CN106455046A - 一种卫星‑WiFi飞行时间组合定位系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种卫星‑WiFi飞行时间组合定位系统及其方法，系统包含卫星导航系统、WiFi接入点、移动设备以及相关的组合定位软件，其中移动设备要求具有导航功能和WiFi功能，以便收集卫星定位信息和WiFi信息，WiFi接入点具有无线信道状态信息采集功能，采集信道信息，再结合本发明的相关算法和方法，进行WiFi飞行时间测量，综合卫星测量数据，求出用户位置。本发明本通过WiFi功能和卫星导航功能有机结合，利用了现有的移动设备的硬件资源和通讯协议降低系统成本，实现广大移动设备室内室外无缝覆盖的定位。

Description

一种卫星-WiFi飞行时间组合定位系统及其方法
技术领域
本发明涉及一种定位技术，尤其涉及一种卫星-WiFi飞行时间组合定位系统及其方法。
背景技术
智能手机和移动终端可以利用卫星或者WiFi定位技术，实现导航定位和基于位置的服务，给人类带来巨大方便。卫星定位可以在室外达到比较高的精度。但是在室内或者环境复杂的城市街道，卫星定位变得不可靠，甚至不能使用。目前主流的卫星导航系统有美国的GPS系统，俄罗斯的GLONASS系统和中国的北斗BDS系统，但是它们主要是室外开阔环境下的定位系统。对于多径严重的场合，比如城市高楼林立的街道、高架桥下，就无法保证定位成功率和定位精度。即使使用多星座的组合定位，也无法完全解决多径带来的严重误差。对于遮挡和室内应用场景，单一的卫星定位技术不能满足位置服务的基本要求。
WiFi定位是独立于卫星定位的一种技术。它有效距离较近。传统的WiFi定位技术分为WiFi接入点的IP地址定位、使用RSSI(接受信号强度指示)定位技术和最新发展起来的信道状态信息(channel state information，CSI)定位技术。其中利用IP地址定位已经在手机地图的到广泛应用，但其定位误差较高，通常达到几十米到几百米。而RSSI定位相对精度高，在几米到几十米之间。但它受多径和环境的影响严重，目前使用较少。改进的RSSI方法使用RSSI的指纹信息建立数据库。将定位终端测到的RSSI数据，通过服务器匹配到RSSI指纹上，实现亚米级的定位。但本技术采集RSSI指纹工作量大，而且容易受环境的影响，造成定位误差。第三种WiFi定位方法是使用信道状态信息的一种新技术。它有定位精度高，成本低的特点。本技术有望在未来几年成为室内定位主流技术。该技术利用跳频(Frequencyband hopping)，频带拼接(Stitching band)技术，测量WiFi飞行时间，可以实现单节点室内高精度、亚米级定位。
基于CSI的WiFi定位技术通常是相对定位，定位结果是用户与接入点的相对位置。而卫星导航计算出来的通常是地球的地心地固坐标系。在现实场景下，我们经常需要组合定位。比如在城市高大建筑物遮挡下，卫星定位系统可能只能看见3颗甚至更少的卫星，而卫星定位需要4颗以上的卫星才能实现3维定位。因为需要决定用户的空间3维坐标(x，y，z)和时间t这4个未知数，需要4个卫星的伪距离测量方程。这时卫星定位系统就不能只通过卫星信号实现定位。如果移动终端还可以测量一个WiFi接入点到用户WiFi天线的飞行时间，定位系统就多了一个测量方程，但是WiFi定位需要至少3个测量方程，才能实现3维定位。所以在这个场景下，如果WiFi只能测量到2个或者更少的飞行时间，卫星和WiFi都不能实现独立定位。这样的场景很多，比如高楼林立的城市环境、室外接近建筑物的地方、高架桥等复杂环境下。由于WiFi飞行时间测量方程和卫星导航测量方程不兼容，卫星导航和WiFi飞行时间方法都不能实现定位。
另外一种常用的应用场景是穿越室外到室内的导航定位。一架无人机从室外飞行到室内，它在室外使用的卫星导航会中断，在室外导航切换到室内导航这段时间里，无人机处于无导航的危险状态下。实际上在切换导航模式的时间里，部分卫星导航和WiFi飞行时间导航测量是有效的。但是它们都不能实现独立定位，而失去导航定位功能。
发明内容
为克服现有技术的不足，实现在卫星或者WiFi都不能实现单独定位的情况下，组合WiFi飞行时间测量和卫星导航测量，实现高精度定位服务，无缝覆盖室外、室内和室内到室外的复杂环境。本发明提出一种卫星-WiFi飞行时间组合定位系统及其方法。
本发明的技术方案是这样的，一种卫星-WiFi飞行时间组合定位系统，包括
至少一颗导航卫星；
WiFi接入点，所述WiFi接入点具有信道信息测量功能，且包括至少一个MIMO天线元且存储有每个MIMO天线元的地心地固坐标；
移动设备，所述移动设备包括卫星信号接收处理模块和WiFi信号接收处理模块；和
组合导航软件；
其中导航卫星数量和WiFi接入点的MIMO天线元数量之和不小于4，每个MIMO天线元通过跳频进行频带拼接解算该MIMO天线元与所述移动设备之间的距离，所述移动设备根据卫星信号接收处理模块获得的卫星测量数据和WIFi信号接收处理模块获得的MIMO天线元测量数据及MIMO天线元地心地坐标，所述组合导航软件求解出所述移动设备的位置。
进一步地，所述导航卫星为GPS系统卫星、GLONASS系统卫星或BDS系统卫星。
更进一步地，所述卫星测量数据包括卫星的伪距离、多普勒和载波相位数据。
进一步地，所述WiFi接入点的每个MIMO天线元的地心地固坐标是通过预设方式或定标方式设定的。
进一步地，所述组合导航软件求解所述移动设备位置的方法包括但不限于最小二乘法和卡尔曼滤波器法。
进一步地，所述移动设备为移动终端或智能手机。
本发明还提供一种卫星-WiFi飞行时间组合定位方法，包括步骤
S1：移动设备同时接收卫星信号和WiFi信号，筛选出有效卫星信号和WiFi信号，同时向WiFi接入点发送定位请求信息；
S2：WiFi接入点接收定位请求信息，其MIMO天线元采集信道信息，发送跳频指令给所述移动设备并启动跳频；
S3：移动设备接收跳频指令，跳频，对应的MIMO天线元对跳频后的频率进行信道信息采集；
S4：重复步骤S2-S3，采集各信道信息，进行频带拼接，求出WiFi接入点和移动设备之间的距离；
S5：WiFi接入点将对应的MIMO天线元地心地坐标发送到移动设备，移动设备根据卫星测量数据和MIMO天线元测量数据及MIMO天线元地心地坐标，求解出所述移动设备的位置。
进一步地，所述步骤S1前还包括步骤S0：用户启动移动设备和移动设备的定位软件，所述定位软件的启动是通过用户执行或网络进行远程操控进行控制的。
进一步地，所述步骤S4中WiFi接入点和移动设备之间的距离是根据中国余数定理求出的。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明不需要对现有的卫星导航系统和用户接收设备进行任何硬件改动，也不需要对现有的WiFi设备进行任何硬件改动，只需要通过编写软件读取两者的信号信息，进行软件处理即可进行组合解算，通过WiFi功能和卫星导航功能有机结合，不仅大大提高复杂环境的定位准确性，也能实现广大移动设备用户的室内外无缝组合定位的需求，服务人群广泛和成本相对低的市场需求。
附图说明
图1是本发明一种卫星-WiFi飞行时间组合定位系统结构示意图。
图2是本发明一种卫星-WiFi飞行时间组合定位系统伪距坐标图。
图3是本发明一种卫星-WiFi飞行时间组合定位方法流程图。
图4是本发明一种卫星-WiFi飞行时间组合定位方法工作流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参见图1，本发明卫星-WiFi飞行时间组合定位系统由三个独立部分组成：移动设备107,108,109、导航卫星101,102,103和WiFi接入点104,105,106。首先用户软件启动定位要求，移动设备开启卫星信号接收处理模块，处理卫星信号；同时移动设备启动WiFi通信，发送WiFi定位要求给WiFi接入点。移动设备会选取可用的导航卫星和WiFi接入点。WiFi接入点启动信道状态信息获取软件，开始进行跳频，采集不同频点的信道状态信息，再利用频段拼接技术，计算WiFi接入点各个MIMO天线元到移动设备的飞行时间。组合导航软件根据卫星信号接收处理模块测量的伪距离、多普勒和载波相位，结合WiFi的MIMO天线元的地心地坐标和WiFi飞行时间的距离方程，得到移动用户的位置。其中卫星信号和WiFi信号一般有室内外信号交替过程110.因此本发明尤其适用于室内外该室内外交替场景。
其中WiFi飞行时间定位是采用跳频技术，多频合成宽带WiFi工作频点。由于WIFI的工作频率是分布在2.4Ghz和5Ghz的非连续的频率范围，必须组合成一个宽的频带才能测量准确的飞行时间。因此本发明借助跳频技术，在短时间内遍历各个子频点，通过读取每个频率的信道信息(这里主要是指相位信息)，得到各个频率(相位)-飞行时间方程，并将这些频率-飞行时间方程结合，组成方程组求解准确飞行时间。各个频段经过频带拼接融合成比较大的频宽，使得当这个频宽大于一定阀值的时候，找出精确的飞行时间，以用于WiFi定位。
WiFi信道状态信息和飞行时间有如下关系：
其中τ代表WiFi信号的飞行时间、h代表信道载波相位，f代表WiFi频率。由于飞行时间含有频率倒数的模，单频率方程式没法计算出WiFi信号的飞行时间。采用频段拼接(Band stitching)技术的目的即是为了得到多组时间-相位方程，将飞行时间求解出来。频段拼接技术采用覆盖2.4GHz和5GHz的多个通道，得到多个飞行时间方程，再利用中国余数定律计算出正确的飞行时间。
请参见图2，当定位系统可见卫星为一颗时，可以得到一个卫星的伪距离测量方程，WiFi接入点的MIMO天线元为三根可以得到三个测量方程；在这种情况下，WiFi飞行时间可以计算出用户位置，而卫星的伪距离方程可用于精确时间同步。当定位系统可见卫星为两颗时，可以得到两个卫星的伪距离测量方程，WiFi接入点的MIMO天线元为两根可以得到两个个测量方程，这四个方程可用计算出用户位置和用户时间；
当定位系统可见卫星为三颗时(201,202,203)，可以得到三个卫星的伪距离测量方程。同时，定位系统可以测量一个WiFi接入点204到用户的飞行时间，这里也可以得到一个测量方程。这四个方程同样可计算出用户的三维位置和时间。
在卫星或者WiFi不能实现单独定位的情况下只要满足n+m>3，由卫星-WiFi组合可得到四个测量方程解算用户坐标，从而可以做到高精度组合定位。卫星-WiFi组合定位、定时算法的本质就是求解一个四元非线性方程组，其中移动设备到卫星的距离方程为：
移动设备到MIMO天线元的距离方程为：
其中的每一个方程式对应于一颗可见卫星的伪距测量值或者是WiFi接入点所测的相应伪距，在上述整个方程组中，各颗卫星的位置坐标值(x(n)，y(n)，z(n))可依据它们各自播发的星历计算获得，误差校正后的伪距则由移动设备测量得到；WiFi接入点接入点发送自己每一个MIMO天线元的地心地固坐标(xid,yid,zid)给移动设备得到相应的伪距，因而方程组中只有剩下的移动设备位置三个坐标分量(x，y，z)和接收机时钟差是所要求解的未知量。如果移动设备满足不小于四个测量方程，就可以根据利用最小二乘方法或者是卡尔曼滤波器求解联立位置方程，从而实现卫星-WiFi组合定位。
本发明提出的卫星-WiFi飞行时间组合定位系统的坐标系是采用统一坐标系，即统一成地心地固坐标系或者地理坐标系，在一般的卫星导航中，卫星播发的轨道坐标系是地心地固坐标系，在一般的WiFi定位中，坐标系通常是WiFi接入点的当地坐标系，这显然与卫星轨道坐标系不符。在组合计算时，为每个WIFi接入点内置和卫星坐标系兼容的坐标，这样使得卫星伪距离方程和WiFi飞行时间方程的坐标系得到统一，方便的解算出用户的坐标。
请参见图3和图4，本发明一种卫星-WiFi飞行时间组合定位方法包括步骤：移动设备同时接收卫星信号和WiFi信号，筛选出有效卫星信号和WiFi信号，同时向WiFi接入点发送定位请求信息；
WiFi接入点接收定位请求信息，其MIMO天线元采集信道信息，发送跳频指令给所述移动设备并启动跳频；
移动设备接收跳频指令，跳频，对应的MIMO天线元对跳频后的频率进行信道信息采集；
重复步骤S2-S3，采集各信道信息，进行频带拼接，求出WiFi接入点和移动设备之间的距离；
WiFi接入点将对应的MIMO天线元地心地坐标发送到移动设备，移动设备根据卫星测量数据和MIMO天线元测量数据及MIMO天线元地心地坐标，求解出所述移动设备的位置。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种卫星-WiFi飞行时间组合定位系统，其特征在于，包括
至少一颗导航卫星；
WiFi接入点，所述WiFi接入点具有信道信息测量功能，且包括至少一个MIMO天线元且存储有每个MIMO天线元的地心地固坐标；
移动设备，所述移动设备包括卫星信号接收处理模块和WiFi信号接收处理模块；和
组合导航软件；
其中有效导航卫星数量和WiFi接入点的MIMO天线元数量之和不小于4，每个MIMO天线元通过跳频进行频带拼接解算该MIMO天线元与所述移动设备之间的距离，所述移动设备根据卫星信号接收处理模块获得的卫星测量数据和WIFi信号接收处理模块获得的MIMO天线元测量数据及MIMO天线元地心地坐标，所述组合导航软件求解出所述移动设备的位置。
2.如权利要求1所述的卫星-WiFi飞行时间组合定位系统，其特征在于，所述导航卫星为GPS系统卫星、GLONASS系统卫星、BDS系统卫星或伽利略系统卫星。
3.如权利要求1或2所述的卫星-WiFi飞行时间组合定位系统，其特征在于，所述卫星测量数据包括卫星的伪距离、多普勒和载波相位数据。
4.如权利要求1所述的卫星-WiFi飞行时间组合定位系统，其特征在于，所述WiFi接入点的每个MIMO天线元的地心地固坐标是通过预设方式或定标方式设定的。
5.如权利要求1所述的卫星-WiFi飞行时间组合定位系统，其特征在于，所述组合导航软件求解所述移动设备位置的方法包括但不限于最小二乘法和卡尔曼滤波器法。
6.如权利要求1所述的卫星-WiFi飞行时间组合定位系统，其特征在于，所述移动设备为移动终端或智能手机。
7.一种卫星-WiFi飞行时间组合定位方法，其特征在于，包括步骤
S1：移动设备同时接收卫星信号和WiFi信号，筛选出有效卫星信号和WiFi信号，同时向WiFi接入点发送定位请求信息；
S2：WiFi接入点接收定位请求信息，其MIMO天线元采集信道信息，发送跳频指令给所述移动设备并启动跳频；
S3：移动设备接收跳频指令，跳频，对应的MIMO天线元对跳频后的频率进行信道信息采集；
S4：重复步骤S2-S3，采集各信道信息，进行频带拼接，求出WiFi接入点和移动设备之间的距离；
S5：WiFi接入点将对应的MIMO天线元地心地坐标发送到移动设备，移动设备根据卫星测量数据和MIMO天线元测量数据及MIMO天线元地心地坐标，求解出所述移动设备的位置。
8.如权利要求7所述的卫星-WiFi飞行时间组合定位方法，其特征在于，所述步骤S1前还包括步骤S0：用户启动移动设备和移动设备的定位软件，所述定位软件的启动是通过用户执行或网络进行远程操控进行控制的。
9.如权利要求7所述的卫星-WiFi飞行时间组合定位方法，其特征在于，所述步骤S4中WiFi接入点和移动设备之间的距离是根据中国余数定理求出的。
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Inventor after: Wang Feng

Inventor after: Yang Chunmei

Inventor after: Wang Jin

Inventor after: Qiu Wentian

Inventor after: Mei Qi

Inventor after: Li Chuanmai

Inventor before: Yu Menjie

Inventor before: Qiu Wentian

Inventor before: Wang Feng

Inventor before: Yuan Lin

Inventor before: Yang Chunmei

Inventor before: Wang Jin

Inventor before: Zhang Zhijin

Inventor before: Mei Qi

Inventor before: Xue Gengping

Inventor before: Wang Jiaran

Inventor before: Li Chuanmai

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GR01 Patent grant
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