CN112946713B - 一种室内定位方法、设备及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内定位方法、设备及系统，该方法包括以下步骤：获取全球卫星导航系统GNSS数据、定位终端的姿态信息和高度信息；获取5G基站通信数据、RTK参考点数据中的至少一种数据；根据5G基站通信数据、RTK参考点数据获取情况确定数据融合方式；根据数据融合方式对5G基站通信数据、全球卫星导航系统GNSS数据、RTK参考点数据、定位终端的姿态信息和高度信息进行融合处理，获得定位数据。基于5G基站通信数据、RTK参考点数据、全球卫星导航系统GNSS数据、惯性导航系统数据融合处理实现室内定位，能够有效提高室内定位的精准性和有效性，提高数据冗余度。

Description

一种室内定位方法、设备及系统

技术领域

本发明属于定位技术领域，具体地涉及一种室内定位方法、设备及系统。

背景技术

室内定位是指在室内环境中实现位置定位，由于卫星信号到达地面时较弱、不能穿透建筑物的问题，现有室内定位主要依靠部署WIFI、蓝牙通过相对定位实现，而该方法对于WIFI信号点的部署密度、信号强度等均有较高的要求，部署需要提前进行，否则无法进行相对定位。同时，由于WIFI信号的不稳定性，定位精度受信号影响较大，相对定位的可用性也受影响。另外通过WIFI的相对定位与GNSS定位很难进行融合，定位数据可用性及冗余不够。

发明内容

为了解决现有现有定位方法定位精度受信号稳定性影响大、定位数据的冗余不够的问题，本发明提供一种室内定位方法、设备及系统，基于5G基站信号、RTK参考点信号、GNSS信号与惯性导航系统信号实现融合定位，在提高室内定位的精度的同时，实现定位数据的冗余。

本发明通过以下技术方案实现：

一种室内定位方法，其适于需定位的终端设备使用，包括以下步骤：

获取全球卫星导航系统GNSS数据、定位终端的姿态信息和高度信息；

获取5G基站通信数据、RTK参考点数据中的至少一种数据；

根据5G基站通信数据、RTK参考点数据获取情况确定数据融合方式；

根据数据融合方式对5G基站通信数据、全球卫星导航系统GNSS数据、RTK参考点数据、定位终端的姿态信息和高度信息进行融合处理，获得定位数据。

5G基站通信的快速布局是我国面向新一代通信领域的突破性世界领先进展，而5G基站通信网络的部署对于改善原有通信网络通信容量、降低通信时延有着根本性的提高，是物联网、以位置服务为核心城市数字智能服务的基础保障条件。RTK全称为Real TimeKinematic，即载波相位差分技术，RTK参考点即RTK基站采集卫星数据，并通过数据链将其观测值和站点坐标信息一起传送给移动站，而移动站通过对所采集到的卫星数据和接收到的数据链进行实时载波相位差分处理，得出厘米级的定位结果。现有的终端设备集成有能够使用全模全频点的GNSS接收机处理芯片，能够使用GPS及北斗信号进行定位，但是传统的应用场景均在室外有效，室内精度会大幅恶化同时可用性极差。现有终端设备中亦有含有惯性导航系统IMU单元，能够为用户提供基础的姿态信息和高度信息，而其数据通过与GNSS组合实现组合导航，可有效提高GNSS在信号质量较差情况下的定位精度和可用性。本方案基于5G基站通信数据、RTK参考点数据、全球卫星导航系统GNSS数据、惯性导航系统数据融合处理实现室内定位，能够有效提高室内定位的精准性和有效性，并能够提高数据冗余度，为楼宇空间等室内环境下的定位需求提供基础服务。上述多种数据通过对多数据融合实现定位，实现数据的冗余与健壮。5G基站通信数据基于标准基站提供基站辅助定位信息，能够提高GNSS卫星定位精度和在室内提供辅助定位功能；RTK参考点数据基于RTK基准站通过向GNSS发送精密RTK定位数据，提高定位精度；GNSS与多传感融合来实现室内GNSS信号较差条件下的定位稳定性与连续性提升。

作为优选，若获取到RTK参考点数据且RTK参考点数据可用，则将RTK参考点数据作为主融合数据进行数据融合；

若仅获取到5G基站通信数据且5G基站通信数据可用，则将5G基站通信数据为主融合数据进行数据融合。

一种室内定位设备，包括：

一5G基带芯片，用于获取5G基站通信数据；

一GNSS基带芯片，用于获取全球卫星导航系统GNSS数据和RTK参考点信息；

一惯性测量芯片，获取定位终端的姿态信息和高度信息；

一定位单元，根据上述各芯片数据并根据上述方法实现定位输出。

一种室内定位系统，包括：

5G基站，

全球卫星导航系统GNSS，

RTK基站，

定位设备，所述定位设备为上述的定位设备，所述5G基带芯片与5G基站通信连接获取5G基站通信数据，所述GNSS基带芯片与全球卫星导航系统GNSS、RTK基站信号连接获取全球卫星导航系统GNSS数据和RTK参考点信息。

本发明与现有技术相比，至少具有以下优点和有益效果：

本发明的定位方法、设备及系统基于5G基站通信数据、RTK参考点数据、全球卫星导航系统GNSS数据、惯性导航系统数据融合处理实现室内定位，能够有效提高室内定位的精准性和有效性，提高数据冗余度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明系统的原理框图。

图2是本发明多种定位数据融合方法的流程图。

图中附图标记的部件名称为：

1、5G基站；2、RTK参考点；3、楼宇。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例来对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明虽然是用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。

应当理解，尽管本文可能使用术语第一、第二等等来描述各种单元，但是这些单元不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个单元和另一个单元。例如可以将第一单元称作第二单元,并且类似地可以将第二单元称作第一单元，同时不脱离本发明的示例实施例的范围。

应当理解，对于本文中可能出现的术语“和/或”，其仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况；对于本文中可能出现的术语“/和”，其是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况；另外，对于本文中可能出现的字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。

应当理解，在本文中若将单元称作与另一个单元“连接”、“相连”或“耦合”时，它可以与另一个单元直相连接或耦合，或中间单元可以存在。相対地，在本文中若将单元称作与另一个单元“直接相连”或“直接耦合”时，表示不存在中间单元。另外，应当以类似方式来解释用于描述单元之间的关系的其他单词(例如，“在……之间”对“直接在……之间”,“相邻”对“直接相邻”等等)。

应当理解，本文使用的术语仅用于描述特定实施例，并不意在限制本发明的示例实施例。若本文所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”意在包括复数形式，除非上下文明确指示相反意思。还应当理解，若术语“包括”、“包括了”、“包含”和/或“包含了”在本文中被使用时,指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性,并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组合存在性或增加。

应当理解，还应当注意到在一些备选可能设计中，所出现的功能/动作可能与附图出现的顺序不同。例如,取决于所涉及的功能/动作,实际上可以实质上并发地执行,或者有时可以以相反的顺序来执行连续示出的两个图。

应当理解，在下面的描述中提供了特定的细节,以便于对示例实施例的完全理解。然而,本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。例如可以在框图中示出系统，以避免用不必要的细节来使得示例不清楚。在其他实例中，可以不以非必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使得示例实施例不清楚。

一种室内定位方法，其适于需定位的终端设备使用，其通过多种定位的有效实施，获取不同层面定位数据并进行数据融合与自主判别，在实现对多种定位的数据完好性进行监测的同时，满足用户在楼宇等典型室内场景下的定位需求。该终端设备可以是现有的智能手机、智能平板等设备，终端设备包括有GNSS基带芯片、惯性测量芯片、5G基带芯片，5G基带芯片实现与附近的5G基站1的通信，获取5G通信信号的同时，获取基站辅助定位信息。终端设备与5G标准基站之间的通信数据除了用户数据外，还包括基站基础信息、时间信息、信号基础信息，同时辅助定位信息有多个基站的绝对参考位置和辅助参考星历等信息。基站基础信息提供了基站的基本状态、时间信息提供了基站参考向系统时间、信号基础信息提供信号强度及频率带宽分配等数据。5G基站提供的上述信息，能够有效为系统判决是否使用该基站辅助信息来融合GNSS定位，及当前周围基站的选用顺序与优先级提供参考，并通过系统时间与用户时间的校准与判别来实现用户终端的定期校时与授时，为终端本地时间提供更精准的授时参考。

惯性测量芯片即IMU单元，包括三轴陀螺、三轴加速度计、三轴磁力计、气压高度计，以采集终端设备的惯性姿态信息及高度信息。GNSS基带模块获取全球卫星导航系统GNSS的定位数据。GNSS基带芯片与全球卫星导航系统GNSS通信，且同时与RTK基站即RTK参考点建立联系，获取RTK基站的RTK参考信息。RTK基站有多个，且为移动式，RTK基站部署在室外，与定位终端建立联系后，为定位终端提供RTK参考信息，提供更高精度的相对定位数据参考。

该终端设备在楼宇3等室内环境时，RTK基站设置在室外，室内信号根据具体环境，其可能有多种情况，譬如有5G信号、RTK基站信号中的至少一种或者一种都没有，在后者即一种信号都没有的情况下，该终端设备直接基于现有的GNSS与IMU单元数据融合实现定位。若是前者这样的情况，室内有5G信号、RTK基站信号中一种信号或者两者信号，确定融合方式后根据数据融合方式对5G基站通信数据、全球卫星导航系统GNSS数据、RTK参考点数据、定位终端的姿态信息和高度信息进行融合处理，获得定位数据。其实现室内定位的方法如图1所示，实现定位时采用以下方法步骤：

定位终端的GNSS基带芯片、惯性测量芯片IMU首先启动，完成信号解调与初始对准后实现联合定位功能，获取全球卫星导航系统GNSS数据、定位终端的姿态信息和高度信息，为后续定位提供基础融合数据。GNSS信号容易受到遮挡，IMU信号为用户终端自主导航的基础信号，其不受外界影响，此时在短时间GNSS信号较差的情况下，IMU能够辅助系统完成基本定位功能。GNSS信号能否直接使用或者使用部分伪距信息根据GNSS可用性、卫星数、系统定位精度的判定来决定，当GNSS定位标识为完全可用，可用卫星数大于等于4颗，系统定位精度表征小于10m时，则直接使用GNSS定位信息。反之当GNSS定位标识为不可用、可用卫星数小于4颗或系统定位精度表征大于10m时，则说明当前GNSS直接定位较差，可选取当前可见星的原始伪距信息进行使用。

检测定位终端所处室内环境是否存在5G基站通信数据、RTK参考点数据，其中，5G基站通信数据由5G基站提供，5G基站在城市等主要人类活动区布局基本覆盖，且同一区域覆盖基站数量较多；RTK参考点数据由RTK参考点提供，可能根据需要采取区域或分时段的投入使用。若存在至少一种情况，则与5G基站、RTK参考点建立通信连接，获取5G基站通信数据、RTK参考点数据。5G基站通信数据是否作为主融合数据实现辅助定位由5G基站辅助定位信息可用性、基站个数、基站辅助定位信息精度来决定。具体的，当5G基站定位可用性标识为完全可用、基站个数多于等于3个或辅助定位精度小于50m时，则选取5G基站辅助GNSS定位；反之当5G基站定位可用性标识为不可用、可见基站个数小于3个或者基站辅助定位精度大于50m时，则不选用基站辅助定位。同样，RTK参考点数据是否作为主融合数据实现辅助定位由RTK参考点的布局数量、可用性和RTK辅助定位信息精度来决定，具体的，当RTK参考点的布局数量大于等于3个，其数据可用性为完全可用，辅助定位精度小于5m时，则直接选取RTK参考点辅助GNSS进行定位。反之当RTK参考点布局少于3个，定位可用性为不可用，且辅助定位精度小于5m时，则不选取。

根据5G基站通信数据、RTK参考点数据获取情况确定数据融合方式即工作模式。若获取到RTK参考点数据且RTK参考点信息根据上述方法判定可作为主融合数据，则将RTK参考点数据作为主融合数据进行数据融合；若仅获取到5G基站通信数据且5G基站通信数据根据上述方法判定可作为主融合数据，则将5G基站通信数据为主融合数据进行数据融合。5G的定位精度可达1米左右，RTK模式下定位精度可达厘米级，优先选用RTK参考信息作为主融合数据。

即综上，定位终端定位时，根据RTK参考点、5G基站、GNSS定位信息可用性，可有多种工作模式，包括GNSS定位模式、GNSS+惯性组合定位模式、5G作为主融合数据的定位模式、RTK作为主融合数据的定位模式。

确定定位模式后，其数据融合实现定位的方法为：

A、获取设备的姿态信息和高度信息；

B、计算主融合数据的伪距和伪距率；

C、对主融合数据、惯性单元的伪距和伪距率及GNSS的伪距和伪距率进行融合；

D、对数据融合方式中相应的定位数据、步骤C输出数据进行卡尔曼滤波，通过室内用户载体所在的高度及速度本体范围作为滤波约束边界条件之一，排除非合理数据；此处数据融合方式中相应的定位数据包括GNSS定位信息、RTK参考点数据或5G基站通信数据。卡尔曼滤波过程中的用户载体的基本高度和速度约束范围边界条件、首次定位成功后的速度与高度参考值作为融合滤波的边界条件和融合判决参考条件。譬如若将用户限定于城镇及主要干道楼宇的室内定位，因此限定海拔高度范围为-50m至5000m，速度绝对值限定为小于5m/s。

E、对主融合数据进行最小二乘法后的数据、姿态信息和高度信息进行捷联解算；

F、根据步骤D、E，对惯性推导出的位置速度与组合卡尔曼滤波后的位置速度进行融合；

G、对融合后的数据进行降噪滤波，并将滤波后数据作为捷联解算的反馈，定位输出。

本方案采用5G标准基站信号定位数据、移动RTK参考站定位数据、GNSS与多传感融合的定位数据，三种数据通过对数据精度、可用性、连续性等多种条件的联合判决实现定位数据的融合，并通过多种定位数据的融合和完好性监测，实现最终室内定位的连续性和准确性，实现数据的冗余与健壮。

本方案的方法首先完成GNSS的搜星定位，并通过对内部MEMS IMU的使用完成组合导航定位，实现位置及姿态的确定，并且通过IMU的辅助能够实现初步的GNSS拒止情况下的连续IMU定位。通过检测获取5G基站信号，获取多个5G基站所能提供的完整辅助定位信息，通过其提供的辅助定位参数加强实现GNSS与5G基站的融合定位，即AGNSS定位，并且进一步和IMU数据实现融合，以保证在GNSS信号受影响情况下，5G基站辅助信息能够为GNSS提供足够的辅助定位功能。或者通过部署的多个移动RTK参考点，能够有效提供RTK基准辅助定位信息给用户段，辅助GNSS定位，进一步补充GNSS定位的数据信息来源，并最终和IMU融合定位，实现在室内的多重信息融合定位。

以上所描述的实施例仅仅是示意性的，若涉及到作为分离部件说明的单元，其可以是或者也可以不是物理上分开的；若涉及到作为单元显示的部件，其可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

最后应说明的是，本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (7)

1.一种室内定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取全球卫星导航系统GNSS数据、定位终端的姿态信息和高度信息；

获取5G基站通信数据、RTK参考点数据中的至少一种数据；

根据5G基站通信数据、RTK参考点数据获取情况确定数据融合方式；

根据数据融合方式对5G基站通信数据、全球卫星导航系统GNSS数据、RTK参考点数据、定位终端的姿态信息和高度信息进行融合处理，获得定位数据；

所述数据融合方式的确定方式为：

若获取到RTK参考点数据且RTK参考点数据可用，则将RTK参考点数据作为主融合数据进行数据融合；

若仅获取到5G基站通信数据且5G基站通信数据可用，则将5G基站通信数据为主融合数据进行数据融合；

所述数据融合处理的方法为：

A、获取设备的姿态信息和高度信息；

B、计算主融合数据的伪距和伪距率；

C、对主融合数据、惯性单元的伪距和伪距率及GNSS的伪距和伪距率进行融合；

D、对数据融合方式中相应的定位数据、步骤C输出数据进行卡尔曼滤波，通过室内用户载体所在的高度及速度本体范围作为滤波约束边界条件之一，排除非合理数据；

E、对姿态信息和高度信息、主融合数据进行最小二乘法后的数据进行捷联解算；

F、根据步骤D、E，对惯性推导出的位置速度与组合卡尔曼滤波后的位置速度进行融合；

G、对融合后的数据进行降噪滤波，并将滤波后数据作为捷联解算的反馈，定位输出。

2.根据权利要求1所述的一种室内定位方法，其特征在于，所述RTK参考点数据可用的判定方法为：

RTK参考点的布局数量大于等于3个、数据可用性为完全可用且辅助定位精度小于5m。

3.根据权利要求1所述的一种室内定位方法，其特征在于，所述5G基站通信数据可用的判定方法为：

5G基站定位可用性标识为完全可用、基站个数大于等于3个或辅助定位精度小于50m。

4.一种室内定位设备，其特征在于，包括：

一5G基带芯片，用于获取5G基站通信数据；

一GNSS基带芯片，用于获取全球卫星导航系统GNSS数据和RTK参考点信息；

一惯性测量芯片，获取定位终端的姿态信息和高度信息；

一定位单元，根据上述各芯片数据并根据权利要求1至3任一方法实现定位输出。

5.根据权利要求4所述的一种室内定位设备，其特征在于，所述惯性测量芯片包括三轴陀螺、三轴加速度计、三轴磁力计、气压高度计。

6.一种室内定位系统，其特征在于，包括：

5G基站，

全球卫星导航系统GNSS，

RTK基站，

定位设备，所述定位设备为权利要求4-5任一所述的定位设备，所述5G基带芯片与5G基站通信连接获取5G基站通信数据，所述GNSS基带芯片与全球卫星导航系统GNSS、RTK基站信号连接获取全球卫星导航系统GNSS数据和RTK参考点信息。

7.根据权利要求6所述的一种室内定位系统，其特征在于，所述RTK基站有多个且为移动式。