CN113568021B - 一种室内外一体化精准定位的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内外一体化精准定位的方法及系统，包括：获取室内设计结构图，使用对称性检测算法，通过对图像分块计算将室内设计结构图中对称场景和非对称场景分离出来；确定锚节点的最佳安装位置，当结构属于对称场景，自动套用类似结构的场景，以减少计算量；服务器后端接收到UWB锚节点发送的信号包之后进行定位解算并在终端操作平台呈现；计算和调整对称场景中，相似距离的定位精准度；调用GNSS模块进行定位，并结合地基增强系统来实现室外精准定位；该方法将园区室内外定位相结合，能够减少室内锚节点定位设备安装的复杂度，提高定位的精确度。

Description

一种室内外一体化精准定位的方法及系统

【技术领域】

本发明涉及导航与定位技术领域，尤其涉及室内外一体化精准定位的方法及系统。

【背景技术】

随着5G技术和物联网的快速发展，人们对定位与导航的要求精度不断提高，目前众多专家学者针对室内外一体化精准定位均提出了自己的想法和解决方案。但是，在如何进行室内外定位方面有较多的计算是多余的，如何根据实地场景，设计锚节点的最佳安装位置，减少计算量等方面，国内很少有人提出过解决方案，因为有些房间经常是具有对称结构的，但很少有人利用这个对称性性质来设计一部分锚节点的安装，以减少计算量。另一方面，而校园、园区以及监狱等场所，因其兼有室内外场所的特点而难以利用传统的室内定位或GNSS定位方法满足室内外定位需求，由于这些场所室内场景往往结构复杂，定位装置的部署复杂且成本高，因此本发明提出了解决室内外定位的新方式，能够更好的进行精准定位。

【发明内容】

本发明提供了一种结合室内混合定位算法和北斗地基增强站实现室内外一体化精准定位的方法及系统，所述方法包括：

获取室内设计结构图，使用对称性检测算法，通过对图像分块计算对应位置图像块的余弦相似度将室内设计结构图中对称场景和非对称场景分离出来；通过计算UWB锚节点安装位置的GDOP最小值来确定锚节点的最佳安装位置，当结构属于对称场景，自动套用类似结构的场景计算结果，以减少计算量；当定位标签处于定位区域内时，UWB锚节点发送信号包，所述定位标签接收之后将相应的数据回传给服务器后端；服务器后端接收到数据之后通过加权组合定位算法进行定位解算并在终端操作平台进行呈现；计算对称场景中的定位精准度，当推理后的锚节点精准度不足时，重新对对称场景中的结构进行调整；当定位标签接收不到UWB信号或者小于设定的信号强度阈值时，调用GNSS模块进行定位，并结合地基增强系统来实现室外精准定位。

进一步可选地，如上所述的方法中，所述对称性检测算法，包括：

采用模式匹配法的方法先将图像中的像素分为n组，使得每组中的像素到中心点的距离相等，然后寻找匹配每组通过中心点且使得这些点成镜像对称的线段，最后得到的这些线段的交集为该组图像点的对称轴；当检测结果为部分非对称时，根据对称轴将图像一分为二，得到两张相似的结构图，对两张相似结构图利用滑动窗将图像分块，计算两幅图像对应分块的余弦相似度，根据余弦相似度判断两个对应分块是否相似，遍历所有分块可以获得两幅图像相似区域，也就是室内结构的对称场景。

进一步可选地，如上所述的方法中，所述确定锚节点的最佳安装位置，包括：

将UWB锚节点固定分布于所需定位的室内场景；对室内场景进行坐标建模，以房间的一角为原点建立x，y，z坐标，以每个锚节点与原点的偏移量作为坐标的取值，通过三维坐标来确定锚点在房间中的位置；对于对称场景，在一次计算最佳位置之后，对于结构类似的同样的房间，共享锚点三维坐标，即设置相似的锚节点；对于非对称场景，先根据对称轴获取两张结构图A1和A2，利用滑动窗分别将图像分块，令分块总数为2N，并对两张图片对应位置的图像块进行统一编号为A1-1和A2-1表示两张图同样位置的图像块；对A1-1和A2-1图像块的像素矩阵进行向量化，分别得到向量X和向量Y，通过计算两个向量的相似度，判断和分离出非对称区域，然后针对这些非对称区域再计算GDOP确定非对称场景的锚点安装位置。

进一步可选地，如上所述的方法中，所述UWB锚节点发送信号包，包括：

在物联网平台配置好锚节点和服务器后端的信息后，UWB锚节点实时发送信号；当定位标签处于定位区域内时，接受到信号并将此时刻相应的数据包发送至SAP PCo，SAPPCo作为中转站再将数据传送给服务器后端。

进一步可选地，如上所述的方法中，所述通过加权组合定位算法进行定位解算，包括：

采用TDOA与AOA的混合加权算法，实现室内定位精度的提高；采用TDOA算法获取定位标签到达每个锚点设备的时间差，通过比较定位标签信号到达各个锚点设备的时间差就能做出以锚点为焦点，以0.5距离差为长轴的双曲线，双曲线的交点就是定位标签的位置L_TDOA；人为统一设置每个锚点的基准方向，通过测量定位标签信号的入射角度来画出射线，而多条以锚点为起点的射线的交点就是定位标签信号的位置L_AOA。

进一步可选地，如上所述的方法中，所述对对称场景中的结构进行调整，包括：

当两个空间内的相似距离不完全一致时，将相似距离作差后与预先设定的阈值F作比较；当相似距离差值小于阈值F时，表明两个空间分布存在的差异是可以接受的；当相似距离差值大于阈值F时，表明两个空间分布存在的差异是无法容忍的，也即推理后的锚节点具有精确度不足的缺点；根据差距值是正还是负及其大小判断应该如何调整锚节点的位置，使之符合合理的定位精确度。

进一步可选地，如上所述的方法中，所述调用GNSS模块进行定位，包括：

在定位标签上安装GNSS模块；当定位标签接收不到UWB信号或者小于设定的信号强度阈值时，自动激活定位标签上的GNSS模块；天线需放置于智慧园区室外无遮挡环境中；GNSS模块由串口输出NMEA语句，由语句解析获取相关信息；在NMEA语句中，提取位置、时间、经纬度以及海拔高度；GNSS模块接入物联网平台，相关信息通过平台传送至服务器后端，实现室外定位。

进一步可选地，如上所述的方法中，所述结合地基增强系统来实现室外精准定位，包括：

在园区内设置一个参考站观测卫星；参考站同样接入物联网平台向服务器后端发送改正数；用户对获得的GNSS定位信息进行改正，从而获得更加精确的定位信息。

本发明实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明将园区室内外定位相结合，考虑了园区结构对称的特点，能够减少室内锚节点定位设备安装的复杂度，提高定位的精确度。

在定位过程中，需要对锚节点进行安装，而安装的数量繁多，而且繁琐，而园区作为具有规划的建筑物，经常是具有特定形状的。其建筑物和场景都具有对称性。因此可以基于其对称性质来减少锚点步骤的复杂度。

【附图说明】

图1为本发明一种室内外一体化精准定位的方法及系统的流程图。

图2为本发明一种室内外一体化精准定位的方法及系统的结构图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

图1为本发明一种室内外一体化精准定位的方法及系统的流程图。如图1所示，本实施例一种室内外一体化精准定位的方法及系统具体可以包括如下步骤：

步骤一，从整体上判断室内结构图是否对称，通过对室内设计结构图使用对称性检测算法来检测结构图的对称性并获取对称轴。图像对称性检测算法可以采用模式匹配法，优化搜索方法，基于曲线微分性质地斜对称检测方法和基于隐含多项式曲线对称检测的方法。具体的，例如其中模式匹配法的方法是将平面图形的对称性检测转化为点的连续问题。该方法先将图像中的像素分为n组，使得每组的点到中心点的距离相等，然后寻找匹配每组通过中心点且使得这些点成镜像对称的线段，最后得到的这些线段的交集为该组图像点的对称轴。当检测结果为部分非对称时，根据对称轴将图像一分为二，得到两张相似的结构图。然后对两张结构图利用滑动窗将图像分块，计算两幅图像对应分块的余弦相似度，根据余弦相似度判断两个对应分块是否相似，遍历所有分块可以获得两幅图像相似区域，也就是室内结构的对称场景。

步骤二：通过计算UWB锚节点安装位置的GDOP最小值来确定锚节点的最佳安装位置，将UWB锚节点固定分布于所需定位的室内场景。

为了获取锚节点的最佳安装位置，需要不断计算UWB锚节点安装位置的GDOP最小值。但假如能够利用房间的对称结构，则至少能将计算量减少一半。因为对称场景或者相似度非常高的对称场景，能够减少很多锚节点位置的计算。为了共享对称场景的锚点位置，首先对室内场景进行坐标建模，以房间的一角为原点建立x，y，z坐标，通过三维坐标来确定锚点在房间中的位置，具体做法是，获取原点坐标的真实位置，以每个锚节点与原点的偏移量作为坐标的取值。对于对称场景，可以在一次计算最佳位置之后。将于该结构类似的同样的房间，共享锚点三维坐标，即设置相似的锚节点。

例如，经过测算，已知某一锚点坐标为(1，1，1)，则在与锚点所在场景相似的房间中用同样的方式建立x，y，z坐标，那么相似位置的锚点坐标同样设为(1，1，1)

当智慧园区内部为非对称性设计时，通过对图像分块计算对应位置图像块的余弦相似度将室内设计结构图中非对称场景分离出来，然后通过计算GDOP确定非对称场景的锚点安装位置。具体做法是根据对称轴获取两张结构图A1和A2，利用滑动窗分别将图像分块，令分块总数为2N，并对两张图片对应位置的图像块进行统一编号，如A1-1和A2-1表示两张图同样位置的图像块。对A1-1和A2-1图像块的像素矩阵进行向量化，分别得到向量X和向量Y，通过计算两个向量的相似度，即可以判断出非对称区域，具体如下：

X＝[x1,x2,...xn]

Y＝[y1，y2，...yn]

余弦值越接近1，就表明夹角越接近0度，也就是两个向量越相似，也即两个图像块越相似，反之就是差异越大，说明图像块A1-1和A2-1就是非对称区域。然后针对这些非对称区域再计算GDOP确定非对称场景的锚点安装位置。

步骤三：在锚节点已经安装完成后，将UWB锚节点个数及位置设置到终端操作平台，并记录相应的MAC(Media Access Control Address，局域网地址)地址，以保证每一个锚点设备都接入终端操作平台。

本发明使用物联网SAP平台，首先对每个锚点设备进行数字化建模，使锚点设备在系统中有数字化显示，SAP PCo是SAP推出的一个运行在Windows或者Linux上的方案，专门用来与设备进行通讯，支持众多的主流设备通讯协议，例如MQTT，HTTP等，这里使用MQTT协议，在SAP PCo中配置每个锚节点的地址，从而使PCo能够正确的接受锚节点发送的信息，并作为中转站将数据通过物联网平台支持的格式发送出去。同样，SAP PCo也需要配置与物联网平台的连接，设置物联网平台的MQTT协议接受地址即可。因此可以完成将设备连接到后台系统，设备的数据可以发送并储存在SAP物联网平台上。

步骤四：室内定位采用被动定位的方式，当定位标签处于定位区域内时，UWB锚节点发送信号包，标签上的接收之后将相应的数据回传给服务器后端。

在物联网平台配置好锚节点和服务器后端的信息后，UWB锚节点实时发送信号，当定位标签处于定位区域内时，接受到信号并将此时刻相应的数据包发送至SAP PCo，SAPPCo作为中转站再将数据传送给服务器后端，实现了定位数据获取的目标。

步骤五：服务器后端接收到数据之后通过加权组合定位算法进行定位解算并在终端操作平台进行呈现。

具体做法是，采用TDOA与AOA的混合加权算法，实现室内定位精度的提高；首先，采用TDOA算法获取定位标签到达每个锚点设备的时间差，通过比较定位标签信号到达各个锚点设备的时间差就能做出以锚点为焦点，以0.5距离差为长轴的双曲线，双曲线的交点就是定位标签的位置L_TDOA。然后，人为统一设置每个锚点的基准方向，通过测量定位标签信号的入射角度来画出射线，而多条以锚点为起点的射线的交点就是定位标签信号的位置L_AOA.。综合考虑TDOA和AOA算法的结果，将两种算法得出的位置L进行加权组合，以α₁作为位置L_TDOA的权重来表征TDOA算法结果的重要性，以α₂作为位置L_AOA的权重来表征AOA算法结果的重要性。最终的定位标签的位置L应为α₂×L_AOA与α₁×L_TDOA之和。

例如，假设用三个锚节点确定定位标签位置。现有三个锚节点w₁,w₂和w₃，当定位标签处于定位区域内时，UWB锚节点发送信号包，标签上的接收之后将相应的数据回传给服务器后端。在服务器后端获取三个UWB信号包的三个时间戳，w1和w2、w2和w3所得到的时间戳差t₁和t₂，从而计算出距离差2a₁和2a₂。以w1和w2的距离为2c1，w2和w3的距离为2c2，分别建立前文所述双曲线方程

联立两个方程可以求得定位标签的坐标B(x1,y1)。

现以两个锚点为例使用AOA算法计算定位标签位置。两个锚点的入射角分别为α1和α2，以各锚点为起点，入射角方向构造直线的交点，即为定位标签的位置。假设以此方法计算的定位标签坐标B为(x2,y2)。

最后，定位标签位置(x，y)为α₂B与α₁A之和。

步骤六：分析定位精准度，当推理后的锚节点具有精准度不足的缺点时，重新对对称场景中的锚节点位置结构，进行调整。例如，假设所测园区是由空间A和空间B组成，而空间A和空间B是相互对称，也即所测园区是一个对称场景。由步骤一可知，园区作为一个对称场景，其空间A和空间B是有相似的锚点设备的分布，而两个空间内的相似锚点间的距离即为相似距离。显然，园区作为生活工作场景并不具有严格的对称性，故两个空间内的相似距离并不是完全一致的，也即锚点设备的分布位置不是一模一样。因此，将相似距离作差后与预先设定的阈值F作比较。当相似距离差值小于阈值F时，表明两个空间分布存在的差异是可以接受的。当相似距离差值大于阈值F时，表明两个空间分布存在的差异是无法容忍的，也即推理后的锚节点具有精确度不足的缺点。最后将推理出来的锚节点做位置上的改动，根据差距值的正负及大小判断应该如何调整锚节点的位置，使之符合合理的定位精确度。

步骤七：当定位标签接收不到UWB信号或者小于设定的信号强度阈值时，调用GNSS模块进行定位。

GNSS RF接收器采用卫星星座的优势，如美国的GPS，俄罗斯的GLONAS和中国的北斗，可以让室外移动台的精确度达到几米或更高。GNSS通过提升工作来自轨道星座中至少三颗卫星的独特导航信号。卫星和接收器之间的同步使得能够确定来自卫星的相应信号传播延迟。卫星的信号球和地球的球体的交点确定了接收器的精确位置。

具体做法是，在定位标签上安装GNSS(SKG09A)模块，也即定位标签相当于GNSS RF接收器。当定位标签接收不到UWB信号或者小于设定的信号强度阈值时，定位标签上的GNSS(SKG09A)模块会自动激活。GNSS模块多用于室外定位方案，因此为确保卫星信号的接收，天线需放置于智慧园区室外无遮挡环境中；模块由串口输出NMEA语句，由语句解析获取相关信息；在NMEA语句中，可以提取出位置信息，诸如时间，经纬度以及海拔高度等等。与步骤二相同，GNSS模块也接入物联网平台，相关信息通过平台传送至服务器后端，实现室外定位。

步骤八：通过局域差分技术——地基增强系统来实现室外精准定位。

目前主流卫星导航系统的定位方式——三球交汇。理论上，三个卫星即可实现全球定位，以三颗卫星(卫星坐标已知)为球心，三颗卫星到接收机的距离为半径分别作三个球。三个球必定相交于两个点。设三颗卫星到接收机的距离(下称站星距离)为半径分别为R1,R2和R3，三颗卫星发射信号的时间是和/>三颗卫星的坐标如下式所示：

然而列三个球的方程实际上无法解出位置，因为接收机有钟差，所以测得的卫星信号传播时间不准，得到的站星距离也就不准。为了解决这一问题，引入局域差分技术。局域差分技术的思路就是在用户接收机隔不远设一个参考站同时观测卫星，参考站通过网络或电台向外实时发送改正数，用户接收到改正数后直接对观测值进行改正，最终能达到厘米级的定位精度。

具体做法是，在园区内设置一个参考站观测卫星，参考站同样接入物联网平台向服务器后端发送改正数，结合步骤五获得的GNSS定位信息进行改正，从而获得更加精确的定位信息。

Claims (8)

1.一种室内外一体化精准定位的方法，其特征在于，所述方法包括：

获取室内设计结构图，使用对称性检测算法，通过对图像分块计算对应位置图像块的余弦相似度将室内设计结构图中对称场景和非对称场景分离出来；通过计算UWB锚节点安装位置的GDOP最小值来确定锚节点的最佳安装位置，当结构属于对称场景，自动套用类似结构的场景计算结果，以减少计算量；当定位标签处于定位区域内时，UWB锚节点发送信号包，所述定位标签接收之后将相应的数据回传给服务器后端；服务器后端接收到数据之后通过加权组合定位算法进行定位解算并在终端操作平台进行呈现；计算对称场景中的定位精准度，当推理后的锚节点精准度不足时，重新对对称场景中的结构进行调整；当定位标签接收不到UWB信号或者小于设定的信号强度阈值时，调用GNSS模块进行定位，并结合地基增强系统来实现室外精准定位。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述对称性检测算法，包括：

采用模式匹配法的方法先将图像中的像素分为n组，使得每组中的像素到中心点的距离相等，然后寻找匹配每组通过中心点且使得这些点成镜像对称的线段，最后得到的这些线段的交集为该组图像点的对称轴；当检测结果为部分非对称时，根据对称轴将图像一分为二，得到两张相似的结构图，对两张相似结构图利用滑动窗将图像分块，计算两幅图像对应分块的余弦相似度，根据余弦相似度判断两个对应分块是否相似，遍历所有分块可以获得两幅图像相似区域，也就是室内结构的对称场景。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述确定锚节点的最佳安装位置，包括：

将UWB锚节点固定分布于所需定位的室内场景；对室内场景进行坐标建模，以房间的一角为原点建立x，y，z坐标，以每个锚节点与原点的偏移量作为坐标的取值，通过三维坐标来确定锚点在房间中的位置；对于对称场景，在一次计算最佳位置之后，对于结构类似的同样的房间，共享锚点三维坐标，即设置相似的锚节点；对于非对称场景，先根据对称轴获取两张结构图A1和A2，利用滑动窗分别将图像分块，令分块总数为2N，并对两张图片对应位置的图像块进行统一编号为A1-1和A2-1表示两张图同样位置的图像块；对A1-1和A2-1图像块的像素矩阵进行向量化，分别得到向量X和向量Y，通过计算两个向量的相似度，判断和分离出非对称区域，然后针对这些非对称区域再计算GDOP确定非对称场景的锚点安装位置。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述UWB锚节点发送信号包，包括：

在物联网平台配置好锚节点和服务器后端的信息后，UWB锚节点实时发送信号；当定位标签处于定位区域内时，接受到信号并将此时刻相应的数据包发送至SAP PCo，SAP PCo作为中转站再将数据传送给服务器后端。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述通过加权组合定位算法进行定位解算，包括：

采用TDOA与AOA的混合加权算法，实现室内定位精度的提高；采用TDOA算法获取定位标签到达每个锚点设备的时间差，通过比较定位标签信号到达各个锚点设备的时间差就能做出以锚点为焦点，以0.5距离差为长轴的双曲线，双曲线的交点就是定位标签的位置L_TDOA；人为统一设置每个锚点的基准方向，通过测量定位标签信号的入射角度来画出射线，而多条以锚点为起点的射线的交点就是定位标签信号的位置L_AOA。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述对对称场景中的结构进行调整，包括：

当两个空间内的相似距离不完全一致时，将相似距离作差后与预先设定的阈值F作比较；当相似距离差值小于阈值F时，表明两个空间分布存在的差异是可以接受的；当相似距离差值大于阈值F时，表明两个空间分布存在的差异是无法容忍的，也即推理后的锚节点具有精确度不足的缺点；根据差距值是正还是负及其大小判断应该如何调整锚节点的位置，使之符合合理的定位精确度。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述调用GNSS模块进行定位，包括：

在定位标签上安装GNSS模块；当定位标签接收不到UWB信号或者小于设定的信号强度阈值时，自动激活定位标签上的GNSS模块；天线需放置于智慧园区室外无遮挡环境中；GNSS模块由串口输出NMEA语句，由语句解析获取相关信息；在NMEA语句中，提取位置、时间、经纬度以及海拔高度；GNSS模块接入物联网平台，相关信息通过平台传送至服务器后端，实现室外定位。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述结合地基增强系统来实现室外精准定位，包括：

在园区内设置一个参考站观测卫星；参考站同样接入物联网平台向服务器后端发送改正数；用户对获得的GNSS定位信息进行改正，从而获得更加精确的定位信息。