CN106941703A - 基于态势感知的室内外无缝定位装置和方法 - Google Patents

基于态势感知的室内外无缝定位装置和方法 Download PDF

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Abstract

一种导航定位技术领域的基于态势感知的室内外无缝定位系统和方法，包括：室外定位单元、室内定位子单元、辅助定位单元、数字地图单元和态势感知单元，其中：室外定位单元和室内定位单元通过输出定位信息与态势感知单元相连，辅助定位单元通过输出移动终端的运动特征信息与态势感知单元相连，数字地图单元通过输出室内外边界信息和地物特征信息与态势感知单元相连，态势感知单元通过输出场景识别结果控制移动终端选择合适的定位方法并显示将相应的地图显示给用户。态势感知单元通过基于定位坐标和定位误差的态势感知方法和基于运动特征和定位信息的态势感知方法判断定位场景。本发明引入定位终端态势感知策略实现室内外无缝定位，可以有效的避免因室内外定位系统相互覆盖而引起的不稳定切换，以及因存在系统覆盖盲区而引起的定位精度下降。

Description

基于态势感知的室内外无缝定位装置和方法
技术领域
本发明涉及的是一种导航定位领域的技术，具体是一种基于态势感知的室内外无缝定位装置和方法。
背景技术
无缝定位是支撑智能位置服务的关键技术，采用不同的定位信息源和不同的定位技术实现对各种应用场景在时间和空间上的连续无缝覆盖。
传统的定位技术按照定位场景不同可以分为室内和室外两种，按照定位信号来源可以分为主动和被动两种。依靠外界人工信号源被动定位的方法，性能受到定位场景和信号环境的影响，比如在室外楼宇密集的城市峡谷区域由于受到信号遮挡和严重的多路径效应，卫星定位误差增大，导航性能下降比较显著；而室内定位则受限于设备布设成本以及离线数据采集工作量，其覆盖范围有限；移动终端利用惯性导航可以实现主动定位，不会受到应用场景的限制，但是由于惯性导航器件的误差累积效应，低成本的惯性导航设备在没有外界信息校正下很难满足长时间且精度符合要求的定位需求。
如今，在城市峡谷等卫星信号受限的室外场景采用Wi-Fi定位技术成为一项技术趋势，但是仍然存在室内外定位系统相互覆盖而引起的不稳定切换，以及因存在系统覆盖盲区而引起的定位精度下降问题。
经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN102279404A，公开(公告)日2011.12.14，公开了一种无缝定位方法，包括：当地面增强系统GNSS接收到卫星信号时，若该卫星信号满足预设要求，则选用RTD定位技术进行定位，否则，选用MEMS定位技术进行定位；当地面增强系统GNSS接收不到卫星信号时，若UWB定位技术可用，则选用UWB定位技术进行定位，否则，选用MEMS定位技术进行定位；将定位数据输入卡尔曼滤波器，进行数据融合计算得出准确的定位信息。该技术与本发明相比，其无法解决的技术问题进一步包括：该技术采用各个定位信号源的强度作为选择定位方法的指标，不能直接保证系统定位精度。
中国专利文献号CN102802225A，公开(公告)日2012.11.28，公开了一种基于欧式距离判决的室内外无缝定位切换方法，利用指纹定位中现有的计算欧式距离的过程，通过计算采样点与“进门”参考点/“出门”参考点间信号强度指纹向量的欧式距离的绝对值来判断用户是否位于室内定位的服务区内，并以此控制用户机在室内外定位服务间进行切换。该技术与本发明相比，其无法解决的技术问题进一步包括：该技术仅采用采样点与参考点指纹向量之间的欧式距离作为判断室内外场景的唯一依据，为了实现准确切换必然要求参考区域内较高密度的指纹库，且采用单一指标作为依据，切换的鲁棒性和稳定性较差。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种基于态势感知的室内外无缝定位装置和方法，充分利用移动终端可获取的多方面信息感知定位场景，并控制终端选择合适的定位技术，能够有效地解决因室内外定位系统相互覆盖以及存在定位系统覆盖盲区而引起的定位精度下降问题，实现室内外定位的无缝切换。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于态势感知的室内外无缝定位装置，包括：室外定位单元、室内定位子单元、辅助定位单元、数字地图单元和态势感知单元，其中：室外定位单元和室内定位单元通过输出定位信息与态势感知单元相连，辅助定位单元通过输出移动终端的运动特征信息与态势感知单元相连，数字地图单元通过输出室内外边界信息和地物特征信息与态势感知单元相连，态势感知单元通过输出场景识别结果控制移动终端选择合适的定位方法并显示将相应的地图显示给用户。
所述的室外定位单元采用目前主流的GPS/AGPS/DPGS模块，通过测量四颗GPS导航卫星到定位终端的伪距计算当前定位结果，精度要求较高时通过DGPS系统提供的差分信息提高精度，首次定位时间要求较短时通过AGPS系统提供的粗略位置和星历信息等加快定位。
所述的室内定位单元采用较成熟的WiFi指纹匹配方法，搜索并测量当前位置上各个WiFi节点的信号强度(指纹信息)，并将指纹信息发送至WiFi定位计算服务器，WiFi定位计算服务器将定位信息返回给移动终端的室内定位单元。
所述的辅助定位单元为移动终端自带的多种惯性导航器件，包括：加速度计、陀螺仪、气压计和电子罗盘。其中：加速度计输出移动终端的加速度测量值，陀螺计输出对应轴的角速度测量值，气压计输出移动终端的高度测量值，电子罗盘输出移动终端的方位角。
所述的数字地图单元包括数字地图中的室内外场景边界信息和场景特征信息、室内外切换定位误差上下界数据、地图显示控制模块。
所述的态势感知单元包括：基于定位坐标和定位误差的态势感知模块、基于运动特征和定位信息的态势感知模块。
所述的室外定位信息包括：捕获到的GPS卫星个数、室外信号强度、几何精度因子、室外定位残差、室外定位坐标和室外定位误差。
所述的室内定位信息包括：捕获到的Wi-Fi接入点个数、室内信号强度、指纹匹配残差、室内定位残差、室内定位坐标和室内定位误差。
所述的本发明涉及运用上述系统进行室内外无缝定位的方法，包括以下步骤：
S1，室外定位单元周期性地输出移动终端定位信息至态势感知单元；
S2，态势感知单元根据室外定位单元给出的定位信息以及地图数据判断移动终端的运动场景，若无法判断则执行步骤S3；
S3，室内定位单元周期性地输出移动终端定位信息至态势感知单元；
S4，态势感知单元根据室内定位单元给出的定位信息以及地图数据判断移动终端的运动场景，若无法判断则执行步骤S5；
S5，辅助定位单元输出移动终端的运动特征信息至态势感知单元，结合室内/室内定位单元的定位信息判断移动终端的运动场景；
S6，移动终端根据态势感知单元判断的运动场景结果选择执行定位算法，输出移动终端定位结果并将相应场景的地图显示给用户。
技术效果
与现有技术相比，本发明利用室内外定位单元输出的定位坐标和定位误差判断场景，通过合理选择阈值能够在保证精度的同时有效地解决因室内外定位系统相互覆盖而引起的不稳定切换，利用惯性导航器件输出的用户运动特征判断场景，通过与室内外定位单元及地图数据联合，有效解决因存在系统覆盖盲区而引起的定位精度下降问题。
附图说明
图1为本发明无缝定位装置结构示意图；
图2为本发明实施例1中定位系统从室外向室内无缝切换的流程图；
图3为本发明中基于室内外定位误差的态势感知示意图；
图4为本发明中基于运动特征和定位信息的态势感知示意图；
图中：室外定位单元1、室内定位单元2、辅助定位单元3、数字地图单元4，态势感知单元5。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例涉及一种基于态势感知的室内外无缝定位装置，包括：室外定位单元1、室内定位单元2、辅助定位单元3、数字地图单元4和态势感知单元5，其中：室外定位单元1和室内定位单元2通过输出定位信息与态势感知单元5相连，辅助定位单元3通过输出移动终端的运动特征信息与态势感知单元5相连，数字地图单元4通过输出室内外边界信息和地物特征信息与态势感知单元5相连，态势感知单元5通过输出场景识别结果控制移动终端选择合适的定位方法并显示将相应的地图显示给用户。
本实施例为室外向室内的无缝定位切换，系统优先选择室外定位单元，再选择室内定位单元进行场景判断；若为室内向室外的无缝定位切换，则系统优先选择室内定位单元，再选择室外定位单元进行场景判断。
如图2和图3所述，本实施例涉及运用上述系统进行室内外无缝定位的方法，包括以下步骤：
S1，态势感知单元5周期性地采集室外定位单元1输出的室外定位信息；
S2，态势感知单元5根据室外定位单元1给出的室外定位信息以及地图数据进行室外定位判断，具体的判断步骤为：
S21，读取室外定位信息中的室外定位坐标Pout及其相应误差Eout，读取地图数据中的室外定位误差上界E1out和下界E2out；
S22，比较Eout与E1out，Eout＜E1out时执行步骤S23，否则执行步骤S3；
S23，判断室外定位误差圆与地图数据中的场景边界是否相交，相交则执行步骤S24，否则利用室外定位坐标与边界线坐标的几何关系判断移动终端位于室内还是室外，若为室外则结束判断，转步骤S6，若为室内则执行步骤S4；
S24，比较Eout与E2out，Eout≥E2out时执行步骤S3，否则利用室外定位坐标与边界线坐标的几何关系判断移动终端位于室内还是室外，若为室外则结束判断，转步骤S6，若为室内则执行步骤S3；
S3，态势感知单元5采集室内定位单元2输出的室内定位信息；
S4，态势感知器5根据室内定位子系统2给出的定位信息以及地图数据进行室内定位判断，具体的判断步骤为：
S41，读取室内定位单元2输出的室内定位坐标Pin及其相应误差Ein，读取地图数据中的室内定位误差上界E1in和下界E2in；
S42，比较Ein与E1in，Ein＜E1in时执行步骤S43，否则执行步骤S5；
S43，判断室内定位误差圆与地图数据中的场景边界是否相交，相交则执行步骤S44，否则利用室内定位坐标与边界线坐标的几何关系判断移动终端位于室内还是室外，若为室内则结束判断，转步骤S6，若为室外则执行步骤S45；
S44，比较Ein与E2in，Ein≥E2in时执行步骤S5，否则利用室内定位坐标与边界线坐标的几何关系判断移动终端位于室内还是室外，若为室内则结束判断，转步骤S6，若为室外则执行步骤S45；
S45，比较Ein与Eout，Ein<Eout时利用室内定位坐标与边界线坐标的几何关系判断移动终端位于室内还是室外，Ein>Eout时利用室外定位坐标与边界线坐标的几何关系判断移动终端位于室内还是室外，结束判断，转步骤S6；
S5，辅助定位单元3输出移动终端的运动特征信息至态势感知单元5，态势感知单元5根据运动特征信息提取移动终端的运动特点，结合室外定位单元1和室内定位单元2的定位信息判断移动终端的运动场景，具体的判断步骤为：
S51，态势感知单元5读取辅助定位单元3输出信号的时域和频域特征，感知移动终端的运动特点；
S52，读取室外定位单元1捕获到的GPS卫星个数、室外定位信号强度、几何精度因子和室外定位残差，读取室内定位单元2捕获到的Wi-Fi接入点个数、室内定位信号强度、指纹匹配残差和室内定位残差；
S53，读取地图数据中的特征点信息；结合运动特点判断移动终端5的运动场景为室内或室外；
S6，移动终端根据态势感知单元5判断的运动场景结果选择执行定位算法，并输出移动定位结果。
所述的地图数据包括：场景边界信息、场景特征信息、室外定位误差上界E1out和下界E2out、室内定位误差上界E1in和下界E2in，通过对实际应用场景以稳定切换为目标进行离线训练获得。

Claims (7)

1.一种基于态势感知的室内外无缝定位装置，其特征是，包括：室外定位单元、室内定位子单元、辅助定位单元、数字地图单元和态势感知单元，其中：室外定位单元和室内定位单元通过输出定位信息与态势感知单元相连，辅助定位单元通过输出移动终端的运动特征信息与态势感知单元相连，数字地图单元通过输出室内外边界信息和地物特征信息与态势感知单元相连，态势感知单元通过输出场景识别结果控制移动终端选择合适的定位方法并显示将相应的地图显示给用户。
2.根据权利要求1所述的基于态势感知的室内外无缝定位装置，其特征是，所述的室外定位单元采用目前主流的GPS/AGPS/DPGS模块，通过测量四颗GPS导航卫星到定位终端的伪距计算当前定位结果，精度要求较高时通过DGPS系统提供的差分信息提高精度，首次定位时间要求较短时通过AGPS系统提供的粗略位置和星历信息等加快定位。
3.根据权利要求1所述的基于态势感知的室内外无缝定位装置，其特征是，所述的室内定位单元采用较成熟的WiFi指纹匹配方法，搜索并测量当前位置上各个WiFi节点的信号强度(指纹信息)，并将指纹信息发送至WiFi定位计算服务器，WiFi定位计算服务器将定位信息返回给移动终端的室内定位单元。
4.根据权利要求1所述的基于态势感知的室内外无缝定位装置，其特征是，所述的辅助定位单元为移动终端自带的多种惯性导航器件，包括：加速度计、陀螺仪、气压计和电子罗盘。其中：加速度计输出移动终端的加速度测量值，陀螺计输出对应轴的角速度测量值，气压计输出移动终端的高度测量值，电子罗盘输出移动终端的方位角。
5.根据权利要求1所述的基于态势感知的室内外无缝定位装置，其特征是，所述的数字地图单元包括数字地图中的室内外边界信息和场景特征信息、室内外切换定位误差上下界数据、地图显示控制模块。其中，室外定位误差上界E1out、室外定位误差下界E2out、室内定位误差上界E1in和室内定位误差下界E2in，通过对实际应用场景以稳定切换为目标进行离线训练获得。
6.根据权利要求1所述的基于态势感知的室内外无缝定位装置，其特征是，所述的态势感知单元包括：基于定位坐标和定位误差的态势感知模块、基于运动特征和定位信息的态势感知模块。
7.一种利用上述任一权利要求所述装置进行无缝定位的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，态势感知单元周期性地采集室外定位单元输出的室外定位信息；
S2，态势感知单元根据室外定位单元给出的室外定位信息以及地图数据进行室外定位判断，具体的判断步骤为：
S21，读取室外定位信息中的室外定位坐标Pout及其相应误差Eout，读取地图数据中的室外定位误差上界E1out和下界E2out；
S22，比较Eout与E1out，Eout＜E1out时执行步骤S23，否则执行步骤S3；
S23，判断室外定位误差圆与地图数据中的场景边界是否相交，相交则执行步骤S24，否则利用室外定位坐标与边界线坐标的几何关系判断移动终端位于室内还是室外，若为室外则结束判断，转步骤S6，若为室内则执行步骤S4；
S24，比较Eout与E2out，Eout≥E2out时执行步骤S3，否则利用室外定位坐标与边界线坐标的几何关系判断移动终端位于室内还是室外，若为室外则结束判断，转步骤S6，若为室内则执行步骤S3；
S3，态势感知单元采集室内定位单元输出的室内定位信息；
S4，态势感知器根据室内定位子系统给出的定位信息以及地图数据进行室内定位判断，具体的判断步骤为：
S41，读取室内定位单元输出的室内定位坐标Pin及其相应误差Ein，读取地图数据中的室内定位误差上界E1in和下界E2in；
S42，比较Ein与E1in，Ein＜E1in时执行步骤S43，否则执行步骤S5；
S43，判断室内定位误差圆与地图数据中的场景边界是否相交，相交则执行步骤S44，否则利用室内定位坐标与边界线坐标的几何关系判断移动终端位于室内还是室外，若为室内则结束判断，转步骤S6，若为室外则执行步骤S45；
S44，比较Ein与E2in，Ein≥E2in时执行步骤S5，否则利用室内定位坐标与边界线坐标的几何关系判断移动终端位于室内还是室外，若为室内则结束判断，转步骤S6，若为室外则执行步骤S45；
S45，比较Ein与Eout，Ein<Eout时利用室内定位坐标与边界线坐标的几何关系判断移动终端位于室内还是室外，Ein>Eout时利用室外定位坐标与边界线坐标的几何关系判断移动终端位于室内还是室外，结束判断，转步骤S6；
S5，辅助定位单元输出移动终端的运动特征信息至态势感知单元，态势感知单元根据运动特征信息提取移动终端的运动特点，结合室外定位单元和室内定位单元的定位信息判断移动终端的运动场景，具体的判断步骤为：
S51，态势感知单元读取辅助定位单元输出信号的时域和频域特征，感知移动终端的运动特点；
S52，读取室外定位单元捕获到的GPS卫星个数、室外定位信号强度、几何精度因子和室外定位残差，读取室内定位单元捕获到的Wi-Fi接入点个数、室内定位信号强度、指纹匹配残差和室内定位残差；
S53，读取地图数据中的特征点信息；结合运动特点判断移动终端的运动场景为室内或室外；
S6，移动终端根据态势感知单元判断的运动场景结果选择执行定位算法，输出移动定位结果并将对应的地图显示给用户。
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