CN110366233B - 一种用于物联网的低功耗定位方法和装置 - Google Patents

一种用于物联网的低功耗定位方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于物联网的低功耗定位方法及装置。采用极精简定位模块和全能GNSS定位芯片相配合，先用极精简定位模块进行初步定位，然后根据初定位结果和应用的要求决定是否打开外接全能GNSS定位芯片，既能在需求较低时实现低功耗GNSS定位，又能根据需要实现高性能全能定位功能，同时满足低功耗和高性能的定位服务需求。由于在很多情况下无需打开全能定位芯片，降低了整体功耗，增加了物联网终端使用寿命。极精简定位模块定位成功时，还能将辅助信息和初始定位传给全能定位芯片，令全能定位芯片工作在热启动模式，大大缩短定位的时间。由于将极精简定位模块集成在物联网芯片的内部，无需进行硬件改造，节省了成本。

Description

一种用于物联网的低功耗定位方法和装置
技术领域
本发明属于物联网定位技术领域，涉及一种用于物联网的低功耗定位方法和装置。
背景技术
物联网中大多数终端用的电池是小容量非充电电池，这要求终端有极低的功耗以延长使用寿命。物联网常有定位需求，而目前实现定位功能耗能较高。物联网终端的现存定位方案有两种：一种如图1所示，采用物联网芯片(例如GSM，NB-IoT，蓝牙，WIFI等)外接一块全能GNSS定位芯片(例如GPS/北斗定位芯片SOC)。第二种如图2所示，其架构为物联网芯片内含一个全能GNSS定位芯片或者模块。这两种方案在定位时均需启动外接或内含的全能芯片，图3即给出了外接全能芯片的一种示例，物联网定位方案定位辅助数据协议需要外接全能定位芯片的支持。而全能定位芯片要支持多星座以及高性能，其功耗，成本，代码规模和需要的存储都很高，因此导致在物联网终端中进行时能耗很大，这就大大降低了物联网终端的使用寿命。
发明内容
我们经过研究发现，物联网中的很多应用对定位精度、灵敏度、定位时间和实时性没有高要求，并不需要全能芯片提供的很多功能和高性能。基于此，本发明提供了一种用于物联网的低功耗定位方法及装置，既能实现低功耗，又能满足物联网的不同定位需求。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于物联网的低功耗定位方法，包括如下步骤：
步骤1，从应用程序收到定位请求；
步骤2，打开极精简定位模块，进行极精简定位；
极精简定位模块预先通过射频单元和基带电路存储一段短时间的GNSS信号，然后关闭前端的射频和基带电路部分，再用处理器来进行捕获搜星和定位；
步骤3，当步骤2中极精简定位过程成功完成时，判断定位误差是否满足应用需要的定位需求，如满足则输出极精简定位过程获得的GNSS定位结果，如不满足应用需要的定位需求，则执行步骤5；当步骤2中极精简定位过程未能成功完成时，需执行步骤4；
步骤4，判断是否检测到GNSS信号，如检测到则执行步骤5，如未检测到GNSS信号则判断终端处于室内，输出无定位；
步骤5，打开全能定位芯片进行全能定位，当定位成功时输出GNSS定位结果，当定位不成功时输出：无GNSS定位结果。
具体的说，步骤2包括如下步骤：
(1)物联网终端查看终端中是否存有有效GNSS星历，如否则通过物联网通信芯片下载GNSS星历；
(2)退出物联网通信模式；
(3)打开物联网通信芯片中的射频单元和基带电路，设置成GNSS模式；
(4)收集一段时间内的GNSS数据并存储在存储单元中；
(5)关闭步骤(3)中被打开的射频单元和基带电路；
(6)用处理器对步骤(4)中存储进存储单元的数据进行捕获搜星，产生测量数据；
(7)用处理器计算终端当前的定位信息，所述定位信息至少包括以下信息中的一项或者多项：位置、速度、时间。
进一步的，所述步骤3中在执行步骤5时将极精简定位过程获取的信息传输至全能定位芯片，关闭极精简定位模块。
本发明还提供了一种用于物联网的低功耗定位装置，用于实现上述用于物联网终端的精简GNSS定位方法，包括极精简定位模块以及与极精简定位模块具备数据连接的全能定位芯片或模块，所述极精简定位模块用于预先通过射频单元和基带电路存储一段短时间的GNSS信号，然后关闭前端的射频和基带电路部分，再用处理器进行捕获搜星和定位。
进一步的，所述极精简定位模块设置在物联网通信芯片中，所述物联网通信芯片包含射频单元、ADC模数转换单元、基带电路、存储单元以及通用处理器，所述射频单元、ADC模数转换单元、基带电路、存储单元、通用处理器依次连接。
进一步的，还包含GNSS专用硬件，所述GNSS专用硬件设置在物联网通信芯片中，包含以下硬件中的任意一种或几种：
GNSS专用射频单元、GNSS专用ADC模数转换单元、GNSS专用基带电路单元、GNSS专用处理硬件单元和GNSS专用存储。
进一步的，包含GNSS专用基带电路单元，所述GNSS专用基带电路单元分别与ADC模数转换单元和存储单元连接。
进一步的，所述全能定位芯片或模块设置在物联网通信芯片中；
或
全能定位芯片或模块与物联网通信芯片相连。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
1.本发明采用极精简定位模块和全能GNSS定位芯片相配合，先用极精简定位模块进行初步定位，然后根据初定位结果和应用的要求决定是否打开外接全能GNSS定位芯片，既能在需求较低时实现低功耗GNSS定位，又能根据需要实现高性能全能定位功能，同时满足低功耗和高性能的定位服务需求。由于在很多情况下无需打开全能定位芯片，降低了整体功耗，增加了物联网终端使用寿命。
2.极精简定位模块定位成功时，还能将辅助信息和初始定位传给全能定位芯片，令全能定位芯片工作在热启动模式，大大缩短定位的时间。
3.由于将极精简定位模块集成在物联网芯片的内部，无需进行硬件改造，节省了成本。
4.物联网终端芯片及其内置极精简的GNSS定位芯片(模块)支持需要的A-GNSS(辅助GNSS)的协议，外接全能GNSS芯片不需要A-GNSS协议组件。
附图说明
图1为现有技术中采用物联网芯片外接全能GNSS定位芯片的结构示意图。
图2为现有技术中物联网芯片内含全能GNSS定位芯片的结构示意图。
图3为现有技术中采用物联网芯片外接全能GNSS定位芯片的通信示意图。
图4为本发明提供的用于物联网的低功耗定位方法流程示意图。
图5为实时(在线)定位方式下的信号处理示意图。
图6为非实时(离线)定位方式下的信号处理示意图。
图7为本发明提供的用于物联网的低功耗定位装置结构示意图。
图8为本发明提供的用于物联网的低功耗定位装置通信示意图。
图9为实施例二提供的用于物联网的低功耗定位装置中物联网通信芯片结构示意图。
图10为实施例三提供的用于物联网的低功耗定位装置中物联网通信芯片结构示意图。
图11为实施例四提供的用于物联网的低功耗定位装置中物联网通信芯片结构示意图。
图12为实施例五提供的用于物联网的低功耗定位装置中物联网通信芯片结构示意图。
图13为实施例六提供的用于物联网的低功耗定位装置中物联网通信芯片结构示意图。
图14为实施例七提供的用于物联网的低功耗定位装置中物联网通信芯片结构示意图。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
实施例一：
本发明提供了一种用于物联网的低功耗定位方法，其流程如图4所示，包括如下步骤：
步骤1，从应用程序收到定位请求；
步骤2，打开极精简定位模块，进行极精简定位；
极精简定位模块采用离线处理的方法来进行搜星和定位：预先通过射频单元和基带电路存储一段短时间的GNSS信号，然后关闭前端的射频和基带电路部分，再用处理器来进行捕获搜星和定位。这里的射频单元和基带电路可以是物联网通信芯片中已有的元件，也可以是在通信芯片中为GNSS定位功能专门设置的相关硬件。实时信号处理方式中的存储GNSS数据和处理GNSS数据过程(全能定位芯片处理方式即是如此)如图5所示，而本发明中存储GNSS数据和处理GNSS数据的过程如图6所示，对时延和处理速度没有特殊要求。本方法利用了物联网应用定位实时性要求不高的特点，使用离线处理方式，用处理器较长时间的处理来换取所需要的灵敏度。
具体的说，极精简定位的完整流程包括如下步骤：
(1)物联网终端查看终端中是否存有有效GNSS星历，如否则通过物联网通信芯片(如NB-IoT芯片)下载GNSS星历。
(2)退出物联网通信模式。
(3)打开物联网通信芯片中的射频单元和基带电路，设置成GNSS模式。这里的射频单元和基带电路可以是通信芯片中已有的元件，也可以是在通信芯片中为GNSS定位功能专门设置的相关硬件。
(4)收集N毫秒的GNSS数据并存储在存储单元中。这里的存储单元可以是通信芯片中已有的元件，也可以是在通信芯片中为GNSS定位功能专门设置的相关硬件。
(5)关闭步骤(3)中被打开的射频单元和基带电路。
(6)用处理器对步骤(4)中存储进存储单元的数据进行捕获搜星，产生测量数据。
(7)用处理器计算终端当前的定位信息(包括位置、速度和时间中的一项或者多项)。
步骤3，当步骤2中极精简定位过程成功完成时，估计定位误差是否满足应用需要的定位需求，如满足则输出极精简定位过程获得的GNSS定位结果，如不满足应用需要的定位需求，则执行步骤5，并将极精简定位过程获取的信息(辅助信息和初始定位等)传输至全能定位芯片，关闭极精简定位模块，这会让能定位芯片工作在热启动模式，会大大缩短定位的时间；当步骤2中极精简定位过程未能成功完成时，需执行步骤4；
步骤4，判断是否检测到GNSS信号，如检测到则执行步骤5，如未检测到GNSS信号则判断终端处于室内，输出：无GNSS定位结果；
步骤5，打开全能定位芯片进行全能定位，当定位成功时输出GNSS定位结果，当定位不成功时输出：无GNSS定位结果。
极精简定位模块通过大量减少功能(比如只支持单星座单频率)和放宽性能(比如只针对无遮挡强信号，精度目标几十米到一百米)来大幅降低功耗，降低成本。显然，当应用对定位的精度、速度等要求不高而且信号强度高(没有遮挡)的时候，仅需进行极精简定位，提供大概位置(一般几十米到数百米误差)，即可满足需求；不用进行全能定位。当定位精度和灵敏度要求高的时候，先打开极精简定位模块，如果定位成功，把辅助信息和初始定位传给全能定位芯片，然后关闭极精简定位模块，打开全能定位芯片。全能定位芯片会工作在热启动模式，会大大缩短定位的时间。如果极精简定位模块没有找到任何导航卫星信号，设备很可能在室内，这样不打开全能定位芯片，直接报没有定位。这样可以在设备在室内的时候大量省电。
本发明还提供了一种用于物联网的低功耗定位装置，如图7所示，包括极精简定位模块以及与极精简定位模块具备数据连接的全能定位芯片或模块，用于实现上述用于物联网的低功耗定位方法。其中，全能定位芯片或模块可采用常规的支持各种模式和星座且具有良好性能的全能GNSS芯片或模块(例如GPS/北斗定位芯片SOC)。图7中，采用一块独立于物联网芯片之外且与物联网芯片连接的全能定位芯片或模块。根据需要，也可以类似图2所示，将全能定位芯片或模块设置在物联网芯片内。而极精简定位模块可以是一块单独的芯片，也可以集成在物联网芯片里。现有的物联网通信芯片中包含依次连接的射频单元、ADC模数转换单元、基带电路、存储单元以及通用处理器(DSP)。极精简定位模块可以使用部分或者全部物联网通信芯片的硬件单元(包括射频，模拟数字转化器ADC，基带处理电路，存储单元，处理器/DSP等等)。很显然，仅依靠物联网通信芯片中已有的硬件条件，就足以实现极精简定位模块的功能，此时极精简定位模块仅仅为软件模块。如图8所示，基于本发明架构的定位辅助数据协议不需要外接全能定位芯片的支持，这样大大简化了全能定位芯片的数据协议以及它与物联网通信芯片的协议接口。
根据需要，或为了提供更好地性能，极精简定位模块的实现亦可部分采用或完全不采用物联网无线通信芯片中的硬件，并设置用于实现GNSS的专用硬件。以下在各实施例中针对极精简定位模块的硬件实施方式一一展开说明。
实施例二：
本例提供了一种用于物联网的低功耗定位装置的极低成本实现方式，在物联网通信芯片中以接近零成本的方式实现极精简定位模块，即完全采用物联网无线通信芯片中的相关硬件(包括射频，模拟数字转化器ADC，基带处理电路，存储单元，处理器/DSP)，其硬件架构如图9所示，即为物联网无线通信芯片既有存在的依次连接的射频单元、ADC模数转换单元、基带电路、存储单元以及通用处理器(DSP)。本例不设置GNSS专用硬件，极精简定位模块为软件模块，由于极精简定位模块实现与已有物联网芯片硬件共享，成本降到可以忽略。实现仅需在软件中实现实施例一中提供的非实时离线方法。本例极精简定位模块无需对硬件做额外改造，成本极其低廉。本例中用于物联网的低功耗定位装置的其余技术特征与实施例一相同。
实施例三：
本例提供了一种用于物联网的低功耗定位装置的极低成本实现方式，在物联网通信芯片中以接近零成本的方式实现极精简定位模块，其硬件架构如图10所示，仅设置GNSS专用基带电路单元，GNSS专用基带电路单元分别与物联网无线通信芯片中已有的ADC模数转换单元和存储单元连接。本例提供的极精简定位模块，在现有的物联网通信芯片中增加极少量的GNSS专用硬件，成本极低。本例中用于物联网的低功耗定位装置的其余技术特征与实施例一相同。
实施例四：
本例提供了一种用于物联网的低功耗定位装置的低成本实现方式，在物联网通信芯片中以低成本的方式实现极精简定位模块.其硬件架构如图11所示，仅设置GNSS专用基带电路单元和GNSS专用存储。其中，GNSS专用基带电路单元分别与物联网无线通信芯片中已有的ADC模数转换单元和存储单元连接，要实现GNSS专用存储需扩大或增加原有存储单元电路。本例提供的极精简定位模块，在现有的物联网通信芯片中增加极少量的GNSS专用硬件，成本极低。本例中用于物联网的低功耗定位装置的其余技术特征与实施例一相同。
实施例五：
本例提供了一种用于物联网的低功耗定位装置的低成本实现方式，在物联网通信芯片中以低成本的方式实现极精简定位模块，其硬件架构如图12所示，设置GNSS专用处理硬件单元和GNSS专用存储。其中，要实现GNSS专用存储需扩大或增加原有存储单元电路，GNSS专用处理硬件单元与存储单元连接。本例提供的极精简定位模块，在现有的物联网通信芯片中增加少量的GNSS专用硬件，成本低廉。本例中用于物联网的低功耗定位装置的其余技术特征与实施例一相同。
实施例六：
本例提供了一种用于物联网的低功耗定位装置的低成本实现方式，在物联网通信芯片中以低成本的方式实现极精简定位模块，其硬件架构如图13所示，设置GNSS专用基带电路单元、GNSS专用处理硬件单元和GNSS专用存储。其中，要实现GNSS专用存储需扩大或增加原有存储单元电路，GNSS专用基带电路单元分别与物联网无线通信芯片中已有的ADC模数转换单元和存储单元连接，GNSS专用处理硬件单元与存储单元连接。本例提供的极精简定位模块，在现有的物联网通信芯片中增加少量的GNSS专用硬件，成本低廉。本例中用于物联网的低功耗定位装置的其余技术特征与实施例一相同。
实施例七：
本例提供了一种用于物联网的低功耗定位装置的低成本实现方式，在物联网通信芯片中以低成本的方式实现极精简定位模块，其硬件架构如图14所示，设置GNSS专用射频单元、GNSS专用ADC单元、GNSS专用基带电路单元、GNSS专用处理硬件单元和GNSS专用存储。其中，要实现GNSS专用存储需扩大或增加原有存储单元电路，GNSS专用射频单元、GNSS专用ADC单元、GNSS专用基带电路单元依次连接，GNSS专用基带电路单元与存储单元连接，GNSS专用处理硬件单元与存储单元连接。本例提供的定位装置，在现有的物联网通信芯片中增加少量的GNSS专用硬件，成本低廉。
以上实施例二-实施例七仅仅是提供了几种较易实现的极精简定位模块，根据需要，可以选择几个相关单元(射频单元、ADC模数转换单元、基带电路、存储单元以及通用处理器(DSP))其中之一或任意几个设置GNSS专用硬件。加入专用的GNSS硬件能够加强物联网终端定位功能或者性能(比如同时支持用GPS和北斗卫星定位)。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。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 (8)

1.一种用于物联网的低功耗定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，从应用程序收到定位请求；
步骤2，打开极精简定位模块，进行极精简定位；
极精简定位模块预先通过射频单元和基带电路存储一段短时间的GNSS信号，然后关闭前端的射频和基带电路部分，再用处理器对存储进存储单元的数据进行捕获搜星和定位；
步骤3，当步骤2中极精简定位过程成功完成时，判断定位误差是否满足应用需要的定位需求，如满足则输出极精简定位过程获得的GNSS定位结果，如不满足应用需要的定位需求，则执行步骤5；当步骤2中极精简定位过程未能成功完成时，需执行步骤4；
步骤4，判断是否检测到GNSS信号，如检测到则执行步骤5，如未检测到GNSS信号则判断终端处于室内，输出无定位；
步骤5，打开全能定位芯片进行全能定位，当定位成功时输出GNSS定位结果，当定位不成功时输出：无GNSS定位结果。
2.根据权利要求1所述的用于物联网的低功耗定位方法，其特征在于，所述步骤2具体包括如下步骤：
(1)物联网终端查看终端中是否存有有效GNSS星历，如否则通过物联网通信芯片下载GNSS星历；
(2)退出物联网通信模式；
(3)打开物联网通信芯片中的射频单元和基带电路，设置成GNSS模式；
(4)收集一段时间内的GNSS数据并存储在存储单元中；
(5)关闭步骤(3)中被打开的射频单元和基带电路；
(6)用处理器对步骤(4)中存储进存储单元的数据进行捕获搜星，产生测量数据；
(7)用处理器计算终端当前的定位信息，所述定位信息至少包括以下信息中的一项或者多项：位置、速度、时间。
3.根据权利要求1或2所述的用于物联网的低功耗定位方法，其特征在于，所述步骤3中在执行步骤5时将极精简定位过程获取的信息传输至全能定位芯片，关闭极精简定位模块。
4.一种用于物联网的低功耗定位装置，其特征在于：用于实现上述权利要求1-3中任意一项所述的用于物联网的低功耗定位方法，包括极精简定位模块以及与极精简定位模块具备数据连接的全能定位芯片或模块，所述极精简定位模块用于预先通过射频单元和基带电路存储一段短时间的GNSS信号，然后关闭前端的射频和基带电路部分，再用处理器进行捕获搜星和定位。
5.根据权利要求4所述的用于物联网的低功耗定位装置，其特征在于：所述极精简定位模块设置在物联网通信芯片中，所述物联网通信芯片包含射频单元、ADC模数转换单元、基带电路、存储单元以及通用处理器，所述射频单元、ADC模数转换单元、基带电路、存储单元、通用处理器依次连接。
6.根据权利要求5所述的用于物联网的低功耗定位装置，其特征在于：还包含GNSS专用硬件，所述GNSS专用硬件设置在物联网通信芯片中，包含以下硬件中的任意一种或几种：
GNSS专用射频单元、GNSS专用ADC模数转换单元、GNSS专用基带电路单元、GNSS专用处理硬件单元和GNSS专用存储。
7.根据权利要求6所述的用于物联网的低功耗定位装置，其特征在于：包含GNSS专用基带电路单元，所述GNSS专用基带电路单元分别与ADC模数转换单元和存储单元连接。
8.根据权利要求5所述的用于物联网的低功耗定位装置，其特征在于：所述全能定位芯片或模块设置在物联网通信芯片中；
或
全能定位芯片或模块与物联网通信芯片相连。
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