CN112492515B - 一种用于多源融合定位系统的多场景定位性能测试方法 - Google Patents

一种用于多源融合定位系统的多场景定位性能测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于多源融合定位系统的多场景定位性能测试方法，属于室内外连续定位系统测试技术领域。本方法包括以下步骤：搭建面向具有狭长走廊的室内外测试环境；设计不同的测试场景，对系统进行全面充分的测试；根据规划的不同场景，分别开展测试试验；将采集的试验数据与预先规划的路线或预先标定的位置进行比较，从而验证室内外多源定位系统的定位精度。本发明可测试的多源定位系统涵盖了伪卫星、WiFi、蓝牙、PDR、地标、视觉以及云端协同等绝大部分主流室内定位手段，并且基本覆盖了行人在具有狭长走廊环境的室内外可能运动轨迹和方式，测试全面充分。

Description

一种用于多源融合定位系统的多场景定位性能测试方法
技术领域
本发明涉及室内外连续定位系统测试技术领域，特别是指一种用于多源融合定位系统的多场景定位性能测试方法，可用于对具有走廊结构的多源定位系统进行定位性能测试。
背景技术
目前，室外高精度定位已十分成熟。近年来，由于室内高精度定位的位置服务具有迫切的需求和较大的商业前景，室内定位及室内外连续定位技术业已成为研究的热点。当前，室内定位手段多种多样，由于单一定位手段无法满足复杂室内环境下对定位的连续、稳定和高精度的需求，因此，多源融合定位系统被广泛研发。然而，目前针对多源融合室内外定位系统的测试方法缺少系统的研究，对多源融合室内外定位系统的定位性能验证不够充分；另一方面，多源室内外融合定位组合手段和方式不一，同一种测试方法不具备通用性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于多源融合定位系统的多场景定位性能测试方法，该方法考虑了室内结构特征和行人可能的行走路径，能够充分对室内外连续及室内多源融合定位系统的定位性能进行全面的测试，从而帮助提高多源融合系统的稳定性、连续性和高精度性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于多源融合定位系统的多场景定位性能测试方法，包括以下步骤：
步骤1：搭建室内外测试环境；
步骤2：设计不同的典型测试场景；
步骤3：根据所设计的各典型测试场景，分别开展测试试验；
步骤4：将采集的试验数据与预先规划的路线或预先标定的位置进行比较，从而验证室内外多源定位系统的定位精度。
进一步的，步骤1中，搭建面向具有狭长走廊的室内外测试环境，搭建过程包括试验场地选择、设备部署安装和标校、参考点和参考轨迹预先标定。
进一步的，步骤2中设计了如下场景：
场景1：室外GNSS/伪卫星组合定位场景；
场景2：室内外切换场景；
场景3：单层走廊往返场景；
场景4：跨楼层测高场景；
场景5：已知室内环境与未知室内环境比对场景；
场景6：房间复杂路径运动场景；
场景7：快速测图与局部更新场景；
场景8：室内室外全程导航场景；
场景9：信号源覆盖性测试场景；
场景10：位置服务示范场景。
进一步的，场景1的测试方法为：
将伪卫星安装在室内GNSS导航信号微弱或受遮挡严重区域，然后携带定位测试终端在GNSS信号与伪卫星信号重叠区域自由运动，验证GNSS/伪卫星组合定位性能；所述定位测试终端包括GNSS/伪卫星导航模块、WiFi、蓝牙、地磁、气压感知模块以及微惯性传感器模块。
进一步的，所述定位测试终端具备实时定位能力，并且已预先存储了参考点的标识号和位置，用于计算出当前参考点与测试定位终端定位结果的误差。
进一步的，场景2中室内外切换场景的具体方式为：从建筑物门口到前厅，再从前厅走出建筑物，如此重复几次。
进一步的，场景4的测试方法为：
将设备安装在测试人员身上，标定出接收天线距离脚底的距离；然后令测试人员在建筑物中的楼梯间行走，在楼梯间的任意多个台阶处停留一段时间，采集数据次数不少于5次，采集高度数据后继续上楼/下楼，最终形成往返闭合路线。
进一步的，场景5中的已知室内环境和未知室内环境均针对同一场地，其中，已知室内环境是指已知该场地的室内地图以及该场地中各种传感器的位置及其预先构建的特征库，未知室内环境是指没有在该场地部署设备，没有获取该场地各种信号源的先验信息，且没有该场地的地图信息；测试时，在已知室内环境和未知室内环境下分别实现相同的行人运动轨迹路线。
进一步的，场景6的测试方式为，在房间内走正8字形、正弦形、矩形路线，然后走出房间。
进一步的，场景7的测试方式为：
（1）二维地图更新：使用二维地图更新软件对二维地图进行加载，依据实际情况对加载的二维地图进行编辑，编辑完成后上传系统；编辑方式包括：空间类的新增、删除、合并、拆分、修改，设施类的新增、删除、修改，道路类的新增、删除、修改；
（2）部分场景模型构建：用户通过普通相机对需进行三维模型更新的部分场景进行环绕式拍摄，且相邻两帧图像具有重叠度；照片上传后进行对齐操作，对图像进行特征点提取与匹配，对每一个图像匹配对计算对极几何，估计基础矩阵并通过优化算法优化匹配对，之后对选择好的图像执行最小化重投影误差算法过程，最终得到相机的估计位姿参数及场景几何信息，通过三角网构建将点云构建成三维模型，最终实现基于普通相机的三维模型生成；
（3）模型局部更新：通过移动室内物体改变室内部分场景，用户通过普通相机对变化场景进行环绕式拍摄且相邻两帧图像具有重叠度；照片上传后，后端进行基于图像的三维模型构建过程，加载室内原始三维模型与场景更新三维模型，对原始三维模型进行变化探测，确定室内场景变化区域，对室内原始三维模型中变化区域进行裁剪，将室内更新场景中构建的更新三维模型填充到原始市内三维模型的裁剪区域，实现室内局部场景的三维模型更新。
进一步的，场景8中，设置从室外到室内，遍历室内各房间，再走出到室外的路径，并完成室外点到室内各房间，室内各房间到室外点，室外一点到室外另一点，室内一房间到室内另一房间的路径分析，获取路径描述信息。
进一步的，场景9的测试方法为：
（1）用户使用携带多源信号接收终端从室外进入室内大厅；
（2）用户使用携带多源信号接收终端从大厅进入走廊，沿着走廊行走，逐次遍历走廊两边的每个房间；
（3）用户使用携带多源信号接收终端沿着楼梯进入更高楼层，沿着走廊行走，遍历所有房间；重复本步骤，直至遍历完所有楼层。
进一步的，场景10的测试方法为：
以多个智能手机开展实际位置试验，模拟大容量的终端用户；将用户数据库中的终端用户与云推送数据库绑定，定时检测这些用户的在线状态，云端通过群发功能，向所有用户发送位置服务信息，此外，云端通过点对点通信，向指定用户发送服务信息，接收用户发送的位置信息，更新用户状态。
进一步的，步骤4的具体方式为：
步骤401：当行人走到每一个参考点处时，点击数据采集按钮收集一段时间的当前定位结果；
步骤402：计算收集到的当前定位结果的平均值；
步骤403：计算该平均值与参考点标定值之间的误差；
步骤404：保存该参考点的标识符和定位误差，验证室内外多源定位系统的定位精度。
本发明具有如下优点：
（1）本发明方法可面向包含丰富信息源的室内外多源定位系统的多场景定位性能测试，其使用的信息源包括了GNSS、室内外伪卫星、WiFi、蓝牙、MEMS-IMU、地磁和气压等常用的主流室内定位手段，能够适用于基于不同信息源的组合定位方式，保证了该测试方法具有通用性。
（2）本发明考虑了室内结构特征和行人可能的行走路径，设计了多达10种的室内外典型测试场景，涵盖了绝大部分行人在室内外的可能活动方式，能够充分对多源定位系统的定位性能进行全面的测试，尽可能地发现被测多源融合定位系统在应用中存在的问题，促进系统的改进，有助于提高多源融合定位系统的稳定性、连续性和高精度性。
附图说明
图1是本发明实施例中多场景定位性能测试方法的流程图；
图2是本发明实施例中10种典型场景的示意图；
图3是本发明实施例中室外GNSS/伪卫星组合定位场景的示意图；
图4是本发明实施例中室内外切换场景的示意图；
图5是本发明实施例中单层走廊往返场景的示意图；
图6是本发明实施例中跨楼层测高场景场景的示意图；
图7是本发明实施例中已知室内环境与未知室内环境比对场景的示意图；
图8是本发明实施例中房间复杂路径运动场景的示意图；
图9是本发明实施例中室内室外全程导航场景的示意图；
图10是本发明实施例中定位精度验证操作的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述。
一种用于多源融合定位系统的多场景定位性能测试方法,包括以下步骤：
步骤1：搭建面向丰富信息源的室内外测试环境；
步骤2：设计多种典型测试场景；
步骤3：根据所设计的典型测试场景，分别开展测试试验；
步骤4：将采集的试验数据与预先规划的路线或预先标定的位置进行比较，从而验证室内外多源定位系统的定位精度。
其中搭建面向丰富信息源的室内外测试环境包括试验场地选择、设备部署安装和标校、参考点预先标定。
设计多种典型测试场景包括室外GNSS/伪卫星组合定位场景、室内外切换场景、单层走廊往返场景、跨楼层测高场景、已知室内环境与未知室内环境比对场景、房间复杂路径运动场景、快速测图与局部更新场景、室内室外全程导航场景、覆盖性与云定位场景和位置服务示范场景在内的10种典型行人活动场景。
快速测图与局部更新场景的具体方式为：在非合作场景下进行快速测图；移动室内物体位置，进行室内地图编辑，实现局部更新并验证；通过测试终端拍摄场景照片上传图片，验证模型更新能力；再开展非合作场景下的定位验证测试流程，包括位置，精度，轨迹体现到图上，同时验证定位和地图坐标匹配的能力。
位置服务示范场景的具体方式为：通过信息模拟器模拟验证大容量用于(例如20万用户)的虚拟终端并发能力，同时有多个（例如10个）真实用户终端。要求20万用户并发能可视化，定量化，20万仿真用户分布于石家庄地图上，10个真实用户分布在边上另一块试验场地图上，所有用户的轨迹不断变化、位置点也不断变化。20万用户的响应包括用户信息的推送服务的能力（地图上用户状态变化要显示，比如位置是红色点，推送后信息红色点周围有光圈），并且每个点具有交互能力；验证对特殊用户群体的监控能力（特殊用户群体可能包括人，车辆，移动物体），可以看到这些特殊用户群体的空间分布，行为轨迹，并且能够推送指令；对于特殊用户群体监控，可以人为设置地理围栏和预警功能，地理围栏可以在图上设置。
信号源覆盖性场景用于验证信号场强覆盖性、一定定位精度的覆盖性。其中，信号覆盖通过多个测试终端在实验场所进行全局扫描，让多个人拿着终端进行信号采集，能够支持对单信号覆盖，综合信号覆盖的各类数据采集与显示，并实现实时或后处理；处理结果至少是这几个测试人员的采集轨迹和信号覆盖云图。
步骤（4）的具体方式为：
（401）当行人走到每一个参考点处，点击数据采集按钮收集一段时间的当前定位结果。其中，终端软件具备实时定位能力，并且已预先存储了参考点的信息（标识号和位置），通过点击按钮的方式即可实时计算出当前参考点的定位误差。具体方式为：
（4011）在终端软件上选择当前所处参考点；
（4012）点击误差计算按钮；
（4013）计算出当前参考点位置与测试定位终端定位结果的误差。
（402）计算当前收集的当前定位结果的平均值；
（403）计算该平均值与参考点标定值之间的误差。
图1为本方法的流程图，首先根据所选择的试验场地搭建室内外测试环境，然后设计不同典型测试场景，根据所设计不同典型测试场景，分别开展测试试验，最后将采集的试验数据与预先规划的路线或预先标定的位置进行比。
其中，不同典型测试场景包括室外GNSS/伪卫星组合定位场景、室内外切换场景、单层走廊往返场景、跨楼层测高场景、已知室内环境与未知室内环境比对场景、房间复杂路径运动场景、快速测图与局部更新场景、室内室外全程导航场景、覆盖性与云定位场景和位置服务示范场景在内的10种典型行人活动场景。
图2是上述10种典型场景的示意图，这些场景面向具备丰富信息源的多源融合定位系统，考虑的行人在室内多种多样的活动方式，能够对待测系统全面充分的进行测试验证。
图3是室外GNSS/伪卫星组合定位场景示意图，该场景用于验证在实验楼室外环境下接收伪卫星和天上导航卫星情况下的定位精度。室外场景区域既包括开阔场地，又包括遮挡场地。路线规划上：从开阔地到遮挡场地，再从遮挡场地到开阔地，最后到试验场建筑物的门口，主要是验证伪卫星室外表现和伪卫星结合天上卫星的增强表现。
图4是室内外切换场景示意图，从实验楼1楼门口进入前厅，在前厅区域验证室内外定位无缝切换性能。通过信号转变验证效果包括：1，定位效果连续；2，精度大小；3，显示定位切换技术；4，效果显示平滑，实时刷新无延迟、不滞后。场景要求：区域内有伪卫星覆盖，WiFi、蓝牙覆盖，地标特征点覆盖。
图5是单层走廊往返场景示意图，可验证室外伪卫星在走廊的定位能力、WiFi定位能力、蓝牙定位能力、基于MEMS-IMU的行人航位推算（PDR）能力、多手段任意组合定位能力以及任意定位手段+地图路网定位能力，测试时，在走廊来回往返行走，往返次数可以自定义。
图6是跨楼层测高场景场景示意图，在1楼到2楼楼梯环境，主要用户验证系统测高能力：包括验证伪卫星高度定位精度、验证楼梯区域WiFi、蓝牙定位技术手段高度定位能力、验证气压计测高能力、验证多源融合定位结果能力如何（包括：高度混合定位能力，精度，连续性方面能力等）；场景要求：在楼道的墙上给出高度参考值，测试时支持根据已有参考值验证高度定位精度。
图7是已知室内环境与未知室内环境比对场景示意图，选择测试场某两个不同区域分别作为合作场景和非合作场景，其中一个区域是具有先验信息（包括WiFi，蓝牙，地标，地磁各种库，室内地图）的已知场景，在该场景下验证已知库的单个能力和综合定位能力；验证传感器配置最全已知场景的能力，全面验证综合算法；验证各传感器的可用性、定位精度、完好性、正确性、可信度等指标，验证各类传感器故障识别与隔离能力。
利用测试场另一个区域搭建未知场景，该场景环境下没有已知设备部署，没有先验信息，地图信息缺乏。在该场景下验证综合定位算法的自主导航能力；验证没有地标库情况下的视觉定位能力，验证能否收到室外伪卫星信号实现定位。
图8是房间复杂路径运动场景示意图，在试验场三楼联试房，搭建综合定位测试验证环境，规划矩形，圆形，8字型等不同运动轨迹，在精确标定坐标的测试点下测试验证混合定位能力及精度；验证室内伪卫星联合定位精度；验证室外、室内伪卫星联合定位精度。采用室内外伪卫星比较法（室外伪卫星信号传输到室内没有多径抑制能力，室内伪卫星正好可以弥补这一缺点），验证室内伪卫星定位的多径抑制能力，根据伪卫星关键参数，说明多径抑制改善度。
图9是室内室外全程导航场景示意图，通过测试终端APP软件设置从3楼到1楼东出口进行导航，验证路径规划，语音提示，AR增强现实等能力；能够体现出一定精度要求（以1米为例说明）的能力；通过语音+增强现实支持按照1米精度AR展示信息。可通过在走廊左右贴图案进行验证，通过走近到图案周围1米左右，自动进行语音提示，增强现实显示，验证定位精度和方向。验证通过导航场景感知行走的速度。在一楼故意走错，验证导航的路线纠错能力，验证重新规划路径能力。
图10是定位精度验证操作的流程图，当行人走到每一个参考点处，点击数据采集按钮收集预先设定的一段时间的当前定位结果，计算当前收集的当前定位结果的平均值，计算该平均值与参考点标定值之间的误差，最后保存该参考点的标识符和定位误差。
总之，本发明搭建了面向具有狭长走廊的室内外测试环境，设计了不同的测试场景，对系统进行全面充分的测试，根据规划的不同场景，分别开展测试试验，并将采集的试验数据与预先规划的路线或预先标定的位置进行比较，从而验证室内外多源定位系统的定位精度。本发明可测试的多源定位系统涵盖了伪卫星、WiFi、蓝牙、PDR、地标、视觉以及云端协同等绝大部分主流室内定位手段，并且基本覆盖了行人在具有狭长走廊环境的室内外可能运动轨迹和方式，测试全面充分。
以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此。在本发明揭露的技术范围内，可理解想到的变换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于多源融合定位系统的多场景定位性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：搭建室内外测试环境；其中，搭建面向具有狭长走廊的室内外测试环境，搭建过程包括试验场地选择、设备部署安装和标校、参考点和参考轨迹预先标定；
步骤2：设计不同的典型测试场景：
场景1：室外GNSS/伪卫星组合定位场景；
场景2：室内外切换场景；
场景3：单层走廊往返场景；
场景4：跨楼层测高场景；
场景5：已知室内环境与未知室内环境比对场景；
场景6：房间复杂路径运动场景；
场景7：快速测图与局部更新场景；
场景8：室内室外全程导航场景；
场景9：信号源覆盖性测试场景；
场景10：位置服务示范场景；
场景1的测试方法为：
将伪卫星安装在室内GNSS导航信号微弱或受遮挡严重区域，然后携带定位测试终端在GNSS信号与伪卫星信号重叠区域自由运动，验证GNSS/伪卫星组合定位性能；所述定位测试终端包括GNSS/伪卫星导航模块，WiFi、蓝牙、地磁、气压感知模块以及微惯性传感器模块；
场景7的测试方式为：
（1）二维地图更新：使用二维地图更新软件对二维地图进行加载，依据实际情况对加载的二维地图进行编辑，编辑完成后上传系统；编辑方式包括：空间类的新增、删除、合并、拆分、修改，设施类的新增、删除、修改，道路类的新增、删除、修改；
（2）部分场景模型构建：用户通过普通相机对需进行三维模型更新的部分场景进行环绕式拍摄，且相邻两帧图像具有重叠度；照片上传后进行对齐操作，对图像进行特征点提取与匹配，对每一个图像匹配对计算对极几何，估计基础矩阵并通过优化算法优化匹配对，之后对选择好的图像执行最小化重投影误差算法过程，最终得到相机的估计位姿参数及场景几何信息，通过三角网构建将点云构建成三维模型，最终实现基于普通相机的三维模型生成；
（3）模型局部更新：通过移动室内物体改变室内部分场景，用户通过普通相机对变化场景进行环绕式拍摄且相邻两帧图像具有重叠度；照片上传后，后端进行基于图像的三维模型构建过程，加载室内原始三维模型与场景更新三维模型，对原始三维模型进行变化探测，确定室内场景变化区域，对室内原始三维模型中变化区域进行裁剪，将室内更新场景中构建的更新三维模型填充到原始市内三维模型的裁剪区域，实现室内局部场景的三维模型更新；
步骤3：根据所设计的各典型测试场景，分别开展测试试验；
步骤4：将采集的试验数据与预先规划的路线或预先标定的位置进行比较，从而验证室内外多源定位系统的定位精度。
2.根据权利要求1所述的一种用于多源融合定位系统的多场景定位性能测试方法，其特征在于，所述定位测试终端具备实时定位能力，并且已预先存储了参考点的标识号和位置，用于计算出当前参考点与测试定位终端定位结果的误差。
3.根据权利要求1所述的一种用于多源融合定位系统的多场景定位性能测试方法，其特征在于，场景2中室内外切换场景的具体方式为：从建筑物门口到前厅，再从前厅走出建筑物，如此重复几次。
4.根据权利要求1所述的一种用于多源融合定位系统的多场景定位性能测试方法，其特征在于，场景4的测试方法为：
将设备安装在测试人员身上，标定出接收天线距离脚底的距离；然后令测试人员在建筑物中的楼梯间行走，在楼梯间的任意多个台阶处停留一段时间，采集数据次数不少于5次，采集高度数据后继续上楼/下楼，最终形成往返闭合路线。
5.根据权利要求1所述的一种用于多源融合定位系统的多场景定位性能测试方法，其特征在于，场景5中的已知室内环境和未知室内环境均针对同一场地，其中，已知室内环境是指已知该场地的室内地图以及该场地中各种传感器预先构建的特征库，未知室内环境是指没有在该场地部署设备，没有获取该场地各种信号源的先验信息，且没有该场地的地图信息；测试时，在已知室内环境和未知室内环境下分别实现相同的行人运动轨迹路线。
6.根据权利要求1所述的一种用于多源融合定位系统的多场景定位性能测试方法，其特征在于，场景6的测试方式为，在房间内走正8字形、正弦形、矩形路线，然后走出房间。
7.根据权利要求1所述的一种用于多源融合定位系统的多场景定位性能测试方法，其特征在于，场景8中，设置从室外到室内，遍历室内各房间，再走出到室外的路径，并完成室外点到室内各房间，室内各房间到室外点，室外一点到室外另一点，室内一房间到室内另一房间的路径分析，获取路径描述信息。
8.根据权利要求1所述的一种用于多源融合定位系统的多场景定位性能测试方法，其特征在于，场景9的测试方法为：
（1）用户使用携带多源信号接收终端从室外进入室内大厅；
（2）用户使用携带多源信号接收终端从大厅进入走廊，沿着走廊行走，逐次遍历走廊两边的每个房间；
（3）用户使用携带多源信号接收终端沿着楼梯进入更高楼层，沿着走廊行走，遍历所有房间；重复本步骤，直至遍历完所有楼层。
9.根据权利要求1所述的一种用于多源融合定位系统的多场景定位性能测试方法，其特征在于，场景10的测试方法为：
以多个智能手机开展实际位置试验，模拟大容量的终端用户；将用户数据库中的终端用户与云推送数据库绑定，定时检测这些用户的在线状态，云端通过群发功能，向所有用户发送位置服务信息，此外，云端通过点对点通信，向指定用户发送服务信息，接收用户发送的位置信息，更新用户状态。
10.根据权利要求1所述的一种用于多源融合定位系统的多场景定位性能测试方法，其特征在于，步骤4的具体方式为：
步骤401：当行人走到每一个参考点处时，点击数据采集按钮收集一段时间的当前定位结果；
步骤402：计算收集到的当前定位结果的平均值；
步骤403：计算该平均值与参考点标定值之间的误差；
步骤404：保存该参考点的标识符和定位误差，验证室内外多源定位系统的定位精度。
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