CN109975758A - Wi-Fi蓝牙一体化基站定位系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用新型Wi‑Fi 802.11mc测距协议与蓝牙一体化基站确定用户位置的技术。用户可通过Wi‑Fi FTM测量用户设备与基站之间的距离，并解析基站蓝牙播发的电文获得基站的精确坐标，最终实现实时，高精度，高可用的定位系统。其中Wi‑Fi AP支持最新的IEEE802.11mc测距协议，可实时测得用户设备到AP点的距离，同时还可获取蓝牙实时广播的基站位置信息。用户设备可以是包含Wi‑Fi模块和蓝牙模块的智能终端，如智能手机，可穿戴设备，嵌入式模块等，需要支持蓝牙4.2（及以上）以及IEEE802.11mc协议。本系统可以实现不改变用户习惯，不增加用户硬件成本的基础上实现室内外无缝定位，定位结果准确，可靠，可用性高。
Description
技术领域
本发明专利涉及到电子信息技术和室内导航定位技术。具体地说，将Wi-Fi FTM功能和蓝牙广播功能进行集成化，组成一体化基站。整个定位系统由三个或三个以上的一体化基站组成，用户终端通过捕获和解码一体化基站发布的导航电文，获得基站和定位所需相关信息，并获取用户终端到基站的实时距离，计算得到高精度高可用的室内位置坐标。多个基站能自动组网，基站间具备信号自动校准和通信功能。
背景技术
定位是位置服务、万物互联、人工智能和未来超智能(机器人+人类)应用的核心技术之一。然而，与开放的室外空间相比，室内环境在空间布局、拓扑、约束等方面更加复杂，导致室内定位理论、定位源、定位技术及空间信息处理方式方面与室外有很多不同。高可用高精度的室内外无缝定位技术对人们未来的生活起着至关重要的作用，是推动大众创新、万众创业的科技源动力，是支撑国家战略需求的重要组成部分。
室外定位在GNSS导航定位技术的支撑下已经日趋成熟，在有广域增强服务的支持下更可显著提高定位可用性，并实现优于1米的定位精度。另一方面，随着市场(特别是大众消费相关行业)对室内定位需求的不断增加，室内定位已逐渐成为学术界的研究热点和工业界的投资热点。投入研发的企业不仅包括初创公司，还包括Apple、Google、Qualcomm、Intel、Cisco、阿里巴巴、百度、华为等商业巨头。
然而当前国内外高可用室内定位技术精度在2-5米之间。高成本的定位技术可达厘米级，但是优于1米定位精度、低成本和广域覆盖的室内定位技术依然是实现高精度室内外无缝定位的最大障碍。所以室内定位技术在精度可靠性上还有很大的提升空间。因此，在不改变大众手机硬件、不改变用户使用习惯的前提下，需要从信号发射基站硬件和手机定位软件上进行改进和创新。
室内定位技术基本定位方式包括几何定位、惯性导航、航迹推算、场景信号匹配和靠近感知等方式来得获得位置信息。其中几何定位方法是目前发展相对比较成熟也是可用性比较高的定位技术，其常见的几何定位算法，包括TOA(Time of Arrival，到达时间)测距、RSSI(Received Signal Strength Indicator，接收信号强度)测距、TDOA(TimeDifference of Arrival，到达时间差)、AOA(Angle of Arrival，到达角)等方式定位。
目前大多数的室内定位技术需要使用无线电信号，因此需要相关无线电发射和接收设备的支持，而相关硬件的安装、部署和维护都需要投入相应的资金和时间成本，且对发射设备空间部署结构的优化也是在实际生成应用中需要考虑的问题。随着近年来无线局域网的飞速发展，Wi-Fi通信设备部署广泛，例如大型商场、超市、学校、企业等各类公共场所都已经覆盖了Wi-Fi信号，这些广泛部署的基础设施极有利于基于Wi-Fi的室内定位系统。同时，当前智能手机平台上Wi-Fi功能已经成为标配，相比较于基站通信而言，Wi-Fi通信拥有较低的联网成本，而相比较于蓝牙而言，Wi-Fi联网更广域且具有更高的速率，故智能手机用户偏向于开启Wi-Fi。因此，从基站覆盖和终端接入的角度，基于Wi-Fi的定位系统均具有较大的应用优势。
通过GNSS技术已经可以实现行人室外精准的定位导航，在室内，IEEE.802.1mc协议即将扮演同样的角色，即在室内提供精确的时间同步功能。此协议的特点就是精确测量RTT(Round Trip Time)即通过测量信号从智能设备到至少三个AP点的时差(ns级)来确定行人在室内的位置坐标。在实现定位过程中，移动终端本身不需要与AP接入点相连接，只需要发送测距请求，再接收附近AP返回的时间测量值即可。实现Wi-Fi RTT的测量需要硬件技术标准和软件API接口同时支持，首先Wi-Fi AP端和智能终端内置Wi-Fi基带芯片均需要支持IEEE.802.11mc协议，这是实现测距的基础，其次，应用程序接口API需要在协议层实现数据的交互和RTT信息的获取。
Wi-Fi蓝牙一体化基站硬件配置是将由单个或多个BLE蓝牙发射器和支持IEEE802.11mc协议的无线网卡集成于mini PC主板上，通过自研发的支持mc协议的linux驱动，实现单个基站对Wi-Fi FTM功能和蓝牙广播功能的控制。基站具有尺寸小，成本低，稳定性好，超低功耗，部署方便，覆盖范围广，可同时支持互联网接入和FTM多功能，维护成本超低等特点。
目前，室内定位技术存在基准不统一，以及单项技术之间不融合等问题，所以很难得到商业普及应用。因此在实际应用中要实现与室外GNSS导航定位技术无缝对接，需要进行坐标参考框架的统一。本系统基于WGS84(World Geodetic System 1984)参考框架，采用最小二乘原理解算出7个转换参数，其中7个转换参数是指3个平移参数、3个旋转角度参数和1个尺度参数。利用室外GNSS快速定位技术并配以测量机器人实现室内外定位参考框架的转换。
基站位置信息以导航电文的形式进行传输，对一体化基站的位置信息进行二进制编码，通过数据传输将电文改正数据发给用户端，可充分发挥内室空间三维准确定位。
室内定位算法及软件开发是整个定位系统的关键核心技术。利用最小二乘和多维校准和滤波算法，建立实时的测距模型，实现距离测量的准确计算。最终利用软件开发工具包(SDK)将所有算法和导航电文进行封装。
发明内容
本发明针对上述技术背景中提出的基站位置未知、测距可靠性差以及室内外定位无缝对接问题，设计一种基于Wi-Fi和蓝牙的一体化基站，通过自研发的驱动和系统控制程序协调Wi-Fi和蓝牙的功能，进而解决室内信号覆盖不足和AP点未知的问题。基于WGS84坐标框架室内外坐标参考框架的参数转换，实现室内外框架的统一。通过对导航电文设计编码，将基站的位置等信息通过导航电文的方式实时传输给用户端。利用最小二乘和多维校准和滤波算法，建立实时的测距模型，实现精确的距离测量。形成一套基于Wi-Fi和蓝牙的高可用高精度室内一体化定位系统。该基于新型Wi-Fi蓝牙一体化基站的定位系统，每个一体化基站可同时发射Wi-Fi和蓝牙信号，其中用户终端到一体化基站的距离可通过Wi-FiFTM和蓝牙信号强度测得，基站的位置坐标可通过接收基站蓝牙的广播获得，利用三个或三个以上的一体化基站作为定位信号源，即可求得携带智能终端用户实时精确的二维或三维位置信息。
优选的，定位系统具备开机即得的功能，用户定位时不需要预先知道定位环境的任何信息。
优选的，一体化基站可当作Wi-Fi AP以提供互联网接入功能，还可向用户终端传递用于定位用的导航电文包括但不限于一体化基站的标识码、坐标、楼层、发射器信号传播参数、工作模式。
优选的，一体化基站可当作Wi-Fi AP以提供互联网接入功能，还可向用户终端传递用于定位用的导航电文包括但不限于一体化基站的标识码、坐标、楼层、发射器信号传播参数、工作模式。
优选的，一体化基站通过蓝牙向用户终端传递的坐标信息，包括全球坐标系统坐标如WGS84坐标、独立坐标系坐标、室内坐标系坐标或加密后坐标系坐标。
优选的，用户终端只需扫描到Wi-Fi和蓝牙信号即可获得用于定位的信息，而不需要配对链接和互联网接入。
优选的，用户终端的定位工作模式包括获取空间三维坐标，获取水平面二维坐标，获取垂直面二维坐标，获取一维坐标，获取里程信息。
优选的，用户终端具有扫描多个一体化基站的能力和测量数据计算处理的能力，为智能手机，手环，追踪器、嵌入式模块、智能机器人或工业传感器设备。
优选的，由两个或两个以上的一体化基站组成的定位系统，具备自动组网功能，不同基站间具备信号自动校准和通信功能。
通过该一体化基站定位系统用户可通过Wi-Fi FTM测量用户设备与基站之间的距离，并解析基站蓝牙播发的电文获得基站的精确坐标，最终实现实时，高精度，高可用的定位系统。其中Wi-Fi AP支持最新的IEEE802.11mc测距协议，可实时测得用户设备到AP点的距离，同时还可获取蓝牙实时广播的基站位置信息。本系统可以实现不改变用户习惯，不增加用户硬件成本的基础上实现室内外无缝定位，定位结果准确，可靠，可用性高。
附图说明
图1一体化基站定位技术系统组成示意图。
图2一体化基站测距原理示意图。
图3一体化基站定位原理示意图。
图4一体化基站定位技术具体实施步骤流程图。
具体实施方式
本发明涉及一种使用Wi-Fi蓝牙一体化基站通过距离测量的方式确定用户设备精确位置的系统，由两个或两个以上的一体化基站组成的定位系统，具备自动组网功能，不同基站间具备信号自动校准和通信功能。该系统的定位具体实施方式如下：
如图1所示，本发明涉及的基于Wi-Fi蓝牙一体化基站的定位系统需要三个或三个以上的一体化基站安装在坐标已知的固定点上。用户通过接收蓝牙广播和Wi-Fi RTT信号并解析得到的导航电文计算自身的一维，二维或者三维坐标。计算用户二维坐标需要至少三个一体化基站，如需计算用户的三维坐标，则需至少四个一体化基站。
如图2所示，本发明涉及的一体化集成了最新的Wi-Fi FTM功能和蓝牙广播功能，并且支持常用的互联网接入功能，通过测量信号在移动终端和AP端的往返时间RTT(Round-Trip Time)，乘以信号传输速度，即可得到行人与AP的距离信息：
RTT＝(t4-t1)-(t3-t2),2*Distance＝RTT*c
本发明涉及的一体化基站定位原理如图3所示。(1)基站中集成的蓝牙发射模块负责独立发射蓝牙广播信号，通过Linux操作系统程序进行控制，实现开机自启并开始发送广播电文；(2)电文编码和加密工作，操作程序按照一定的规则对蓝牙模块需要播发的电文，按照一定的数据协议进行编码和加密，保证电文正确，可靠地发送到用户设备。(3)Wi-Fi和蓝牙模块的运行状态自动监测，开启自动运行状态监测程序，掌握各个蓝牙广播和Wi-FiAP的工作状况，出现异常时自动执行系统重启。(4)当支持IEEE802.11mc协议的手机端扫描到基站服务端的Wi-Fi和蓝牙信号时，即开始解析蓝牙报文，确定基站的位置坐标，然后提取实时Wi-Fi RTT数据信息，结合基站坐标进行位置实时解算。Wi-Fi蓝牙一体化基站的软硬件一起构成了整个定位系统的服务端，而用户终端则是运行了实时定位服务软件的移动设备，如智能手机等。本一体化基站定位的系统的实施步骤包括一体化基站参数配置和用户终端定位两大部分，具体实施步骤如图4所示。一体化基站参数配置由系统运营方操作。一体化基站参数配置包括测量一体化基站安装点坐标，配置蓝牙广播、注入广播电文，配置Wi-Fi AP、开启FTM和互联网接入功能三个步骤。
步骤一：在本系统的服务区域按照一定几何形状，参考单基站覆盖范围进行安装，避免安装在同一直线上，使得基站的部署具有较好的几何强度。保证在需要定位的小范围内的任何区域都能收到三个或三个以上一体化基站的信号，安装点应尽可能布满整个服务区域以方便基站的切换和定位范围的拓展。选定好基站安装点后，需要逐个测量各个安装点的坐标。各个安装点的坐标应保证在同一套坐标系下，该坐标系可以是房间坐标系，建筑物坐标系等局部坐标系，也可以和全球卫星导航系统联测，得到基站安装点的全球坐标系坐标，如WGS84坐标系，CGCS2000坐标系等。使用全球坐标系坐标是实现室内外无缝定位的前提条件，因此使用全球坐标系坐标具有更大的实用价值。获得室内基站安装点的方法有两种:(1)使用GNSS方法获得室外某一个标志点，或者几个标志点的全球坐标系坐标，通过其他相对定位手段，如全站仪，经纬仪，激光测距仪等设备测量室内目标点与室外标志点的相对位置，再计算求得室内标志点的全球坐标系坐标。(2)获得室内基站安装点在局部坐标系坐标，如建筑物设计图纸坐标系，再使用GNSS手段测量三个或三个以上建筑物特征点的全球坐标系坐标，利用这些特征点的全球坐标和局部坐标求解两套坐标系间转换参数，再使用转换参数将测量得到的局部坐标系坐标转换为全球坐标系坐标。
步骤二：将用户设备需要解析的位置报文写入基站的蓝牙控制程序。该步骤需要对整个服务区域需要安装的一体化基站进行编号，并且将一体化基站的编号，具体坐标等其他相关的信息进行编码，加密，并写入蓝牙控制程序，在一体化基站开机启动后，写入蓝牙控制程序中的信息会以电文的形式自动广播给用户终端设备。
步骤三:配置Wi-Fi AP，开启FTM功能和互联网接入功能。本Wi-Fi蓝牙一体化基站不仅可以当作互联网接入点使用，提供手机上网功能，还可发送实时的高精度测距信息。基站包含自检测和定时重启功能，可以有效避免内部软件故障。本基站在出厂时即配置好了FTM和互联网功能，只需要连接网线即可实现互联网接入。
用户终端定位部分是在系统投入运营期间通过接收Wi-Fi RTT信号，解析蓝牙电文内容，实时计算用户设备当前位置。用户端设备可以是智能手机，手环等可穿戴设备，也可以是具有Wi-Fi和蓝牙通信和计算能力的传感器。无论哪种硬件平台，都应预装本系统包含的定位服务软件。用户终端定位部分也包括三个步骤：
步骤四：用户终端开启蓝牙接收功能，并且开启Wi-Fi FTM定位服务权限。开启蓝牙接收功能后，用户设备能够扫描获得基站蓝牙广播播报的位置信息，开启Wi-Fi FTM定位服务权限后，终端能够扫描并处理终端到基站的实时距离信息，通过测量终端到多个基站的实时距离信息计算出终端的精确位置坐标。
步骤五：在用户终端运行的Wi-Fi RTT定位服务会实时的获取终端到一体化基站的RTT信息，并且解调出蓝牙广播电文中包含的基站位置和其他相关信息，通过数学方法从收到的RTT信号中提取稳定，可靠的几何距离信息，并且使用几何法确定用户设备的位置。用户到一体化基站的几何距离，可以用泰勒级数展开，表达为：
式中ρ0是用户设备到一体化基站的近似几何距离，ε是非线性误差；[xi,yi,zi]是第i个基站的坐标，[dx,dy,dz]是用户坐标的增量。上式可以表达成线性系统E(y)＝Ax，该线性系统的最小二乘解为：
其中是估计得到用户坐标增量,P是权阵。在求得坐标增量以后，更新近似坐标，并重新计算坐标增量，直到计算得到的坐标增量足够小。最小二乘法适合求解初始坐标。室内导航通常使用扩展的卡尔曼滤波(EKF)计算。对于大部分室内定位场景，EKF可以使用随机游走模型模拟用户设备坐标移动状态，扩展的卡尔曼滤波模型可以表示为如下形式：
Qk是历元k的过程噪声矩阵，该矩阵可根据用户设备的运动速度调整。
Kk是历元k的滤波增益矩阵,Rk是观测值方差协方差矩阵，滤波完成后即得更新后的用户设备位置信息。
步骤六：Wi-Fi蓝牙一体化基站定位服务计算得到的坐标通过系统API或者其他方式，提供给其他应用程序，配合室内地图，本系统可以实现室内导航，定位，跟踪，轨迹显示，监控等功能。其中实现监控和跟踪功能需要用户设备将定位结果通过一定的数据通信方式，如Wi-Fi，蓝牙，蜂窝网络等将定位结果回传至中心服务器。
作为一种具体实施方式，定位系统具备开机即得的功能，跟室外GNSS定位过程类似，但是采用不同的技术。用户定位时不需要预先知道定位环境的任何信息(如指纹库等)。该一体化基站不仅可当作Wi-Fi AP以提供互联网接入功能，还可向用户终端传递用于定位用的导航电文包括但不限于一体化基站的标识码、坐标、楼层、发射器信号传播参数、工作模式等。该一体化基站可当作Wi-Fi AP以提供互联网接入功能，还可向用户终端传递用于定位用的导航电文包括但不限于一体化基站的标识码、坐标、楼层、发射器信号传播参数、工作模式。该一体化基站通过蓝牙向用户终端传递的坐标信息，包括全球坐标系统坐标如WGS84坐标、独立坐标系坐标、室内坐标系坐标或加密后坐标系坐标。
用户终端只需扫描到Wi-Fi和蓝牙信号即可获得用于定位的信息，而不需要配对链接和互联网接入。用户终端可直接收到基站Wi-Fi的实时距离信息，通过数据处理算法获得高精度，高可靠的距离测量值，且基站覆盖范围广(覆盖半径：>50m)，实时性好(采样率：>3HZ)。用户终端的定位工作模式包括，但不限于获取空间三维坐标，获取水平面二维坐标，获取垂直面二维坐标，获取一维坐标，获取里程信息等。用户终端具有扫描多个一体化基站的能力和测量数据计算处理的能力，包括但不限于智能手机，手环，追踪器等可穿戴设备，以及嵌入式模块，智能机器人，设备传感器等工业传感器设备。
通过该一体化基站定位系统用户可通过Wi-Fi FTM测量用户设备与基站之间的距离，并解析基站蓝牙播发的电文获得基站的精确坐标，最终实现实时，高精度，高可用的定位系统。其中Wi-Fi AP支持最新的IEEE802.11mc测距协议，可实时测得用户设备到AP点的距离，同时还可获取蓝牙实时广播的基站位置信息。本系统可以实现不改变用户习惯，不增加用户硬件成本的基础上实现室内外无缝定位，定位结果准确，可靠，可用性高。
Claims (9)
1.一种Wi-Fi蓝牙一体化基站的定位系统，其特征在于：每个一体化基站可同时发射Wi-Fi和蓝牙信号，其中用户终端到一体化基站的距离可通过Wi-Fi FTM和蓝牙信号强度测得，基站的位置坐标可通过接收基站蓝牙的广播获得，利用三个或三个以上的一体化基站作为定位信号源，即可求得携带智能终端用户实时精确的二维或三维位置信息。
2.根据权利要求1 所述的Wi-Fi蓝牙一体化基站定位系统，其特征在于：定位系统具备开机即得的功能，用户定位时不需要预先知道定位环境的任何信息。
3.根据权利要求1 所述的Wi-Fi 蓝牙一体化基站定位系统，其特征在于：一体化基站可当作Wi-Fi AP 以提供互联网接入功能，还可向用户终端传递用于定位用的导航电文包括但不限于一体化基站的标识码、坐标、楼层、发射器信号传播参数、工作模式。
4.根据权利要求1 所述的Wi-Fi 蓝牙一体化基站定位系统，其特征在于：一体化基站通过蓝牙向用户终端传递的坐标信息，包括全球坐标系统坐标如WGS84坐标、独立坐标系坐标、室内坐标系坐标或加密后坐标系坐标。
5.根据权利要求1 所述的Wi-Fi 蓝牙一体化基站定位系统，其特征在于：用户终端只需扫描到Wi-Fi和蓝牙信号即可获得用于定位的信息，而不需要配对链接和互联网接入。
6.根据权利要求1 所述的Wi-Fi 蓝牙一体化基站定位系统，其特征在于：用户终端可直接收到基站Wi-Fi的实时距离信息，通过数据处理算法获得高精度，高可靠的距离测量值，且基站覆盖范围广。
7.根据权利要求1 所述的Wi-Fi 蓝牙一体化基站定位系统，其特征在于：用户终端的定位工作模式包括获取空间三维坐标，获取水平面二维坐标，获取垂直面二维坐标，获取一维坐标，获取里程信息。
8.根据权利要求1 所述的Wi-Fi 蓝牙一体化基站定位系统，其特征在于：用户终端具有扫描多个一体化基站的能力和测量数据计算处理的能力，为智能手机，手环，追踪器、嵌入式模块、智能机器人或工业传感器设备。
9.根据权利要求1 所述的Wi-Fi 蓝牙一体化基站定位系统，其特征在于：由两个或两个以上的一体化基站组成的定位系统，具备自动组网功能，不同基站间具备信号自动校准和通信功能。
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