CN106908821A - 一种室内外无缝定位切换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种室内外无缝定位切换方法，包括：S1、检测GPS定位是否可用，若可用则进行采用GPS定位的室外定位，若不可用则进行采用基于粒子滤波的Wi‑Fi信号指纹定位的室内定位，得到初始定位结果；S2、根据初始定位结果进行GPS卫星信号和室内Wi‑Fi信号的监测，采集移动终端当前接收到的GPS卫星信号所携带的信息和Wi‑Fi信号的信号强度值，同时移动终端中的运动传感器采集移动终端当前运动状态；S3、根据移动终端预测移动终端的运动轨迹，结合GPS卫星信号所携带的信息和Wi‑Fi信号的信号强度值信号信息，判断移动终端当前所处环境的室外/室内变化并进行室外/室内定位的切换。本发明切换精度高，消除了现有切换方法在切换过程中可能出现的乒乓效应。

Description

一种室内外无缝定位切换方法
技术领域
本发明涉及无线定位技术领域。更具体地，涉及一种室内外无缝定位切换方法。
背景技术
随着人类社会的发展，人们在许多领域中对位置信息的需求越来越大，由此发展出了诸多的导航定位系统。目前以美国的全球定位系统(Global Positioning System，GPS)和中国的北斗导航系统为代表的全球卫星导航系统(Global Navigation SatelliteSystem，GNSS)为人们提供了高精度，全天候的定位服务。但是由于卫星测量信号的难以穿透建筑物的特点，在高密度建筑中和室内环境中无法有效进行定位解算。然而人类的绝大多数活动都在室内进行，各种各样的室内定位技术应运而生，但是他们都在各自的应用环境下各有千秋。在此之前，由于发展尚未成熟，室内外定位切换问题并未得到太多的关注。但自基于位置服务(Location Based Services，LBS)的概念提出以来，能够在任意环境下提供精确的定位服务已成为了当前定位技术方向研究的热点和重点，无缝定位技术由此得来。所谓无缝定位技术，就是指在人类活动的如室内，室外，地下环境甚至外层空间等任意环境下，能够联合采用多种不同的定位技术，提供精确的位置服务，并且保证各种场景下的定位技术，定位算法，位置信息的无缝衔接和平滑过渡。
为了解决室内外环境下的无缝定位切换问题，国内外的专家和学者们提出了一系列的技术解决方案。例如：基于RFID标签和蓝牙节点等硬件实现的标签识别的方法来判断室内外定位场景的切换等，虽然这些方法能够基本上实现定位场景的切换，但是大都需要布置额外的设备或者对现有设备进行改进，这样以来会带来额外的成本的消耗，同时不便于普遍推广。考虑到以Wi-Fi为代表的公共无线网络以及搭载GPS定位芯片和相关运动传感器的移动终端的逐渐普及，室外依靠GNSS定位，以及在室内以Wi-Fi为代表的无线网络定位方法成为当前主流的并具有很大发展潜力的无缝定位技术研究方案，但是目前两种定位方式的切换方法存在着许多不足：如根据当前GPS是否可用进行切换判断，这种方法在建筑比较密集的地区或者临近建筑物半开阔的门窗中很容易产生切换错误；还有一些方法基于室内Wi-Fi信号的阈值信号判决进行定位技术的切换，但这种方法由于Wi-Fi信号强度的不稳定，极易引起切换过程中的乒乓效应。
因此，需要提供一种综合考虑GPS卫星信号、移动终端的运动传感器数据和Wi-Fi信号强度值的室内外无缝定位切换方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种室内外无缝定位切换方法，以解决当前现有的切换方法中硬件成本大、易出现错误切换和不稳定等问题。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种室内外无缝定位切换方法，包括如下步骤：
S1、检测GPS定位是否可用，若可用则进行采用GPS定位的室外定位，若不可用则进行采用基于粒子滤波的Wi-Fi信号指纹定位的室内定位，得到初始定位结果；
S2、根据初始定位结果进行GPS卫星信号和室内Wi-Fi信号的监测，采集移动终端当前接收到的GPS卫星信号所携带的信息和Wi-Fi信号的信号强度值，同时移动终端中的运动传感器采集移动终端当前运动状态；
S3、根据移动终端预测移动终端的运动轨迹，结合GPS卫星信号所携带的信息和Wi-Fi信号的信号强度值信号信息，判断移动终端当前所处环境的室外/室内变化并进行室外/室内定位的切换。
优选地，移动终端当前接收到的GPS卫星信号所携带的信息包括：可通信的GPS卫星个数、各可通信的GPS卫星信号中携带的卫星高度角和SNR值。
优选地，移动终端当前运动状态包括移动终端当前的运动方向、运动速度和运动加速度。
优选地，步骤S3进一步包括如下子步骤：
S3.1、根据当前接收到的GPS卫星信号中的卫星高度角，将当前可通信的GPS卫星按照高度角由高到低排列；
S3.2、根据当前可通信的GPS卫星个数，依次选取前n个GPS卫星，对其发送的GPS卫星信号的SNR值进行实时监测，当检测到这n个卫星信号的SNR变化值均发生变化时，进入步骤S3.3，其中n≥4；
S3.3、持续根据移动终端当前运动状态进行航迹推算，预测移动终端的运动轨迹；
S3.4、根据预测得到的移动终端的运动轨迹，结合Wi-Fi信号指纹的阈值，判断移动终端当前所处的环境是否进行室外/室内变化；如果移动终端的运动轨迹为进入室内的连续轨迹且移动终端接收到Wi-Fi信号的信号强度值高于阈值，则切换至室内定位；如果移动终端的运动轨迹为进入室外的连续轨迹且移动终端接收到Wi-Fi信号的信号强度值低于阈值，则切换至室外定位。
本发明的有益效果如下：
本发明所述技术方案切换精度高，消除了现有切换方法在切换过程中可能出现的乒乓效应。本发明所述技术方案可应用在城市的室内外环境下需要进行定位切换的场景，实现室外与室内定位方法的切换，考虑到当前Wi-Fi无线网络在室内的普及情况，本发明所述技术方案仅需基于带有GPS模块、Wi-Fi模块以及运动传感器的移动终端即可实现，无需利用其他额外的硬件设备，有较强的实用性和普及性。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；
图1示出室内外无缝定位切换方法的流程图。
图2示出不同高度角GPS卫星信号质量与建筑物关系的示意图。
图3示出室内定位的流程图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明公开的室内外无缝定位切换方法中，室外定位采用GPS定位，室内定位采用Wi-Fi信号指纹定位并利用运动传感器数据对Wi-Fi信号指纹定位结果进行粒子滤波。本发明公开的室内外无缝定位切换方法包括如下步骤：
S1、检测GPS定位是否可用，若可用则进行采用GPS定位的室外定位，若不可用则进行采用基于粒子滤波的Wi-Fi信号指纹定位的室内定位，得到初始定位结果；
S2、如图2所示，根据初始定位结果进行GPS卫星信号和室内Wi-Fi信号的监测，采集移动终端当前接收到的GPS卫星信号所携带的信息和Wi-Fi信号的信号强度值，同时移动终端中的运动传感器采集移动终端当前运动状态；
S3、根据移动终端预测移动终端的运动轨迹，结合GPS卫星信号所携带的信息和Wi-Fi信号的信号强度值信号信息，判断移动终端当前所处环境的室外/室内变化并进行室外/室内定位的切换。
其中，
由于移动终端包括数据处理器、GPS模块和Wi-Fi模块等部件，步骤S1-S3均可在移动终端内部完成。
在本发明公开的室内外无缝定位切换方法流程结束后，移动终端使用室外或室内定位方法进行定位，利用GPS定位的定位信息或Wi-Fi信号指纹定位的定位信息来进行移动终端的定位，之后将将定位方法和最终定位结果在移动终端的显示界面上显示，用户可以对当前的定位质量进行评价，之后将用户评价结果上传服务器分析，用于进一步优化判断当前移动终端所处的环境的方法，具体包括Wi-Fi信号指纹的阈值等参数的设置。
步骤S1中，如图3所示，采用基于粒子滤波的Wi-Fi信号指纹定位的室内定位的具体过程为：
室内定位方法主要以Wi-Fi信号指纹定位为主，Wi-Fi信号指纹定位的大致流程为移动终端采集当前所在位置的Wi-Fi信号指纹，与事先测量好的指纹库进行匹配，最后与地图进行坐标匹配，实现定位。具体过程为：Wi-Fi信号指纹定位分为离线指纹库建立和在线匹配两个阶段，在离线测量阶段由于人体吸收无线电波等原因，在同一测量点测量的各个AP信号强度会因为测量方位的不同而出现显著差异，因此指纹库建立时，采取测量东南西北四个方向的信号指纹库，并通过取均值方法得到平均指纹库；在进行在线匹配时，根据移动终端的电子罗盘获得定位时刻的朝向方位，基于当前角度，进行方位加权建立适应当前方位的指纹库，然后在进行WKNN指纹库匹配，再得到定位结果后进行地图坐标匹配。
在Wi-Fi信号指纹定位的同时，利用移动终端中的运动传感器获得的运动传感器数据，对Wi-Fi信号指纹定位的定位结果进行粒子滤波解算，实现基于粒子滤波的Wi-Fi信号指纹定位。粒子滤波的主要流程如下：
根据Wi-Fi信号指纹定位的定位结果，以高斯分布生成初始粒子；
根据当前运动状态，即从运动传感器得到的角度加速度等信息，进行下一个粒子的估计，如公式(1)：
其中，(xk,yk)T为粒子当前状态的状态矢量；TS为(k-1)th和kth次Wi-Fi指纹测量的时间间隔；θk为有陀螺仪测得的第k次测量的朝向角度；vk为由运动传感器测得的第k的速度值；是一个用于估算移动终端加速度值的随机过程，它是一个根据传感器数值生成的均值为0的高斯随机噪声；
根据公式(2)对粒子进行权重估计：
Zk表示第k次获取到的Wi-Fi信号指纹；为Wi-Fi当前信号指纹定位的结果；为第k次滤波得到的第i次位置值；在构建的高斯分布规律下，Wi-Fi信号指纹定位越接近真实位置，其权重值越大。在完成权重的计算后，利用公式(3)对权重进行归一化：
当滤波效果逐渐变差时，返回状态估计步骤“根据当前运动状态，即从运动传感器得到的角度加速度等信息，进行下一个粒子的估计”，重新对粒子进行状态估计。
步骤S2中，移动终端当前接收到的GPS卫星信号所携带的信息包括：可通信的GPS卫星个数、各可通信的GPS卫星信号中携带的卫星高度角和SNR值。移动终端中的运动传感器采集移动终端当前运动状态的方法为：通过移动终端的运动传感器和电子罗盘等硬件采集移动终端当前的运动方向、运动速度和运动加速度等。
步骤S3主要利用GPS卫星信号不容易穿透建筑物这一特性，在移动终端当前所处环境进行室外/室内变化时，移动终端当前接收到的GPS卫星信号的SNR值会发生剧烈变化，这种变化与GPS卫星的高度角成正比，根据实际测量，高度角较低(通常为0-30°)的GPS卫星其SNR值在室内外切换过程中变化相对平缓，而拥有较高角度(通常为30-60°)的GPS卫星信号由于其信号更难以穿透建筑物，在到达室外/室内变化地点时，其SNR的变化值会因为环境的变化出现短暂的急剧变化，基于此特点，步骤S3进一步包括如下子步骤：
S3.1、根据当前接收到的GPS卫星信号中的卫星高度角，将当前可通信的GPS卫星按照高度角由高到低排列；
S3.2、根据当前可通信的GPS卫星个数，依次选取前n(n≥4)个GPS卫星，对其发送的GPS卫星信号的SNR值进行实时监测，当检测到这n个卫星信号的SNR变化值均发生变化时，进入步骤S3.3；
S3.3、持续根据移动终端当前运动状态进行航迹推算，预测移动终端的运动轨迹；
S3.4、根据预测得到的移动终端的运动轨迹，结合Wi-Fi信号指纹的阈值，判断移动终端当前所处的环境是否进行室外/室内变化；如果移动终端的运动轨迹为进入室内的连续轨迹且移动终端接收到Wi-Fi信号的信号强度值高于阈值，则切换至室内定位；如果移动终端的运动轨迹为进入室外的连续轨迹且移动终端接收到Wi-Fi信号的信号强度值低于阈值，则切换至室外定位。
在步骤S3.4中：
如果移动终端的运动轨迹为进入室内的连续轨迹且移动终端接收到Wi-Fi信号的信号强度值高于阈值，则意味着移动终端当前所处环境由室外变化到室内，此时GPS卫星信号的SNR值会在一个时间急剧下降，并且Wi-Fi信号会逐渐达到并超过设置的阈值，运动传感器侦测到终端处于稳定前进运动状态，此时，进行室内定位，在移动终端的用户界面上显示定位结果；
如果移动终端的运动轨迹为进入室外的连续轨迹且移动终端接收到Wi-Fi信号的信号强度值低于阈值，则意味着移动终端当前所处环境由室内变化到室外，此时GPS卫星信号的SNR值会普遍上升，并且Wi-Fi信号会逐渐小于设置的阈值，运动传感器侦测到终端处于稳定前进运动状态，此时进行室外定位，在移动终端的用户界面上显示定位结果；
如果移动终端的运动轨迹为进入室内或进入室外，且在室/内外边界处于停止或者踱步现象，则进行延时切换并继续步骤S3.3中的预测移动终端的运动轨迹，直到移动终端的运动轨迹为进入室内或进入室外的连续轨迹。
实验结果表明，在移动终端处于正常运动状态下，本发明可以实现较高精度的室内外无缝切换，取得了较好的效果。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (4)

1.一种室内外无缝定位切换方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1、检测GPS定位是否可用，若可用则进行采用GPS定位的室外定位，若不可用则进行采用基于粒子滤波的Wi-Fi信号指纹定位的室内定位，得到初始定位结果；
S2、根据初始定位结果进行GPS卫星信号和室内Wi-Fi信号的监测，采集移动终端当前接收到的GPS卫星信号所携带的信息和Wi-Fi信号的信号强度值，同时移动终端中的运动传感器采集移动终端当前运动状态；
S3、根据移动终端预测移动终端的运动轨迹，结合GPS卫星信号所携带的信息和Wi-Fi信号的信号强度值信号信息，判断移动终端当前所处环境的室外/室内变化并进行室外/室内定位的切换。
2.根据权利要求1所述的室内外无缝定位切换方法，其特征在于，移动终端当前接收到的GPS卫星信号所携带的信息包括：可通信的GPS卫星个数、各可通信的GPS卫星信号中携带的卫星高度角和SNR值。
3.根据权利要求2所述的室内外无缝定位切换方法，其特征在于，移动终端当前运动状态包括移动终端当前的运动方向、运动速度和运动加速度。
4.根据权利要求3所述的室内外无缝定位切换方法，其特征在于，步骤S3进一步包括如下子步骤：
S3.1、根据当前接收到的GPS卫星信号中的卫星高度角，将当前可通信的GPS卫星按照高度角由高到低排列；
S3.2、根据当前可通信的GPS卫星个数，依次选取前n个GPS卫星，对其发送的GPS卫星信号的SNR值进行实时监测，当检测到这n个卫星信号的SNR变化值均发生变化时，进入步骤S3.3，其中n≥4；
S3.3、持续根据移动终端当前运动状态进行航迹推算，预测移动终端的运动轨迹；
S3.4、根据预测得到的移动终端的运动轨迹，结合Wi-Fi信号指纹的阈值，判断移动终端当前所处的环境是否进行室外/室内变化；如果移动终端的运动轨迹为进入室内的连续轨迹且移动终端接收到Wi-Fi信号的信号强度值高于阈值，则切换至室内定位；如果移动终端的运动轨迹为进入室外的连续轨迹且移动终端接收到Wi-Fi信号的信号强度值低于阈值，则切换至室外定位。
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