CN104777501A - 一种基于移动终端gps的室内定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于移动终端GPS的室内定位系统及方法，其中系统包括室外定位的GPS模块以及用于室内定位的移动终端，GPS模块设置在一数据采集模块上，在该数据采集模块上还设有方位传感器模块以及测距模块；移动终端包括控制模块、纬度坐标转换平面坐标模块、室内相对定位模块以及室内分布绘制模块；控制模块用于发送控制命令和保存数据采集端的数据，室内相对定位模块用于获取室内待测点的平面坐标，平面坐标转换经纬度坐标模块用于将室内相对定位模块获取的室内待测点的平面坐标转换为经纬度坐标。本发明利用精确GPS点和两套坐标系的相对关系，获取室内任意点的GPS定位信息，可实现室内盲区精确GPS定位，为无网络信号的室内盲区提供过渡定位方法。

Description

一种基于移动终端GPS的室内定位系统及方法

技术领域

本发明涉及室内GPS定位领域，尤其是涉及一种基于移动终端的室内定位方法。

背景技术

GPS定位是依据天线接收卫星信号完成的，一般而言，搜索到的卫星越多，GPS定位精度就越高。然后，对于室内而言，卫星信号很难穿越厚重的墙壁，故置于室内的GPS天线搜索到的卫星信号较弱，导致室内的GPS定位精度很低。

基于Android平台以相对坐标的方式研究室内GPS定位，一方面因为Android平台开源性强，应用较广，实用性强；另一方面，室内定位现在采取的方式主要是是网络定位，对于没有网络和GPS定位信号较弱的盲区，基于GPS的室内相对定位方法可实现盲区精确定位，为无网络信号的室内盲区提供过渡定位方法。

发明内容

本发明基于室内GPS信息较弱的情况提供了一种基于移动终端的室内定位系统及方法，解决了室内GPS定位不精确的问题。

一种基于移动终端GPS的室内定位系统，其特征在于：包括室外定位的GPS模块以及用于室内定位的Android移动终端，

所述GPS模块设置在一数据采集模块上，在该数据采集模块上还设有方位传感器模块以及测距模块；所述GPS模块获取第一定位点的经纬度坐标，所述方位传感器和测距模块用于获取第二定位点的平面坐标和两点间的直线距离；

所述移动终端包括控制模块、经纬度坐标转换平面坐标模块、室内相对定位模块、平面坐标转换经纬度坐标模块以及室内分布绘制模块；所述控制模块用于保存数据采集端的采集数据，所述经纬度坐标转换平面坐标模块用于将第一定位点的经纬度坐标转换为平面坐标，所述室内相对定位模块根据第一定位点的平面坐标及其与第二定位点的相对位置关系，确定第二定位点的平面坐标，并根据室内待测点与第二定位的相对位置关系，获取室内待测点的平面坐标，所述平面坐标转换经纬度坐标模块用于将所述室内相对定位模块获取的室内待测点的平面坐标转换为经纬度坐标；所述室内分布绘制模块根据室内待测点的经纬度坐标绘制室内分布。

所述数据采集模块与所述移动终端采用无线通讯。

所述第一定位点位于室外，所述第二定位点位于室内与室外的临界点。

所述测距模块为RRC射频测距模。

一种基于移动终端GPS的室内定位方法，其特征在于，包括：

在室外选取第一定位点并通过GPS模块获取该第一定位点的经纬度坐标；

将第一定位点的经纬度坐标转换为以第一定位点为原点的第一平面坐标系下的平面坐标；

在室外与室内的临界点选取第二定位点，并获取第二定位点的平面坐标；

对第一平面坐标系进行平移，建立以第二定位点的平面坐标为原点的第二平面坐标系；

根据室内待测点与第二定位点的方位角及直线距离，获得每个待测点在第二平面坐标系下的平面坐标；

根据第二平面坐标系的偏移量得到每个待测点在第一平面坐标系下的平面坐标；

将各分布待测点在第一平面坐标系下的平面坐标转换为经纬度坐标；

绘制各待测点的分布图。

所述第一定位点的经纬度坐标通过高斯-克吕斯投影成大地平面坐标，平面投影公式如下：

$\begin{array}{c}x=X_0+\frac{1}{2}{\mathrm{Ntm}}_0^2+\frac{1}{24}(t-t^2+{9\mathrm{\η}}^2+{4\mathrm{\η}}^4){\mathrm{Ntm}}_0^4\\ +\frac{1}{720}(61-{58t}^2+t^4){\mathrm{Ntm}}_0^6\end{array}$

$\begin{array}{c}y={\mathrm{Nm}}_0+\frac{1}{6}(1-t^2+{\mathrm{\η}}^2){\mathrm{Nm}}_0^3\\ +\frac{1}{120}(5-{18t}^2+t^4+{14\mathrm{\η}}^2-{58\mathrm{\η}}^2{t}^2){\mathrm{Nm}}_0^5\end{array}$

其中参数X₀为子午弧长，t＝tan B，m₀＝l cos B，且B为定位点的纬度，L为定位点的经度，L₀为中央子午线的经度，l＝L-L₀为经度差，α为椭球长半轴，b为椭球短半轴，e为第一偏心率由此将第一定位点的经纬度坐标转换为大地平面坐标。

与现有技术相比，本发明利用精确GPS点和两套坐标系的相对关系，获取室内任意点的GPS定位信息，可实现室内盲区精确GPS定位，为无网络信号的室内盲区提供过渡定位方法。

本发明室内位系统及方法，不仅可以解决室内GPS信号较弱定位信息不精确的情况，提高室内GPS定位精度，而且可以根据一个点确定出室内任意点的GPS定位信息。

附图说明

附加的并且形成说明书一部分的附图包括在本发明的特定方面的描写中。本发明以及本发明提供的系统的模块和流程的更清楚的概念，通过参考参考示例以及附图中示出非限制性的实施例将更容易理解。通过参考一个或者多个附图结合本发明的描述可以更好地理解本发明。

图1示出本发明提供的一种基于Android移动端GPS的室内相对定位方法的实现框图；

图2示出本发明提供的一种基于Android移动端GPS的室内相对定位方法的流程图；

图3示出本发明提供的一种基于Android移动端GPS的室内相对定位方法的原理示意图；

具体实施方式

下面结合附图详细论述和说明本发明的具体技术路线。

本发明定位系统及方法的移动终端在各实施例中均以Android系统为例来说明，当然也可以采用其他的操作系统。

图1示出本发明提供的一种基于Android移动端GPS的室内相对定位系统的具体实现框图；

GPS定位模块100、方位传感器模块102、RRC射频测距模块104以及无线收发模块106都以USB形式外接到无线数据采集端；数据采集控制端放置在室外GPS信号强度较好区域，选取一个参考点；GPS定位模块100，用于获取室外选取的参考点的经纬度坐标；方位传感器模块102，在参考点处指向从参考点到临界点的直线方向，得出两点的直线方位角；RRC射频测距模块104，在参考点和临界点处各置一台设备，然后利用两台设备的发射端和接收端通信，根据发射端接收返回的编码计算出的从发射到接收的时间，得出参考点与临界点之间的直线距离；数据采集控制端的无线收发模块106主要用于和Android设备端的无线收发模块108进行通信，用于命令传达和数据传输；Android控制端110，先通过无线收发模块108向数据采集控制端发送数据上传命令，待收到数据后进行坐标转换处理，然后将处理后的数据再传给室内相对定位模块；高斯-克吕斯投影模块112，将参考点的WGS84椭球经纬度坐标投影为大地平面坐标XOY；室内相对定位模块114，获取到处理后的数据后，依据两点在平面坐标上的相对位置关系进行处理和计算，得出临界点O′的大地平面坐标，然后以O′点为坐标原点，建立与大地平面坐标系平行的新坐标系X′O′Y′，根据O′点在两套坐标系上的坐标信息得出两者的偏移量，接着标记出待测室内的各分布点，再通过方位传感器和RRC射频测距模块得到O′点与各分布点的直线距离和方位角，算出各分布点在X′O′Y′坐标系上的坐标，再根据两套坐标系的偏移量算出各分布点的大地平面坐标；WGS84椭球坐标转换模块116，将各分布点的大地平面坐标转换为WGS84椭球经纬度坐标；Android端室内分布绘制应用端118，根据得出的室内各分布点的经纬度坐标，将其显示在地图上，然后根据分布点，绘制出该室内的分布情况。

图2示出本发明提供的一种基于Android移动端GPS的室内相对定位方法的流程图；

如图2所示基于Android移动端GPS的室内相对定位方法的流程200包括：

步骤201：在室外GPS信号较强的区域选择一个参考点P，将无线数据采集模块放置到参考点P处，通过GPS定位模块获取点P的经纬度坐标(L_p,B_p)；

步骤202：将参考点P的WGS84椭球经纬度坐标(L_p,B_p)通过高斯-克吕斯投影成大地平面坐标(x_p,y_p)；

平面投影公式如下

$\begin{array}{c}x=X_0+\frac{1}{2}{\mathrm{Ntm}}_0^2+\frac{1}{24}(t-t^2+{9\mathrm{\η}}^2+{4\mathrm{\η}}^4){\mathrm{Ntm}}_0^4\\ +\frac{1}{720}(61-{58t}^2+t^4){\mathrm{Ntm}}_0^6\end{array}$

$\begin{array}{c}y={\mathrm{Nm}}_0+\frac{1}{6}(1-t^2+{\mathrm{\η}}^2){\mathrm{Nm}}_0^3\\ +\frac{1}{120}(5-{18t}^2+t^4+{14\mathrm{\η}}^2-{58\mathrm{\η}}^2{t}^2){\mathrm{Nm}}_0^5\end{array}$

其中参数X₀为子午弧长，t＝tan B，m₀＝l cos B，且B为定位点的纬度，L为定位点的经度，L₀为中央子午线的经度，l＝L-L₀为经度差，α为椭球长半轴，b为椭球短半轴，e为第一偏心率由此将点P的经纬度(L_p,B_p)转换为大地平面坐标(x_p,y_p)；

步骤203：从参考点P处往室内走，一直走到室外与室内临界处GPS信号较弱的区域；

步骤204：在GPS信号较弱的区域选取一个临界点O′，将集有RRC射频测距模块、无线收发模块、室内相对定位模块和室内分布绘制应用模块的Android控制端放置在选取的临界点O′处；

步骤205：根据参考点P处的RRC射频测距模块和临界点O′处的RRC射频测距模块进行通信得出两点间的直线距离ΔL_po′，然后在参考点P处将方位传感器放置为从P点到O′点的直线方向得到两点的直线方位角Δθ_po′；

步骤206：根据参考点P的大地平面坐标(x_p,y_p)，P点与O′点在大地平面坐标系上的直线距离ΔL_po′和直线方位角Δθ_po′，计算得到O′点在大地平面坐标系上的坐标(x_p+sinΔθ_po′,y_p+cosΔθ_po′)；

步骤207：以O′点为坐标原点，正北方向为X轴正方向，正东方向为Y轴正方向建立与大地平面坐标系XOY相平行的新坐标系X′O′Y′；

步骤208：根据O′点在大地平面坐标系XOY与新坐标系X′O′Y′的两个坐标关系，得出新坐标系X′O′Y′与大地平面坐标系XOY的偏移量-(x_p+sinΔθ_po′,y_p+cosΔθ_po′)；

步骤209：先标出待测室内各分布点F_i(i＝1,2,3,4,…)，然后使用RRC射频测距模块与方位传感器模块算出分布点F_i(i＝1,2,3,4,…)与O′点的相对直线距离与直线方位角

步骤210：根据O′点与分布点F_i(i＝1,2,3,4,…)的相对位置关系算出分布点F_i(i＝1,2,3,4,…)在新坐标系X′O′Y′上的坐标

步骤211：根据大地平面坐标系XOY与X′O′Y′坐标系的偏移量-(x_p+sinΔθ_po,y_p+cosΔθ_po)算出各分布点的大地平面坐标

步骤212：将各分布点的大地平面坐标通过如下转换公式转换为WGS84椭球经纬度坐标

$\begin{array}{c}B=B_f-\frac{1}{2}{V_f}^2{t}_f{\left(\frac{y}{N_f}\right)}^2+\frac{1}{24}(t+{{3t}_f}^2+{{\mathrm{\η}}_f}^2-{{9\mathrm{\η}}_f}^4)V_f^2{t}_f{\left(\frac{y}{N_f}\right)}^4-\frac{1}{720}(61\\ +{{90t}_f}^2{{45\mathrm{\η}}_f}^4)V_f^2{t}_f{\left(\frac{y}{N_f}\right)}^4\end{array}$

$\begin{array}{c}l=\frac{1}{\cos B_f}\left(\frac{y}{N_f}\right)-\frac{1}{6}(1+{{2t}_f}^2+{{\mathrm{\η}}_f}^2)\left(\frac{1}{\cos B_f}\right){\left(\frac{y}{N_f}\right)}^3+\frac{1}{120}(5+{{28t}_f}^2+{{24t}_f}^4\\ +{{6\mathrm{\η}}_f}^2+{{8t}_f}^2{{\mathrm{\η}}_f}^2)\left(\frac{1}{\cos B_f}\right){\left(\frac{y}{N_f}\right)}^5\end{array}$

L＝l+L₀

其中参数B_f为底点纬度， $N_f=\frac{\mathrm{\α}}{\sqrt{1-e^2{\sin }^2{B}_f}},$ t_f＝tan B_f， ${v_f}^2=\frac{1-e^2{\sin }^2{B}_f}{1-e^2},$ L₀为中央子午线的经度，以上参数可由WGS84椭球长半轴α，短半轴b和第一偏心率确定，由此将点P的大地平面坐标(x_p,y_p)转换为经纬度(L_p,B_p)；

步骤213：将得出的室内各分布点的WGS84椭球经纬度坐标在地图上显示出来，然后将各分布点F_i(i＝1,2,3,4,…)连接起来，绘制出待测室内分布情况，室内相对定位完成。

图3示出本发明提供的一种基于Android移动端GPS的室内相对定位方法的原理示意图；

图3显示室内分布点F_i(i＝1,2,3,4)在大地平面坐标系XOY与坐标系X′O′Y′两套坐标系300的情况，首先根据P点在大地平面坐标系XOY的坐标以及O′点与P点的相对位置关系，得出O′点在大地平面坐标系XOY的坐标，然后以O′点为原点，建立与XOY坐标系相平行的坐标系X′O′Y′，根据O′点在两套坐标系的坐标关系可以得出坐标系X′O′Y′相对于XOY大地平面坐标系的偏移量，再根据室内分布点F_i(i＝1,2,3,4)与O′点的关系，可以得出各分布点的大地平面坐标。

尽管本发明此处具体化一些特定的例子示出和描述，然而本发明不仅限于所示处的细节，因为在不偏离本发明的精神以及权力要求的范围和等同范围内，可以做出多种改进和结构变化。因此，宽范围的并且如权利要求所阐明的在某种意义上与本发明的范围一致的解释附加和权利要求是适当的。

Claims (6)

1.一种基于移动终端GPS的室内定位系统，其特征在于：包括室外定位的GPS模块以及用于室内定位的移动终端，

所述GPS模块设置在一数据采集模块上，在该数据采集模块上还设有方位传感器模块以及测距模块；所述GPS模块获取第一定位点的经纬度坐标，所述方位传感器和测距模块用于获取第二定位点的平面坐标与两定位点的直线距离；

所述移动终端包括控制模块、经纬度坐标转换平面坐标模块、室内相对定位模块、平面坐标转换经纬度坐标模块以及室内分布绘制模块；所述控制模块用于保存数据采集端的采集数据，所述经纬度坐标转换平面坐标模块用于将第一定位点的经纬度坐标转换为平面坐标，所述室内相对定位模块根据第一定位点的平面坐标和第二定位点的平面坐标获取室内待测点的平面坐标，所述平面坐标转换经纬度坐标模块用于将所述室内相对定位模块获取的室内待测点的平面坐标转换为经纬度坐标；所述室内分布绘制模块根据室内待测点的经纬度坐标在地图上绘制室内分布。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述数据采集模块与所述移动终端采用无线通讯。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的第一定位点位于室外，所述第二定位点位于室内与室外的临界点。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的测距模块为RRC射频测距模块。

5.一种基于移动终端GPS的室内定位方法，其特征在于，包括：

在室外选取第一定位点并通过GPS模块获取该第一定位点的经纬度坐标；

将第一定位点的经纬度坐标转换为以第一定位点为原点的第一平面坐标系下的平面坐标；

在室外与室内的临界点选取第二定位点，通过第一定位点与第二定位点的相对位置关系，获取第二定位点的平面坐标；

对第一平面坐标系进行平移，建立以第二定位点的平面坐标为原点的第二平面坐标系；

根据室内待测点与第二定位点的方位角及直线距离，获得每个待测点在第二平面坐标系下的平面坐标；

根据第二平面坐标系的偏移量得到每个待测点在第一平面坐标系下的平面坐标；

将各分布待测点在第一平面坐标系下的平面坐标转换为经纬度坐标；

绘制个待测点的分布图。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一定位点的经纬度坐标通过高斯-克吕斯投影成大地平面坐标，平面投影公式如下：

$\begin{array}{c}x=X_0+\frac{1}{2}\mathrm{Nt}{m}_0^2+\frac{1}{24}(5-t^2+9{\mathrm{\η}}^2+4{\mathrm{\η}}^4)\mathrm{Nt}{m}_0^4\\ +\frac{1}{720}(61-58t^2+t^4)\mathrm{Nt}{m}_0^6\end{array}$

$\begin{array}{c}y=N{m}_0+\frac{1}{6}(1-t^2+{\mathrm{\η}}^2)N{m}_0^3\\ +\frac{1}{120}(5-{18t}^2+t^4+14{\mathrm{\η}}^2-58{\mathrm{\η}}^2{t}^2)N{m}_0^5\end{array}$

其中参数X₀为子午弧长，t＝tan B，m₀＝l cos B，且B为定位点的纬度，L为定位点的经度，L₀为中央子午线的经度，l＝L-L₀为经度差，α为椭球长半轴，b为椭球短半轴，e为第一偏心率由此将第一定位点的经纬度坐标转换为大地平面坐标。