CN113031038B - 一种基于GPS、北斗及NB-IoT的多适应性定位系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于GPS、北斗及NB‑IoT的多适应性定位系统及方法，其中系统包括：一多模定位模块，安装于待定位设备上，其包括北斗模块、GPS模块、2G模块和NB‑IoT模块；一多模天线，安装于待定位设备上，并分别与北斗模块和GPS模块连接；一窄带天线，安装于待定位设备上，并与NB‑IoT模块连接；一2G天线，安装于待定位设备上，并与2G模块连接；一控制系统，安装于待定位设备上，并与多模定位模块连接；一云端服务器，与控制系统连接；一客户端，与云端服务器连接；一实时时钟模块，安装于待定位设备上，并与控制系统连接；一电池模块，安装于待定位设备上，并与控制系统连接。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体而言，涉及一种基于GPS、北斗及NB-IoT的多适应性定位系统及方法。
背景技术
随着交通运输以及物联网技术的快速发展，人们对与定位的需求越来越大。将定位技术广泛用于交通领域导航，可以促进交通管理的智能化、精细化，大幅提高人们的出行效率，促进自动驾驶等新技术的研发和应用。对车辆以及运动物体定位的技术方法有多种，例如GPS(Global Positioning System，全球定位系统)定位、Glonass(GLOBAL NAVIGATIONSATELLITE SYSTEM)定位、伽利略定位、北斗定位、2G(2-Generation wireless telephonetechnology，第二代手机通信技术)定位、NB-IoT(Narrow Band Internet of Things，窄带物联网)定位和WiFi(无线通信技术)辅助定位等多种方式，而这几种定位方式各有自己的优点和缺点：
GPS主要由空间卫星星座、地面监控站及用户设备三部分构成，GPS空间卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。GPS的特点是：不需要sim(Subscriber IdentityModule，用户身份识别模块)卡，也不需要连接网络，只要在户外空旷的地方，基本上随时随地都可以准确定位。但是GPS启动后搜索卫星的时间比较长，一般需要2分钟左右(俗称冷启动)。
Glonass是俄罗斯开发的一套定位系统，原理跟GPS一样，通过卫星进行定位。
伽利略系统是由欧盟主导的新一代民用全球卫星导航系统，由两个地面控制中心和30颗卫星组成，其中27颗为工作卫星，3颗为备用卫星。卫星轨道高度约2.4万公里，位于3个倾角为56度的轨道平面内。
北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航及授时服务，并且具备短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度为分米、厘米级别，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。
窄带物联网(NB-IoT)是万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180KHz的带宽，可直接部署于GSM(Global System for MobileCommunications，全球移动通信系统)网络、UMTS(Universal Mobile TelecommunicationsSystem，通用移动通信系统)网络或LTE(Long Term Evolution，长期演进)网络，以降低部署成本、实现平滑升级。NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWAN)，NB-IoT支持待机时间长、对网络连接为较高设备的高效连接，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。
现有技术中的定位方法多是采用以GPS定位和北斗定位为主，GPS和北斗接收器与卫星通信，从而对车辆位置进行定位，但是，GPS定位和北斗定位在遇到有遮挡物或者信号差的路段，比如涵洞、隧道、树林茂密的公路等地，就无法对车辆的位置进行准确定位。现有技术中的定位方法还有采用2G定位和NB-IoT定位的。2G定位和NB-IoT定位属于基站定位，基站定位是通过运营商的网络获取移动终端用户的位置信息，移动终端在插入sim卡开机以后，搜索周围的基站信息，依据基站位置信息的获取来定位，但是，这种定位方法在没有基站的偏远地区，无法联网获取基站的位置信息，并且其定位误差较大，单基站误差在100-500米。另外，现有定位技术中的GPS模块、北斗模块、NB-IoT和2G模块通常处于持续的工作状态，系统功耗比较高。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种基于GPS、北斗及NB-IoT的多适应性定位系统及方法，通过有效结合GPS定位、北斗定位、NB-IoT定位和2G定位的优势，在GPS和北斗信号强的地区优先使用GPS和北斗定位，在GPS、北斗信号很弱或者没有信号的地区，优先使用NB-IoT定位和2G定位，从而适应更加复杂多变的环境，实现更准确的定位。同时，客户端在发出定位请求后，控制系统会进入低功耗状态，从而减少不必要的电源损耗；待客户端需要获取定位信息的时候，控制系统从低功耗模式唤醒，重新进入工作状态，整个过程能够实现节能高效的目的。
为达到上述目的，本发明提供了一种基于GPS、北斗及NB-IoT的多适应性定位系统，其包括：
一多模定位模块，安装于待定位设备上，其包括北斗模块、GPS模块、2G模块和NB-IoT模块；
一多模天线，安装于待定位设备上，并分别与所述北斗模块和所述GPS模块连接，用于与卫星建立通信并获取定位坐标信息；
一窄带天线，安装于待定位设备上，并与所述NB-IoT模块连接，用于与附近的通信基站建立连接并获取定位坐标信息；
一2G天线，安装于待定位设备上，并与所述2G模块连接，用于与附近的通信基站建立连接并获取定位坐标信息；
一控制系统，安装于待定位设备上，并与所述多模定位模块连接，用于接收所述多模定位模块获取的定位坐标信息并结合卡尔曼滤波算法对信息进行分析处理与融合，确定一最准确的定位数据；
一云端服务器，与所述控制系统连接，用于接收所述控制系统发送的处理后的定位数据信息并以可视化形式显示地图位置信息和运动轨迹信息；
一客户端，与所述云端服务器连接，用于接收并显示所述云端服务器发送的地图位置信息和运动轨迹信息；
一实时时钟模块，安装于待定位设备上，并与所述控制系统连接，用于使所述控制系统按照预设时间进入低功耗模式并在所述控制系统进入低功耗模式后提供精确的时间基准；
一电池模块，安装于待定位设备上，并与所述控制系统连接，用于为整个系统提供电力支持。
在本发明一实施例中，其中，所述客户端包括车载显示设备、个人计算机和手机。
为达到上述目的，本发明还提供了一种基于GPS、北斗、NB-IoT的多适应性定位方法，其包括以下步骤：
步骤1：客户端发起定位请求或唤醒命令，控制系统启动；
步骤2：控制系统驱动GPS模块和北斗模块通过多模天线检测GPS信号和北斗定位信号，其中：
如果GPS信号和北斗定位信号很弱或者检测不到，则进入步骤3；
如果GPS信号和北斗定位信号强度满足预设强度，则跳转到步骤4；
步骤3：控制系统驱动2G模块通过2G天线检测附近的通信基站的2G信号，同时驱动NB-IoT模块通过窄带天线检测附近的通信基站的NB-IoT信号，其中：
如果能够获取到2G信号和NB-IoT信号，则进入步骤4；
如果检测不到2G信号和NB-IoT信号，则控制系统进入低功耗模式，并等待下次唤醒命令；
步骤4：控制系统获取定位坐标信息数据，并判断数据是否异常：
如果数据异常，则跳转回步骤2；
如果数据正常，则进入下一步；
步骤5：控制系统利用卡尔曼滤波算法对数据进行分析处理；
步骤6：控制系统将数据上传到云端服务器并进入低功耗模式，云端服务器获取到定位坐标信息数据后对数据进行分析处理；
步骤7：客户端从云端服务器获取处理后的定位坐标信息数据，并在客户端地图界面显示地图位置信息和运动轨迹信息。
在本发明一实施例中，其中，步骤5中卡尔曼滤波算法对数据进行分析处理具体为：
对通过北斗模块和GPS模块获取的多个定位坐标信息数据进行处理；或者
对通过2G模块和NB-IoT模块获取的多个定位坐标信息数据进行处理。
在本发明一实施例中，其中，步骤6中云端服务器对定位坐标信息数据进行分析处理具体包括：
以可视化的形式在地图上显示待定位设备的地图位置信息；
结合不同时间点获取到的位置信息，在地图上显示待定位设备的运动轨迹信息。
在本发明一实施例中，其中，云端服务器还能够同时与多个待定位设备的控制系统连接，同时处理并显示多个待定位设备的地图位置信息和运动轨迹信息，具体为：
任一待定位设备的控制系统通过云端服务器分配的云端接口查看对应待定位设备的地图位置信息和运动轨迹信息。
在本发明一实施例中，其中，所述方法还包括客户端通过云端服务器获取待定位设备的工作状态和电量信息，并通过云端服务器设定待定位设备控制系统的工作方式，具体包括：
设定控制系统唤醒或进入低功耗模式的时间；
设定控制系统处理定位坐标信息数据的时间段和处理次数；
设定控制系统上传到云端服务器的数据的计算精度。
在本发明一实施例中，其中，所述方法还包括控制系统通过实时时钟模块按照预设的时间进入低功耗模式。
与现有技术相比，本发明通过集成GPS定位、北斗定位、NB-IoT和2G定位多种定位模块适应各种各样的实际定位复杂环境，结合卡尔曼滤波算法对获取到的定位信息进行计算，定位更加准确。同时，通过设定控制系统进入低功耗模式，并在有需要定位的时候再唤醒进入工作状态，能够达到节能高效的目的。另外，本发明还能够通过PC端、手持电子设备、车载电子设备等客户端查看待定位设备在地图上的运动轨迹以及在某个时间点上的位置信息，实时性更强。
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为本发明一实施例的系统架构图；
图2为本发明一实施例的方法流程图。
附图标记说明：1～北斗模块；2～GPS模块；3～NB-IoT模块；4～控制系统；5～实时时钟模块；6～电池模块；7～多模天线；8～窄带天线；9～通信基站；10～卫星；11～云端服务器；12～客户端；13～2G模块；14～2G天线；15～多模定位模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明一实施例的系统架构图，如图1所示，本实施例提供了一种基于GPS、北斗及NB-IoT的多适应性定位系统，其包括：
一多模定位模块(15)，安装于待定位设备上，其包括北斗模块(1)、GPS模块(2)、2G模块(13)和NB-IoT模块(3)；
一多模天线(7)，安装于待定位设备上，并分别与北斗模块(1)和GPS模块(2)连接，用于与卫星(10)建立通信并获取定位坐标信息；在本实施例中，北斗模块(1)通过多模天线(7)连接到北斗卫星导航系统，GPS模块(2)通过多模天线(7)连接到GPS全球定位系统，从而获取卫星定位坐标信息。
一窄带天线(NB天线)(8)，安装于待定位设备上，并与NB-IoT模块(3)连接，用于与附近的通信基站(9)建立连接并获取定位坐标信息；
一2G天线(14)，安装于待定位设备上，并与2G模块(13)连接，用于与附近的通信基站(9)建立连接并获取定位坐标信息；
一控制系统(4)，安装于待定位设备上，并与多模定位模块(15)连接，用于接收多模定位模块(15)获取的定位坐标信息并结合卡尔曼滤波算法对信息进行分析处理与融合，确定一个最准确的定位数据；
一云端服务器(11)，与控制系统(4)连接，用于接收控制系统(4)发送的处理后的定位数据信息并以可视化形式显示地图位置信息和运动轨迹信息；在本实施例中，云端服务器(11)处理数据后能够将获取到的定位数据信息在地图上显示出来，同时，还能够将运动过程中运动轨迹在地图上显示出来。
一客户端(12)，与云端服务器(11)连接，用于接收并显示云端服务器(11)发送的地图位置信息和运动轨迹信息；在本实施例中，客户端(12)获取到云端服务器(11)处理后的定位数据，可以在客户端的地图上显示出具体的位置，用以达到定位的目的，同时，也可以根据云端服务器(11)融合多种定位的数据信息在客户端的地图上显示出运动轨迹。
一实时时钟(Real-time clock，简称RTC)模块(5)，安装于待定位设备上，并与控制系统(4)连接，用于使控制系统(4)按照预设时间进入低功耗模式并在控制系统(4)进入低功耗模式后提供精确的时间基准；在本实施例中，实时时钟模块(5)能够使控制系统(4)按照设定的时间进入低功耗，定时时间可以设定为几分钟也可以是几个小时。
一电池模块(6)，安装于待定位设备上，并与控制系统(4)连接，用于为整个系统提供电力支持。
在本实施例中，客户端(12)为车载显示设备，在本发明其他实施例中，客户端(12)还可以为个人计算机(PC机)、手机等设备。客户端(12)通过访问云服务器分配的云端接口查看待定位设备的运动情况、轨迹曲线、实时定位位置等信息，客户端(12)还可以查看待定位设备的工作状态、电量信息或设定待定位设备的工作方式，例如设定特定时间和特定次数的定位数据，以及设置待定位设备进入低功耗的时间。另外，客户端(12)还可以设定控制系统(4)上传到云端服务器(11)的数据精度。
在本实施例中，如图1所示，云端服务器(11)接入的控制系统(4)仅绘制有一个，在本发明的其他实施例中，云端服务器(11)可以同时与多个待定位设备的控制系统(4)连接，可以显示多个定位装置的位置信息和运行状态以及运动轨迹。
图2为本发明一实施例的方法流程图，如图2所示，本发明另一实施例中还提供了一种基于GPS、北斗及NB-IoT的多适应性定位方法，其包括以下步骤：
第一步：客户端发起定位请求或唤醒命令，控制系统启动；
第二步：控制系统驱动GPS模块和北斗模块通过多模天线检测GPS信号和北斗定位信号，其中：
如果GPS信号和北斗定位信号很弱或者检测不到，则进入第三步；
如果GPS信号和北斗定位信号强度满足预设强度，则跳转到第四步；
第三步：控制系统驱动2G模块通过2G天线检测附近的通信基站的2G信号，同时驱动NB-IoT模块通过窄带天线检测附近的通信基站的NB-IoT信号，其中：
如果能够获取到2G信号和NB-IoT信号，则进入第四步；
如果检测不到2G信号和NB-IoT信号，则控制系统进入低功耗模式，并等待下次唤醒命令；
第四步：控制系统获取定位坐标信息数据，并判断数据是否异常：
如果数据异常，则跳转回第二步，重新执行一遍检测GPS信号、北斗定位信号、2G信号和NB-IoT信号，直到数据正常；
如果数据正常，则进入下一步；
第五步：控制系统利用卡尔曼滤波算法对数据进行分析处理；
在本实施例中，其中，第五步中卡尔曼滤波算法对数据进行分析处理具体为：
对通过北斗模块和GPS模块获取的多个定位坐标信息数据进行处理；或者对通过2G模块和NB-IoT模块获取的多个定位坐标信息数据进行处理，用于保证数据的准确性。也就是，如果前面步骤能够检测到GPS信号和北斗定位信号，且在定位坐标信息数据正常的情况下，卡尔曼滤波算法处理的是GPS模块和北斗模块获取到的坐标信息数据；如果前面步骤检测不到GPS信号和北斗定位信号，但可以检测到NB-IoT信号和2G信号，且在定位坐标信息数据正常，卡尔曼滤波算法处理的则是NB-IoT模块和2G模块获取的坐标信息数据。其中，本发明所采用的卡尔曼滤波算法为现有技术，其具体算法说明在此不再赘述。
第六步：控制系统将数据上传到云端服务器并进入低功耗模式，云端服务器获取到定位坐标信息数据后对数据进行分析处理；
在本实施例中，其中，云端服务器对定位坐标信息数据进行分析处理具体包括：
以可视化的形式在地图上显示待定位设备的地图位置信息；
结合不同时间点获取到的位置信息，在地图上显示待定位设备的运动轨迹信息。
第七步：客户端从云端服务器获取处理后的定位坐标信息数据，并在客户端地图界面显示地图位置信息和运动轨迹信息。
在本发明另一实施例中，云端服务器还能够同时与多个待定位设备的控制系统连接，同时处理并显示多个待定位设备的地图位置信息和运动轨迹信息，具体为：
任一待定位设备的控制系统通过云端服务器分配的云端接口查看对应待定位设备的地图位置信息和运动轨迹信息。
在本发明又一实施例中，其中，所述定位方法还包括客户端通过云端服务器获取待定位设备的工作状态和电量信息，并通过云端服务器设定待定位设备控制系统的工作方式，具体包括：
设定控制系统唤醒或进入低功耗模式的时间；
设定控制系统处理定位坐标信息数据的时间段和处理次数；
设定控制系统上传到云端服务器的数据的计算精度。
在本发明又一实施例中，其中，所述定位方法还包括控制系统通过实时时钟模块按照预设的时间进入低功耗模式，其中，预设的时间可以设定为几分钟也可以设定为几个小时。
与现有技术相比，本发明通过集成GPS定位、北斗定位、NB-IoT和2G定位多种定位模块适应各种各样的实际定位复杂环境，结合卡尔曼滤波算法对获取到的定位信息进行计算，定位更加准确。同时，通过设定控制系统进入低功耗模式，并在有需要定位的时候再唤醒进入工作状态，能够达到节能高效的目的。另外，本发明还能够通过PC端、手持电子设备、车载电子设备等客户端查看待定位设备在地图上的运动轨迹以及在某个时间点上的位置信息，实时性更强。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
最后应说明的是：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。
Claims (5)
1.一种基于GPS、北斗及NB-IoT的多适应性定位系统，其特征在于，包括多个待定位设备，每一待定位设备包括：
一多模定位模块，安装于待定位设备上，其包括北斗模块、GPS模块、2G模块和NB-IoT模块；
一多模天线，安装于待定位设备上，并分别与所述北斗模块和所述GPS模块连接，用于与卫星建立通信并获取定位坐标信息；
一窄带天线，安装于待定位设备上，并与所述NB-IoT模块连接，用于与附近的通信基站建立连接并获取定位坐标信息；
一2G天线，安装于待定位设备上，并与所述2G模块连接，用于与附近的通信基站建立连接并获取定位坐标信息；
一控制系统，安装于待定位设备上，并与所述多模定位模块连接，用于接收所述多模定位模块获取的定位坐标信息并结合卡尔曼滤波算法对信息进行分析处理与融合，确定一最准确的定位数据；
一实时时钟模块，安装于待定位设备上，并与所述控制系统连接，用于使所述控制系统按照预设时间进入低功耗模式并在所述控制系统进入低功耗模式后提供精确的时间基准；
一电池模块，安装于待定位设备上，并与所述控制系统连接，用于为整个系统提供电力支持；以及
一云端服务器，为每一待定位设备的控制系统分配云端接口，并通过对应接口同时与每一待定位设备的控制系统连接，接收和处理每一定位装置的定位数据信息，并以可视化形式同时显示多个定位装置的地图位置信息、运行状态和运动轨迹信息；
一客户端，与所述云端服务器连接，用于接收并显示所述云端服务器发送的地图位置信息和运动轨迹信息；
其中，所述定位系统对任一待定位设备进行多适应性定位的方法包括以下步骤：
步骤1：客户端发起定位请求或唤醒命令，控制系统启动；
步骤2：控制系统驱动GPS模块和北斗模块通过多模天线检测GPS信号和北斗定位信号，其中：
如果GPS信号和北斗定位信号很弱或者检测不到，则进入步骤3；
如果GPS信号和北斗定位信号强度满足预设强度，则跳转到步骤4；
步骤3：控制系统驱动2G模块通过2G天线检测附近的通信基站的2G信号，同时驱动NB-IoT模块通过窄带天线检测附近的通信基站的NB-IoT信号，其中：
如果能够获取到2G信号和NB-IoT信号，则进入步骤4；
如果检测不到2G信号和NB-IoT信号，则控制系统进入低功耗模式，并等待下次唤醒命令；
步骤4：控制系统获取定位坐标信息数据，并判断数据是否异常：
如果数据异常，则跳转回步骤2；
如果数据正常，则进入下一步；
步骤5：控制系统利用卡尔曼滤波算法对数据进行分析处理；
步骤6：控制系统将数据上传到云端服务器并进入低功耗模式，云端服务器获取到定位坐标信息数据后对数据进行分析处理；
步骤7：客户端从云端服务器获取处理后的定位坐标信息数据，并在客户端地图界面显示地图位置信息和运动轨迹信息；
其中，客户端通过云端服务器获取任一待定位设备的工作状态和电量信息，并通过云端服务器设定对应待定位设备控制系统的工作方式，具体包括：
设定控制系统唤醒或进入低功耗模式的时间；
设定控制系统处理定位坐标信息数据的时间段和处理次数；
设定控制系统上传到云端服务器的数据的计算精度。
2.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述客户端包括车载显示设备、个人计算机和手机。
3.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，步骤5中卡尔曼滤波算法对数据进行分析处理具体为：
对通过北斗模块和GPS模块获取的多个定位坐标信息数据进行处理；或者
对通过2G模块和NB-IoT模块获取的多个定位坐标信息数据进行处理。
4.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，步骤6中云端服务器对定位坐标信息数据进行分析处理具体包括：
以可视化的形式在地图上显示待定位设备的地图位置信息；
结合不同时间点获取到的位置信息，在地图上显示待定位设备的运动轨迹信息。
5.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述方法还包括控制系统通过实时时钟模块按照预设的时间进入低功耗模式。
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