CN111385756B

CN111385756B - 室内定位方法、系统、装置、存储介质、计算机程序产品

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Publication number: CN111385756B
Application number: CN202010109389.9A
Authority: CN
Inventors: 吴雯琦
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-02-22
Filing date: 2020-02-22
Publication date: 2021-10-12
Anticipated expiration: 2040-02-22
Also published as: CN111385756A

Abstract

本发明属于测定目标位置数据技术领域，公开了一种室内定位方法、系统、装置、存储介质、计算机程序产品，利用多个基站和多个终端，通过多个基站与室内多个终端之间测距、采用空间直角坐标系计算得到多个室内终端与多个固定基站的距离，定位多个终端与多个基站的距离，多个基站与室内多个终端之间进行测向，采用极坐标系计算得到室内多个终端与多个基站的角度；通过计算室内终端在基站覆盖范围内的方位信息，得到位置信息；通过运用测距的方法和测向的方法得到的数值；通过运用室内的多个终端分别得到的距离和方位信息，相互校正得到每个室内终端精确的定位信息。本发明准确测定室内多个终端之间的距离，能够实现室内终端精确定位。

Description

室内定位方法、系统、装置、存储介质、计算机程序产品

技术领域

本发明属于测定目标位置数据技术领域，尤其涉及一种室内定位方法、系统、装置、存储介质、计算机程序产品。

背景技术

目前，最接近的现有技术：在室内场景，人们希望得到精确的室内位置，但由于信号的严重衰减和多径效应，得到准确的室内定位位置比较困难。为了解决室内定位，大多采用了基于无线信号发射设备的WiFi，蓝牙，RFID，UWB定位，基于惯性导航的(IMU，MEMS)的室内定位，基于图片(视频)的计算机视觉定位，基于地磁的定位等方法，但上述方法都存在缺陷。

WiFi定位最高精确度大约在1米至20米之间。如果定位测算仅基于当前连接的Wi-Fi接入点，而不是参照周边Wi-Fi的信号强度合成图，则Wi-Fi定位就很容易存在误差(例如：定位楼层错误)。Wi-Fi接入点通常都只能覆盖半径90米左右的区域，而且易受到其他信号干扰，从而影响其精度，定位器的能耗也较高。总之，定位精度低，覆盖范围小，定位终端能耗高。蓝牙定位主要应用于小范围定位，对于复杂的空间环境，蓝牙定位系统的稳定性稍差，受噪声信号干扰大。RFID不便于整合到移动设备之中，作用距离短，一般最长距离30～60米。UWB技术的定位精度在30CM左右，相比其他定位方法有很大提高，但其定位方法只采用TDOA一种，需要定位标签，频谱利用率较低、传输数据率低。

综上所述，现有技术存在的问题是：目前的室内定位装置存在室内定位准确度差，测距精度低。

解决上述技术问题的难度：本发明需要4个基站和3个及以上终端；与目前采用的方法，基站数量相对多1个及以上，对终端的处理器性能要求高一些、内存容量大一些。目前通常采用的方法测距精度不够，算法简单。本发明主要在基站侧服务器进行计算，计算量在基站侧，终端的处理器和内存也可以适当降低要求。

解决上述技术问题的意义：提高现有定位方法的定位精度，经实测与现有定位精度最高的UWB定位方法比较，提高定位精度10％～20％。而且，目前室内定位产品以UWB技术为主，但是UWB存在技术成本高，依赖于专用频段，抗遮挡能力差，可靠性低，对时钟源依赖性强，适合测距，定位时计算精度不容易控制，无法消除多径误差，动态性能差等缺点，本发明融合测距和测向，多天线，OFDM多径估计，惯导模块运动补偿等技术，形成了一套定位可靠性高，适合动态定位，且技术成本低的室内高精度定位方案。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种室内定位方法、系统、装置、存储介质、计算机程序产品。

本发明是这样实现的，一种室内定位方法，所述室内定位方法利用多个基站和多个终端，通过多个基站与室内多个终端之间测距、采用空间直角坐标系计算得到多个室内终端与多个固定基站的距离，定位多个终端与多个基站的距离，多个基站与室内多个终端之间进行测向，采用极坐标系计算得到室内多个终端与多个基站的角度；通过计算室内终端在基站覆盖范围内的方位信息，得到位置信息；通过运用测距的方法和测向的方法得到的数值，经综合运算得到室内各终端的定位信息；通过运用室内的多个终端分别得到的距离和方位信息，相互校正得到每个室内终端精确的定位信息。

进一步，所述室内定位方法包括以下步骤：

第一步，室内终端读取自身惯导模块信息，静止状态时间大于10分钟，室内终端进入低功耗模式；

第二步，通过反复测量和校正，调整基站多个天线架设位置和波束成形的角度，得到稳定的天线增益；

第三步，室内终端轮流向各基站发信息，读取基站坐标，并计算距各基站的距离；

第四步，各基站逐一计算所有室内终端的方位，并发送至对应终端；

第五步，室内各终端依据距离和方位信息，计算自身的位置坐标信息；

第六步，室内各终端之间进行测距并互传各自的位置坐标信息，并互相校正；

第七步，室内各终端读取各自的惯导模块信息，计算轨迹并进行预测；

第八步，室内各终端通过自身坐标和轨迹信息，确定室内终端位置，实现精确定位。

进一步，所述室内定位方法采用OFDM多载波调制和多天线发射和接收。

进一步，所述室内定位方法多基站和多终端之间组成自组网系统，相互之间共享位置信息，用于坐标校正。

进一步，所述室内定位方法采用多天线和波束成形相结合，在发射功率不变的条件下，多天线发射增益大于单天线发射增益。

进一步，所述室内定位方法测距采用多天线技术，在基站测同时得到多个测距值，通过相互校正，得到所测终端的定位数据。

进一步，所述室内定位方法测向采用多天线技术，消除相位模糊和解算误差，计算出测量方位数值。

进一步，所述室内定位方法基站和基站之间，终端和终端之间，基站和终端之间，使用测距方法。

进一步，所述室内定位方法通过基站的确定坐标，测距值，测向值组成的方程求解后，得到终端的坐标值。

进一步，所述室内定位方法测距、测向信号的生成采用OFDM。

进一步，所述室内定位方法的终端惯导模块自身计算的轨迹与终端测距、测向计算得到的轨迹相互校正，确定终端移动状态下的定位值。

进一步，所述室内定位方法在惯导模块检测到终端处于静止状态时，进入睡眠模式。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述室内定位方法的室内定位系统，所述室内定位系统包括：

耗能模式调整模块，用于读取惯导模块信息，若静止状态时间大于10分钟，进入低功耗模式；

天线调整模块，用于调整天线架设位置和波束成形的角度，得到稳定的天线增益；

测距模块，用于向各基站发信息，读取基站坐标，并计算距各基站的距离；

测向模块，用于实现基站逐一计算所有室内终端的方位，并发送至对应终端；

初步定位模块，用于依据距离和方位信息，计算自身的位置坐标信息；

位置坐标校正模块，用于进行测距并互传各自的位置坐标信息，并互相校正；

轨迹预测模块，用于读取各自的惯导模块信息，计算轨迹并进行预测；

精确定位模块，用于通过自身坐标和轨迹信息，确定室内终端位置，实现精确定位。

本发明的另一目的在于提供一种搭载所述室内定位系统的室内定位装置，所述室内定位装置包括：多个室内终端、多个接收和发送信息的基站；

基站中每个基站都包含多个天线，室内终端中每个终端包含多个天线和惯导模块；

惯导模块包含多轴加速度传感器，多轴磁传感器，多轴陀螺仪和数据处理单元；室内终端支持在不同基站内越区切换。

进一步，多个基站均为物理基站，且多个基站在平面上不共线，并在不同位置。

进一步，多个基站应至少包含3个基站及以上，3个基站初步定位，4个及以上精确定位。

进一步，室内终端包含多个终端。

本发明的另一目的在于提供一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行所述的室内定位方法。

本发明的另一目的在于提供一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施所述的室内定位方法。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明通过利用多个基站，室内多个终端，以及每个基站和每个终端都采用多天线技术，并融合惯导技术实现室内多个终端的三维定位。同时，准确测定室内多个终端之间的距离，能够实现室内终端精确定位。

本发明的基站支持终端越区切换，多基站和多终端之间组成自组网系统，相互之间共享位置信息。

本发明采取多天线技术和波束成形技术相结合的手段，结合OFDM技术生成测距和测向信息，可以有效消除多径引起的时间估计误差，经实测定位精度较目前现有定位精度最高的UWB定位方法提高10％～20％，而且可靠性高。室内终端通过采用惯导模块和多天线技术，降低了室内辐射和终端能耗，延长待机时间。

附图说明

图1是本发明实施例提供的室内定位方法流程图。

图2是本发明实施例提供的室内定位系统的结构示意图；

图中：1、耗能模式调整模块；2、天线调整模块；3、测距模块；4、测向模块；5、初步定位模块；6、位置坐标校正模块；7、轨迹预测模块；8、精确定位模块。

图3是本发明实施例提供的室内定位装置的结构示意图；

图中：9、室内终端；10、基站。

图4是本发明实施例提供的室内定位方法实现流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种室内定位方法、系统、装置、存储介质、计算机程序产品，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的室内定位方法包括以下步骤：

S101：室内终端读取自身惯导模块信息，若长时间(大于10分钟)处于静止状态，则室内终端进入低功耗模式；

S102：通过反复测量和校正，调整基站多个天线架设位置和波束成形的角度，得到稳定的天线增益；

S103：室内终端轮流向各基站发信息，读取基站坐标，并计算距各基站的距离，即测距；

S104：各基站逐一计算所有室内终端的方位，即测向，并发送至对应终端；

S105：室内各终端依据距离和方位信息，计算自身的位置坐标信息，即初步定位；

S106：室内各终端之间进行测距并互传各自的位置坐标信息，并互相校正；

S107：室内各终端读取各自的惯导模块信息，计算轨迹并进行预测；

S108：室内各终端通过自身坐标和轨迹信息，确定室内终端位置，最终实现精确定位。

如图2所示，本发明实施例提供的室内定位系统包括：

耗能模式调整模块1，用于读取惯导模块信息，若静止状态时间大于10分钟，进入低功耗模式。

天线调整模块2，用于调整天线架设位置和波束成形的角度，得到稳定的天线增益。

测距模块3，用于向各基站发信息，读取基站坐标，并计算距各基站的距离。

测向模块4，用于实现基站逐一计算所有室内终端的方位，并发送至对应终端。

初步定位模块5，用于依据距离和方位信息，计算自身的位置坐标信息。

位置坐标校正模块6，用于进行测距并互传各自的位置坐标信息，并互相校正。

轨迹预测模块7，用于读取各自的惯导模块信息，计算轨迹并进行预测

精确定位模块8，用于通过自身坐标和轨迹信息，确定室内终端位置，实现精确定位。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

如图3所示，本发明实施例提供的室内定位装置包括：室内终端9、基站10。室内终端9、基站10为多个。

基站10中每个基站都包含多个天线，室内终端9中每个终端包含多个天线和惯导模块，惯导模块包含多轴加速度传感器，多轴磁传感器，多轴陀螺仪和数据处理单元。室内终端9支持在不同基站内越区切换。

在本发明的优选实施例中，多个基站均为物理基站，并且基站的位置是固定的，具有精确的位置信息，且多个基站在平面上不共线，并在不同位置。

在本发明的优选实施例中，多个基站应至少包含3个基站及以上，3个基站实现基本定位，4个及以上实现精确定位。

在本发明的优选实施例中，多个基站都能够接收和发送信息。

在本发明的优选实施例中，每个基站都包含多个天线，多个天线架设间距应满足较低的天线间的衰落相关性。

在本发明的优选实施例中，室内包含多个终端。

在本发明的优选实施例中，室内每个终端内部都安装有多个天线。

在本发明的优选实施例中，室内每个终端都安装惯导模块。

在本发明的优选实施例中，每个室内终端都能够接收和发送信息；

在本发明的优选实施例中，多基站和多终端之间组成自组网系统，相互之间共享位置信息。

如图4所示，本发明实施例提供的室内定位方法具体包括以下步骤：

S401：基站处于正常工作状态，室内终端处于工作状态。

S402：室内终端读取自身惯导模块信息，若长时间(大于10分钟)处于静止状态，则室内终端进入低功耗模式。

S403：通过反复测量和校正，调整基站多个天线架设位置和波束成形的角度，得到稳定的天线增益。

S404：室内终端轮流向各基站发信息，读取基站坐标，并计算距各基站的距离，即测距。

S405：各基站逐一计算所有室内终端的方位，即测向，并发送至对应终端。

S406：室内各终端依据距离和方位信息，计算自身的位置坐标信息，即初步定位。

S407：室内各终端之间进行测距并互传各自的位置坐标信息，并互相校正。

S408：室内各终端读取各自的惯导模块信息，计算轨迹并进行预测。

S409：室内各终端通过自身坐标和轨迹信息，确定室内终端位置，最终实现精确定位。

本发明实施例提供的室内定位方法首先利用多个基站和多个终端，通过多个基站与室内多个终端之间测距、采用空间直角坐标系计算得到多个室内终端与多个固定基站的距离，定位多个终端与多个基站的距离，包含TOA、TDOA和RSSI等测量方法，多个基站与室内多个终端之间进行测向，采用极坐标系计算得到室内多个终端与多个基站的角度，本发明方法包含AOA和DOA，通过计算室内终端在基站覆盖范围内的方位信息，得到位置信息；通过运用测距的方法和测向的方法得到的数值，经综合运算得到室内各终端的定位信息；通过运用室内的多个终端分别得到的距离和方位信息，相互校正得到每个室内终端精确的定位信息。通过基站多天线和终端多天线技术，消除多径衰落，提高链路可靠性。通过利用惯导模块测量各室内终端自身的相对运动轨迹，并将多个室内终端的轨迹统一到一个坐标系中，解决纯惯导定位的缺陷。为了提高室内各终端纯惯导定位的精度，利用测距和测向得到的数据对移动中的室内终端位置信息进行校准，得到精确的位置信息。

在本发明的优选实施例中，本发明采用OFDM多载波调制和多天线发射和接收。

在本发明的优选实施例中，本发明多基站和多终端之间组成自组网系统，相互之间共享位置信息，用于坐标校正。

在本发明的优选实施例中，本发明采用多天线和波束成形相结合的方法，在发射功率不变的条件下，多天线发射增益大于单天线发射增益；在发射增益恒定的条件下，采用多天线比单天线所需求的发射激励低；在室内的终端采用多天线发射比单天线发射产生的辐射小，功耗低。

在本发明的优选实施例中，本发明测距采用多天线技术，可以在基站测同时得到多个测距值，通过相互校正，得到所测终端的定位数据。

在本发明的优选实施例中，本发明测向采用多天线技术，消除相位模糊和解算误差，计算出精确的测量方位数值。

在本发明的优选实施例中，本发明基站和基站之间，终端和终端之间，基站和终端之间，使用测距方法。

在本发明的优选实施例中，本发明通过基站的确定坐标，测距值，测向值组成的方程求解后，得到终端的坐标值。

在本发明的优选实施例中，本发明测距、测向信号的生成采用OFDM，消除多径引起的时间估计误差。

在本发明的优选实施例中，本发明终端惯导模块自身计算的轨迹与终端测距、测向计算得到的轨迹相互校正，确定终端移动状态下的定位值。

在本发明的优选实施例中，本发明在惯导模块检测到终端处于静止状态时，进入睡眠模式。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过在基站和终端以软件的形式嵌入到系统中，也可以通过增加装入运算程序的硬件模块实现与基站或终端接口，完成室内终端的定位功能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种室内定位方法，其特征在于，所述室内定位方法利用多个基站和多个终端，通过多个基站与室内多个终端之间测距、采用空间直角坐标系计算得到多个室内终端与多个固定基站的距离，定位多个终端与多个基站的距离，多个基站与室内多个终端之间进行测向，采用极坐标系计算得到室内多个终端与多个基站的角度；通过计算室内终端在基站覆盖范围内的方位信息，得到位置信息；通过运用测距的方法和测向的方法得到的数值，经综合运算得到室内各终端的定位信息；通过运用室内的多个终端分别得到的距离和方位信息，相互校正得到每个室内终端精确的定位信息；

所述室内定位方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的室内定位方法，其特征在于，所述室内定位方法采用OFDM多载波调制和多天线发射和接收。

3.如权利要求1所述的室内定位方法，其特征在于，所述室内定位方法多基站和多终端之间组成自组网系统，相互之间共享位置信息，用于坐标校正。

4.如权利要求1所述的室内定位方法，其特征在于，所述室内定位方法采用多天线和波束成形相结合，在发射功率不变的条件下，多天线发射增益大于单天线发射增益。

5.如权利要求1所述的室内定位方法，其特征在于，所述室内定位方法测距采用多天线技术，在基站测同时得到多个测距值，通过相互校正，得到所测终端的定位数据；

所述室内定位方法测向采用多天线技术；

所述室内定位方法基站和基站之间，终端和终端之间，基站和终端之间，使用测距方法；

所述室内定位方法通过基站的确定坐标，测距值，测向值组成的方程求解后，得到终端的坐标值；

所述室内定位方法测距、测向信号的生成采用OFDM；

所述室内定位方法的终端惯导模块自身计算的轨迹与终端测距、测向计算得到的轨迹相互校正，确定终端移动状态下的定位值；

所述室内定位方法在惯导模块检测到终端处于静止状态时，进入睡眠模式。

6.一种实施权利要求1～5任意一项所述室内定位方法的室内定位系统，其特征在于，所述室内定位系统包括：

7.一种搭载权利要求6所述室内定位系统的室内定位装置，其特征在于，所述室内定位装置包括：多个室内终端、多个接收和发送信息的基站；

惯导模块包含多轴加速度传感器，多轴磁传感器，多轴陀螺仪和和数据处理单元；室内终端支持在不同基站内越区切换；

多个基站均为物理基站，且多个基站在平面上不共线，并在不同位置；

多个基站应至少包含3个基站及以上，3个基站初步定位，4个及以上精确定位；

室内终端包含多个终端。

8.一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行权利要求1～5任意一项所述的室内定位方法。