CN104735781A - 一种室内定位系统及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内定位系统，用于对目标物进行定位，目标物能够发送无线基地台信号，室内定位系统包含：若干个接收器，每一接收器包含一全向性天线及若干支指向性天线，分别用于扫描目标物发送的无线基地台信号；处理器，分别与目标物及接收器连接，用于对接收器扫描到的无线基地台信号进行处理，得到目标物的定位结果，并将定位结果回传至目标物；数据库，与处理器连接，用于存储已完成定位的目标物的位置信息。本发明通过用户的智能型手持装置做为Access Point发送端，并且在环境中建置具有全向性与指向性天线的接收器，用于侦测智能型手持装置的信号值强弱，再由子区域判别、辅助点判别等定位演算机制来提供最合适的定位服务。

Description

一种室内定位系统及其定位方法

技术领域

本发明涉及移动定位技术，具体涉及一种室内定位系统及其定位方法。

背景技术

近几年，随着无线通信与微电子技术的快速发展，使得智能型手持装置能整合更多的感应设备并发展出更多元的服务内容，而无形中也带动了基于位置的服务（LBS，Location Based Services）发展。

现有技术中的LBS分为跟踪/安全性(Tracking/Safety)、交通/旅游(Traffic/Travel)、信息(Information)、社群(Community)、推营销(Pushing Marketing)、LBS游戏(LBS Game)等六大服务，其服务的首要目的为定位，因此如何搜集与处理定位信息，让定位能更精确、更有效率地完成。

现有技术中常用的定位方式为全球定位系统（GPS，Global Positioning System），相较于其他定位系统而言，其定位范围最广，可提供准确定位，然而GPS定位却常因树荫、高楼林立等环境干扰因素，造成GPS定位精确度降低。

为确保室内定位的服务质量，现有技术中多采用基站定位、三角定位、指纹定位等方式，辅助甚至取代GPS的室内定位角色，其中三角定位常用的室内定位媒介包含：无线电频率(RF, Radio frequency)信号(Wi-Fi、Zig-bee、Bluetooth)、红外线、超音波、光学、磁场强度等，将收到的信号信息做距离测量或角度测量，其测距算法多采用：信号到达时间TOA(Time Of Arrival)、信号到达时间差TDOA( Time Difference Of Arrivals)、信号到达角度AOA(Angle Of Arrival)以及接收信号强度指标RSSI(Received Signal Strength Indication)等方式来估算目标物所在位置；而另一种有别于传统测距定位方式为指纹定位，利用相对的概念来取代绝对，其定位的优势在于可经由脱机时，测得参考点信息来建立数据库，并于实际定位时提供做数据比对的依据，然而无论是三角定位或是指纹定位都须依赖已知的无线访问接入点(AP，Wireless Access Point)信息来进行定位，导致AP的建设位置以及单纯或复杂的环境格局，都会影响室内定位的准确度，一旦环境产生变动，容易造成定位误差率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种室内定位系统及其定位方法，通过采用用户的智能型手持装置做为Access Point发送端，并且在环境中建置具有全向性与指向性天线的接收器，用于侦测智能型手持装置的信号值强弱，再由子区域判别、辅助点判别等定位演算机制来提供最合适的定位服务。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种室内定位系统，用于对目标物进行定位，其特点是，所述目标物能够发送无线基地台信号，所述室内定位系统包含：

若干个接收器，每一接收器包含一全向性天线及若干支指向性天线，分别用于扫描目标物发送的无线基地台信号；

处理器，分别与目标物及接收器连接，用于对接收器扫描到的无线基地台信号进行处理，得到目标物的定位结果，并将定位结果回传至目标物；

数据库，与所述处理器连接，用于存储已完成定位的目标物的位置信息。

室内定位系统还包含若干个辅助模块，所述辅助模块为已完成定位的目标物，用于根据处理器的指令取代接收器，完成扫描目标物发送的无线基地台信号。

所述的处理器包含依次连接的连接模块、定位信息模块及定位算法模块；

所述的连接模块分别与目标物、接收器及辅助模块连接，用于向目标物下达定位命令及回传定位结果，还用于接收接收器及辅助模块扫描到的无线基地台信号；

所述的定位信息模块，用于对接收到的无线基地台信号值进行处理，以确定目标物的子区域；

所述的定位算法模块，用于根据目标物所处的子区域选择预设的定位算法，用以完成对目标物的定位。

所述预设定位算法包含指向性天线定位算法、四点定位算法及辅助性四点定位算法。

一种室内定位方法，其特点是，包含以下步骤：

S1、若干个接收器分别扫描目标物发送的无线基地台信号；

S2、处理器根据每一接收器扫描到的无线基地台信号值估算目标物的子区域；

S3、判断目标物的子区域是否位于某一接收器的可辨别范围内；

S3.1、若是，则采用指向性天线定位算法对目标物进行定位，并将定位结果存储于数据库中；

若否，则执行步骤S4；

S4、在数据库中查找是否存在辅助模块；

S4.1、若否，则采用四点定位算法对目标物进行定位，并将定位结果存储于数据库中；

若是，则执行步骤S5；

S5、判断辅助模块是否符合辅助定位标准；

S5.1、若是，则采用辅助性四点定位算法对目标物进行定位，并将定位结果存储于数据库中；

若否，则执行步骤S4.1。

所述的步骤S1之前还包含一步骤S0：

S0、目标物向处理器发送定位请求，并接收处理器的指令转换为行动式无线基地台模式。

所述的步骤S3.1中采用指向性天线定位算法对目标物进行定位的步骤包含：

建立每一接收器子区域内的参考点；

根据接收器中指向性天线扫描到的无线基地台信号值判断目标物的方向；

选取目标物所在方向的参考点，利用K-近邻算法(KNN，k-Nearest Neighbor)指纹定位方式完成对目标物的定位。

所述的步骤S4.1中采用四点定位算法对目标物进行定位的步骤包含：

将每一接收器中全向性天线扫描到的无线基地台信号值转化为距离；

取圆形区域，其中圆心为接收器所在位置，半径为对应接收器中全向性天线扫描到的无线基地台信号值转化得到的距离；

取各圆的交点；

取所有交点的中心位置即为目标物的位置。

所述的步骤S5.1中采用辅助性四点定位算法对目标物进行定位的步骤包含：

辅助模块取代对应的接收器；

将每一接收器扫描到的无线基地台信号值转化为距离；

将每一辅助模块扫描到的无线基地台信号值转化为距离；

取圆形区域，其中圆心为接收器所在位置，半径为对应接收器扫描到的无线基地台信号值转化得到的距离，或者圆心为辅助模块所在位置，半径为对应辅助模块扫描到的无线基地台信号值转化得到的距离；

取各圆的交点；

取所有交点的中心位置即为目标物的位置。

本发明一种室内定位系统及其定位方法与现有技术相比具有以下优点：经由子区域筛选方式，不仅能缩小误差范围，也能够依照子区域的环境特性提供目标物最合适的定位演算机制；当目标物位于接收器附近时，采用指向性指纹定位提供服务，透过指向性天线的信号值以及角度信息来增强各个参考点之间的差异性，并经由四支指向性天线彼此间对于目标物的信号强弱来估测目标物所在方位，再选取该方向的参考点，如此一来可缩小定位区域范围并提升定位准确度；当目标物位于中间模糊区域时，采用辅助点定位提供服务，利用距离目标物越近信号值越稳定的概念，以辅助者取代接收器帮助目标物定位，缩小圆的半径以降低误差范围。

附图说明

图1为本发明一种室内定位系统的结构框图；

图2为接收器子区域示意图；

图3为接收器中间区域示意图；

图4为辅助模块选择示意图；

图5为本发明一种室内定位方法的流程图；

图6为建立参考点的示意图；

图7为参考点筛选的示意图；

图8为指向性天线定位算法对目标物进行定位的示意图；

图9为信号值转距离的示意图；

图10 为四点定位算法对目标物进行定位的示意图；

图11为辅助模块取代接收器的示意图；

图12为辅助型四点定位算法对目标物进行定位的示意图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，一种室内定位系统，用于对目标物100进行定位，所述目标物100能够发送无线基地台信号并具备上网功能，如2G、3G或4G，较佳地目标物为一智能型手持装置（Mobile Device）如iOS或Android的手机，所述室内定位系统包含：若干个接收器200，每一接收器200包含一全向性天线及若干支指向性天线，分别用于扫描目标物100发送的无线基地台信号，较佳地，每一接收器200包含一全向性天线及四支指向性天线，四支指向性天线分别命名为Ant1、Ant2、Ant3及Ant4即接收器200可同时接收到5组无线基地台信号值（RSSI value）；处理器300，分别与目标物100及接收器200连接，用于对接收器200扫描到的无线基地台信号进行处理，得到目标物100的定位结果，并将定位结果回传至目标物100；数据库400，与所述处理器300连接，用于存储已完成定位的目标物的位置信息；若干个辅助模块500，所述辅助模块500为已完成定位的目标物，用于根据处理器300的指令取代接收器200，完成扫描目标物发送的无线基地台信号，即此时的智能型手持装置处于接收模式。

处理器300包含依次连接的连接模块301、定位信息模块302及定位算法模块303；所述的连接模块301分别与目标物100、接收器200及辅助模块500连接，用于向目标物100下达定位命令及回传定位结果，还用于接收接收器200及辅助模块500扫描到的无线基地台信号，即连接模块301主要起指令下达及沟通的作用；所述的定位信息模块302，用于对接收到的无线基地台信号值进行处理，以确定目标物100的子区域；所述的定位算法模块303，用于根据目标物100所处的子区域选择预设的定位算法，用以完成对目标物100的定位。

定位信息模块是本系统的核心内容，其主要实现的功能如下：无线基地台信号值的管理、子区域管理及辅助点管理。

无线基地台信号值的管理主要包括无线基地台信号值的收集及最大无线基地台信号值的选取，其中无线基地台信号值的收集主要是指定位信息模块收集各个接收器在周期时间内扫描得到的无线基地台信号值，并将无线基地台信号值存储于List中，一接收器包含一全向性天线及四支指向性天线，因此定位信息模块可同时接收五支天线的无线基地台信号值；最大无线基地台信号值的选取主要是将每天接收器收到的五组无线基地台信号值取最大值，由这个最大值再进行子区域管理。

子区域管理主要是通过指向性天线来来确定目标物的大体位置，具体包含依照接收器所扫描到无线基地台信号值强弱来判断该目标物属于哪一个子区域中，当该目标物的无线基地台信号值高于接收器的门坎值，系统会将目标物归类于该接收器的子区域内，而门坎值需于脱机时测量指向性天线的最大辨识距离以及环境n值来设定，若目标物发送无线基地台信号无法达到门坎值标准，则归类于中间子区域，其中环境n值存储于数据库中。

如图2为例，该场域共设有四台接收器分别为R1、R2、R3及R4，以各接收器为圆心，以预设半径画一圆，例如半径为3米，圆内区域则为该接收器的子区域，若无线基地台信号值皆达到两台接收器的门坎值，且最大无线基地台信号值相近，则系统会将该目标物归属于两子区域中，但在辅助模块挑选时，每一辅助模块只能取代一台接收器。若目标物无线基地台信号值强度皆未达到任一接收器的子区域内时，则归属于中间子区域内，如图3所示。

辅助点管理主要是进行辅助点挑选以及辅助点信息更新，当子区域管理回传目标物位于中间子区域时，则在数据库中找寻附近曾经定位过的目标物，并判断是否有机会取代接收器进行辅助点定位。寻找辅助点的方式会先将欲取代的接收器与中间子区域的边界两点分别求一直线，再将两直线与接收器子区域范围所围成的扇形区域中寻找数据库里曾经定位过的目标物并重新对它做一次定位确认，若定位后仍符合辅助点条件，则会将该目标物设为辅助模块。

如图4所示，系统已经对(A1-A6)六个目标物进行过定位，则通过辅助点挑选后会将符合区域内的(A1，A2)选为后选辅助点。当选出有机会作为辅助点的辅助模块后，系统会随机对候选辅助模块来做询问，若辅助模块愿意当作辅助点且系统重新对辅助模块进行指向性天线位置判断仍符合辅助点条件，则通知辅助模块于时间内接收目标物的讯号值并回传。经由辅助点挑选判断后，该辅助点位置不符合辅助模块条件，则系统将会对数据库进行管理来更新或删除辅助模块的位置信息。

数据库的功能描述：数据库内存储为n值表、辅助点信息以及接收器参考点的数据，n值表负责提供无线基地台信号值转距离的计算；辅助点信息会记录每一目标定位后的坐标位置；接收器参考点的数据记录参考点的位置信息。

n值表是在脱机时建置，测量接收器及辅助模块扫描到无线基地台信号值，再通过下式寻找出环境中的n值，以每一米为单位写出无线基地台信号值与距离的对照表，在实际定位目标物时提供给系统使用。

RSSI＝-(RSSI₀+10nlog(d))

RSSI表示距离为d米时的信号强度，单位为dBm；

RSSI₀表示距离为1米时的信号强度，单位为dBm；

n表示路径衰减。

表1 为接收器的全向性天线扫描到的无线基地台信号值对应的n值表。

表2 为辅助模块扫描到的无线基地台信号值对应的n值表。

辅助点信息，主要是用于对已完成定位的目标物的定位信息进行存储，并且通过新增、更新、删除及搜寻方式，让目标物与辅助点能够保留其定位 信息。更新主要是指被筛选区域内的辅助点，会对辅助点重新做一次定位确认，若位置有变动则会更新辅助点定位信息。删除主要是指被筛选区域内的辅助点，若已离开此定位区域，则删除该辅助点定位信息。每当目标物进行完定位或是辅助点的位置有更动时，系统会将目标物及辅助点的位置坐标储存或更新于数据库中的子区域窗体内，单元格式如表3所示。

接收器参考点的数据，在脱机时扫描各个接收器子区域内涵盖的参考点，储存参考点位置坐标、指向性天线一Ant1的信号值、指向性天线二Ant2的信号值、指向性天线三Ant3的信号值、指向性天线四Ant4的信号值，在实际定位时提供给接收器子区域做KNN指纹定位计算。

如图5所示，一种室内定位方法，包含以下步骤：

S0、目标物向处理器发送定位请求，并接收处理器的指令转换为行动式无线基地台模式；

S1、若干个接收器分别扫描目标物发送的无线基地台信号；

S2、处理器根据每一接收器扫描到的无线基地台信号值估算目标物的子区域；

S3、判断目标物的子区域是否位于某一接收器的可辨别范围内；

S3.1、若是，则采用指向性天线定位算法对目标物进行定位，并将定位结果存储于数据库中；

若否，则执行步骤S4；

S4、在数据库中查找是否存在辅助模块；

S4.1、若否，则采用四点定位算法对目标物进行定位，并将定位结果存储于数据库中；

若是，则执行步骤S5；

S5、判断辅助模块是否符合辅助定位标准，所述的辅助定位标准为辅助模块距离目标物越近讯号值越稳定的概念，以辅助模块取代接收器进行目标物定位，以目标物的的半径进行判断；

S5.1、若是，则采用辅助性四点定位算法对目标物进行定位，并将定位结果存储于数据库中；

若否，则执行步骤S4.1。

即本系统的定位机制是依照目标物的子区域及辅助点来提供最合适的定位服务，其中判断依据为对目标物所扫描得到的无线基地台信号值、目标物的子区域以及能否提供辅助点辅助定位（即辅助模块能否用于辅助定位）。具体的定位算法策略的选择为目标物的子区域及辅助点来做判断，如若目标物在某一接收器的子区域内，则采用指向性天线定位算法来做定位；若目标物在中间子区域且具有辅助点则采用辅助性四点定位算法来做定位，否则将采用四点定位算法来做定位。

步骤S3.1中采用指向性天线定位算法对目标物进行定位的步骤包含：

建立每一接收器子区域内的参考点。

在指向性天线子区域内以每一米为一单位建置参考点，在脱机时在每一个参考点上放置智能型手持装置，由接收器扫描每一点的无线基地台信号值并将处理后结果储存于数据库中，具体参见图6，为接收器R2的子区域范围，图中的各点为子区域内所建置的参考点，在脱机时通过智能型手持装置让接收器R2在指定时间内纪录每个参考点的无线基地台信号值，建立接收器R2的子区域的参考点数据库。

根据接收器中指向性天线扫描到的无线基地台信号值判断目标物的方向，选取目标物所在方向的参考点，利用KNN指纹定位方式完成对目标物的定位。利用四支指向性天线所侦测到的四组无线基地台信号值来判断目标物大致上位于接收器子区域的哪一个方向，再框选出此方向包含的参考点进行指纹定位算法。具体参见图7中参考点筛选的示意图。图7中假设有一目标物在接收器2的子区域中，接收器在周期时间内扫描该无线基地台的信号值，并将四组无线基地台的信号值做最大值处理，依照图中的指向性天线一与指向性天线二取最大值后比指向性天线三与指向性天线四的信号值强，因此可以推估目标物位于该接收器2子区域的右上方，再选取接收器2子区域内右上方的参考点来做后续计算。经由参考点筛选后剩余的参考点，透过KNN算法将扫描到的目标物的无线基地台的信号值与参考点的无线基地台的信号值相减，找出差异值最小的四个近似参考点后，再取四个参考点的中心点位置作为定位结果，具体参见图8。图8中参考点经由KNN算法会找出最相近的四个近似参考点，再将这四个近似参考点的中心点当作目标物的位置。

步骤S4.1中采用四点定位算法对目标物进行定位的步骤包含：

将每一接收器中全向性天线扫描到的无线基地台信号值转化为距离；

取圆形区域，其中圆心为接收器所在位置，半径为对应接收器中全向性天线扫描到的无线基地台信号值转化得到的距离；

取各圆的交点；

取所有交点的中心位置即为目标物的位置。

具体地，若目标物被归类于中间子区域且并无辅助点可提供辅助定位时，系统将依照四台接收器的全向性天线对目标物侦测到的讯号值来做四点定位算法。参见图9中所示的信号值转距离的示意图，目标位于中间区域内，系统会透过四台接收器扫描该目标物的无线基地台信号值，再分别将四台接收器最大的无线基地台信号值在数据库中n值标准寻找对应距离。

以环境中各个接收器为圆心，由信号值转换距离当作半径画出一圆，取数圆的交点，交点取中心点做为目标物所在位置，具体参见图10所示，以R1-R4为圆心画四圆，取四圆的交点，交点找中心点，即为定位目标物所在位置。

步骤S5.1中采用辅助性四点定位算法对目标物进行定位的步骤包含：

辅助模块取代对应的接收器；

将每一接收器扫描到的无线基地台信号值转化为距离；

将每一辅助模块扫描到的无线基地台信号值转化为距离；

取圆形区域，其中圆心为接收器所在位置，半径为对应接收器扫描到的无线基地台信号值转化得到的距离，或者圆心为辅助模块所在位置，半径为对应辅助模块扫描到的无线基地台信号值转化得到的距离；

取各圆的交点；

取所有交点的中心位置即为目标物的位置。

具体地，若目标物被归类于中间子区域且有辅助点可提供辅助定位时，系统会先对辅助者进行定位确认，当确认结果符合辅助点条件，系统会将辅助模块取代接收器来帮目标物进行定位，而一个辅助模块只能取代一台接收器。如图11中，将辅助模块A1取代接收器R1、辅助模块A2取代接收器R2、辅助模块A3取代接收器R3、辅助模块A4取代接收器R4，并于时间内侦测目标物的信号值后回传给系统做计算。以各个辅助模块为圆心，信号值转换距离为半径画出一圆，共可得四圆，再取四圆的交点，交点取中心点做为目标物所在位置。如图12所示，以A1-A4为圆心画四圆，取四交圆的交点，交点找出中心点，即定位目标物所在位置。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种室内定位系统，用于对目标物进行定位，其特征在于，所述目标物能够发送无线基地台信号，所述室内定位系统包含：

若干个接收器，每一接收器包含一全向性天线及若干支指向性天线，分别用于扫描目标物发送的无线基地台信号；

处理器，分别与目标物及接收器连接，用于对接收器扫描到的无线基地台信号进行处理，得到目标物的定位结果，并将定位结果回传至目标物；

数据库，与所述处理器连接，用于存储已完成定位的目标物的位置信息。

2.如权利要求1所述的室内定位系统，其特征在于，进一步包含若干个辅助模块，所述辅助模块为已完成定位的目标物，用于根据处理器的指令取代接收器，完成扫描目标物发送的无线基地台信号。

3.如权利要求2所述的室内定位系统，其特征在于，所述的处理器包含依次连接的连接模块、定位信息模块及定位算法模块；

所述的连接模块分别与目标物、接收器及辅助模块连接，用于向目标物下达定位命令及回传定位结果，还用于接收接收器及辅助模块扫描到的无线基地台信号；

所述的定位信息模块，与所述数据库连接，用于对接收到的无线基地台信号值进行处理，以确定目标物的子区域；

所述的定位算法模块，用于根据目标物所处的子区域选择预设的定位算法，用以完成对目标物的定位。

4.如权利要求2所述的室内定位系统，其特征在于，所述预设定位算法包含指向性天线定位算法、四点定位算法及辅助性四点定位算法。

5.一种室内定位方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1、若干个接收器分别扫描目标物发送的无线基地台信号；

S2、处理器根据每一接收器扫描到的无线基地台信号值估算目标物的子区域；

S3、判断目标物的子区域是否位于某一接收器的可辨别范围内；

S3.1、若是，则采用指向性天线定位算法对目标物进行定位，并将定位结果存储于数据库中；

若否，则执行步骤S4；

S4、在数据库中查找是否存在辅助模块；

S4.1、若否，则采用四点定位算法对目标物进行定位，并将定位结果存储于数据库中；

若是，则执行步骤S5；

S5、判断辅助模块是否符合辅助定位标准；

S5.1、若是，则采用辅助性四点定位算法对目标物进行定位，并将定位结果存储于数据库中；

若否，则执行步骤S4.1。

6.如权利要求5所述的室内定位方法，其特征在于，所述的步骤S1之前还包含一步骤S0：

S0、目标物向处理器发送定位请求，并接收处理器的指令转换为行动式无线基地台模式。

7.如权利要求5所述的室内定位方法，其特征在于，所述的步骤S3.1中采用指向性天线定位算法对目标物进行定位的步骤包含：

建立每一接收器子区域内的参考点；

根据接收器中指向性天线扫描到的无线基地台信号值判断目标物的方向；

选取目标物所在方向的参考点，利用KNN指纹定位方式完成对目标物的定位。

8.如权利要求5所述的室内定位方法，其特征在于，所述的步骤S4.1中采用四点定位算法对目标物进行定位的步骤包含：

将每一接收器中全向性天线扫描到的无线基地台信号值转化为距离；

取圆形区域，其中圆心为接收器所在位置，半径为对应接收器中全向性天线扫描到的无线基地台信号值转化得到的距离；

取各圆的交点；

取所有交点的中心位置即为目标物的位置。

9.如权利要求5所述的室内定位方法，其特征在于，所述的步骤S5.1中采用辅助性四点定位算法对目标物进行定位的步骤包含：

辅助模块取代对应的接收器；

将每一接收器扫描到的无线基地台信号值转化为距离；

将每一辅助模块扫描到的无线基地台信号值转化为距离；

取圆形区域，其中圆心为接收器所在位置，半径为对应接收器扫描到的无线基地台信号值转化得到的距离，或者圆心为辅助模块所在位置，半径为对应辅助模块扫描到的无线基地台信号值转化得到的距离；

取各圆的交点；

取所有交点的中心位置即为目标物的位置。