CN106454722A - 一种移动通信终端基于地图匹配的动态差分定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种移动通信终端基于地图匹配的动态差分定位方法。包括如下步骤：获取周围基站信息；根据获取的基站信息，利用基站信息数据库查找周围基站点的经纬度坐标；计算移动通信终端的经纬度坐标；根据移动通信终端的经纬度坐标，在地图中标注其位置，去除偏离拟合轨迹较大的历史位置坐标后将剩余历史位置拟合形成运动轨迹；对比所拟合的运动轨迹与地图的道路的方向角与距离差，匹配最接近的街道道路，并剔除运动轨迹上偏离所匹配道路较大的位置点；将标准路径在地图上绘制，重复执行前述步骤。本发明采用差分的方式进行数据拟合，使得定位更加精确，同时也降低了定位所成本，有效解决基站定位导航难的问题。

Description

一种移动通信终端基于地图匹配的动态差分定位方法
技术领域
本发明涉及移动通信终端定位技术领域，特别涉及一种移动通信终端基于地图匹配的动态差分定位方法。
背景技术
移动定位技术有两种，一种是基于GPS的定位，一种是基于移动运营网的基站的定位。现今手机地图、车载导航等各种需要利用定位系统的技术，大都采用基于GPS的定位。但同时也有相当一部分用户不愿意打开GPS，使用GPS卫星定位系统。GPS功能有时会在用户不知情的情况下被分享位置信息，造成用户的信息泄露。在GPS存在安全隐患的情况下，利用手机基站定位就不失为一种替代的好方法，此外，利用基站进行定位相比较基于GPS的定位而言，前者还具有成本更低、可以实现在室内定位、不需要用户的手机拥有GPS模块等优势。
基站定位则是利用基站对手机的距离的测算距离来确定手机位置的。不需要手机具有GPS定位能力，但是精度很大程度依赖于基站的分布及覆盖范围的大小，有时误差会超过一公里。此外还有利用Wifi在小范围内定位的方式。
现在移动定位技术的应用已经越来越广泛。专门的移动定位系统可以用来对人员、事件和物品进行定位，以满足移动执法、移动办公、运输业、物流业、旅游业、国土资源调查等行业的定位需求。
随着科技的日益发展，近年来无线定位服务逐渐也成为信息服务的热点。各种定位方式浮现，其中GPS广为人们熟悉。GPS定位本质就是GPS接收器对两颗卫星到达的bit流进行位运算（位模式比较），得到两卫星的信号到达GPS接收器的时间差（bit数），根据传播速度计算两颗卫星的距离差，最后得出计算出经纬度。
基于讨论过GPS带来的信息泄露的弊端，WiFi能够减轻这方面的弊端，因此正逐渐兴起。基于每一个无线AP都有全球唯一的MAC地址，故移动设备端在开启WIFI的情况下，扫描周围的AP信号都可以获取一个MAC地址，位置服务器再将信号的强弱与地理位置相结合，计算移动设备所在的地理位置并返回信息给用户设备。同样得到关注的还有蓝牙定位，其广泛应用于室内定位，利用搭载蓝牙4.0模块的终端设备收到beacon广播报文后，测量出接收功率，带入到功率衰减与距离关系的函数中，测算出距离该beacon基站的距离。
基站定位，也是通过运营商的网络获取移动终端用户的经纬度坐标等位置信息。首先，由移动端发送请求，获取邻区基站的信息，根据反馈给移动端邻区基站信息，利用基站信息数据库查找周围基站点的经纬度坐标；根据获取的周围基站的经纬度坐标，通过处理移动端单点对应的多个邻区基站经纬度，使用简易信道模型和距离与信号强度关系来计算经纬度信息，来获取最终移动客户端的经纬度坐标信息，实现手机基站定位。
目前，网络，终端以及多种技术互相集合成为移动定位的主流。不断的改进原有技术以及对新技术的研发来提高定位的精度。虽然目前的移动定位技术已经基本上能够满足广大用户的需求，但其精度和安全性方面仍有许多待提高的空间。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种移动通信终端基于地图匹配的动态差分定位方法。基站定位的方法虽然不需要用户购买额外的硬件（目前移动通信市场已经达到人手一部手机的程度），也不需要用户额外的操作（如，打开GPS功能），实现方便，廉价，但是静态基站定位误差比较大，更不用说移动的车载系统的定位。我们认为动态轨迹的定位跟踪可以不依赖准确的静态位置定位，而且车辆的运动有其规律，必须沿着道路行走，结合地图信息，可以在粗误差静态定位下实现准确的动态轨迹定位和跟踪。本项目拟通过动态差分轨迹的变化，结合地图匹配，提高粗误差静态基站定位的动态准确度。
本发明的目的通过如下技术方案实现。
一种新型的基于地图匹配的动态差分定位方法，包括以下步骤：
S1、移动通信终端扫描所有通信信道并获取周围基站的信息，包括MMC（MobileCountry Code，移动国家代码）、MNC（Mobile Network Code，移动网络号码）、CID（CellIdentity，基站编号）、LAC（Location Area Code，位置区域码）、RSSI（Received SignalStrength Indication，接收的信号强度）；
S2、根据获取的基站信息，利用基站信息数据库查找周围基站点的经纬度坐标；
S3、根据无线信道模型、周围基站的信号强度及其经纬度坐标，计算移动通信终端的经纬度坐标；
S4、根据移动通信终端的经纬度坐标，在地图中标注其位置，去除偏离拟合轨迹较大的历史位置坐标后将剩余历史位置拟合形成运动轨迹；
S5、对比所拟合的运动轨迹与地图的道路的方向角与距离差，匹配最接近的街道道路，并剔除运动轨迹上偏离所匹配道路较大的位置点；
S6、周期性重复以上步骤。
优选的，所述的移动通信终端基于地图匹配的动态差分定位方法，其特征在于，步骤S3所述经纬度坐标计算可采用以下方法：根据以下距离与信号强度的关系：
计算步骤S1所扫描到的所有基站与移动终端的距离(M：代表在距离一米时的信号强度；N：代表环境对信号的衰减系数，视具体环境而定的)。再将步骤S2得到的各基站经纬度经过1/d的加权平均后的值作为手机终端的位置经纬度，具体计算公式如下，
其中，Lon i , Lat i 与d i 为各基站的经纬度和距离。
优选的，所述的移动通信终端基于地图匹配的动态差分定位方法，其特征在于：步骤S4所述最近历史位置是步骤S1-S5周期性记录并剔除异常位置后的的位置坐标，包括移动通信终端移动最近移动一定距离所记录的所有位置坐标或者移动通信终端运动一段时间所记录的所有位置坐标。
优选的，所述的移动通信终端基于地图匹配的动态差分定位方法，其特征在于，步骤S4所述去除偏离拟合轨迹较大的坐标位置可采用以下方法：经纬度与历史数据平均值的绝对差值满足以下条件，则提出改位置点，
其中Lat(Lon)mob为移动端的经纬度；Lat(Lon)ava为历史数据移动端经纬度平均值；Lat(Lon)standardeviation为标准偏差；XnShawn为肖维勒系数，K为历史数据量，可以用下面的近似公式求解：
。
优选的，所述的移动通信终端基于地图匹配的动态差分定位方法，其特征在于，步骤S3所述历史位置点运动轨迹拟合可采用分段分组直线拟合的方法，即每M个连续历史位置点为一组，将运动轨迹分段，每一个分段进行直线拟合。
优选的，所述的移动通信终端基于地图匹配的动态差分定位方法，其特征在于，步骤S5对地图的街道和步骤S4拟合的轨迹进行匹配，匹配条件如下：1）距离差值在一定范围（50米）；2）方向角差值在一定范围（5度以内）。若有多条街道满足以上条件，则将距离差和方向角最小的街道标识为当前周期获取的手机终端运动轨迹，最新位置点为其当前定位坐标。
优选的，所述的移动通信终端基于地图匹配的动态差分定位方法，其特征在于：步骤S6通过周期性迭代步骤S1- S5，动态调整运动轨迹，结合匹配地图道路信息，提高定位的准确度。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、现今手机地图、车载导航等各种需要利用定位系统的技术，大都采用基于GPS的定位。但同时也有相当一部分用户不愿意打开GPS，使用GPS卫星定位系统。GPS功能有时会在用户不知情的情况下被分享位置信息，造成用户的信息泄露。在GPS存在安全隐患的情况下，利用手机基站定位就不失为一种替代的好方法，此外，利用基站进行定位相比较基于GPS的定位而言，前者还具有成本更低、可以实现在室内定位、不需要用户的手机拥有GPS模块等优势。
2、利用手机基站定位，即通过电信移动运营商的网络（如GSM网）来获取移动终端用户的位置信息（经纬度坐标）。基站定位是一种非常粗略的定位，只能确定移动终端用户的大致位置，其精准度很大程度上取决于基站分布和覆盖范围的大小，一般误差在千米级。为了提升其定位的精确度，我们采用多基站定位的方式，利用差分运算处理手机接收到的多个基站传来的位置信息，得到用户相对精确的位置信息。然后再将相关位置信息与离线地图进行地图匹配，把用户的位置定位到地图上的具体道路路线上去，从而完成精准的动态匹配定位。
3、基于地图匹配的动态差分定位着眼于近来应用非常广泛的车联网，汽车的动态定位，汽车的位置信息具有相当的实用价值。利用基站和地图实现的动态差分定位相较GPS定位具有相当的优势。一种可以替代车辆GPS定位的定位方法，对于利用汽车的动态位置信息测速、实时导航、解决交通拥堵问题等等大量广泛的应用来说，无疑是多了一种很好的选择。
附图说明
图1为实例中一种移动通信终端基于地图匹配的动态差分定位方法流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实例本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此，以下若有未特别详细说明之处，均是本领域技术人员可参照现有技术实施的。
本实例解决问题的原理分析。
1） 选择基站定位
通过手机获取附近基站的信息，由附近基站的信息得到附近基站经纬度，根据算法计算出当前位置的经纬度。我们选择基站作为获取位置信息的有以下几点原因:一是基站的数量多、分布广；二是获取基站信息的方法简单；三是用户认为手机上的GPS会泄露自己的位置信息，不会打开手机的GPS，这样无法获取定位信息，基于位置的服务（Location basedservices, LBS）就成为了无源之水。
2）传统基站定位方法
对于传统的基站定位算法，即静态基站定位算法，包括单基站定位定位和多基站定位，都不能达到较高的精确度。就单基站定位方法而言，受环境因素的干扰大，对于设备要求较高，并且不易获取基站资源使用权限，由此得到的结果与实际相比有较大的差距，效果最差。而相较于单基站定位方法，多基站定位虽然进一步缩小了误差，但是由于对于来自环境等因素的干扰的修正的效果还不够好。所以我们在多基站定位的基础上进行改进，根据位置的动态变化轨迹来进一步的提高定位的精确度。
3）利用运动轨迹提高精确度
在汽车行驶时，汽车的位置是不断变化的。因此，首先要得到位置的变化轨迹，通过多基站定位的方法得到相应时刻的位置信息并记录，经过一段固定时间再按照同样的方法得到位置信息并记录，像这样迭代一定次数的定位算法后就得到一个个汽车的位置，将这些点连接起来，就可以得到一条汽车运动的轨迹，这一条轨迹表示的就是汽车位置的变化。
再通过运动轨迹上最近时刻的位置信息获取该区域地图的道路信息，如道路的方向、道路的轨迹等。然后，是将汽车动态变化轨迹与该区域道路轨迹的比较，这样做的原因是汽车的运动是有一定规律的，即汽车都应在道路上行驶，所以可以通过依次计算运动轨迹与地图上各道路的相似度、比较相似度的大小，选取相似度最大的道路作为最终的定位结果。这种方法是在多基站定位的方法上，根据动态位置变化轨迹与道路信息的匹配来确定最终的位置，进一步提高了定位算法的精确度。
如图1，具体的动态差分定位方法包括如下步骤。
S1、需要完整的获取移动端对周围基站的检索信息；
S2、基站信息要有对应的数据库处理转化为对应基站点的经纬度坐标；
S3、在计算移动端的经纬度时会采用简易信道模型进行数据计算，同时采用距离与信号强度成反比的想法，利用1/d进行归一化处理，进行经纬度*（1/d）的概率的计算，以此求得比较精确的移动端经纬度坐标；
S4、移动端经纬度数据先使用肖维勒准则法（注：该方法用于去除粗大误差）去除错误点，去除求解得到的移动通信终端经纬度坐标中偏差较大点。
S5、与地图匹配时使用比对经纬度的方向角和距离差的方式，采用差分方式计算各项数值，剔除不符合的标准路径经纬度点。
进一步的，所述的移动通信终端基于地图匹配的动态差分定位方法，其特征在于：步骤S4所述运动轨迹是步骤S4周期性标注的历史位置点并剔除异常节点后的轨迹。
进一步的，所述的移动通信终端基于地图匹配的动态差分定位方法，其特征在于：步骤S6通过周期性迭代步骤S1- S5，动态调整运动轨迹，结合匹配地图道路信息，提高定位的准确度。
进一步的，使用差分思想，将一条标准路径转换为距离较短的标准路径的经纬度坐标点对，然后与移动通信终端经纬度进行差分计算，满足以下两个条件：（1）距离差值在一定范围（50米）（2）方向角差值在一定范围（5度以内）时，将其标记为一段可行路径。然后重复迭代S1到S5步骤获取的可行路径，将其形成一条完整的可行路径。
接下来以一个具体实例来操作上述步骤：
S1、移动端使用HTC 301e手机，SIM卡使用联通3G电话卡，通过eclipse进行Android编译，通过调用TelephonyManager属性获取周围基站的MMC、MNC、CID、LAC、RSSI，并将其存入Sqlite数据库中；
S2、将数据转化为经纬度再次进行存储；
S3、将对应同一个基站的多个经纬度取出，将其与IEEE 802.11简化信道模型进行拟合计算（式1），同时借助信号强度与距离成反比的关系，采用线性加权的方法来处理移动通信终端经纬度数据，将1/Distance与对应基站经纬度相乘（式2），求解最终的移动端经纬度，借助这种方法，定位精度在60米左右。
计算式1：
计算式2：
S4、在求出的很多个连续的移动端经纬度中进行错误点去除，通过让所有数据去符合肖维勒准则法（注：该方法用于去除粗大误差）去除错误点，去除求解得到的移动通信终端经纬度坐标中偏差较大点。
S5、接下来进行与标准路径的匹配工作，将计算得到的经纬度分别去和每一个标准点进行匹配，当距离小于50米时，该点设置为有效点，单个计算点可能对应多个有效点，然后再将每个有效点每两个连续有效点进行一次方向角计算，计算点和下一个计算点也进行一次方向角计算，然后将方向角进行匹配，匹配结果差值在5°范围内时认为该路径为有效路径，即得出最终匹配得到的标准路径。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种移动通信终端基于地图匹配的动态差分定位方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、移动通信终端扫描所有通信信道并获取周围基站的信息，包括移动国家代码MMC、移动网络号码MNC、基站编号CID、LAC、接收的信号强度RSSI的基站信息；
S2、根据获取的基站信息，利用基站信息数据库查找周围基站点的经纬度坐标；
S3、根据无线信道模型、周围基站的信号强度及其经纬度坐标，计算移动通信终端的经纬度坐标；
S4、根据移动通信终端的经纬度坐标，在地图中标注其位置，去除偏离拟合轨迹大于设定值的历史位置坐标后，将剩余历史位置拟合形成运动轨迹；
S5、对比所拟合的运动轨迹与地图的道路的方向角与距离差，匹配最接近的街道道路，并剔除运动轨迹上偏离所匹配道路较大的位置点；
S6、周期性重复以上步骤S1~S5。
2.根据权利要求1所述的一种移动通信终端基于地图匹配的动态差分定位方法，其特征在于步骤S3所述经纬度坐标计算采用以下方法：根据以下距离d与信号强度RSSI的关系
计算步骤S1所扫描到的所有基站与移动终端的距离，M代表在距离一米时的信号强度；N代表环境对信号的衰减系数，视具体环境而定的；再将步骤S2得到的各基站经纬度经过1/d的加权平均后的值作为手机终端的位置经纬度，具体计算公式如下，
其中，Lon i , Lat i 与d i 为各基站i的经纬度和距离，i=1~n。
3.根据权利要求1所述的一种移动通信终端基于地图匹配的动态差分定位方法，其特征在于：步骤S4所述最近历史位置是步骤S1-S5周期性记录并剔除异常位置后的位置坐标，包括移动通信终端最近移动设定距离所记录的所有位置坐标或者移动通信终端运动设定时间所记录的所有位置坐标。
4.根据权利要求1所述的一种移动通信终端基于地图匹配的动态差分定位方法，其特征在于，步骤S4所述去除偏离拟合轨迹较大的坐标位置采用以下方法：经纬度与历史数据平均值的绝对差值满足以下条件，则剔除该位置点，
其中Lat(Lon)mob为移动端的经纬度；Lat(Lon)ava为历史数据移动端经纬度平均值；Lat(Lon)standardeviation为标准偏差；XnShawn为肖维勒系数，K为历史数据量，采用用下面的近似公式求解：
。
5.根据权利要求1所述的一种移动通信终端基于地图匹配的动态差分定位方法，其特征在于，步骤S3所述历史位置点运动轨迹拟合采用分段分组直线拟合的方法，即每设定M个连续历史位置点为一组，将运动轨迹分段，每一个分段进行直线拟合。
6.根据权利要求1所述的移动通信终端基于地图匹配的动态差分定位方法，其特征在于，步骤S5对地图的街道和步骤S4拟合的轨迹进行匹配，匹配条件如下：1）距离差值在设定范围；2）方向角差值在设定范围；若有多条街道满足以上条件，则将距离差和方向角最小的街道标识为当前周期获取的手机终端运动轨迹，最新位置点为其当前定位坐标。
7.根据权利要求1所述的移动通信终端基于地图匹配的动态差分定位方法，其特征在于：步骤S6通过周期性迭代步骤S1- S5，动态调整运动轨迹，结合匹配地图道路信息，提高定位的准确度。
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