判断运行时间是否完成，如果没有完成，则返回步骤1，否则，运行结束。

综上所述，本发明所提供的该系统，是基于WiFi和GNSS定位技术的室内外无缝定位系统，利用分层理念将整个软硬件架构分为5层，即感知层、算法层、硬件层、数据层和应用层，各层在软硬件结构上相互独立，通过信令实现交流，每层的软硬件结构利用下层结构发送的信令完成该层相应的功能，并将结果以规定的信令格式发送给上一层结构。该架构的特点在于无缝定位系统可以根据场景进行自适应地软硬件切换，包括算法和GNSS、WIFI设备的开关，使得大部分时间GNSS和WiFi设备只有一个处于运行状态，节省了终端电量。

Claims (7)

1.一种室内外无缝定位系统，其特征在于：它包括以下5个部分：感知层L1，算法层L2，硬件层L3，数据层L4，应用层L5；

感知层L1由三个模块组成，用户需求模块L11，场景模块L12和状态模块L13；它们之间的相互关系是：用户需求模块L11，场景模块L12和状态模块L13是并列的；

用户需求模块L11由终端输入软件构成，获取用户输入的特定要求，包括精度要求和延迟要求，并形成相应的精度标识即Accuracy_flag和时延标识即Timedelay_flag；场景模块L12由光传感器和基站信号接收器组成，通过光通量强度变化、基站信号强度变化检测实现室内、室外、边缘区域的场景变换判断，得到场景标识即Scenario_flag和切换指示标识即Handover_flag；状态模块L13由加速计传感器和电子罗盘传感器组成，获得移动终端的运动状态来确定定位结果更新时间；

算法层L2由算法选择软件组成，基于感知层L1发送的信令集S1的信息，实现算法选择；

硬件层L3由硬件开关管理软件组成，基于算法层L2的算法选择结果，完成GNSS和WIFI的硬件开关状态切换；

数据层L4由WIFI数据分析、定位软件和GNSS数据分析、定位软件和MEMS定位软件组成，根据硬件层L3测量的信号获取定位所需数据进行定位结果计算，通过对所获数据和所得结果进行分析判断算法层L2的算法是否可定位并产生反馈信令集S4；由于WIFI定位算法是一种通过测量数据与数据库数据匹配实现定位，所以信令集S5是为了实现WIFI匹配定位而设计的非分层之间通信的信令集；

应用层L5由客户端软件组成，是为用户提供基于位置的服务；

系统各层之间的关系如下：

感知层L1产生信令集S1与算法层L2进行通信，定义S1如下：

2.根据权利要求1所述的一种室内外无缝定位系统，其特征在于：

所述的感知层L1中的用户需求模块L11由终端输入软件构成，该终端输入软件是指用户将定位精度，时延的要求输入定位系统用于选择预定的定位算法。

3.根据权利要求1所述的一种室内外无缝定位系统，其特征在于：

所述的算法层L2由算法选择软件组成，该“算法选择软件”由以下几个模块组成：

（1）若Scenario_flag=1，选择WIFI定位算法，若Scenario_flag=2，选择GNSS定位算法，若Scenario_flag=3，选择待切换区MEMS定位算法；

（2）基于感知层L1的切换指示信令Handover_flag完成算法切换；

（3）基于数据层L4的反馈信令S4实现算法更换。

4.根据权利要求3所述的一种室内外无缝定位系统，其特征在于：

所述的“WIFI定位算法”，通过首先给带定位的区域建立离线数据库，存储一系列参考点位置的信号强度和接入点集合，将实际接收到的参考信号强度向量与离线数据库中所有参考点位置的信号强度矢量进行匹配，欧氏距离最小的参考点就认为是定位结果；

所述的“GNSS”定位算法“，是通过解算接收到的GNSS数据中的卫星坐标，星历，时钟偏差等各种信息，建立方程求解；该“建立方程求解”，其求解的方法如下：设时刻ti在测站点P用GPS接收机同时测得P点至四颗GPS卫星S1、S2、S3、S4的距离ρ₁、ρ₂、ρ₃、ρ₄，通过GPS电文解译出四颗GPS卫星的三维坐标(X^j,Y^j,Z^j),j=1,2,3,4，用距离交会的方法求解P点的三维坐标(X,Y,Z)的观测方程为：

${\mathrm{\ρ}}_1^2={(X-X^1)}^2+{(Y-Y^1)}^2+{(Z-Z^1)}^2+\mathrm{c\δt}$

${\mathrm{\ρ}}_2^2={(X-X^2)}^2+{(Y-Y^2)}^2+{(Z-Z^2)}^2+\mathrm{c\δt}$

${\mathrm{\ρ}}_3^2={(X-X^3)}^2+{(Y-Y^3)}^2+{(Z-Z^3)}^2+\mathrm{c\δt}$

${\mathrm{\ρ}}_4^2={(X-X^4)}^2+{(Y-Y^4)}^2+{(Z-Z^4)}^2+\mathrm{c\δt}$

式中的c为光速，δt为接收机钟差；

所述的“MEMS定位算法”，是指基于移动终端中的加速计和电子罗盘，随着终端的移动，测量移动方向和移动距离，不断累加，得到定位结果。

5.根据权利要求1所述的一种室内外无缝定位系统，其特征在于：

所述的硬件层L3由硬件开关管理软件组成，该“开关管理软件”，流程如下：若GNSS_flag=1，则硬件层L3将GNSS置于开启状态，GNSS硬件装置开始接收GNSS卫星信号；若WIFI_flag=1，则硬件层L3将WIFI置于开启状态，WIFI硬件装置开始接受WIFI信号。

6.根据权利要求1所述的一种室内外无缝定位系统，其特征在于：

所述的数据层L4是由WIFI数据分析、定位软件和GNSS数据分析、定位软件和MEMS定位软件组成；该“WIFI数据分析软件”，是通过首先给带定位的区域建立离线数据库，存储一系列参考点位置的信号强度和接入点集合，将实际接收到的接入点集合与离线数据库中的集合进行匹配比较，若都属于该数据库，则认为接收到的WIFI数据有效，并采用WIFI数据定位软件进行定位；否则认为WIFI无效，采用MEMS定位软件进行定位；

该“WIFI数据定位软件”，通过将实际接收到的参考信号强度向量与离线数据库中所有参考点位置的信号强度矢量进行匹配，欧氏距离最小的参考点就认为是定位结果；

该“GNSS数据分析软件”，是通过检测获得GNSS数据中卫星数量，若大于或等于4，则认为GNNS数据有效，并采用GNSS数据定位软件进行定位；否则认为GNSS数据无效，并采用MEMS定位软件进行定位；

该“GNSS”数据定位软件“，是通过解算接收到的GNSS数据中的卫星坐标，星历，时钟偏差等各种信息，建立伪距方程求解；

该“MEMS定位软件”，是指基于移动终端中的加速计和电子罗盘，随着终端的移动，测量移动方向和移动速度，转化成相应时间内的位移，最后将位移不断累加，得到定位结果。

7.根据权利要求1所述的一种室内外无缝定位系统，其特征在于：

所述的应用层L5由客户端软件组成，该“客户端软件”，是指基于位置服务的各种应用程序。

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