CN104849741A - 基于gps和射频技术的混合定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于GPS和射频技术的混合定位方法，包括：服务器存储区域内采集点的全局坐标系下的坐标信息，建立RSSI指纹数据库；区域内终端感应器通过无线访问接入点发射GPS信号和射频信号混合并通过主感应器传输至服务器；服务器将GPS信号和射频信号中的位置数据转换为全局坐标系下的坐标信息；主感应器接收进入区域的新电子标签查询坐标信息的请求，根据GPS信号和射频信号强度大小选择采用其中一种信号进行定位，并调用服务器的坐标信息并向终端感应器发送。本发明采用GPS和射频信号的混合信号进行定位，当某一信号的强度大时，系统自动的选择该信号完成定位任务，使得定位工作可以快速且准确。

Description

基于GPS和射频技术的混合定位方法

技术领域

本发明涉及一种定位技术，特别是一种基于GPS和射频技术的混合定位方法。

背景技术

随着技术的发展，基于位置的应用越来越多，成为当前技术应用和发展的重要方向。目前，定位技术主要按照室内、室外进行区分。

室外定位技术主要有两种：卫星定位技术，基站定位技术。卫星定位技术是非常成熟的技术，比如大家熟知的GPS技术，除GPS技术外，还有几种类似的技术：Glonass，Galileo，北斗等。其中GPS定位的原理：由24颗工作卫星组成，使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置，但是一般GPS定位误差较大。

室内定位技术实现方式基本上有两种：一种是基于扩频信号到达时间的计算来完成定位，一种是根据信号接收能量的衰减来完成定位。如WiFi、ZigBee、蓝牙和超宽带、射频技术等。其中射频识别技术是利用射频方式进行非接触式双向通信交换数据以达到识别和定位的目的。这种技术作用距离短，一般最长为几十米。但它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息，且传输范围很大，成本较低。同时由于其非接触和非视距等优点，可望成为优选的室内定位技术。目前，射频识别研究的热点和难点在于理论传播模型的建立、用户的安全隐私和国际标准化等问题。优点是标识的体积比较小，造价比较低，但是作用距离近，不具有通信能力，而且不便于整合到其他系统之中。

定位技术除了应用于导航等领域，也用于一些具有危险性的场景，例如由于地震、火灾等灾难而损坏倒塌楼房的搜救工作，由于浓烟或倒塌的建筑物提升了搜救工作的难度，特别是迷失搜救目标。因此，如果能够将目标进行定位，会极大的加快搜救进程从而挽救更多的声明。但是根据上文的分析，GPS或射频技术进行定位有着不同程度的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于GPS和射频技术的混合定位方法，根据GPS信号和射频信号的强弱采用其中一种方法进行定位。

一种基于GPS和射频技术的混合定位方法，包括：

服务器存储区域内采集点的全局坐标系下的坐标信息，建立RSSI指纹数据库；

区域内不同终端感应器通过无线访问接入点发射GPS信号和射频信号混合信号给主感应器，主感应器将混合信号传输至服务器并存储；

服务器将GPS信号中的位置数据和射频信号中的位置数据转换为全局坐标系下的坐标信息；

主感应器接收进入区域的新电子标签查询坐标信息的请求，根据GPS信号和射频信号强度大小选择采用其中一种信号进行定位，并调用服务器的坐标信息并向终端感应器发送。

一种基于GPS和射频技术的混合定位系统，包括：

采集点，用于接收GPS信号，及发射GPS信号和射频信号；

终端感应器，用于接收GPS信号，及发射GPS信号和射频信号；

主感应器，用于接收并传递区域内采集点、终端感应器发出的GPS信号和射频信号，及接收并传递进入区域的电子标签发射的GPS信号、射频信号和查询终端感应器地址请求；

服务器，用于接收主感应器发射的信号进行如下处理：建立区域全局坐标系，建立终端感应器在全局坐标系中的位置坐标信息，判断采用GPS信号或射频信号进行定位，及生成电子标签与终端感应器之间的路径并将路径通过主感应器发送至电子标签。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明采用GPS和射频信号的混合信号进行定位，当GPS信号的强度大于射频信号的强度时，系统自动的选择采用GPS信号进行定位，反之，选用射频信号进行定位，使得定位工作可以快速且准确。

下面结合说明书附图对本发明做进一步描述。

附图说明

图1是本发明方法流程图。

图2是本发明定位引起系统组图。

图3是RSSI算法流程图。

图4是RSSI值与RSSI值的误差范围远离示意图。

图5是本发明系统原理示意图。

具体实施方式

结合图1，一种基于GPS和射频技术的混合定位方法，包括：

步骤1，服务器存储区域内采集点的全局坐标系下的坐标信息，建立RSSI指纹数据库；

步骤2，区域内不同终端感应器通过无线访问接入点发射GPS信号和射频信号混合信号给主感应器；

步骤3，主感应器对接收到的混合信号进行编码，并将编码后的信号传输至服务器；

步骤4，服务器对信号进行解码，并将GPS信号中的位置数据和射频信号中的位置数据转换为全局坐标系下的坐标信息；

步骤5，主感应器接收进入区域的新电子标签查询坐标信息的请求，根据GPS信号和射频信号强度大小选择采用其中一种信号进行定位；

步骤6，主感应器调用服务器中相应的坐标信息并向终端感应器发送。

在步骤1中，服务器接收到区域内设置的各采集点发出的射频信号，建立全局坐标系。服务器端到的接收信号强度服从RSSI分布(常被称为“指纹数据”，RSSI测距原理基于无线信号传输中普遍采用的渐变模型

[p(d)]_dBm＝[p(d₀)]_dRm-10nlg(d/d₀)+X_dBm  (1)

式中p(d)表示距离发射机为d时接收端收到的信号强度，即RSSI值；p(d₀)表示距离发射极为d₀时接收端接收到的信号功率；d₀为参考距离；n是路径损耗指数，通常是由实际测量得到，障碍物越多，n值越大，从而接收到的平均能量下降的速度会随着距离的增加而变得越来越快：是一个dBm为单位，平均值为0的高斯随机变量，反映了当距离一定时，接收到的能量变化。在每个位置，多个信号源点的接收信号强度向量是唯一的，服务器记录下各个位置的RSSI向量，相当于完成了RSSI值得采集，由服务器端测距模型将RSSI值转换为距离，完成RSSI指纹数据库，定位算法根据信标节点计算未知节点坐标，RSSI指纹数据库主要包括以下3个类：

集点表：包括每个采集点的ID、坐标，由采集点ID作为主键；

无线访问接入点表：包括每个无线访问接入点的ID、MAC、坐标，由无线访问接入点的ID作为主键；

采集点RSSI表：包括每个采集点采集到的无线访问接入点信息，由采集点的ID采集点RSSI表和无线访问接入点的ID作为主键，保存每个无线访问接入点在每个采集点上的RSSI均值和误差范围。

由于射频信号的信号强度小，因此在一个区域内应当配置多个主感应器接收终端感应器发射的射频信号，每一个主感应器服务于一定范围内的终端感应器。

服务器在接收到主感应器发射的混合信号后，解码对不同信号中包含的代表坐标系的位置数据进行转换：第一，将GPS的WGS-84数据转换为全局坐标系下的第一大地坐标；第二，将射频数据子坐标系下的位置数据转换为全局坐标系下的第二大地坐标。转换后，将得到位于统一坐标系下的位置。

进去区域内的新的电子标签，可以为融合射频标签与GPS接收器的混合型tag，tag进入区域内会发送接收到的GPS信号和射频信号给主感应器，主感应器将混合信号发送给服务器，服务器通过上述方法将电子标签发送信号中的数据位置转化为全局坐标系下大地坐标，且通过电子标签的GPS信号转变的坐标位于第一大地坐标中，通过电子标签的射频信号转变的坐标位于第二大地坐标中。整个系统如图2所述，其中连接线表示时间同步线，虚线表示普通网线使仪器之间联系起来。

tag发送查询坐标信息的请求，此时，服务器根据主感应器传输的信号来判断到底是用何种方法进行定位。本方法采用比较权重的方法判断采用GPS信号定位或射频信号之间一种信号进行定位：

计算权重矩阵α，P＝αP₁+(1-α)P₂，其中P为混合信号强度矩阵，P₁为GPS信号强度矩阵，P₂为射频信号强度矩阵；若α＞0.5，则采用GPS信号进行定位；若α＜0.5，则采用射频信号进行定位。

当得知使用GPS进行定位时，采用伪距定位法、载波相位定位法等方式进行定位。

结合图3和图4，当得知使用射频信号进行定位时，采用如下手段进行定位，其中图4中权代表RSSI值的误差范围，圆点代表采集点RSSI值，方点代表电子标签RSSI值：

步骤S1，定义采集点RSSI值的误差范围；

步骤S2，服务器通过主感应器接收到新电子标签发出的射频信号的强度，转换为电子标签所在位置的RSSI值；

步骤S3，服务器遍历RSSI指纹数据库，若电子标签所在位置的RSSI值位于第i个采集点的RSSI值的误差范围内，该采集点权值加1；

步骤S4，选取权值最大的3个采集点及对应的权值，将其权值加权平均后获得新电子标签的全局坐标系下的坐标信息；

步骤S5，建立电子标签与查询坐标之间的路径。

具体地，保存当前待测点检测到的一个AP的信息。AP_db类中保存已知AP的MAC地址、RSSI值和误差(请求的AP中RSSI值为观测值，RSSI误差忽略)，Point类保存每一个采集点的信息包括一个AP_db类的dictionary和采集点的坐标。此外还要定义一个有三个Point元素的最佳点数组。首先有一个formatlnfo函数对请求传入的info信息进行处理，将info信息保存到一个dictionary中，以MAC地址作为键，包含AP信息的AP类作为值。将所有监测点保存到一个Point类构成的list中，Point类的dictionary以MAC为键，以保存釆集点的RSSI信息的AP_db类为值。然后先循环遍历包含所有采集点Point类的list，每次循环时找出待测点的dictionary中的MAC值与Point中dictionary对应MAC值相同的AP对，判断待测点AP的RSSI是否釆集点的RSSI范围内，若在的话则将该Point类权值加一。若该点的权值比最佳点数组中权值最小的点的权值大，则将该点替换原来的最小点。最后，将三个点的坐标加权平均得到最后结果，作为当前位置的实际坐标。

结合图5，一种基于GPS和射频技术的混合定位系统，包括采集点、终端感应器、主感应器、服务器。

采集点，用于接收GPS信号，及发射GPS信号和射频信号；

终端感应器，用于接收GPS信号，及发射GPS信号和射频信号；

主感应器，用于接收并传递区域内采集点、终端感应器发出的GPS信号和射频信号，及接收并传递进入区域的电子标签发射的GPS信号、射频信号和查询终端感应器地址请求；

服务器，用于接收主感应器发射的信号进行如下处理：建立区域全局坐标系，建立终端感应器在全局坐标系中的位置坐标信息，判断采用GPS信号或射频信号进行定位，及生成电子标签与终端感应器之间的路径并将路径通过主感应器发送至电子标签。

服务器具体包括：

全局坐标系单元，根据采集点发射的射频信号的强度信息，采用RSSI分布确定每个采集点的全局坐标系下的坐标信息；

转换单元，将终端感应器发射的GPS信号中WGS-84数据转换为全局坐标系下的第一大地坐标，将终端感应器发射的射频信号中的位置数据转换为全局坐标系下的第二大地坐标；

判断单元，判断电子标签发出的GPS信号和射频信号强度大小，选择信号强度强的一种信号作为定位的信号；

路径生成单元，生成电子标签与终端感应器之间的路径；

RSSI指纹数据库，存储采集点、无线访问接入点的参数信息

通信单元，接收并发送信号数据。

路径生成单元包括：

一个对电子标签发出的射频信号强度转换为电子标签所在位置RSSI值的处理模块；

一个调用RSSI指纹数据库中RSSI值的误差范围与电子标签所在位置RSSI值进行比较的工作模块，所述工作模块是利用一个比较程序，用于当电子标签所在位置的RSSI值位于第i个采集点的RSSI值的误差范围内，该采集点权值加1；

一个存储采集点权值的缓存模块；

一个运算获得电子标签的全局坐标系下的坐标信息的运算模块，所述运算模块是利用一个运算程序选取缓存模块中最大的3个采集点及对应的权值进行权值加权平均后获得电子标签的全局坐标系下的坐标信息；

一个建立电子标签与查询坐标之间的路径的路径生成模块。

RSSI指纹数据库主要包括以下3个类：

集点表：包括每个采集点的ID、坐标，由采集点ID作为主键；

无线访问接入点表：包括每个无线访问接入点的ID、MAC、坐标，由无线访问接入点的ID作为主键；

采集点RSSI表：包括每个采集点采集到的无线访问接入点信息，由采集点的ID采集点RSSI表和无线访问接入点的ID作为主键，保存每个无线访问接入点在每个采集点上的RSSI均值和误差范围。

Claims (10)

1.一种基于GPS和射频技术的混合定位方法，其特征在于，包括：

服务器存储区域内采集点的全局坐标系下的坐标信息，建立RSSI指纹数据库；

区域内不同终端感应器通过无线访问接入点发射GPS信号和射频信号混合信号给主感应器，主感应器将混合信号传输至服务器并存储；

服务器将GPS信号中的位置数据和射频信号中的位置数据转换为全局坐标系下的坐标信息；

主感应器接收进入区域的新电子标签查询坐标信息的请求，根据GPS信号和射频信号强度大小选择采用其中一种信号进行定位，并调用服务器的坐标信息并向终端感应器发送。

2.根据权利要求1所述的基于GPS和射频技术的混合定位方法，其特征在于，服务器获得采集点发射的射频信号的强度信息，采用RSSI分布确定每个采集点的全局坐标系下的坐标信息。

3.根据权利要求1所述的基于GPS和射频技术的混合定位方法，其特征在于，RSSI指纹数据库包括采集点表、无线访问接入点表和采集点RSSI表：

所述采集点表包括每个采集点的ID、坐标，由采集点ID作为主键；

所述无线访问接入点表包括每个无线访问接入点的ID、MAC、坐标，由无线访问接入点的ID作为主键；

采集点RSSI表包括每个采集点采集到的无线访问接入点信息，由采集点的ID和无线访问接入点的ID作为主键，保存每个无线访问接入点在每个采集点上的RSSI均值和误差范围。

4.根据权利要求2或3所述的基于GPS和射频技术的混合定位方法，其特征在于，

将不同终端感应器发射的GPS信号中的WGS-84数据转换为全局坐标系下的第一大地坐标；

将不同终端感应器发射的射频信号中的位置数据转换为全局坐标系下的第二大地坐标。

5.根据权利要求4所述的基于GPS和射频技术的混合定位方法，其特征在于，采用比较权重的方法判断采用GPS信号定位或射频信号之间一种信号进行定位的具体方法为：

计算权重矩阵α，P＝αP₁+(1-α)P₂，其中P为混合信号强度矩阵，P₁为GPS信号强度矩阵，P₂为射频信号强度矩阵；若α＞0.5，则采用GPS信号进行定位；若α＜0.5，则采用射频信号进行定位。

6.根据权利要求5所述的基于GPS和射频技术的混合定位方法，其特征在于，新电子标签发射GPS信号和/或射频信号混合信号给主感应器，服务器将电子标签的GPS信号和射频信号中的位置数据将转换为全局坐标系下的坐标；通过电子标签的GPS信号转变的坐标位于第一大地坐标中，通过电子标签的射频信号转变的坐标位于第二大地坐标中。

7.根据权利要求6所述的基于GPS和射频技术的混合定位方法，其特征在于，若采用射频信号进行定位，具体过程为：

步骤S1，定义采集点RSSI值的误差范围；

步骤S2，服务器通过主感应器接收到新电子标签发出的射频信号的强度，转换为电子标签所在位置的RSSI值；

步骤S3，服务器遍历RSSI指纹数据库，若电子标签所在位置的RSSI值位于第i个采集点的RSSI值的误差范围内，该采集点权值加1；

步骤S4，选取权值最大的3个采集点及对应的权值，将其权值加权平均后获得新电子标签的全局坐标系下的坐标信息；

步骤S5，建立电子标签与查询坐标之间的路径。

8.一种基于GPS和射频技术的混合定位系统，其特征在于，包括：

采集点，用于接收GPS信号，及发射GPS信号和射频信号；

终端感应器，用于接收GPS信号，及发射GPS信号和射频信号；

主感应器，用于接收并传递区域内采集点、终端感应器发出的GPS信号和射频信号，及接收并传递进入区域的电子标签发射的GPS信号、射频信号和查询终端感应器地址请求；

服务器，用于接收主感应器发射的信号进行如下处理：建立区域全局坐标系，建立终端感应器在全局坐标系中的位置坐标信息，判断采用GPS信号或射频信号进行定位，及生成电子标签与终端感应器之间的路径并将路径通过主感应器发送至电子标签。

9.根据权利要求8所述的基于GPS和射频技术的混合定位系统，其特征在于，服务器具体包括：

全局坐标系单元，根据采集点发射的射频信号的强度信息，采用RSSI分布确定每个采集点的全局坐标系下的坐标信息；

转换单元，将终端感应器发射的GPS信号中WGS-84数据转换为全局坐标系下的第一大地坐标，将终端感应器发射的射频信号中的位置数据转换为全局坐标系下的第二大地坐标；

判断单元，判断电子标签发出的GPS信号和射频信号强度大小，选择信号强度强的一种信号作为定位的信号；

路径生成单元，生成电子标签与终端感应器之间的路径；

RSSI指纹数据库，存储采集点、无线访问接入点的参数信息

通信单元，接收并发送信号数据。

10.根据权利要求9所述的基于GPS和射频技术的混合定位系统，其特征在于，路径生成单元包括：

一个对电子标签发出的射频信号强度转换为电子标签所在位置RSSI值的处理模块；

一个调用RSSI指纹数据库中RSSI值的误差范围与电子标签所在位置RSSI值进行比较的工作模块，所述工作模块是利用一个比较程序，用于当电子标签所在位置的RSSI值位于第i个采集点的RSSI值的误差范围内，该采集点权值加1；

一个存储采集点权值的缓存模块；

一个运算获得电子标签的全局坐标系下的坐标信息的运算模块，所述运算模块是利用一个运算程序选取缓存模块中最大的3个采集点及对应的权值进行权值加权平均后获得电子标签的全局坐标系下的坐标信息；

一个建立电子标签与查询坐标之间的路径的路径生成模块。