CN108802787A - 定位方法、装置、计算机设备和存储介质 - Google Patents

定位方法、装置、计算机设备和存储介质 Download PDF

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Abstract

本申请揭示了一种定位方法、装置、计算机设备和存储介质，其中，方法包括：获取两个定位基站的位置信息；多次获取两个定位基站中的每一个与待定位对象的相对距离信息，同时多次获取待定位对象的高度信息和速度信息；计算出待定位对象的位置信息。本申请仅通过两个定位基站辅以待定位对象的高度信息、速度信息就能准确定位，从而克服了无定位信号或定位信号弱的情况下无法定位的技术问题，使得在遮挡或在室内情况下也能进行准确定位。

Description

定位方法、装置、计算机设备和存储介质
技术领域
本申请涉及到定位领域，特别是涉及到定位方法、装置、计算机设备和存储介质。
背景技术
定位系统、定位装置越来越普及，在各行各业中得到了广泛的应用。常用的定位系统例如北斗卫星导航系统(BDS)、伽利略卫星导航系统(GALILEO)、格洛纳斯(GLONASS)以及全球定位系统(GPS)用以对待测对象进行定位，但是由于长距离通信，使得定位精度存在误差，并且由于距离太远，需要的灵敏度很小使得抗干扰性很差，在有遮挡或者室内环境下无法准确定位。误差包括：
φ＝ρ+c(dr-ds)+λN+dtrop-dion+drpa1+ε(φ)
φ—相位测量值，单位：m
ρ—星站间的几何距离
c—光速
dr—接收机钟差
ds—卫星钟差
λ—载波相位波长
N—整周未知数
dtro—对流层折射影响
dion—电离层折射影响
drpa—相对论效应
ε—观测噪声参数
目前对于无定位信号或定位信号弱的情况下，无法做到准确定位。
发明内容
本申请的主要目的为提供一种定位方法、装置、计算机设备和存储介质，不仅可以在有定位信号的情况下进行精准定位，还能在有遮挡或室内环境下而无定位信号或定位信号弱的情况下进行精准定位。
为了实现上述发明目的，本申请提出一种定位方法，包括：
获取两个定位基站的位置信息；
多次获取两个定位基站中的每一个与待定位对象的相对距离信息，同时多次获取待定位对象的高度信息和速度信息；
计算出待定位对象的位置信息。
进一步地，所述计算出待定位对象的位置信息的步骤包括：
计算出待定位对象可能的位置信息；
利用待定位对象的速度信息在可能的位置信息中筛选中唯一的位置信息。
进一步地，所述两个定位基站中的每一个与待定位对象的相对距离信息通过UWB测距方式获取。
进一步地，所述两个定位基站中至少一个可移动。
进一步地，所述速度信息通过待定位对象上的加速度计、陀螺仪和/或地磁信息获得。
进一步地，所述计算出待定位对象的位置信息的步骤之后，还包括：
将待定位对象的位置信息转换为经纬度信息。
进一步地，所述待定位对象为无人机或无人车。
本申请提出一种定位装置，包括：
获取单元，用于获取两个定位基站的位置信息；
多次获取单元，用于多次获取两个定位基站中的每一个与待定位对象的相对距离信息，同时多次获取待定位对象的高度信息和速度信息；
计算单元，用于计算出待定位对象的位置信息。
本申请提出一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项方法的步骤。
本申请提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项方法的步骤。
本申请的定位方法、装置、计算机设备和存储介质，仅通过两个定位基站辅以待定位对象的高度信息、速度信息就能准确定位，从而克服了无定位信号或定位信号弱的情况下无法定位的技术问题，使得在遮挡或在室内情况下也能进行准确定位。
附图说明
图1为本申请一实施例的定位方法的流程示意图；
图2为本申请一实施例的定位方法的流程示意图；
图3为本申请中基站、待定位对象相对关系的俯视图；
图4为本申请一实施例的定位装置的结构示意框图；
图5为本申请一实施例的定位装置的结构示意框图；
图6为本申请一实施例的计算机设备的结构示意框图。
其中，BS1、BS2为两个定位基站，A1、A2为第一时刻待定位对象的可能的两个位置，B1、B2为第二时刻待定位对象的可能的两个位置。
本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
参照图1，本申请实施例提供一种定位方法，包括步骤：
S1、获取两个定位基站的位置信息；
S2、多次获取两个定位基站中的每一个与待定位对象的相对距离信息，同时多次获取待定位对象的高度信息和速度信息；
S3、计算出待定位对象的位置信息。
如上述步骤S1所述，获取两个定位基站的位置信息。获取方式可以为任意可行方式，例如可以采用双基站-双频定位、双模RTK-GPS((Real-time kinematic，实时动态)载波相位差分技术)，位置信息包括经纬度、高度、海拔等。其中，定位基站可以是固定的，也可以是可移动的，也可以是一者是固定的另一者是可移动的，例如可以是用于操作待定位对象的手柄。
如上述步骤S2所述，多次获取两个定位基站中的每一个与待定位对象的相对距离信息，同时多次获取待定位对象的高度信息和速度信息。可选地，两个定位基站可以通过自己定义的数据传输协议进行信号传输，并且可以采用任意可行信号进行信号交互，包括蓝牙、4G、3G、2G、红外、激光、电磁波、超声波、次声波等，优选穿透能力强的信号。其中，多次获取为两次以上(两次以上指两次或超过两次)，两次获取两个定位基站中的每一个与待定位对象的相对距离信息，同时两次获取待定位对象的高度信息和速度信息就可以获得待定位对象的位置信息。待定位对象可以为无人机或者无人车。步骤S2是在预定时间内完成的，在所述预定时间内待定位对象的速度改变量不会影响本定位方法的实现。待定位对象的高度信息可由任意可行方式获得，例如采用气压计提供；速度信息可由任意可行方式获得，例如在具有GPS信号时基于GPS内速度信息获得；还可以由加速度计、陀螺仪和/或地磁信息(地磁传感器等)来获得，例如采用加速度随时间的变化量求解(假设起始速度为0(无运动)，速度等于加速度随时间的变化量)。
其中，当多次获取的高度信息不变的情况下(例如为海平面)，本实施例尤其适合在同一水平面运动的待定位对象，例如无人车、船舶等。
其中，两个定位基站与待定位对象的相对距离可以用任意可行方法获得，例如可用UWB((Ultra-Wideband)超宽带)测距的方法；或者，在视距LOS(指基站同待定位对象间无遮挡)情况下，采用TOA(到达时间)的数学模型计算两个定位基站与待定位对象的相对距离信息；在非视距NLOS(指基站同待定位对象间有遮挡)情况下，采用RSSI(Received SignalStrength Indication接收的信号强度指示)的数学模型计算定位基站与待定位对象的相对距离信息。从而采用RSSI和TOA数据对比的方式，计算两个定位基站与待定位对象的相对距离信息。
其中，若采用超过两次的方式获得信息，可得到待定位对象的多个位置信息，可采用平均值计算获得最终的位置信息，也可以采用质心定位法获得终的位置信息。
如上述步骤S3所述，计算出待定位对象的位置信息。由步骤S2，已知两次以上的两个定位基站与待定位对象的相对距离信息以及同时获得待定位对象的高度信息与速度信息，在此基础上可以计算出准确的待定位对象的位置信息。基本原理如下：
由已知两个定位基站与待定位对象的相对距离信息可知，待定位对象位于两个球面的相交处为一个圆形；又已知待定位对象的高度信息，因此可知待定位对象的可能位置为两个点(圆与水平面的交点)。两次获取两个定位基站中的每一个与待定位对象的相对距离信息与待定位对象的高度信息，可以获取两个可能的“两个点”，因此可以得到四个可能的速度(包括速度方向)。再利用获得的速度信息就可以确定准确的位置信息。
例如，具体的计算方式包括：
1.系统动态变化方程(基于卡尔曼滤波)为：
Xk＝Φk,k-1Xk-1+Wk-1，其中，为历元tk时刻的状态变化量，xkykzk记为xk，(记为)表示在x,y,z三个方向上的速度变化量，为3*3的单位矩阵，Δt为采样间隔，Wk-1为噪声误差，假设符合高斯分布；
2.计算方程为：
设i＝1为静止地面站；i＝2为手柄移动站，假设也为静止状态其中：
为历元tk从接收机天线到基站天线的方向余弦向量；
3.将2带入1后，做线性化可得：
最终解算方程为(带入卡尔曼滤波公式)：
其中为地心直角坐标系和经纬度转换公式；高度H可通过气压计数据得到；为x,y,z三轴速度；
通过公式求解X,Y,Z的位置信息。
进一步地，待定位对象无法收到GPS信号(或其他卫星信号)或者收到GPS信号(或其他卫星信号)不足以定位，例如待定位对象处于建筑物内、山洞、地下室等场景中。
进一步地，S3、所述计算出待定位对象的位置信息的步骤之后，还包括：
将待定位对象的位置信息转换为经纬度信息。
转换为经纬度信息可为任意方法，例如将地心直角坐标系和经纬度坐标系来做转换，求解待测物经纬度信息(GPS位置)。
参照图2，本申请实施例提供一种定位方法，与上一实施例相比，
所述计算出待定位对象的位置信息的步骤S3包括：
S31、计算出待定位对象可能的位置信息；
S32、利用待定位对象的速度信息筛选所述待定位对象可能的位置信息，以获得唯一的位置信息。
计算出待定位对象的位置信息的步骤S3，是利用获取两次以上的两个定位基站中的每一个与待定位对象的相对距离信息，与同时获取的两次以上的待定位对象的高度信息和速度信息，从而计算得出待定位对象的位置信息。
具体方法可以为：
如上述步骤S31所述，通过两个定位基站的每一个与待定位对象的相对距离信息与待定位对象的高度信息计算出待定位对象可能的两个位置信息。
为了便于说明，先定义两个定位基站的空位坐标分别为(xa,ya,za)、(xb,yb,zb)，定义获得的待定位对象的空间坐标为(xc,yc,zc)，获得的待定位对象的高度为Hz，其中(xa,ya,za)、(xb,yb,zb)，Hz已知。则它们应满足方程式：
求解可得(xc,yc,zc)应有两个解。
参照图3的俯视图，BS1、BS2为两个定位基站，A1、A2为第一时刻待定位对象的可能的两个位置，B1、B2为第二时刻待定位对象的可能的两个位置，其中第一时刻与第二时刻的时间间隔在预定时间的范围内。且由上述方程式知A1、A2关于直线BS1-BS2对称，B1、B2关于直线BS1-BS2对称，因此矢量A1B1与A2B2关于直线BS1-BS2对称，矢量A1B2与A2B1关于直线BS1-BS2对称。通过已知的速度信息(包括速率与方向)，可以筛选排除不可能的方向矢量，从而得到准确的定位。例如第一时刻、第二时刻待定位对象的真实位置分别为A2、B2，由于短时间内速度方向不会发生大的改变，因此第二时刻的速度方向与矢量A2B2大致相同，且速率也与矢量A2B2相关，从而可以排除矢量A1B1、A1B2、A2B1，筛选出准确的位置A2、B2。
本申请的定位方法，仅通过两个定位基站辅以待定位对象的高度信息、速度信息就能准确定位，从而克服了无定位信号或定位信号弱的情况下无法定位的技术问题，使得在遮挡或在室内情况下也能进行准确定位。
参照图4，本申请实施例提供一种定位装置100，包括：
获取单元10，用于获取两个定位基站的位置信息；
多次获取单元20，用于用于多次获取两个定位基站中的每一个与待定位对象的相对距离信息，同时多次获取待定位对象的高度信息和速度信息；
计算单元30，用于计算出待定位对象的位置信息。
获取单元10，用于获取两个定位基站的位置信息。获取方式可以为任意可行方式，例如可以采用双基站-双频定位、双模RTK-GPS((Real-time kinematic，实时动态)载波相位差分技术)，位置信息包括经纬度、高度、海拔等。其中，定位基站可以是固定的，也可以是可移动的，也可以是一者是固定的另一者是可移动的，例如可以是用于操作待定位对象的手柄。
多次获取单元20，用于多次获取两个定位基站的每一个与待定位对象的相对距离信息，同时多次获取待定位对象的高度信息和速度信息。可选地，两个定位基站可以通过自己定义的数据传输协议进行信号传输，并且可以采用任意可行信号进行信号交互，包括蓝牙、4G、3G、2G、红外、激光、电磁波、超声波、次声波等，优选穿透能力强的信号。其中，多次获取为两次以上(两次以上指两次或超过两次)，两次获取两个定位基站中的每一个与待定位对象的相对距离信息，同时两次获取待定位对象的高度信息和速度信息就可以获得待定位对象的位置信息。待定位对象可以为无人机或者无人车。步骤S2是在预定时间内完成的，在所述预定时间内待定位对象的速度改变量不会影响本定位方法的实现，预定时间可以为0.1ms-10s，或是其他范围，具体与待测对象的速度大小和/或运动轨迹(例如是否掉头、转弯)等相关。待定位对象的高度信息可由任意可行方式获得，例如采用气压计提供；速度信息可由任意可行方式获得，例如在具有GPS信号时基于GPS内速度信息获得；还可以由加速度计、陀螺仪和/或地磁信息(地磁传感器等)来获得，例如采用加速度随时间的变化量求解(假设起始速度为0(无运动)，速度等于加速度随时间的变化量)。
其中，当高度不变的情况下(例如为海平面)，本实施例尤其适合在同一水平面运动的待定位对象，例如无人车、船舶等。
其中，两个定位基站与待定位对象的相对距离可以用任意可行方法获得，例如可用UWB测距((Ultra-Wideband)超宽带)的方法；
或者，在视距LOS(指基站同待定位对象间无遮挡)情况下，采用TOA(到达时间)的数学模型计算两个定位基站与待定位对象的相对距离信息；在非视距NLOS(指基站同待定位对象间有遮挡)情况下，采用RSSI(Received Signal Strength Indication接收的信号强度指示)的数学模型计算定位基站与待定位对象的相对距离信息。从而采用RSSI和TOA数据对比的方式，计算两个定位基站与待定位对象的相对距离信息。其中，若采用超过两次的方式获得信息，可得到待定位对象的多个位置信息，可采用平均值计算获得最终的位置信息，也可以采用质心定位法获得终的位置信息。
计算单元30，用于计算出待定位对象的位置信息。由多次获取单元20，已知两次以上的两个定位基站与待定位对象的相对距离信息以及同时获得待定位对象的高度信息与速度信息，在此基础上可以计算出准确的待定位对象的位置信息。基本原理如下：
由已知两个定位基站与待定位对象的相对距离信息可知，待定位对象位于两个球面的相交处为一个圆形；又已知待定位对象的高度信息，因此可知待定位对象的可能位置为两个点(圆与水平面的交点)。两次获取两个定位基站中的每一个与待定位对象的相对距离信息与待定位对象的高度信息，可以获取两个可能的“两个点”，因此可以得到四个可能的速度(包括速度方向)。再利用获得的速度信息就可以确定准确的位置信息。
例如，具体的计算方式包括：
1.系统动态变化方程(基于卡尔曼滤波)为：
Xk＝Φk,k-1Xk-1+Wk-1，其中，为历元tk时刻的状态变化量，xkykzk记为xk，(记为)表示在x,y,z三个方向上的速度变化量，为3*3的单位矩阵，Δt为采样间隔，Wk-1为噪声误差，假设符合高斯分布；(通常情况速度变化量来源于GPS数据，但当无GPS数据时，可通过陀螺仪加速度计信息计算得到)
2.计算方程为：
设i＝1为静止地面站；i＝2为手柄移动站，假设也为静止状态其中：
为历元tk从接收机天线到基站天线的方向余弦向量；
3.将2带入1后，做线性化可得：
最终解算方程为(带入卡尔曼滤波公式)：
其中为地心直角坐标系和经纬度转换公式；高度H可通过气压计数据得到；为x,y,z三轴速度；
通过公式求解X,Y,Z的位置信息。
进一步地，待定位对象无法收到GPS信号(或其他卫星信号)或者收到GPS信号(或其他卫星信号)不足以定位，例如待定位对象处于建筑物内、山洞、地下室等场景中。
进一步地，还包括：
转换单元，用于将待定位对象的位置信息转换为经纬度信息。
转换为经纬度信息可为任意方法，例如将地心直角坐标系和经纬度坐标系来做转换，求解待测物经纬度信息(GPS位置)。
参照图5，本申请实施例提供一种定位装置100，与上一实施例相比，
计算单元30包括：
第一计算子单元31，用于计算出待定位对象可能的位置信息；
第二计算子单元32，用于利用待定位对象的速度信息筛选所述待定位对象可能的位置信息，以获得唯一的位置信息。
计算单元30，是利用获取两次以上的两个定位基站中的每一个与待定位对象的相对距离信息，与同时获取的两次以上的待定位对象的高度信息和速度信息，从而计算得出待定位对象的位置信息。
第一计算子单元31通过两个定位基站的每一个与待定位对象的相对距离信息与待定位对象的高度信息计算出待定位对象可能的两个位置信息。
为了便于说明，先定义两个定位基站的空位坐标分别为(xa,ya,za)、(xb,yb,zb)，定义获得的待定位对象的空间坐标为(xc,yc,zc)，获得的待定位对象的高度为Hz，其中(xa,ya,za)、(xb,yb,zb)，Hz已知。则它们应满足方程式：
求解可得(xc,yc,zc)应有两个解。
参照图3的俯视图，BS1、BS2为两个定位基站，A1、A2为第一时刻待定位对象的可能的两个位置，B1、B2为第二时刻待定位对象的可能的两个位置，其中第一时刻与第二时刻的时间间隔在预定时间的范围内。且由上述方程式知A1、A2关于直线BS1-BS2对称，B1、B2关于直线BS1-BS2对称，因此矢量A1B1与A2B2关于直线BS1-BS2对称，矢量A1B2与A2B1关于直线BS1-BS2对称。通过已知的速度信息(包括速率与方向)，可以筛选排除不可能的方向矢量，从而得到准确的定位。例如第一时刻、第二时刻待定位对象的真实位置分别为A2、B2，由于短时间内速度方向不会发生大的改变，因此第二时刻的速度方向与矢量A2B2大致相同，且速率也与矢量A2B2相关，从而可以排除矢量A1B1、A1B2、A2B1，筛选出准确的位置A2、B2。
本申请的定位装置，仅通过两个定位基站辅以待定位对象的高度信息、速度信息就能准确定位，从而克服了无定位信号或定位信号弱的情况下无法定位的技术问题，使得在遮挡或在室内情况下也能进行准确定位。
参照图6，本发明实施例中还提供一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器或是终端机，其内部结构可以如图6所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该计算机设计的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储定位方法所用的数据。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现上述任一实施例所述的任一定位方法。
本申请的计算机设备，仅通过两个定位基站辅以待定位对象的高度信息、速度信息就能准确定位，从而克服了无定位信号或定位信号弱的情况下无法定位的技术问题，使得在遮挡或在室内情况下也能进行准确定位。
本发明一实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述任一实施例所述的任一定位方法。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的和实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可以包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双速据率SDRAM(SSRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
本申请的计算机可读存储介质，仅通过两个定位基站辅以待定位对象的高度信息、速度信息就能准确定位，从而克服了无定位信号或定位信号弱的情况下无法定位的技术问题，使得在遮挡或在室内情况下也能进行准确定位。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、装置、物品或者方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、装置、物品或者方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、装置、物品或者方法中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种定位方法，其特征在于，包括：
获取两个定位基站的位置信息；
多次获取两个定位基站中的每一个与待定位对象的相对距离信息，同时多次获取待定位对象的高度信息和速度信息；
计算出待定位对象的位置信息。
2.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，所述计算出待定位对象的位置信息的步骤包括：
计算出待定位对象可能的位置信息；
利用待定位对象的速度信息在可能的位置信息中筛选中唯一的位置信息。
3.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，所述两个定位基站中的每一个与待定位对象的相对距离信息通过UWB测距方式获取。
4.根据权利要求1-3任一项所述的定位方法，其特征在于，所述两个定位基站中至少一个可移动。
5.根据权利要求1-3任一项所述的定位方法，其特征在于，所述速度信息通过待定位对象上的加速度计、陀螺仪和/或地磁信息获得。
6.根据权利要求1-3任一项所述的定位方法，其特征在于，所述计算出待定位对象的位置信息的步骤之后，还包括：
将待定位对象的位置信息转换为经纬度信息。
7.根据权利要求1-3任一项所述的定位方法，其特征在于，所述待定位对象为无人机或无人车。
8.一种定位装置，其特征在于，包括：
获取单元，用于获取两个定位基站的位置信息；
多次获取单元，用于多次获取两个定位基站中的每一个与待定位对象的相对距离信息，同时多次获取待定位对象的高度信息和速度信息；
计算单元，用于计算出待定位对象的位置信息。
9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。
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