CN105072682A - 一种gnss与wifi组合定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种GNSS与WIFI组合定位方法及系统，结合至少3个经GNSS位置服务进行定位的信标节点或由WIFI获得定位的参考节点，来解算本节点的相对位置信息，然后上传以更新中心服务器上带时间戳的位置信息，并将之广播以便于其他节点搜索利用。移动设备在接收到周围的节点位置广播信息后，通过RSSI定位方式间接获取自身位置信息，从而实现组合定位。该组合定位方式解决了WIFI热点本身位置获取困难的问题，在提高定位精度与增强实际可用性方面有很大作用。

Description

一种GNSS与WIFI组合定位方法及系统

技术领域

本发明涉及一种GNSS与WIFI组合定位方法及系统，属于多传感器数据融合的技术领域。

背景技术

随着移动通信技术的迅猛发展，数据和多媒体业务也在快速增加，基于位置的服务(LBS)越来越受大众青睐。室外应用比如车载定位系统，在实时获得车辆位置信息后，LBS会提供路况信息，从而方便司机选择交通负载较轻的路径；而在某些复杂的室内环境下，如餐馆、仓库、超市、隧道、停车场等，当需要确定移动终端持有者、设施或物品所在位置信息时，LBS亦可发挥极大作用。由此可见，LBS系统正日益深入人们的日常活动中，使生活更加便捷。

按使用范围，LBS可划分为室外定位和室内定位，下面分别介绍其实现原理。

1.室外定位

以车载定位系统为例，其主要利用GNSS无线电信号来实现全球覆盖，用作定位时还有卫星有效覆盖范围大、定位导航信号免费的优势。但在实际使用中，因GNSS卫星发射的无线电信号较弱，难以穿透大部分建筑物(都市里表现为楼宇)，而存在卫星信号传播困难，极易造成GNSS系统定位不准的问题。

2.室内定位

目前新型的室内定位技术有多种，根据实现原理的不同分为基于移动通信系统的定位技术、短距离传输定位技术、基于无线局域网WLAN的定位技术及包含自主传感器的定位技术。

基于无线局域网络的定位方法目前主要有以下几种：第一种类似移动通信网络Cell-ID技术，叫做接入点识别AP-ID。工作方式可理解为，具有WIFI功能的移动终端一旦与某个AP建立连接，即以该AP的位置估计行人位置，但此方法定位精度不高；第二种是通过接收信号的强度或到达时间的延迟程度进行测距，并用三角测量方法计算出行人的位置；第三种是WLAN定位技术中目前最受关注的基于RSSI的指纹图技术，它根据接收信号的强度指示RSSI来定位，这种技术先将安装有无线网络接入点的定位场景划分为一个个网格，然后测量每个网格中心的接收信号强度，建立RSSI指纹数据库。在实时导航中，根据用户终端接收的无线网络信号强度，利用有关算法估算出用户位置。但这种方法需事先建立RSSI数据库，其精度也取决于网格划分的大小、每个网格采集的接收信号强度和采用的定位算法，如果网格划分足够小，精度甚至可达1-3米。此外值得注意的是，WLAN定位技术得以实现的关键是获取多个AP热点的精确位置，进而才能建立相应的位置服务数据库。

当前位置数据库中的数据主要来源于两处：其一是用户提交的数据，Android手机用户可选择是否允许使用Google的定位服务，如允许，其位置信息就会被谷歌收集到；iPhone用户则会自动收集WIFI的MAC地址、GPS位置信息、运营商基站编码等，并传给苹果公司的服务器。其二是谷歌、Skyhook两家位置服务提供商主动搜集到的WIFI热点的位置信息，如Google街景拍摄车，就有一重要功能，即沿途采集无线信号，在打上由GPS定位出的坐标后回传至服务器，而Skyhook在美国及欧洲一些国家也是直接开着信号采集车采集AP和基站的信号数据。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种GNSS与WIFI组合定位方法。

本发明还提供实现上述定位方法的系统。

本发明所述的方法和系统的定位精度高，不仅能有效克服现有定位设备在GNSS信号被遮挡环境下定位误差大以致失效的问题，还能克服现有室内定位参考节点自身精度不高、分布不均、信号采集难的问题。

本发明的技术方案如下：

一种GNSS与WIFI组合定位方法，包括步骤如下：

其中，在部署的WIFI网络的AP定位节点中，根据所述AP定位节点是否已知自身的位置及获取自身位置的方式，将所述AP定位节点分为信标节点、参考节点和未知节点：

所述信标节点：是已知自身位置的AP定位节点，在网络节点中所占的比例很小；

所述参考节点：是自身不能确定自身的位置，通过相邻节点来获取自身在WIFI网络中所处的相对位置，进而通过计算获取自身的位置的节点；

所述未知节点：是不能通过自身获取位置，也不能通过邻居节点获取在WIFI网络中的相对位置的处在实时位置未知状态的AP定位节点；

所述的邻居节点：是在AP定位节点通信半径内的所有其他AP定位节点。

在网络中，每一个AP定位节点都有一个全网唯一的设备标识ID，在自身获取位置信息后，通过网络向外广播自身的位置信息，并向邻居节点或者移动终端设备提供定位参考服务；

中心位置服务器中运行着AP定位节点位置数据库，实时接收并更新来自各个节点通过网络上传的自身位置信息和精准时间同步信息及运行状态信息，在中心位置数据表服务中完成各种AP定位节点设备的注册；

当有设备需要查询所述AP定位节点的位置信息时，中心位置服务器会向所述设备下发相关的AP定位节点信息；

(1)信标节点获取位置：

依据现有的卫星定位技术，在考虑到卫星和接收机时间不同步后，需要引入标准时间，这就要有4颗卫星才能求解方程，以期获得经度、纬度、高度的准确定位；

在部署的众多AP定位节点中，其中单个节点只有接收到4颗及以上卫星的信号，即GNSS信号无遮挡的情况下，才可通过GNSS定位模块精确定位；

在部署的AP定位节点中，若单个AP定位节点接收GNSS信号并通过GNSS定位模块进行定位和授时，则所述AP定位节点即为信标节点；

所述信标节点将自身获取的位置信息、精准时间信息及运行状态信息通过网络上传至中心位置服务器，在中心位置数据表服务中完成信标节点的注册，从而向其他设备提供精准的位置参考信息；

(2)定义未知节点：

据前所述，若部署的AP定位节点收到少于4颗卫星信号，则无法经由GNSS来精确地定位，并且还未经过其它途径获取自身的实时位置数据；

当所述AP定位节点处于位置未知的状态，则所述AP定位节点为未知节点；

(3)定义参考节点：

若部署的AP定位节点无法通过GNSS定位，但通过周边的邻居节点提供的定位参考服务获取自身在网络中的相对位置信息，并通过计算获取自身的位置信息，则所述AP定位节点为参考节点；

参考节点可以通过邻居节点提供的定位参考服务获取自身的位置信息，也可以同信标节点一样对外提供定位参考服务；

当其周边的网络不足，即没有邻居节点时，所述参考信息则因失去自身位置信息而降级为未知节点；

(4)未知节点定位升级为参考节点：

未知节点在通过邻居节点提供的定位参考服务完成自身位置估计后并将自身升级为参考节点的过程中，采用的是基于接收信号强度RSSI的定位：

已知邻居节点的发射信号强度，接收节点，即未知节点根据收到的信号的强度，计算出信号的传播损耗，利用理论和经验模型将传输损耗转化为距离，再通过已有的三边测距算法计算出未知节点的位置；

以RSSI定位使用的三边测距定位算法为准，当步骤(2)中所述未知节点接收到3个或以上信标节点信号时，则所述未知节点经计算后实现定位，同时将获取到的位置信息上传至中心位置服务器，并且将此未知节点升级为参考节点；

当所述未知节点接收到信标节点或参考节点信号的总数合计达3个及以上时，则所述未知节点由所获节点信号实现定位，并将得到的位置信息上传至中心位置服务器，所述未知节点亦升级为参考节点；

(5)终端设备定位：

当有终端设备闯入WIFI网络时，所述移动终端设备在WIFI网络中成为移动节点，相当于所述未知节点，但是不会在获取自身位置信息后升级为参考节点；

所述移动节点通过RSSI定位方法获得自身在WIFI网络中的位置信息，通过安装在移动终端设备上的位置服务软件获取其自身位置坐标，并能在相应的地图服务中显示出位置信息。

根据本发明优选的，所述GNSS与WIFI组合定位方法，还包括步骤(6)实际环境应用：

在所述WIFI网络覆盖区域内的移动终端设备利用WIFI网络进行定位，并以该范围内捕获的AP定位节点位置信息，实现对整个区域内移动终端设备的定位；

在WIFI网络覆盖范围内的终端设备，首先与离其最近的AP定位节点进行通信，当该AP定位节点为信标节点或参考节点时，则移动终端设备的位置信息与之相同；当该AP定位节点为未知节点时，移动终端设备跳转至相邻的AP定位节点，并与其通信，直到获得的AP定位节点为信标节点或参考节点为止，即，确定所述移动终端设备的位置信息。

根据本发明优选的，定义为信标节点的AP定位节点，当其位置信息发生变更时，重复步骤(1)-(4)，对该WIFI网络下的AP定位节点的重新定义，并即时更新位置信息。

实现上述定位方法的系统，包括GNSS定位模块、辅助定位模块、WIFI网关模块和电源模块；

所述GNSS定位模块：包括GPS与北斗(BD)双模接收机模块，利用定位天线(GNSS信号天线)接收卫星信号并输出位置信息，利用串口与WIFI网关模块进行通信；

所述辅助定位模块：包括气压计模块和磁力计模块，气压计模块通过测量节点所处大气气压辅助测量高度，磁力计模块用于测量AP定位节点放置方向的磁场强度，从而辅助测量设备的设置方向，两个辅助定位模块均通过I²C接口与WIFI网关模块进行通信；

所述WIFI网关模块包括：上层应用部、具有无线射频功能的嵌入式处理器、内存、Flash和射频控制开关；所述上层应用部包括GNSS位置服务、WIFI定位服务、节点协同服务和网络服务，其中GNSS位置服务处理由串口传输的AP定位节点位置信息，通过消抖滤波算法去除GNSS飞点，并将当前位置信息与以往位置信息进行比较，若有变化，则存储并向中心数据库上传带有时间戳的位置信息数据包，用以更改此AP定位节点在中心数据库里的位置信息记录表；所述具有无线射频功能的嵌入式处理器为MCU嵌入式Linux操作系统。

所述电源模块向GNSS定位模块、辅助定位模块和WIFI网关模块供电，并根据网络传来的指令或自储的预设规则对供电实施控制。

本发明优势在于：

本发明结合至少3个经GNSS位置服务进行定位的信标节点或由WIFI获得定位的参考节点，来解算本节点的相对位置信息，然后上传以更新中心服务器上带时间戳的位置信息，并将之广播以便于其他节点搜索利用。移动设备在接收到周围的节点位置广播信息后，通过RSSI定位方式间接获取自身位置信息，从而实现组合定位。该组合定位方式解决了WIFI热点本身位置获取困难的问题，在提高定位精度与增强实际可用性方面有很大作用。

本发明所述系统系统分为AP网关节点和中心位置服务器两大部分，AP网关节点由GNSS定位模块、辅助定位模块、WIFI网关模块、电源模块共四部分构成。文中提及的节点协同服务，是指某一节点在服务器中保存位置信息后将本节点作为信标节点，来向未知节点提供WIFI定位服务。而所在网络应具有路由器和无线AP的功能，允许用户通过网关模块正常上网，同时也能实现节点位置服务与中心位置服务器的数据交换。

附图说明

图1是本发明所述系统的结构连接图；

在图1中，1为WIFI网关模块，2为WIFI信号天线，3为网络服务，4为节点协同服务，5为WIFI定位服务，6为GNSS位置服务，7为GNSS定位模块，8为GNSS信号天线，9为GPS/BD双模接收机模块，10为辅助定位模块，11为气压计模块，12为磁力计模块，13为电源模块，14为存储，15为MCU嵌入式Linux操作系统，16为RS232接口，17为PCI-e接口，18为USB接口，19为RJ45接口。

图2是本发明所述定位方法的定位节点分布示意图；

图3是本发明采用WIFI定位技术的AP定位节点原理示意图，其中M代表信标节点，R代表参考节点，S代表未知节点，P代表移动终端设备。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

如图1-2所示。

实施例1、

一种GNSS与WIFI组合定位方法，包括步骤如下：

其中，在部署的WIFI网络的AP定位节点中，根据所述AP定位节点是否已知自身的位置及获取自身位置的方式，将所述AP定位节点分为信标节点、参考节点和未知节点：

所述信标节点：是已知自身位置的AP定位节点，在网络节点中所占的比例很小；

所述参考节点：是自身不能确定自身的位置，通过相邻节点来获取自身在WIFI网络中所处的相对位置，进而通过计算获取自身的位置的节点；

所述未知节点：是不能通过自身获取位置，也不能通过邻居节点获取在WIFI网络中的相对位置的处在实时位置未知状态的AP定位节点；

所述的邻居节点：是在AP定位节点通信半径内的所有其他AP定位节点。

在网络中，每一个AP定位节点都有一个全网唯一的设备标识ID，在自身获取位置信息后，通过网络向外广播自身的位置信息，并向邻居节点或者移动终端设备提供定位参考服务；

中心位置服务器中运行着AP定位节点位置数据库，实时接收并更新来自各个节点通过网络上传的自身位置信息和精准时间同步信息及运行状态信息，在中心位置数据表服务中完成各种AP定位节点设备的注册；

当有设备需要查询所述AP定位节点的位置信息时，中心位置服务器会向所述设备下发相关的AP定位节点信息；

(1)信标节点获取位置：

依据现有的卫星定位技术，在考虑到卫星和接收机时间不同步后，需要引入标准时间，这就要有4颗卫星才能求解方程，以期获得经度、纬度、高度的准确定位；

在部署的众多AP定位节点中，其中单个节点只有接收到4颗及以上卫星的信号，即GNSS信号无遮挡的情况下，才可通过GNSS定位模块精确定位；

在部署的AP定位节点中，若单个AP定位节点接收GNSS信号并通过GNSS定位模块进行定位和授时，则所述AP定位节点即为信标节点；

所述信标节点将自身获取的位置信息、精准时间信息及运行状态信息通过网络上传至中心位置服务器，在中心位置数据表服务中完成信标节点的注册，从而向其他设备提供精准的位置参考信息；

(2)定义未知节点：

据前所述，若部署的AP定位节点收到少于4颗卫星信号，则无法经由GNSS来精确地定位，并且还未经过其它途径获取自身的实时位置数据；

当所述AP定位节点处于位置未知的状态，则所述AP定位节点为未知节点；

(3)定义参考节点：

若部署的AP定位节点无法通过GNSS定位，但通过周边的邻居节点提供的定位参考服务获取自身在网络中的相对位置信息，并通过计算获取自身的位置信息，则所述AP定位节点为参考节点；

参考节点可以通过邻居节点提供的定位参考服务获取自身的位置信息，也可以同信标节点一样对外提供定位参考服务；

当其周边的网络不足，即没有邻居节点时，所述参考信息则因失去自身位置信息而降级为未知节点；

(4)未知节点定位升级为参考节点：

未知节点在通过邻居节点提供的定位参考服务完成自身位置估计后并将自身升级为参考节点的过程中，采用的是基于接收信号强度RSSI的定位：

已知邻居节点的发射信号强度，接收节点，即未知节点根据收到的信号的强度，计算出信号的传播损耗，利用理论和经验模型将传输损耗转化为距离，再通过已有的三边测距算法计算出未知节点的位置；

以RSSI定位使用的三边测距定位算法为准，当步骤(2)中所述未知节点接收到3个或以上信标节点信号时，则所述未知节点经计算后实现定位，同时将获取到的位置信息上传至中心位置服务器，并且将此未知节点升级为参考节点；

当所述未知节点接收到信标节点或参考节点信号的总数合计达3个及以上时，则所述未知节点由所获节点信号实现定位，并将得到的位置信息上传至中心位置服务器，所述未知节点亦升级为参考节点；

(5)终端设备定位：

当有终端设备闯入WIFI网络时，所述移动终端设备在WIFI网络中成为移动节点，相当于所述未知节点，但是不会在获取自身位置信息后升级为参考节点；

所述移动节点通过RSSI定位方法获得自身在WIFI网络中的位置信息，通过安装在移动终端设备上的位置服务软件获取其自身位置坐标，并能在相应的地图服务中显示出位置信息。

所述GNSS与WIFI组合定位方法，还包括步骤(6)实际环境应用：

在所述WIFI网络覆盖区域内的移动终端设备利用WIFI网络进行定位，并以该范围内捕获的AP定位节点位置信息，实现对整个区域内移动终端设备的定位；

在WIFI网络覆盖范围内的终端设备，首先与离其最近的AP定位节点进行通信，当该AP定位节点为信标节点或参考节点时，则移动终端设备的位置信息与之相同；当该AP定位节点为未知节点时，移动终端设备跳转至相邻的AP定位节点，并与其通信，直到获得的AP定位节点为信标节点或参考节点为止，即，确定所述移动终端设备的位置信息。

根据本发明优选的，定义为信标节点的AP定位节点，当其位置信息发生变更时，重复步骤(1)-(4)，对该WIFI网络下的AP定位节点的重新定义，并即时更新位置信息。

实施例2、

如实施例1所述定位方法的系统，包括GNSS定位模块、辅助定位模块、WIFI网关模块和电源模块；

所述GNSS定位模块：包括GPS与北斗(BD)双模接收机模块，利用定位天线(GNSS信号天线)接收卫星信号并输出位置信息，利用串口与WIFI网关模块进行通信；

所述辅助定位模块：包括气压计模块和磁力计模块，气压计模块通过测量节点所处大气气压辅助测量高度，磁力计模块用于测量AP定位节点放置方向的磁场强度，从而辅助测量设备的设置方向，两个辅助定位模块均通过I²C接口与WIFI网关模块进行通信；

所述WIFI网关模块包括：上层应用部、具有无线射频功能的嵌入式处理器、内存、Flash和射频控制开关；所述上层应用部包括GNSS位置服务、WIFI定位服务、节点协同服务和网络服务，其中GNSS位置服务处理由串口传输的AP定位节点位置信息，通过消抖滤波算法去除GNSS飞点，并将当前位置信息与以往位置信息进行比较，若有变化，则存储并向中心数据库上传带有时间戳的位置信息数据包，用以更改此AP定位节点在中心数据库里的位置信息记录表；所述具有无线射频功能的嵌入式处理器为MCU嵌入式Linux操作系统。

所述电源模块向GNSS定位模块、辅助定位模块和WIFI网关模块供电，并根据网络传来的指令或自储的预设规则对供电实施控制。

本发明中的AP网关节点设备如图1所示，包括WIFI网关模块、GNSS定位模块、辅助定位模块和电源模块，在定位过程中的工作流程如下：

Step1：AP网关节点在开机上电自检后，会启动MCU上运行的嵌入式Linux操作系统和AP最基本的网络服务(包括有线路由和无线路由功能)，若想启用定位功能，则AP网关节点还会开启GNSS位置服务、WIFI定位服务、节点协同服务等应用程序；

Step2：AP网关节点开启GNSS位置服务后，会通过GNSS定位模块来进行定位。若GNSS定位成功，那么AP网络节点会储存定位结果，并经过历史数据滤波算出稳定准确的位置数据；若定位失败，则会使用WIFI定位服务进行定位。开启WIFI定位服务后，会通过WIFI信号天线搜寻相邻的WIFI信号，并用相关定位算法求解定位；

Step3：当AP网络节点由GNSS位置服务或WIFI定位服务获得自身位置信息后，会将其上传至中心位置服务器，开启节点协同服务，并广播其自身于服务器中的位置坐标，为周围的未知节点(如手机等移动设备)提供RSSI定位服务；

Step4：移动设备一进入定位区域内，即自启网络定位服务，来搜索周围的WIFI信号，并接收多个AP网络节点广播的位置坐标，从而进行RSSI定位，最终获取自身的绝对位置坐标。

Claims (4)

1.一种GNSS与WIFI组合定位方法，其特征在于，所述定位方法包括步骤如下：

(1)信标节点获取位置：

在部署的AP定位节点中，若单个AP定位节点接收GNSS信号并通过GNSS定位模块进行定位和授时，则所述AP定位节点即为信标节点；

所述信标节点将自身获取的位置信息、精准时间信息及运行状态信息通过网络上传至中心位置服务器，在中心位置数据表服务中完成信标节点的注册，从而向其他设备提供精准的位置参考信息；

(2)定义未知节点：

当所述AP定位节点处于位置未知的状态，则所述AP定位节点为未知节点；

(3)定义参考节点：

若部署的AP定位节点无法通过GNSS定位，但通过周边的邻居节点提供的定位参考服务获取自身在网络中的相对位置信息，并通过计算获取自身的位置信息，则所述AP定位节点为参考节点；

当其周边的网络不足，即没有邻居节点时，所述参考信息则因失去自身位置信息而降级为未知节点；

(4)未知节点定位升级为参考节点：

未知节点在通过邻居节点提供的定位参考服务完成自身位置估计后并将自身升级为参考节点的过程中，采用的是基于接收信号强度RSSI的定位：

已知邻居节点的发射信号强度，接收节点，即未知节点根据收到的信号的强度，计算出信号的传播损耗，利用理论和经验模型将传输损耗转化为距离，再通过已有的三边测距算法计算出未知节点的位置；

以RSSI定位使用的三边测距定位算法为准，当步骤(2)中所述未知节点接收到3个或以上信标节点信号时，则所述未知节点经计算后实现定位，同时将获取到的位置信息上传至中心位置服务器，并且将此未知节点升级为参考节点；

当所述未知节点接收到信标节点或参考节点信号的总数合计达3个及以上时，则所述未知节点由所获节点信号实现定位，并将得到的位置信息上传至中心位置服务器，所述未知节点亦升级为参考节点；

(5)终端设备定位：

当有终端设备闯入WIFI网络时，所述移动终端设备在WIFI网络中成为移动节点，相当于所述未知节点，但是不会在获取自身位置信息后升级为参考节点；

所述移动节点通过RSSI定位方法获得自身在WIFI网络中的位置信息，通过安装在移动终端设备上的位置服务软件获取其自身位置坐标，并能在相应的地图服务中显示出位置信息。

2.根据权利要求1所述的一种GNSS与WIFI组合定位方法，其特征在于，所述GNSS与WIFI组合定位方法，还包括步骤(6)实际环境应用：

在所述WIFI网络覆盖区域内的移动终端设备利用WIFI网络进行定位，并以该范围内捕获的AP定位节点位置信息，实现对整个区域内移动终端设备的定位；

在WIFI网络覆盖范围内的终端设备，首先与离其最近的AP定位节点进行通信，当该AP定位节点为信标节点或参考节点时，则移动终端设备的位置信息与之相同；当该AP定位节点为未知节点时，移动终端设备跳转至相邻的AP定位节点，并与其通信，直到获得的AP定位节点为信标节点或参考节点为止，即，确定所述移动终端设备的位置信息。

3.根据权利要求1所述的一种GNSS与WIFI组合定位方法，其特征在于，定义为信标节点的AP定位节点，当其位置信息发生变更时，重复步骤(1)-(4)，对该WIFI网络下的AP定位节点的重新定义，并即时更新位置信息。

4.实现如权利要求1-3任意一项所述定位方法的系统，其特征在于，该系统包括GNSS定位模块、辅助定位模块、WIFI网关模块和电源模块；

所述GNSS定位模块：包括GPS与北斗(BD)双模接收机模块，利用定位天线(GNSS信号天线)接收卫星信号并输出位置信息，利用串口与WIFI网关模块进行通信；

所述辅助定位模块：包括气压计模块和磁力计模块，气压计模块通过测量节点所处大气气压辅助测量高度，磁力计模块用于测量AP定位节点放置方向的磁场强度，从而辅助测量设备的设置方向，两个辅助定位模块均通过I²C接口与WIFI网关模块进行通信；

所述WIFI网关模块包括：上层应用部、具有无线射频功能的嵌入式处理器、内存、Flash和射频控制开关；所述上层应用部包括GNSS位置服务、WIFI定位服务、节点协同服务和网络服务，其中GNSS位置服务处理由串口传输的AP定位节点位置信息，通过消抖滤波算法去除GNSS飞点，并将当前位置信息与以往位置信息进行比较，若有变化，则存储并向中心数据库上传带有时间戳的位置信息数据包，用以更改此AP定位节点在中心数据库里的位置信息记录表；所述具有无线射频功能的嵌入式处理器为MCU嵌入式Linux操作系统。