CN103728645A - 一种室内外定位系统及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内外定位系统及其定位方法，系统包括便携设备、接收定位设备和终端服务器；方法包括步骤：S1、设置于建筑物内标识物上的便携设备发射射频信号；S2、设置于建筑物外的接收定位设备接收射频信号，根据射频信号计算便携设备位于当前建筑物的室内地图上的坐标；S3、终端服务器调用当前建筑物的室内地图、以及GPS或北斗卫星所测得的当前建筑物的室外地图，根据当前建筑物的室内地图和室外地图的比例关系，将室内地图上的坐标转换为室外地图上的坐标。本发明的系统和方法通过采用频率较低的射频技术能够很好地克服金属以及障碍物的阻挡，并且定位精度高，能够快速部署，可适应各种恶劣环境。

Description

一种室内外定位系统及其定位方法

技术领域

本发明涉及无线定位技术，更具体地说，涉及一种室内外定位系统及其定位方法。

背景技术

基于位置的服务（LBS：Location Based Service）是电子信息产业的一个拥有广泛应用与巨大市场价值的领域，目前的室内或者室外定位系统包含以下几种：

1、GPS定位

全球定位系统(GPS)是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆炸监测和应急通讯等一些军事目的，其主要由二十四颗专用GPS卫星和地面辅助设备组成，民用GPS定位精度大概为十米左右。

其缺点在于：全球定位系统精度不高，并且只能对室外进行定位，无法覆盖室内以及隐蔽的室外空间。在应用导航等服务的同时，使用者自己也被追踪，隐私不能得到保护。

2、北斗定位

北斗定位系统与GPS定位类似，是由我国自主研发的一种利用地球同步卫星为用户提供全天候，区域性的卫星定位系统。由于目前卫星不多，定位精度只能到二十五米。

其缺点和GPS系统一样，只能进行室外定位，用户隐私无法得到保证的同时存在定位精度不高的问题。

3、手机移动定位

手机移动定位是利用GSM或者CDMA等无线移动网的蜂窝技术来实现位置信息的查询，GSM或CDMA无线移动网络是由许多像蜂窝一样的小区构成，每个小区都有自己单独的编号，通过手机所在小区的识别号，就可以知道手机用户所在的位置。

其缺点在于：对室内定位精度不够，且无法保护用户隐私。

4、基于RSSI三点定位

RSSI定位技术是通过接收射频信号（常用的为433MHz,900MHz以及2.4GHz），根据信号强度与传输距离的关系来确定距离，并利用三点确定一个具体坐标的方式来实现定位的技术。

其缺点在于：由于该技术所用的频率与日常生活所用的手机，无线路由，蓝牙，WIFI等接近或冲突，很容易受到各种信号的干扰，造成定位精度不够的问题，通常只有十米。同时由于射频信号穿透金属与障碍物的能力有限，室内距离有限。

5、基于TOA，AOA定位

TOA,AOA技术是一种在蜂窝网络中利用电波到达时间(TOA)对移动台(MS)进行定位估计时,也可利用服务基站(BS)提供较准确电波到达角(AOA)信息,以提高定位性能的技术。其定位精度尚可，可以达到几米。

其缺点在于：室内环境中易受到各种干扰，同时不抗金属环境，穿透性不好。

6、基于UWB的实时定位

UWB技术是Ultra Wide Band的简写，即超宽带无线技术。UWB是一种无载波通信技术，它利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲来传输数据。以UWB作为信号发射端，再利用TOA和AOA技术，可以实现室内定位。

其缺点在于：由于UWB所使用的频率高达5GHz以上，其在自由空间的衰减非常快，传输距离有限，同时抗金属性能较差。

7、射频定位技术

射频定位技术采用频率为800K~1.5MHz的低频射频信号，利用其波长超长可轻易绕过金属和障碍物的特点，以及近场振幅相位与距离的相互关系，来进行室内外定位的技术。

其与上述各种定位技术相比，解决了无法在室内定位，暴露自身隐私，定位精度不够，抗金属和抗干扰能力不好，穿透性弱等各种缺陷。同时该技术具有成本低，可快速部署等优点。

需要提供一种定位系统和定位方法，能够实现室内及室外的统一定位，并且具有较高的定位精度。

发明内容

本发明针对现有的定位系统和定位方法，无法实现室内及室外的统一定位，并且定位精度不高的缺陷，提供一种能实现室内及室外统一定位且定位精度高的室内外定位系统及其定位方法。

本发明解决其技术问题提供的技术方案是：

提供一种室内外定位系统，包括：

便携设备，其设置于建筑物内固定或移动的标识物上，用于发射射频信号；

接收定位设备，包括数据库，所述数据库包括当前建筑物的室内地图；所述接收定位设备设置于建筑物外，用于接收所述便携设备发射的射频信号，根据所述射频信号计算所述便携设备位于当前建筑物的室内地图上的坐标，并发送计算出的坐标；

终端服务器，用于接收所述接收定位设备发送的坐标，调用当前建筑物的室内地图、以及GPS或北斗卫星所测得的当前建筑物的室外地图，根据所述室内地图和所述室外地图的比例关系，将接收到的室内地图上的坐标转换为室外地图上的坐标。

本发明的室内外定位系统，所述便携设备包括第一天线组，所述第一天线组包括一个用于发射电场信号的天线和一个用于发射磁场信号的天线；

所述接收定位设备还包括用于接收所述第一天线组发射的射频信号的第二天线组，所述第二天线组包括一个水平极化的天线、一个垂直极化的天线和一个径向极化的天线。

本发明的室内外定位系统，所述接收定位设备分析接收到的射频信号的振幅和/或相位差，根据无线电波在自由空间传播的距离随振幅变化的关系和/或距离随相位差变化的关系，计算其与所述便携设备之间的距离，并通过三点定位原理得到所述便携设备位于当前建筑物的室内地图上的坐标。

优选地，所述系统还包括：

显示装置，其与所述终端服务器连接，用于显示所述便携设备在当前建筑物的室外地图上的坐标，或者显示所述便携设备在当前建筑物的室内地图上的坐标、在当前建筑物室内的运动轨迹以及在室外地图上的坐标。

优选地，所述便携设备在当前建筑物的室内地图和室外地图上的坐标为三维坐标。

优选地，所述便携设备在当前建筑物的室内地图和室外地图上的坐标为包含三维变量、定位时间变量和绝对海拔高度变量的五维坐标。

优选地，所述系统包括多个所述便携设备，每个所述便携设备发射具有固定频率的射频信号，且各个所述便携设备发射的射频信号的固定频率不相同。

提供一种室内外定位方法，包括以下步骤：

S1、设置于建筑物内固定或移动的标识物上的便携设备发射射频信号；

S2、设置于建筑物外的接收定位设备接收所述射频信号，根据所述射频信号计算所述便携设备位于当前建筑物的室内地图上的坐标，并将计算出的坐标发送到终端服务器；

S3、终端服务器调用当前建筑物的室内地图、以及GPS或北斗卫星所测得的当前建筑物的室外地图，根据当前建筑物的室内地图和室外地图的比例关系，将接收到的室内地图上的坐标转换为室外地图上的坐标。

本发明的室内外定位方法，所述步骤S2包括步骤：

S21、设置于建筑物外的接收定位设备通过第二天线组接收所述射频信号；

S22、所述接收定位设备分析接收到的射频信号的振幅和/或相位差，根据距离随振幅变化的关系和/或距离随相位差变化的关系，计算其与所述便携设备之间的距离；

S23、所述接收定位设备基于三点定位原理，根据其与所述便携设备之间的距离、其与当前建筑的距离，以当前建筑为基准，计算所述便携设备位于当前建筑物的室内地图上的坐标。

优选地，所述方法还包括步骤：

S4、显示装置显示所述便携设备在当前建筑物的室外地图上的坐标，或者显示所述便携设备在当前建筑物的室内地图上的坐标、在当前建筑物室内的运动轨迹以及在室外地图上的坐标。

本发明的室内外定位系统和方法具有以下有益效果：基于射频实时定位技术与GPS/北斗室外定位相结合，实现了室内外的统一定位，与传统定位技术相比，通过采用射频技术能够很好地服金属以及障碍物的阻挡，并且具有高精度，能够快速部署，可适应各种恶劣环境；并且，只涉及建筑物的地理坐标和室内地图，其定位过程只和位置信息相关联而不会和用户信息关联，不会主动泄露接受定位设备与用户的信息，很好的保护了用户的隐私。

附图说明

图1为本发明的室内外定位系统第一实施例的系统框图；

图2为第二天线组接收的12个近场射频参数示意图；

图3为本发明的室内外定位系统第二实施例的系统框图；

图4为本发明的室内外定位方法第一实施例的流程图；

图5为接收定位设备计算便携设备位于当前建筑物的室内地图上的坐标的流程图；

图6为本发明的室内外定位方法第二实施例的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的解释说明。

图1为本发明的室内外定位系统第一实施例的系统框图，如图1所示，在本实施例中，本发明的室内外定位系统100包括：便携设备110、接收定位设备120和终端服务器130。

便携设备110设置于当前建筑物内固定或者移动的标识物（例如建筑物内的桌子、柜子、人等）上，用于发射射频信号。在本实施例中，便携设备110是有源的，发射的射频信号为800KHz～1.5MHz的射频信号。

接收定位设备120包括数据库，数据库中包括当前建筑物的室内地图信息。接收定位设备120设置于建筑物外任意位置（在其与便携设备110的最大通信距离内，例如室内可以达到15～30米，室外可达到50～70米），用于接收便携设备110发射的射频信号，根据接收到的射频信号计算便携设备110位于当前建筑物的室内地图上的坐标，并发送计算出的坐标。接收定位设备120能够对数据库中存储的地图信息进行修改、删除、增加和更新。

终端服务器130，用于接收接收定位设备120发送的坐标，调用当前建筑物的室内地图、以及GPS或北斗卫星所测得的当前建筑物的室外地图，以获知室内地图和室外地图的缩放比例，再根据室内地图和室外地图的缩放比例之间的关系（比例关系），将接收到的室内地图上的坐标转换为室外地图上的坐标。

在本实施例中，便携设备110包括第一天线组，所述第一天线组包括一个用于发射电场信号的天线和一个用于发射磁场信号的天线。接收定位设备120还包括用于接收所述第一天线组发射的射频信号的第二天线组，所述第二天线组包括两个正交的磁场天线（H-field antenna）和一个电场天线（Electric fieldantenna），两个磁场天线分别是水平极化和垂直极化，电场天线为径向极化。

接收定位设备120可以分析接收到的射频信号的振幅和/或相位差，根据距离随振幅变化的关系和/或距离随相位差变化的关系，计算其与便携设备110之间的距离，进而得到便携设备110位于当前建筑物的室内地图上的坐标。当接收定位设备120部署完毕后，其与当前建筑物的位置关系是确定的，由于接收定位设备120的第二天线组包括三根天线，接收定位设备120以当前建筑物为基准点，通过三点定位原理得到便携设备110距离接收定位设备120的精确位置，再按照当前建筑物室内地图的缩放比例，得到便携设备110位于当前建筑物的室内地图上的准确坐标。第二天线组中的每一根天线在近场范围内有电场变量和磁场变量，每个电场变量和磁场变量又有振幅和相位的变化，当接收定位设备120通过分析射频信号的振幅和相位差来最终确定便携设备110位于当前建筑物的室内地图上的准确坐标时，一共有12个近场射频参数（如图2所示）相互修正，调准，使得计算出的坐标精确度非常高。

在本实施例中，便携设备110在当前建筑物的室内地图和室外地图上的坐标为三维坐标。接收定位设备120还可以将其计算出的准确坐标换算成精度的经纬度信息以及绝对海拔信息。上述换算过程也可以在终端服务器130中进行，此时，终端服务器130将便携设备110在当前建筑物的室内地图和室外地图上的坐标为三维坐标均换算为精度的经纬度信息以及绝对海拔信息。在其他实施例中，便携设备110在当前建筑物的室内地图和室外地图上的坐标为包含三维变量、定位时间变量和绝对海拔高度变量的五维坐标。

本发明的室内外定位系统100可以包括若干个便携设备110，每个便携设备110发射具有固定频率的射频信号，且各个便携设备110发射的射频信号的固定频率不相同，以便于接收定位设备120进行区分定位。本发明的室内外定位系统100可以包括若干个接收定位设备120，在部署多个接收定位设备120时可以优先考虑部署在建筑物每个面的中心位置和/或四个对角线处（对于四方的建筑物来说，以上仅为示例，不用于限制本发明）。由于可以部署多个接收定位设备120，因此，可以实现的定位的距离为最远通信距离的叠加。

图3为本发明的室内外定位系统第二实施例的系统框图，如图3所示，在本实施例中，系统100还包括显示装置140，显示装置140与终端服务器130连接，用于显示便携设备110在当前建筑物的室外地图上的坐标，或者显示所述便携设备110在当前建筑物的室内地图上的坐标、在当前建筑物室内的运动轨迹以及在室外地图上的坐标。现实装置140可以是任何具有显示功能的终端，例如电脑、手机等。在本实施例中，其余情况与本发明的系统100第一实施例相同，在此不再赘述。

图4为本发明的室内外定位方法第一实施例的流程图，如图4所示，本发明的室内外定位方法包括以下步骤：

S1、设置于建筑物内固定或移动的标识物上的便携设备110发射射频信号；

S2、设置于建筑物外的接收定位设备120接收所述射频信号，根据所述射频信号计算便携设备110位于当前建筑物的室内地图上的坐标，并将计算出的坐标发送到终端服务器130；

S3、终端服务器130调用当前建筑物的室内地图、以及GPS或北斗卫星所测得的当前建筑物的室外地图，根据当前建筑物的室内地图和室外地图的比例关系，将接收到的室内地图上的坐标转换为室外地图上的坐标。

图5为接收定位设备120计算便携设备110位于当前建筑物的室内地图上的坐标的流程图，如图5所示，在本实施例中，步骤S2包括步骤：

S21、设置于建筑物外的接收定位设备120通过第二天线组接收所述射频信号；

S22、接收定位设备120分析接收到的射频信号的振幅和/或相位差，根据距离随振幅变化的关系和/或距离随相位差变化的关系，计算其与所述便携设备110之间的距离；

S23、接收定位设备120基于三点定位原理，根据其与便携设备110之间的距离、其与当前建筑的距离，以当前建筑为基准，计算便携设备110位于当前建筑物的室内地图上的坐标。

在本实施例中，接收定位设备120计算出的便携设备110位于当前建筑物的室内地图上的坐标可以为三维坐标，也可为还包含定位时间和绝对海拔高度的五维坐标。一便携设备110所发射的射频信号的频率为固定频率，可以包含若干个便携设备110，各便携设备110所发射的射频信号的频率互不相同。接收定位设备120可以同时接收定位多个便携设备110，若同一时间很多个携带便携设备110的标识物进入室内，可以通过不同便携设备110所发射的频率不同从而进行准确的区分和定位。在本发明中，可以包含若干个接收定位设备120，将多个接收定位设备120均匀围绕部署于建筑物室外，可以减少与便携设备110的通信死角带来的定位不准问题。

本发明基于射频实时定位技术与GPS/北斗室外定位相结合的统一室内外定位系统及其定位方法与传统定位技术相比，其优点在于本发明采用较低频率的射频技术，可以很好的克服金属以及障碍物的阻挡；本发明的定位方法具有高精度，快速部署，可适应各种恶劣环境的特点；本发明的定位方法，只涉及建筑物的地理坐标和室内地图，其定位过程只和位置信息相关联而不会和用户信息关联，不会主动泄露接受定位设备与用户的信息，很好的保护了用户的隐私。

图6为本发明的室内外定位方法第二实施例的流程图，如图6所示，本发明的室内外定位方法还包括步骤：

S4、显示装置140显示便携设备110在当前建筑物的室外地图上的坐标，或者显示便携设备110在当前建筑物的室内地图上的坐标、在当前建筑物室内的运动轨迹以及在室外地图上的坐标。例如，随着标识物（例如人）在建筑物室内不断移动时，在显示装置140上可以显示其运动轨迹。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种室内外定位系统，其特征在于，包括：

便携设备（110），其设置于建筑物内固定或移动的标识物上，用于发射射频信号；

接收定位设备（120），包括数据库，所述数据库包括当前建筑物的室内地图；所述接收定位设备（120）设置于建筑物外，用于接收所述便携设备（110）发射的射频信号，根据所述射频信号计算所述便携设备（110）位于当前建筑物的室内地图上的坐标，并发送计算出的坐标；

终端服务器（130），用于接收所述接收定位设备（120）发送的坐标，调用当前建筑物的室内地图、以及GPS或北斗卫星所测得的当前建筑物的室外地图，根据所述室内地图和所述室外地图的比例关系，将接收到的室内地图上的坐标转换为室外地图上的坐标。

2.根据权利要求1所述的室内外定位系统，其特征在于，所述便携设备（110）包括第一天线组，所述第一天线组包括一个用于发射电场信号的天线和一个用于发射磁场信号的天线；

所述接收定位设备（120）还包括用于接收所述第一天线组发射的射频信号的第二天线组，所述第二天线组包括一个水平极化的天线、一个垂直极化的天线和一个径向极化的天线。

3.根据权利要求2所述的室内外定位系统，其特征在于，所述接收定位设备（120）分析接收到的射频信号的振幅和/或相位差，根据无线电波在自由空间传播的距离随振幅变化的关系和/或距离随相位差变化的关系，计算其与所述便携设备（110）之间的距离，并通过三点定位原理得到所述便携设备（110）位于当前建筑物的室内地图上的坐标。

4.根据权利要求1所述的室内外定位系统，其特征在于，所述系统还包括：

显示装置（140），其与所述终端服务器（130）连接，用于显示所述便携设备（110）在当前建筑物的室外地图上的坐标，或者显示所述便携设备（110）在当前建筑物的室内地图上的坐标、在当前建筑物室内的运动轨迹以及在室外地图上的坐标。

5.根据权利要求1所述的室内外定位系统，其特征在于，所述便携设备（110）在当前建筑物的室内地图和室外地图上的坐标为三维坐标。

6.根据权利要求1所述的室内外定位系统，其特征在于，所述便携设备（110）在当前建筑物的室内地图和室外地图上的坐标为包含三维变量、定位时间变量和绝对海拔高度变量的五维坐标。

7.根据权利要求1所述的室内外定位系统，其特征在于，所述系统包括多个所述便携设备（110），每个所述便携设备（110）发射具有固定频率的射频信号，且各个所述便携设备（110）发射的射频信号的固定频率不相同。

8.一种室内外定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、设置于建筑物内固定或移动的标识物上的便携设备（110）发射射频信号；

S2、设置于建筑物外的接收定位设备（120）接收所述射频信号，根据所述射频信号计算所述便携设备（110）位于当前建筑物的室内地图上的坐标，并将计算出的坐标发送到终端服务器（130）；

S3、终端服务器（130）调用当前建筑物的室内地图、以及GPS或北斗卫星所测得的当前建筑物的室外地图，根据当前建筑物的室内地图和室外地图的比例关系，将接收到的室内地图上的坐标转换为室外地图上的坐标。

9.根据权利要求1所述的室内外定位方法，其特征在于，所述步骤S2包括步骤：

S21、设置于建筑物外的接收定位设备（120）通过第二天线组接收所述射频信号；

S22、所述接收定位设备（120）分析接收到的射频信号的振幅和/或相位差，根据距离随振幅变化的关系和/或距离随相位差变化的关系，计算其与所述便携设备（110）之间的距离；

S23、所述接收定位设备（120）基于三点定位原理，根据其与所述便携设备（110）之间的距离、其与当前建筑的距离，以当前建筑为基准，计算所述便携设备（110）位于当前建筑物的室内地图上的坐标。

10.根据权利要求1所述的室内外定位方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：

S4、显示装置（140）显示所述便携设备（110）在当前建筑物的室外地图上的坐标，或者显示所述便携设备（110）在当前建筑物的室内地图上的坐标、在当前建筑物室内的运动轨迹以及在室外地图上的坐标。

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