CN104849740A - 集成卫星导航与蓝牙技术的室内外无缝定位系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种集成卫星导航与蓝牙技术的室内外无缝定位系统及其方法，包括室外卫星定位模块、室内蓝牙定位模块、室内外定位融合切换模块及电子地图显示模块；室外卫星定位模块利用GPS或北斗卫星导航终端进行室外定位；室内蓝牙定位模块采用场强衰减原理和三维空间定位算法进行室内定位；室内外定位融合切换模块根据室内外定位通信信号的强度，基于联邦卡尔曼滤波器，对室内外定位方式进行融合、切换和集成，实现室内外定位的平滑过渡；电子地图显示模块以二维电子地图或室内平面图、三维建筑物模型场景图为基础，显示定位结果。该系统不仅可为智能移动设备提供室内外一体化定位功能，而且定位速度快、定位精度高。

Description

集成卫星导航与蓝牙技术的室内外无缝定位系统及其方法
技术领域
本发明涉及导航定位或位置服务技术领域，特别是一种集成卫星导航与蓝牙技术的室内外无缝定位系统及其方法。
背景技术
随着GPS、北斗、GLONASS等全球卫星导航定位系统的日益成熟，人们享受到了快速、准确的定位服务，一大批专业应用也得以快速发展壮大，如交通导航、野外测量、导弹制导等。然而受制于卫星定位技术的局限性，GPS、北斗等定位技术无法有效应用到室内场景中。在大型建筑物内部，受水泥墙体的遮挡等影响，GPS信号将急剧减弱以至无法实现定位。随着室内商务活动、应急救援、科技文化博览、旅游会展等应用的发展，人们迫切需要在室内环境条件下也能获取到相应精度的定位服务。比如，在文化旅游领域，为了向游客提供室内外的文化旅游景点的个性化讲解和信息推送服务，需要能为游客提供室内外一体化的定位服务，以提高旅游服务质量与旅游体验效果。
但室内外定位技术特别是其在具体应用时受环境因素的影响，面临着诸多挑战。通常建筑物内部结构复杂、深度大，有较多的隔断、障碍物，且有大量的声、光、电、磁设备，这都将严重影响室内定位的精度。目前，已发展出应用红外线、超声波、RFID、蓝牙、超宽带、ZigBee和无线Wifi等作为媒介的室内定位技术。这些定位技术总体上可以分为两种模式，一种是基于距离的定位方法（需测距），的如TOA（Time of Arrival）方法、TDOA（Time Difference of Arrival）方法和RSSI（received signal strength indication）方法等，这些方法以信号传播时间或以信号的传播特性来推算信号传播距离，进而采用三边定位、三角定位等方法进行定位。典型的有微软公司的RADAR系统、麻省理工的Cricket系统等。此外还有基于指纹的定位方法，该方法通过事先对室内的各点位测量出信号强度和对应的距离，称为指纹信息，之后利用模式匹配技术，将实测的信号强度与库中的信号相比较，则可得到信号接收方与信号发射方的距离。另一种模式是距离无关的定位方法（无需测距），如质心方法、APIT（Approximate Point-in-triangulation Teat）方法、DV-HOP方法等，这些方法无需直接测量距离和方位角度信息，而是根据定位网络的拓扑情况估算相对位置。典型的无线传感器网络中用于确定各传感器节点相对位置的室内外定位系统。
基于蓝牙4.0 BLE iBeacon通信协议的室内定位技术是一种属于基于距离的定位方法，通过在室内适当的位置安装蓝牙信号发射基站，当有蓝牙接收终端进入信号覆盖区时，即可实现定位和数据传输。蓝牙4.0 BLE模块现已被大多数手机、平板电脑等移动设备所集成，只要持有手机、平板电脑等移动设备的用户就可获得室内定位服务，因此该定位方法较易得到大规模推广应用。但基于蓝牙4.0 BLE的室内定位技术，其使用的是公共免费的2.4G ISM频段，仅适用于小区域范围，且易受室内复杂环境的干扰，故需要与传统的GPS定位方法相结合以扩大适用范围，并在测距、三维空间定位等方面技术细节上需要改进，以提高定位的速度和准确性。
专利号为CN104469942A，发明名称为“一种基于隐马尔科夫模型的室内定位方法”的专利提出了一种利用位置指纹信息的室内定位方法，通过预先建立定位区域的RSSI指纹数据库，并基于隐马尔科夫定位模型，可计算获得连续运动最大可能的轨迹序列，并将轨迹序列的最后位置作为定位结果。这种方法可降低RSSI波动带来的影响，但需要预先建立RSSI指纹库，对陌生区域的适应性不强。
发明专利号申请号为2014105599654，发明名称为“一种基于iBeacon的室内定位及辅助导航方法、装置和系统”的专利提出了一种利用iBeacon进行室内定位的方法，该方法根据iBeacon基站发射功率的大小，分别用峰值定位和质心定位的方式确定待测设备的位置。该方法相较于wifi定位具有定位精度高的特点，但未考虑基站信号波动带来的影响，且将室内定位简单考虑为二维平面上的定位，在楼层判断时将可能出现较大误差。
专利号为CN103402259A，发明名称为“一种基于蓝牙的室内定位服务系统及方法”的专利，提出将室内区域按照正六边形划分为多个区域，在区域中心和交界处部署蓝牙节点，根据手机接收到的蓝牙信号采用质心法推算出其位置。该方法在部署时较为不易，且在采用质心法时认为手机与所有收到信号的蓝牙节点的距离相同，因此定位精度较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成卫星导航与蓝牙技术的室内外无缝定位系统及其方法，以克服现有技术中存在的缺陷。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种集成卫星导航与蓝牙技术的室内外无缝定位系统，包括：一室外卫星定位模块、一室内蓝牙定位模块、一室内外定位融合切换模块以及一电子地图显示模块；
所述室外卫星定位模块用于通过GPS或北斗卫星导航系统进行室外空间定位，输出GPS/北斗卫星导航信号定位数据；
所述室内蓝牙定位模块用于通过采用场强衰减模型和三维空间定位算法进行室内空间定位，输出蓝牙通信信号定位数据；
所述室内外定位融合切换模块用于通过采用基于联邦卡尔曼滤波器的方式，建立基于所述GPS/北斗卫星导航信号定位数据与达到蓝牙通信信号定位数据的融合模型，对室内外定位方式进行融合；
所述电子地图显示模块用于通过以二维电子地图、室内平面图或三维建筑物模型场景图为基础，显示室内室外定位结果。
进一步地，本发明还提供一种集成卫星导航与蓝牙技术的室内外无缝定位方法，按照如下方式实现：
步骤S10：所述定位系统根据所述室外卫星定位模块接收到的GPS/北斗导航卫星信号或所述室内蓝牙定位模块接收到的蓝牙通信信号的强度选择该定位系统的定位方式；若所述室外卫星定位模块接收到GPS/北斗导航卫星信号，则转入步骤S11；若所述室内蓝牙定位模块收到室内布设的蓝牙基站发出的蓝牙通信信号，则转入步骤S12；若所述室外卫星定位模块接收到GPS/北斗导航卫星信号且所述室内蓝牙定位模块收到室内布设的蓝牙通信信号，则转入步骤S13；
步骤S11：所述室外卫星定位模块采用GPS\北斗双模定位模块进行室外定位，即所述GPS\北斗双模定位模块通过GPS或北斗卫星导航系统对所述定位系统进行室外空间定位，输出GPS/北斗卫星导航信号定位数据，并转入步骤S14；
步骤S12：所述室内蓝牙定位模块检测各个蓝牙基站发出的蓝牙信号，采用场强衰减模型获取所述定位系统与各个蓝牙基站的距离，并采用高斯分布模型对所获取的所述定位系统与各个蓝牙基站的距离的距离值进行修正，再采用三维空间定位算法获取该定位系统的室内位置，输出蓝牙通信信号定位数据，完成室内空间定位，并转入步骤S14；
步骤S13：所述室外卫星定位模块采用GPS\北斗双模定位模块进行综合定位，输出GPS/北斗卫星导航信号定位数据；所述室内蓝牙定位模块检测各个蓝牙基站发出的蓝牙信号，采用场强衰减模型获取所述定位系统与各个蓝牙基站的距离，并采用高斯分布模型对所获取的所述定位系统与各个蓝牙基站的距离的距离值进行修正，再通过采用三维空间定位算法获取该定位系统的位置，输出蓝牙通信信号定位数据，并转入步骤S14；
步骤S14：所述室内外定位融合切换模块采用基于联邦卡尔曼滤波器的方式，建立基于所述GPS/北斗卫星导航信号定位数据与所述蓝牙通信信号定位数据的融合模型，对室内和室外定位方式进行融合、切换和集成，完成室内和室外定位的平滑过渡，以提高所述定位系统的定位精度；
步骤S15：所述电子地图显示模块以二维电子地图、室内平面图或三维建筑物模型场景图为基础，通过结合所述室内外定位融合切换模块输出的定位数据融合信息，显示室内室外定位结果。
在本发明一实施例中，所述GPS/北斗卫星导航信号定位数据包括所述定位系统室外的经纬度坐标、经转换的平面直角坐标或高程；所述蓝牙通信信号定位数据包括所述定位系统室内的经纬度坐标、经转换的平面直角坐标或高程；所述定位数据融合信息包括经融合后的所述定位系统室经纬度坐标、经转换的平面直角坐标或高程。
在本发明一实施例中，在所述步骤S10中，室内布设有N个蓝牙基站，其中，N为大于或等于3的正整数。
在本发明一实施例中，在所述步骤S12中，还包括如下步骤：
步骤S121：所述室内蓝牙定位模块在同一个检测位置接收蓝牙基站发送的蓝牙信号若干次；
步骤S122：所述室内蓝牙定位模块根据接收的该蓝牙基站每次发出的蓝牙信号，解析获取该次蓝牙信号强度或能量以及所述定位系统对应接收的该次蓝牙信号强度或能量，并采用接受信号强度指示（RSSI）衰减传播模型获取所述定位系统与该蓝牙基站的距离；
步骤S123：采用如下所示的高斯分布模型对若干次采集的距离值进行筛选：
 ，， ；其中，为第次测量得到的距离，为总体测量次数；
除去误差为的测量值，经过高斯过滤后，再对剩下的距离值求均值，获取所述定位系统与该蓝牙基站误差处于的距离值，并将该距离值作为该蓝牙基站与所述定位系统的距离；
       步骤S124：所述室内蓝牙定位模块通过所述步骤S121、所述步骤S122以及所述步骤S123分别获取所述定位系统与其余蓝牙基站的距离值；
步骤S125：所述室内蓝牙定位模块通过比对所获取的所述定位系统与蓝牙基站的距离值，选择距离值最小的3个蓝牙基站，并分别以每个蓝牙基站布设的位置坐标为圆心、以每个蓝牙基站到所述定位系统的距离值为半径构造3个球体，获取该3个球体的交集，并根据该交集的几何中心确定所述定位系统的位置坐标。
在本发明一实施例中，在所述步骤S125中，所述室内蓝牙定位模块在获取3个球体的交集过程中，还包括如下步骤：
S1251：将3个球体分别对应投影到XOY平面和YOZ平面，在XOY平面和YOZ平面分别形成3个圆；
S1252：分别在XOY平面或YOZ平面上对应建立3个圆的外切正方形；若所建立的3个外切正方形间有交集，获取该交集的几何中心；若3个外切正方形间没有交集，则对应建立同时包含这3个正方形的最小外包正方形，获取该外包正方形的几何中心；
S1253：根据XOY平面获取的几何中心确定所述定位系统的X坐标和Y坐标，根据YOZ平面获取的几何中心确定所述定位系统的Z坐标。
在本发明一实施例中，在所述步骤S1252中，在获取外切正方形的交集时，以外切正方形的左下角顶点和右上角顶点表示，即将外切正方形表示为：；两个外切正方形和在有交集的情况下，其交集表示为：，其中，和分别是用于求取两个数中的最大值和最小值的函数；两个外切正方形在没有交集的情况下，其最小外包正方形表示为：。
在本发明一实施例中，在所述步骤S14 中，所述联邦卡尔曼滤波器包括两个子卡尔曼滤波器和一个主卡尔曼滤波器，其中，两个子卡尔曼滤波器分别对应对所述GPS/北斗卫星导航信号定位数据以及所述蓝牙通信信号定位数据进行局部滤波，主卡尔曼滤波器对两个子卡尔曼滤波器的输出进行全局融合，输出定位数据融合信息。
在本发明一实施例中，对于所述室外卫星定位模块，以所述室外卫星定位模块在时刻的东向观测值、北向观测值作为状态变量，其状态方程为：
     
其中，为状态转移矩阵，且，为过程噪声；
其观测方程为：
     （3）
其中，为观测矩阵，且，为测量噪声，，和分别为时刻的东向和北向的测量噪声；
对于所述室内蓝牙定位模块，以所述室内蓝牙定位模块在时刻的东向观测值、北向观测值为状态变量，其状态方程为：
     （4）
其中，为状态转移矩阵，且，为过程噪声；
其观测方程为：
     （5）
其中，为观测矩阵，且，为测量噪声，。
在主卡尔曼滤波器中，按以下方法对两个子卡尔曼滤波器的输出进行融合：
   
   
其中，、分别为两个子滤波器的误差方差阵，按如下方式进行表示：
   
。
在本发明一实施例中，在所述步骤S15中，当基于二维电子地图或室内平面图图显示时，所述电子地图显示模块采用所述定位数据融合信息的经纬度坐标或经转换的平面直角坐标表示所述定位系统空间位置；当基于三维建筑物模型场景图显示时，所述电子地图显示模块采用所述定位数据融合信息的经纬度坐标或高程表示所述定位系统空间位置。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明所提出的一种集成卫星导航与蓝牙技术的室内外无缝定位系统及其方法，面向Android或iOS移动设备，提供了一种一体化的室内外定位功能，通过融合户外的卫星定位和室内的蓝牙定位方法，并克服蓝牙测距和室内三维空间定位不准确的缺陷，解决了以往移动设备在大型建筑物内无法定位或定位精度低的问题，可为科技博览、文化旅游、室内导航、商场导购等提供更准确的位置服务。
附图说明
图1是本发明一实施例中集成卫星导航与蓝牙技术的室内外无缝定位系统中各个系统模块示意图。
图2是本发明一实施例中集成卫星导航与蓝牙技术的室内外无缝定位方法的流程图。
图3是本发明一实施例三维空间定位方法中在XOY平面和YOZ平面上投影的示意图。
图4是本发明一实施例三维空间定位方法中外切正方形交集示意图。
图5是本发明一实施例三维空间定位方法中最小外包正方形示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供一种集成卫星导航与蓝牙技术的室内外无缝定位系统，如图1所示，包括：一室外卫星定位模块、一室内蓝牙定位模块、一室内外定位融合切换模块以及一电子地图显示模块；在本实施例中，该定位系统搭载于Android移动设备或iOS移动设备上。
在本实施例中，所述室外卫星定位模块用于通过GPS或北斗卫星导航系统进行室外空间定位，输出GPS/北斗卫星导航信号定位数据；
所述室内蓝牙定位模块用于通过采用场强衰减模型和三维空间定位算法进行室内空间定位，输出蓝牙通信信号定位数据，在本实施例中，该室内蓝牙定位模块采用蓝牙4.0通信协议iBeacon；
所述室内外定位融合切换模块用于通过采用基于联邦卡尔曼滤波器的方式，建立基于所述GPS/北斗卫星导航信号定位数据与达到蓝牙通信信号定位数据的融合模型，对室内外定位方式进行融合；
所述电子地图显示模块用于通过以二维电子地图、室内平面图或三维建筑物模型场景图为基础，显示室内室外定位结果。
进一步的，在本实施例中，为了让本领域技术人员了解本发明所提出的一种集成卫星导航与蓝牙技术的室内外无缝定位系统，还提供一种集成卫星导航与蓝牙技术的室内外无缝定位方法，如图2所示，按照如下方式实现：
步骤S10：所述定位系统根据所述室外卫星定位模块接收到的GPS/北斗导航卫星信号或所述室内蓝牙定位模块接收到的蓝牙通信信号的强度选择该定位系统的定位方式；若所述室外卫星定位模块接收到GPS/北斗导航卫星信号，则转入步骤S11；若所述室内蓝牙定位模块收到室内布设的蓝牙基站发出的蓝牙通信信号，则转入步骤S12；若所述室外卫星定位模块接收到GPS/北斗导航卫星信号且所述室内蓝牙定位模块收到室内布设的蓝牙通信信号，则转入步骤S13；
步骤S11：所述室外卫星定位模块采用搭载于Android移动设备或iOS移动设备上的GPS\北斗双模定位模块进行室外定位，即所述GPS\北斗双模定位模块通过GPS或北斗卫星导航系统对所述定位系统进行室外空间定位，输出GPS/北斗卫星导航信号定位数据，并转入步骤S14；
步骤S12：所述室内蓝牙定位模块检测各个蓝牙基站发出的蓝牙信号，采用场强衰减模型获取所述定位系统与各个蓝牙基站的距离，并采用高斯分布模型对所获取的所述定位系统与各个蓝牙基站的距离的距离值进行修正，再采用三维空间定位算法获取该定位系统的室内位置，输出蓝牙通信信号定位数据，完成室内空间定位，并转入步骤S14；
步骤S13：所述室外卫星定位模块采用GPS\北斗双模定位模块进行综合定位，输出GPS/北斗卫星导航信号定位数据；所述室内蓝牙定位模块检测各个蓝牙基站发出的蓝牙信号，采用场强衰减模型获取所述定位系统与各个蓝牙基站的距离，并采用高斯分布模型对所获取的所述定位系统与各个蓝牙基站的距离的距离值进行修正，再通过采用三维空间定位算法获取该定位系统的位置，输出蓝牙通信信号定位数据，并转入步骤S14；
步骤S14：所述室内外定位融合切换模块采用基于联邦卡尔曼滤波器的方式，建立基于所述GPS/北斗卫星导航信号定位数据与所述蓝牙通信信号定位数据的融合模型，对室内和室外定位方式进行融合、切换和集成，完成室内和室外定位的平滑过渡，以提高所述定位系统的定位精度；
步骤S15：所述电子地图显示模块以二维电子地图、室内平面图或三维建筑物模型场景图为基础，通过结合所述室内外定位融合切换模块输出的定位数据融合信息，显示室内室外定位结果。
进一步的，在本实施例中，所述GPS/北斗卫星导航信号定位数据包括所述定位系统室外的经纬度坐标、经转换的平面直角坐标或高程；所述蓝牙通信信号定位数据包括所述定位系统室内的经纬度坐标、经转换的平面直角坐标或高程；所述定位数据融合信息包括经融合后的所述定位系统室经纬度坐标、经转换的平面直角坐标或高程。
进一步的，在本实施例中，在所述步骤S10中，室内布设有N个蓝牙基站，其中，N为大于或等于3的正整数。
进一步的，在本实施例中，在所述步骤S12中，还包括如下步骤：
步骤S121：所述室内蓝牙定位模块在同一个检测位置接收蓝牙基站发送的蓝牙信号若干次；
步骤S122：所述室内蓝牙定位模块根据接收的该蓝牙基站每次发出的蓝牙信号，解析获取该次蓝牙信号强度或能量以及所述定位系统对应接收的该次蓝牙信号强度或能量，并采用接受信号强度指示（RSSI）衰减传播模型获取所述定位系统与该蓝牙基站的距离；
步骤S123：为减弱室内墙体遮挡、反射及其它干扰源的影响，提高蓝牙测距的精度，采用如下所示的高斯分布模型对若干次采集的距离值进行筛选，去除误差较大的测量值：
 ， ，；其中，为第次测量得到的距离，为总体测量次数；
除去误差为的测量值，经过高斯过滤后，再对剩下的距离值求均值，获取所述定位系统与该蓝牙基站误差较小的距离值，即处于的距离值，并将该距离值作为该蓝牙基站与所述定位系统的距离；
       步骤S124：所述室内蓝牙定位模块通过所述步骤S121、所述步骤S122以及所述步骤S123分别获取所述定位系统与其余蓝牙基站的距离值，在本实施例中，可对所有蓝牙基站多次重复进行所述步骤S121、所述步骤S122以及所述步骤S123的操作，以准确获取各个蓝牙基站的距离值；
步骤S125：所述室内蓝牙定位模块通过比对所获取的所述定位系统与蓝牙基站的距离值，选择距离值最小的3个蓝牙基站，并分别以每个蓝牙基站布设的位置坐标为圆心、以每个蓝牙基站到所述定位系统的距离值为半径构造3个球体，获取该3个球体的交集，并根据该交集的几何中心确定所述定位系统的位置坐标。
进一步的，在本实施例中，在所述步骤S125中，所述室内蓝牙定位模块在获取3个球体的交集过程中，还包括如下步骤：
S1251：将3个球体分别对应投影到XOY平面和YOZ平面，在XOY平面和YOZ平面分别形成3个圆；
S1252：如图3~图5所示，分别在XOY平面或YOZ平面上对应建立3个圆的外切正方形；若所建立的3个外切正方形间有交集，获取该交集的几何中心；若3个外切正方形间没有交集，则对应建立同时包含这3个正方形的最小外包正方形，获取该外包正方形的几何中心；进一步的，在本实施例中，在获取外切正方形的交集时，以外切正方形的左下角顶点和右上角顶点表示，即将外切正方形表示为：；两个外切正方形和在有交集的情况下，其交集表示为：，其中，和分别是用于求取两个数中的最大值和最小值的函数；两个外切正方形在没有交集的情况下，其最小外包正方形表示为：。
S1253：根据XOY平面获取的几何中心确定所述定位系统的X坐标和Y坐标，根据YOZ平面获取的几何中心确定所述定位系统的Z坐标。
进一步的，在本实施例中，在所述步骤S14 中，所述联邦卡尔曼滤波器包括两个子卡尔曼滤波器和一个主卡尔曼滤波器，其中，两个子卡尔曼滤波器分别对应对所述GPS/北斗卫星导航信号定位数据以及所述蓝牙通信信号定位数据进行局部滤波，主卡尔曼滤波器对两个子卡尔曼滤波器的输出进行全局融合，输出定位数据融合信息。
进一步的，在本实施例中，对于所述室外卫星定位模块，以室外卫星定位模块在时刻的东向观测值、北向观测值作为状态变量，其状态方程为：
     
其中，为状态转移矩阵，且，为过程噪声；
其观测方程为：
     （3）
其中，为观测矩阵，且，为测量噪声，，和分别为时刻的东向和北向的测量噪声；
对于所述室内蓝牙定位模块，以室内蓝牙定位模块在时刻的东向观测值、北向观测值为状态变量，其状态方程为：
     （4）
其中，为状态转移矩阵，且，为过程噪声；
其观测方程为：
     （5）
其中，为观测矩阵，且，为测量噪声，，和分别为时刻的东向和北向的测量噪声。
由于卫星接收机和蓝牙信号接收器相互独立工作，因此两个子滤波器的输出结果互不相干；在主卡尔曼滤波器中，按以下方法对两个子卡尔曼滤波器的输出进行融合：
   
   
其中，、分别为两个子滤波器的误差方差阵，按如下方式进行表示：
   
。
进一步的，在本实施例中，在所述步骤S15中，当基于二维电子地图或室内平面图图显示时，所述电子地图显示模块采用所述定位数据融合信息的经纬度坐标或经转换的平面直角坐标表示所述定位系统空间位置；当基于三维建筑物模型场景图显示时，所述电子地图显示模块采用所述定位数据融合信息的经纬度坐标或高程表示所述定位系统空间位置。
进一步，为了让本领域技术人员进一步了解本发明所提出的一种集成卫星导航与蓝牙技术的室内外无缝定位系统及其方法，下面结合以具体实施例进行说明。
选择某9层办公大楼内的办公室作为实验场景。在室内的四面墙上布设四个iBeacon蓝牙基站，已知这四个蓝牙基站、以及待测点位的CGCS2000大地坐标如下表1所示：
表1 基站及待测点位坐标
1）基于蓝牙的测距
持本系统在TS_001处，分别连续接收4个基站的信号10次，根据RSSI信号衰减原理测得与基站的距离，并利用高斯模型对测得的距离进行处理，结果如表2所示：
表2 测距及优化处理结果（单位：米）
根据测距结果，取BS_002、BS_003、BS_004三个基站作为定位参考点。
2）利用本系统获得基于蓝牙的室内定位结果
以BS_002、BS_003、BS_004三个基站为圆心，以测得的与基站的距离为半径，构造三个球体。三个球体投影到YOZ平面形成三个圆，其外接正方形为：
其中，、、分别为三个球体的轴坐标。以上三个外接正方形的交集为，取该交集的几何中心坐标为1.82。
三个球体投影到XOY平面形成三个圆，其外接正方形为：
其中，，，分别为三个球体的轴坐标。以上三个外接正方形的交集为，取该交集的几何中心坐标为（2885964.519,426827.061）。
由以上得到室内定位结果为[(2885964.519,426827.061)]。
3）利用本系统获得卫星定位结果
通过本系统的卫星定位模块，获得的待测点位在WGS84投影体系中的定位结果为[(26o4’47”,119o16’6”)]，转换为CGCS2000坐标后为[(2885942.842,426863.477)]。
4）基于联邦卡尔曼滤波器的定位数据融合
应用子滤波器分别对蓝牙定位数据和卫星定位结果进行滤波处理，得到的定位结果分别为：
[(2885963.250,426825.344)]和[(2885940.750,426860.806)]；再在主滤波器中对两个定位数据融合后，得到最终输出为：[(2885950.102,426845.026)]。该综合定位的精度优于单纯应用卫星定位法在室内定位的结果。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种集成卫星导航与蓝牙技术的室内外无缝定位系统，其特征在于，包括：一室外卫星定位模块、一室内蓝牙定位模块、一室内外定位融合切换模块以及一电子地图显示模块；
所述室外卫星定位模块用于通过GPS或北斗卫星导航系统进行室外空间定位，输出GPS/北斗卫星导航信号定位数据；
所述室内蓝牙定位模块用于通过采用场强衰减模型和三维空间定位算法进行室内空间定位，输出蓝牙通信信号定位数据；
所述室内外定位融合切换模块用于通过采用基于联邦卡尔曼滤波器的方式，建立基于所述GPS/北斗卫星导航信号定位数据与达到蓝牙通信信号定位数据的融合模型，对室内外定位方式进行融合；
所述电子地图显示模块用于通过以二维电子地图、室内平面图或三维建筑物模型场景图为基础，显示室内室外定位结果。
2.一种基于权利要求1所述的集成卫星导航与蓝牙技术的室内外无缝定位系统的集成卫星导航与蓝牙技术的室内外无缝定位方法，其特征在于，按照如下方式实现：
步骤S10：所述定位系统根据所述室外卫星定位模块接收到的GPS/北斗导航卫星信号或所述室内蓝牙定位模块接收到的蓝牙通信信号的强度选择该定位系统的定位方式；若所述室外卫星定位模块接收到GPS/北斗导航卫星信号，则转入步骤S11；若所述室内蓝牙定位模块收到室内布设的蓝牙基站发出的蓝牙通信信号，则转入步骤S12；若所述室外卫星定位模块接收到GPS/北斗导航卫星信号且所述室内蓝牙定位模块收到室内布设的蓝牙通信信号，则转入步骤S13；
步骤S11：所述室外卫星定位模块采用GPS\北斗双模定位模块进行室外定位，即所述GPS\北斗双模定位模块通过GPS或北斗卫星导航系统对所述定位系统进行室外空间定位，输出GPS/北斗卫星导航信号定位数据，并转入步骤S14；
步骤S12：所述室内蓝牙定位模块检测各个蓝牙基站发出的蓝牙信号，采用场强衰减模型获取所述定位系统与各个蓝牙基站的距离，并采用高斯分布模型对所获取的所述定位系统与各个蓝牙基站的距离的距离值进行修正，再采用三维空间定位算法获取该定位系统的室内位置，输出蓝牙通信信号定位数据，完成室内空间定位，并转入步骤S14；
步骤S13：所述室外卫星定位模块采用GPS\北斗双模定位模块进行综合定位，输出GPS/北斗卫星导航信号定位数据；所述室内蓝牙定位模块检测各个蓝牙基站发出的蓝牙信号，采用场强衰减模型获取所述定位系统与各个蓝牙基站的距离，并采用高斯分布模型对所获取的所述定位系统与各个蓝牙基站的距离的距离值进行修正，再通过采用三维空间定位算法获取该定位系统的位置，输出蓝牙通信信号定位数据，并转入步骤S14；
步骤S14：所述室内外定位融合切换模块采用基于联邦卡尔曼滤波器的方式，建立基于所述GPS/北斗卫星导航信号定位数据与所述蓝牙通信信号定位数据的融合模型，对室内和室外定位方式进行融合、切换和集成，完成室内和室外定位的平滑过渡，以提高所述定位系统的定位精度；
步骤S15：所述电子地图显示模块以二维电子地图、室内平面图或三维建筑物模型场景图为基础，通过结合所述室内外定位融合切换模块输出的定位数据融合信息，显示室内室外定位结果。
3.根据权利要求2所述的集成卫星导航与蓝牙技术的室内外无缝定位方法，其特征在于，所述GPS/北斗卫星导航信号定位数据包括所述定位系统室外的经纬度坐标、经转换的平面直角坐标或高程；所述蓝牙通信信号定位数据包括所述定位系统室内的经纬度坐标、经转换的平面直角坐标或高程；所述定位数据融合信息包括经融合后的所述定位系统室经纬度坐标、经转换的平面直角坐标或高程。
4.根据权利要求2所述的集成卫星导航与蓝牙技术的室内外无缝定位方法，其特征在于，在所述步骤S10中，室内布设有N个蓝牙基站，其中，N为大于或等于3的正整数。
5.根据权利要求2所述的集成卫星导航与蓝牙技术的室内外无缝定位方法，其特征在于，在所述步骤S12中，还包括如下步骤：
步骤S121：所述室内蓝牙定位模块在同一个检测位置接收蓝牙基站发送的蓝牙信号若干次；
步骤S122：所述室内蓝牙定位模块根据接收的该蓝牙基站每次发出的蓝牙信号，解析获取该次蓝牙信号强度或能量以及所述定位系统对应接收的该次蓝牙信号强度或能量，并采用接受信号强度指示（RSSI）衰减传播模型获取所述定位系统与该蓝牙基站的距离；
步骤S123：采用如下所示的高斯分布模型对若干次采集的距离值进行筛选：
 ， ，，其中，为第次测量得到的距离值，为总体测量次数；
除去误差为的测量值，经过高斯过滤后，再对剩下的距离值求均值，获取所述定位系统与该蓝牙基站误差处于的距离值，并将该距离值作为该蓝牙基站与所述定位系统的距离；
步骤S124：所述室内蓝牙定位模块通过所述步骤S121、所述步骤S122以及所述步骤S123分别获取所述定位系统与其余蓝牙基站的距离值；
步骤S125：所述室内蓝牙定位模块通过比对所获取的所述定位系统与蓝牙基站的距离值，选择距离值最小的3个蓝牙基站，并分别以每个蓝牙基站布设的位置坐标为圆心、以每个蓝牙基站到所述定位系统的距离值为半径构造3个球体，获取该3个球体的交集，并根据该交集的几何中心确定所述定位系统的位置坐标。
6.根据权利要求5所述的集成卫星导航与蓝牙技术的室内外无缝定位方法，其特征在于，在所述步骤S125中，所述室内蓝牙定位模块在获取3个球体的交集过程中，还包括如下步骤：
S1251：将3个球体分别对应投影到XOY平面和YOZ平面，在XOY平面和YOZ平面分别形成3个圆；
S1252：分别在XOY平面或YOZ平面上对应建立3个圆的外切正方形；若所建立的3个外切正方形间有交集，获取该交集的几何中心；若3个外切正方形间没有交集，则对应建立同时包含这3个正方形的最小外包正方形，获取该外包正方形的几何中心；
S1253：根据XOY平面获取的几何中心确定所述定位系统的X坐标和Y坐标，根据YOZ平面获取的几何中心确定所述定位系统的Z坐标。
7.根据权利要求6所述的集成卫星导航与蓝牙技术的室内外无缝定位方法，其特征在于，在所述步骤S1252中，在获取外切正方形的交集时，以外切正方形的左下角顶点和右上角顶点表示，即将外切正方形表示为：；两个外切正方形和在有交集的情况下，其交集表示为：，其中，和分别是用于求取两个数中的最大值和最小值的函数；两个外切正方形在没有交集的情况下，其最小外包正方形表示为：。
8.根据权利要求2所述的集成卫星导航与蓝牙技术的室内外无缝定位方法，其特征在于，在所述步骤S14 中，所述联邦卡尔曼滤波器包括两个子卡尔曼滤波器和一个主卡尔曼滤波器，其中，两个子卡尔曼滤波器分别对应对所述GPS/北斗卫星导航信号定位数据以及所述蓝牙通信信号定位数据进行局部滤波，主卡尔曼滤波器对两个子卡尔曼滤波器的输出进行全局融合，输出定位数据融合信息。
9.根据权利要求8所述的集成卫星导航与蓝牙技术的室内外无缝定位方法，其特征在于，对于所述室外卫星定位模块，以所述室外卫星定位模块在时刻的东向观测值、北向观测值作为状态变量，其状态方程为：
     
其中，为状态转移矩阵，且，为过程噪声；
其观测方程为：
     
其中，为观测矩阵，且，为测量噪声，，和分别为时刻的东向和北向的测量噪声；
对于所述室内蓝牙定位模块，以所述室内蓝牙定位模块在时刻的东向观测值、北向观测值为状态变量，其状态方程为：
     
其中，为状态转移矩阵，且，为过程噪声；
其观测方程为：
     
其中，为观测矩阵，且，为测量噪声，，和分别为时刻的东向和北向的测量噪声；
在主卡尔曼滤波器中，按以下方法对两个子卡尔曼滤波器的输出进行融合：
   
   
其中，、分别为两个子滤波器的误差方差阵，按如下方式进行表示：
   
。
10.根据权利要求2所述的集成卫星导航与蓝牙技术的室内外无缝定位方法，其特征在于，在所述步骤S15中，当基于二维电子地图或室内平面图图显示时，所述电子地图显示模块采用所述定位数据融合信息的经纬度坐标或经转换的平面直角坐标表示所述定位系统空间位置；当基于三维建筑物模型场景图显示时，所述电子地图显示模块采用所述定位数据融合信息的经纬度坐标或高程表示所述定位系统空间位置。
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