CN114859391A - 一种基于物联网智能物标签及标签共享综合定位导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于物联网智能物标签及标签共享综合定位导航方法。智能物标签包括：分别与处理器CPU连接的导航接收单元、感知单元、通信发射单元、通信接收单元，方法包括以下步骤：步骤1，绘制室内地空图，所述地空图是指增加了室内空间信息的地图，步骤2，布设导航灯装置，步骤3，采用广义融合复域综合求解定位方法，步骤4，平台、网关设备与物联网的智能管理，本发明的优越效果是实用性强，智能物标签耗电少，灵敏度高，抗干扰性能强且功能多，采用了定位导航代数几何融合求解算法；能充分发挥地图与视觉的图像在定位导航中的作用,不但能应用于物标签，同样也能应用于其他定位导航终端。

Description

一种基于物联网智能物标签及标签共享综合定位导航方法

技术领域

本发明属于物联网技术领域，具体涉及一种基于物联网智能物标签及标签共享综合定位导航方法。

背景技术

互联网的发展及导航定位技术的成熟，世界已跨入万物互联的时代，即将世界上的万物用网络连接起来，物的特性与状态能在网络上传输并在虚拟场景中显示且能最大限度地发挥出物的利用价值，这类互联网被称为物联网。物联网由物的终端设备、平台及服务中心，以及信息传输网络(NB-lot、Cat1)组成，其中物的终端设备称为物标签，物标签部分必须能表述物的特性、品质、状态、位置以及周围的环境条件的信息并且要求体积小、结构简单、使用方便、工作可靠、功能多。现有的物标签应用的场所变化多、情况各异且难以通用，所以现有的物标签产品还存在很多问题且不能满足目前的各种实际应用需求。

地图(Map)是按照一定的法则有选择地以二维或多维形式与手段在平面或球面上表示地球若干现象的图形或图像，具有严格的数学基础、符号系统、文字注记，并能用地图概括原则科学地反映出自然和社会经济现象的分布特征及其相互关系，地图也是能承载导航信息的载体，导航定位数据显示在地图上，地图除了呈现对应关系以外，还是导航定位时能够用来改善位置和轨迹精度的一种潜在信息，车辆导航算法中有一种称为地图匹配算法的，它能修正导航轨迹，消除累积误差，地图作为汇集与表达环境信息的汇总载体随着科技的进步与新需求的提出，处在不断变化和发展之中。现在要实现室内定位，随着室内地理信息与空间信息的多样化，已不能用常规的二维地图表示了，要采用二维加强图或类三维地图的地空图来描述和表示，如港口三维全景地图里会将港口中的建筑物、路灯、道路、车辆、路标等的其他设施加以精细化表达，还能够增加其它信息，如：特征点、标志、约束元素、无线电信号牌、导航设施、注释，这种三维或多维形式的地图，称为地空图或称为地空信息图，地空图不但能够用来表示地理环境条件，而且还能够利用地空信息，产生导航定位可利用的元素，辅助导航定位或增强导航定位，所以充分认识标签定位导航与地图的密切关系，充分挖掘发挥出地理信息和空间信息的潜力有利于智能物标签的开发及物联网的发展。

目前的物标签的研发中存在以下问题和技术难点：

(1)解决室内定位之难点：

物标签除了要求体积小、功能多、成本低、移动范围广以外还特别需要能及时了解到待测标的物的位置及状态的信息，待测标的物是指要被定位导航的标的物，待测标的物的位置及状态的信息包括：状态、性能、品质、位置、特征以及所处的环境条件的信息，位置信息能反映待测标的物位于何处、周围环境条件情况如何的相关信息，所以必须需要感知和获得标的物的位置信息或位置运行轨迹信息。在室外上述要求的感知和测量技术已经成熟并已有各种不同精度等级的导航定位芯片与模块能接收GNSS卫星导航系统的信号且包括多种增强系统的信息进行定位解算以获得待测标的物的位置信息或运行轨迹信息，能达到的定位精度等级已有米级、分米级、厘米级，甚至毫米级，其中当物标签采用普通伪距芯片时，在室外定位精度已能达到2米至5米以内；采用载波相位相干技术能达到厘米量级、毫米量级精度。

物标签定位的技术难点在室内，现有的室内定位技术尚存在缺点且无法满足应用要求，如：RSSI(Received signal strength indicator)指纹匹配方法，在前期需要采集指纹库，且指纹库还需要随电磁环境的变化而定期更改，从而加大了指纹的采集工作量；UWB(超宽带)室内定位方法定位精度高但容易被干扰且稳定性差，对环境条件的要求苛刻；iBeacon(低耗能蓝牙技术)定位方法需要布设很多的蓝牙信标且安装维护的工作量大。物标签处于室内环境中且在室内使用的概率远远大于室外，而目前现有的室内定位技术还不成熟并且存在很多尚未解决的技术问题，所以物标签在室内采用何种室内定位方法是急待解决的技术难点之一。

(2)减少电源功耗之难点：

物标签是一种小型电子终端设备，既包括导航信号接收部分还包括通信部分，通信部分用于把位置信息传输至网络端口及后台，电子设备需要电源供电，特别是当要求通信发射时功耗会明显加大，物标签要求体积小、厚度薄，所以难以配置功率大的电源，只能配备小型电池，电池又不能经常更换并难以随处充电，这样就造成物标签供电与用电之间的矛盾，解决的办法除了充电和更换电池以外，只能是改进设计，节约用电，减少电的消耗，所以减少电功率消耗成为物标签设计研发的另一个技术难点。

(3)微小型特殊天线之难点：

由于物标签要求体积小，所以物标签上的天线的体积也要求必须小巧，因此要使用微小型天线，但实际上微小型天线要接收来自遥远导航卫星发播的微弱信号，即要能接收-120dbm至-163dbm范围中的微弱信号，这样就产生了高性能接收要求与微小型天线之间的矛盾，所以选择什么样的天线，如何优化设计天线，提高天线性能就变得十分重要。

(4)抗干扰技术之难点：

由于物标签在运输与存储过程中必定会遇到多种电磁环境条件的场所，如：会遇到仓库、货仓、会议室或处于甲板、货架、棚架的多种场所。这些场所的空间狭小并容易导致信号传播紊乱且影响信号的接收与测量，同时还会遇到强电磁信号的影响、同频干扰信号的影响以及欺骗信号的干扰，所以物标签必须具备强抗电磁干扰的能力，但由于物标签本身体积小、厚度薄、难以增加抗干扰器件和增加防护器件，所以具备强抗电磁干扰的能力又成为一个技术难点。例如，申请号为201911223734.5的专利申请公开了一种车辆定位导航方法及其装置，该方法包括：解析设备从本地预设的多种诊断协议中，确定车辆的车载自诊断系统OBD支持的目标诊断协议；通过OBD的接口获取表征车辆工况的数据包，数据包中至少包括车辆的速度信息和方向信息；根据目标诊断协议解析数据包，获得车辆的速度信息和方向信息；确定惯性导航设备所允许的输入电平；在惯性导航设备所允许的输入电平下，将车辆的速度信息和方向信息发送至惯性导航设备，车辆的速度信息和方向信息用于惯性导航设备对车辆的定位导航。

目前现有的各种标签产品，其中最简单的标签就是RFID(Radio FrequencyIdentification)，RFID标签成本很低，非常适合在衣服之类的小商品上使用，但只有当RFID标签经过阅读器时才能确定标签的位置且被定位的范围受到很大的局限，并且不能进行移动应用。Honeywell标签是美国霍尼韦尔(Honeywell)公司研制出的一款供水产品运输时使用的标签，能及时测出运输途中物品的环境条件并能反映物品的新鲜程度，但Honeywell标签的定位能力差且标签本身没有直接的卫星定位功能，要依靠网关定位输入且无法实施室内定位。

综上所述，物联网的快速发展使得设计和研发出适合室内定位的、性价比高、应用范围广、精度高、抗干扰强、体积小、功耗低及适应性强的物标签终端产品成为一个急待解决的迫在眉睫的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够解决和突破上述技术问题的基于物联网智能物标签及标签共享综合定位导航方法。

本发明所述智能物标签的硬件架构包括：分别与处理器CPU连接的导航接收单元、感知单元、通信发射单元、通信接收单元和导航灯装置组成，其中，导航接收单元由依次连接的导航接收天线、低噪声放大器电路、滤波器电路、下变频器电路、导航接收基带电路组成；通信接收单元由依次连接的通信接收天线、低噪声放大器电路、滤波器电路、下变频器电路、接收基带电路组成；通信发射单元包括依次连接的发射基带电路、上变频器电路、通信发射天线组成；感知单元由气压传感器、惯性传感器、湿度传感器、温度传感器和A/D模数转换器组成；导航接收单元、感知单元、通信接收单元获得的信息输入到处理器CPU及存储电路，经处理器处理、计算后获得智能物标签的位置解即位置信息且经输入输出接口能在显示器显示，也能够通过通信发射单元传输至网络并输送至监控平台，智能物标签在室外接收导航卫星信号；在室内接收导航灯装置的信号，导航灯装置分别与导航接收天线、通信接收天线、通信发射天线无线连接。

导航灯装置包括依次连接的天线、射频电路、信号基带电路、信号处理电路；传感器模块、通信信号生成电路、标准信号生成电路分别与信号处理电路连接，传感器模块能够采集温度、气压、视觉环境参数、移动方向和速度，以获得更多的环境信息和图像元素以提高广义综合位置求解的精度。

导航灯装置定位的工作流程是由系统或网关输入导航电文相关参数，导航灯装置里的传感器模块感知环境参数，在处理电路里形成完整的导航电文；信号基带电路生成扩频信号并经处理、合成、调制，成为L波段的载波信号，最后通过天线发送出去。

导航灯装置安装在室内天花板上或安装在墙壁上，当室内只装一个导航灯装置时，导航灯装置安装位置为室内居中；当室内安装多个导航灯装置时，导航灯装置要在室内均匀分布安装。

本发明所述智能物标签针对不同的待测标的物采取不同的安装方式，如：采用插入或固定连接的方式将智能物标签固定连接到包装箱的外侧，固定连接时使用捆扎带捆扎或双面胶粘贴的固定方式，也能够采用螺钉固连方式。

本发明所述方法包括以下步骤：

步骤1，绘制室内地空图，所述地空图是指增加了室内空间信息的地图：

步骤1.1，选取室内局部坐标系；室内导航定位时，选用室内局域坐标系，室内局部坐标系是覆盖范围小的局域坐标系，室内局部坐标系的原点O选择室内地面中心位置且这一中心位置能够与选择的导航灯装置在地面的投影点位置坐标重合，也能够选择室内进出门的中心点或者其它特征点位置坐标作为坐标系原点O，x坐标轴和y坐标轴朝向根据室内平面的基本形状来进行选择，组成空间三维或者地面水平面坐标，在空间三维坐标系里，z轴向上与地面水平面垂直，室内局部坐标系与局域坐标系建立联系或直接与地心地固坐标系建立联系以实现坐标系统之间的转换，室内坐标原点O标出其在地心地固坐标系中的位置，同时也标出室内坐标y轴朝向与正北的角度偏差，当室内坐标系中的室内地平面与当地水平面有偏差时标出两维偏差以保证室内坐标系与地心地固坐标系之间正确的坐标转换关系；

步骤1.2，测绘室内地图；

步骤1.3，增添室内空间信息，在室内地图增加室内空间的信息用于定位导航服务和物联网用户服务，将室内空间信息输入到地图信息包中形成室内地空信息图，增加的室内空间信息包括：组成建筑物的建筑单元柱、梁、窗、门、墙壁、楼梯、台阶的信息及建筑体内装置的空调、灯、插座及室内的通信设施设备、放置在室内空间里的桌子、柜子、椅子、沙发的家具、堆放物、室内房子的编号、属性、设施、温度、湿度、楼层海拔高度、室内通信设施的参数的环境参数；

步骤2，布设导航灯装置：

步骤2.1，安装导航灯装置，智能物标签在室内定位时，在室内场所中安装导航灯装置，导航灯装置在室内能够居中放置，导航灯装置也能够安装在灯座、插座上或吸附、粘贴到墙壁或者天花板上；

步骤2.2，测试标定rssi场强，使导航灯装置发射功率以及在覆盖范围内分布的信号强度符合标准要求，智能物标签接收导航灯装置发射信号的信号强度并按照信号功率辐射方程换算成智能物标签距离导航灯的辐射距离值，这个辐射距离值称为伪距值ρ_iu，也能够直接测试室内覆盖范围内分布的信号强度(rssi)或衡量信道情况的信道状态信息(CSI)以组成信号强度(rssi)信息库，将智能物标签接收导航灯装置发射信号的信号强度与信号强度信息库的信号强度(rssi)匹配并找到对应的位置值；

步骤3，采用广义融合复域综合求解定位方法，广义融合复域综合求解定位方法是一种融合代数域算法与几何域算法的标签位置复域综合求解方法，其中，代数域算法是指通过解代数位置方程获得位置解的算法并用于室外导航定位，几何域算法则指用几何域中的几何图形元进行围捕运算求得可行解域的算法并用于室内导航定位，在室外信号遮挡区则采用融合代数域算法与几何域算法组成组合算法以实现增强定位；

步骤3.1，求解代数方程，在室外场所，当要获得高精度的定位解则运用载波相位观测值，用载波相位相干差分处理求解数值方程以获得精准定位解，在覆盖区域里设置差分基准站，智能物标签与差分基准站之间形成一条基线，通过差分基准站的伪距和载波相位观测量与智能物标签的伪距和载波相位观测量之间的相干测量和双差处理并直接消除接收机钟差、卫星钟差和星历误差以降低电离层和对流层延时造成的误差并提高方程的求解精度，当观测m颗卫星时，形成的观测方程组如以下公式(1)所示：

在公式(1)中，m为卫星数；φ_ei,i＝1,2,…,m表示为卫星信号分别到达差分基准站e和智能物标签i时，两路载波相位观测量之间载波相位的差值，

为差分基准站e和智能物标签i两个天线间的基线矢量，

为未知基线矢量在地球坐标系中的坐标投影，

为差分基准站e天线和智能物标签i天线至卫星的方向的单位矢量，天线位置坐标和卫星坐标通过卫星定位及卫星星历得到，

ΔN_ei,i＝1,2,…,m为新的模糊度参数；

公式(1)中，m颗卫星的模糊度存在相关性，当求解出正确的模糊度时，观测方程组有唯一解，通过解算得到未知基线矢量及智能物标签i的精准位置值，求解整周模糊度的算法包括最小二乘模糊度搜索算法(LSAST)、优化Cholesky分解算法、LAMBDA算法、快速模糊度搜索算法(FASF)，选择整周模糊度求解算法解算出基线矢量

将

进行坐标转换得到基线矢量bBFS(载体坐标系)、bLLS(地理坐标系)和两基线矢量的变换矩阵并解算出智能物标签i的位置坐标；

步骤3.2，几何图形元运算求解方法：

步骤3.2.1，挖掘广义含解图形元，求解时选用的图形元包括：电子走道、墙的电子篱笆、障碍物电子围栏、非导航空间图形元、天线波束覆盖图形元、惯性外推图形元以及各种测量值转化获得的图形元，例如：由地图获得的图形元是考虑到人、车辆、物移动时不可能紧靠建筑物并与建筑物有一定距离并设置出缩小解域的电子走道及墙的电子篱笆图形元，当有些地方或区域是不准人员进入时，设置电子围栏以限制或框定解域，缩小室内导航解的取值范围，除了选用电子约束图形元以外，还能够选用天线波束覆盖图形形成含有位置解的图形元，根据RSSI信号场强值或CSI信道状态信息反演推算获得可行解域的图形元，也能够利用以前和当前位置信息和惯性器件信息外推行进路径的轨迹图形元，也能够利用摄像头获得的视觉图像提炼出能参与定位求解的图形元，室外导航电文中传送的插值细分函数的参数推演出可行解域的图形元；

步骤3.2.2，围捕运算含解图形元，挖掘广义含解图形元A(x,y)，B(x,y)，……，L(x,y)，运算含解图形元来进行缩小的图形解域的围捕，如以下公式(2)所示：

S(x,y)＝A(x,y)∧B(x,y)∧……∧L(x,y)……(2)，

通过上述公式(2)将含解图形元进行围捕运算并获得重叠度高的一块缩小的图形元，缩小的图形元就是含解图形元定位的解域，即捕获的模糊定位解域；

步骤3.2.3，模糊解的精确表述，缩小的图形元解域表述出来以便于认知和阅读，表述的方式能够用区间数，也能够用内接的规则图形，包括：内接圆、内接正方形、内接多边形；也能够用解域图形的特征点，包括：圆心、重心、质心，也能够用内插细分处理后的特征图形元素，包括：小圆心、点、短线、十字图形，通过含解图形元细分、提取、表述的方法获得模糊定位解域；

步骤3.3，将接收和求解定位程序写入到智能物标签；

步骤3.3.1，将定位程序写入到智能物标签，将广义融合复域综合导航定位求解程序写入到智能物标签；

步骤3.3.2，测试并标零校正智能物标签，智能物标签整装后，要进行调试和标零校正，使智能物标签精确地感知导航灯装置的rssi辐射场强值和CSI信道状态信息以精确计算出智能物标签与导航灯装置的相隔距离值，当存在误差则进行修正；

步骤4，平台、网关设备与物联网的智能管理，智能物标签接收到待测标的物所处的位置和环境参数数据后将位置和环境参数数据通过物联网传输至系统监控服务管理中心，系统监控服务管理中心对位置和环境参数数据进行处理、存储及运算。

本发明具有如下的优点与有益效果：

1、本发明实用性强，本发明所述智能物标签不仅能测出物在室外的位置与移动轨迹，还能测出物处于室内环境时的位置与状态，本发明在室内外环境下都能实现物的定位，在室内环境条件下定位时室内设置导航灯装置，导航灯装置传送与室外卫星导航信号相同体制的室内定位信号，室外使用的智能物标签在室内也能够接收导航灯装置发送的信号，并采用基于几何域的多重含解图形元围捕算法求解定位解，本发明在室内和室外定位时只利用一块普通的卫星导航定位芯片实现了室内外定位导航的双重功能，使导航定位的覆盖区域从室外扩展到室内，本发明所述智能物标签结构简单紧凑、体积小、成本低，特别适合作为物的定位导航应用；

2、本发明所述智能物标签耗电少，本发明所述智能物标签作为标的物的定位导航设备在需要时开启间断工作模式，在不工作时处于休眠状态，则能控制功耗以延长电池的使用寿命；

3、本发明的智能物标签灵敏度高，能使整机总全向灵敏度(TIS:Total IsotropicSensitivity)达到约-163dBm，本发明在高楼间、高架桥下、密林峡谷的场所里仍然能够做到精准定位，所以本发明具有明显的技术优势和良好的市场前景；

4、本发明所述智能物标签用卫星导航芯片实现了室内外定位导航功能，用通信芯片回传位置的信息至系统监控服务管理中心，本发明智能物标签能够按照需要安装传感器件，传感器件包括：温度传感器、湿度传感器、压力传感器、惯性器件、静电感应、光照感应器件，能够测量温度、湿度、震动、倾斜、静电、压力、信号强度、光照的参量，根据对参数变量进行监测并作出判断和决策以实现智能化管理；

5、本发明所述智能物标签抗干扰性能强且功能多，本发明所述的智能物标签在室外场所下，具有接收卫星导航定位信号的功能，当处于室内场所里时还具有接收室内导航灯装置信号实现室内导航定位的功能，本发明所述的智能物标签还具有通信发射和接收功能、输入输出功能、传感器感知功能、数据缓存功能及电源休眠唤醒功能；

6、本发明所述方法采用了创新的定位导航代数几何融合求解算法；采用载波相位短基线精细相干测量技术实现了RTK,定位精度优于分米级并能达到厘米级，本发明所述方法的基于几何域的多重图形元素定位解求解算法是通过测量及采集包含解域的多种图形元素并经过几何运算求解获得定位解，充分利用了室内的地图信息、空间信息、视觉信息、建筑信息，本发明所述方法的室外定位算法加上几何域的多重图形元素定位求解算法共同组成广义融合复域导航定位求解算法，其中，代数域算法是指通过解代数位置求解方程获得位置解的算法，几何域算法则指用几何域中的几何图形元，进行围捕运算求得可行解域的算法，因此，本发明充分发挥了代数方程与几何图形的作用，实现了用同一块芯片解决室内外两种场所情况下的导航定位问题；本发明的室外定位方法是采用单频或者多频相干精细定位方案；本发明的室内定位方法是自主创新的导航灯装置几何定位方案，导航灯装置是安装在室内的伪卫星并能在室内或者室外导航信号遮挡区播发导航定位信号与电文以实现室内共享定位解算或者增强定位解算，形成物联网上的智能标签室内外复域综合定位导航方法，本发明的定位求解不再沿用多星多伪距交会求解原理，而是开创了单路通信信道直接传输定位信息实行单星定位的原理，即在一个室内导航应用空间里只要布设一个导航灯装置即通过一路传输信道将导航信号以及导航电文的内容播发给智能物标签，智能物标签接收到导航灯装置的信号及导航电文以后，通过解扩解调解码并依靠单星定位算法就实现了定位导航，单星定位是只利用一个信号源就能实现定位，这样大大简化了系统和设备并有利于在室内推广应用，因此，本发明是对定位导航原理的一次突破创新；

7、本发明的导航灯装置相当于室内伪卫星，导航灯装置的信号选择处于L1、B1、G1所在的频段范围里，导航信号体制选择与GNSS卫星导航信号一样的伪码扩频信号体制，扩频码选择伪随机码，扩频调制方式是DSS方式，本发明充分发挥了代数方程与几何图形的作用并实现了共享设计即实现了利用同一硬件模块实现了室内外场所下的导航定位。

8、本发明的图形元围捕算法能充分发挥地图与视觉的图像在定位导航中的作用,不但能应用于物标签，同样也能应用于其他定位导航终端。

附图说明

图1是本发明所述智能物标签的功能示意图；

图2是本发明所述智能物标签的电路结构示意图；

图3是本发明所述导航灯装置的电路结构示意图；

图4是网关设备的电路结构示意图；

图5是本发明所述的室内外共享导航定位综合系统示意图；

图6是本发明所述的室内外场所共享综合定位导航系统网络示意图；

图7是本发明所述智能物标签组成的智能物联网服务设施示意图；

图8是本发明所述广义融合复域算法流程框图；

图9是本发明地服设备精准管控及智能流转系统方案示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

如图2所示，本发明所述智能物标签的硬件架构包括：分别与处理器CPU连接的导航接收单元、感知单元、通信发射单元、通信接收单元和导航灯装置组成，其中，导航接收单元由依次连接的导航接收天线、低噪声放大器电路、滤波器电路、下变频器电路、导航接收基带电路组成；通信接收单元由依次连接的通信接收天线、低噪声放大器电路、滤波器电路、下变频器电路、接收基带电路组成；通信发射单元包括依次连接的发射基带电路、上变频器电路、通信发射天线组成；感知单元由气压传感器、惯性传感器、湿度传感器、温度传感器和A/D模数转换器组成；导航接收单元、感知单元、通信接收单元获得的信息输入到处理器CPU及存储电路，经处理器处理、计算后获得智能物标签的位置解即位置信息且经输入输出接口能在显示器显示，也能够通过通信发射单元传输至网络并输送至监控平台。智能物标签在室外接收导航卫星信号；在室内接收导航灯装置的信号，导航灯装置分别与导航接收天线、通信接收天线、通信发射天线无线连接。

如图3所示，导航灯装置包括依次连接的天线、射频电路、信号基带电路、信号处理电路；传感器模块、通信信号生成电路、标准信号生成电路分别与信号处理电路连接。传感器模块能够采集温度、气压、视觉环境参数、移动方向和速度，以获得更多的环境信息和图像元素以提高广义综合位置求解的精度。

导航灯装置定位的工作流程是由系统或网关输入导航电文相关参数，导航灯装置里的传感器模块感知环境参数，在处理电路里形成完整的导航电文；信号基带电路生成扩频信号并经处理、合成、调制，成为L波段的载波信号，最后通过天线发送出去。

导航灯装置安装在室内天花板上或安装在墙壁上，当室内只装一个导航灯装置时，导航灯装置安装位置为室内居中；当室内安装多个导航灯装置时，导航灯装置要在室内均匀分布安装。

本发明所述智能物标签针对不同的待测标的物采取不同的安装方式，如：采用插入或固定连接的方式将智能物标签固定连接到包装箱的外侧，固定连接时使用捆扎带捆扎或双面胶粘贴的固定方式，也能够采用螺钉固连方式。

如图8所示，本发明所述方法包括以下步骤：

步骤1，绘制室内地空图，所述地空图是指增加了室内空间信息的地图：

步骤1.1，选取室内局部坐标系；室内导航定位时，选用室内局域坐标系，室内局部坐标系是覆盖范围小的局域坐标系，室内局部坐标系的原点O选择室内地面中心位置且这一中心位置能够与选择的导航灯装置在地面的投影点位置坐标重合，也能够选择室内进出门的中心点或者其它特征点位置坐标作为坐标系原点O，x坐标轴和y坐标轴朝向根据室内平面的基本形状来进行选择，组成空间三维或者地面水平面坐标，在空间三维坐标系里，z轴向上与地面水平面垂直，室内局部坐标系与局域坐标系建立联系或直接与地心地固坐标系建立联系以实现坐标系统之间的转换，室内坐标原点O标出其在地心地固坐标系中的位置，同时也标出室内坐标y轴朝向与正北的角度偏差，当室内坐标系中的室内地平面与当地水平面有偏差时标出两维偏差以保证室内坐标系与地心地固坐标系之间正确的坐标转换关系；

步骤1.2，测绘室内地图；

步骤1.3，增添室内空间信息，在室内地图增加室内空间的信息用于定位导航服务和物联网用户服务，将室内空间信息输入到地图信息包中形成室内地空信息图，增加的室内空间信息包括：组成建筑物的建筑单元柱、梁、窗、门、墙壁、楼梯、台阶的信息及建筑体内装置的空调、灯、插座及室内的通信设施设备、放置在室内空间里的桌子、柜子、椅子、沙发的家具、堆放物、室内房子的编号、属性、设施、温度、湿度、楼层海拔高度、室内通信设施的参数的环境参数；

步骤2，布设导航灯装置：

步骤2.1，安装导航灯装置，智能物标签在室内定位时，在室内场所中安装导航灯装置，导航灯装置在室内能够居中放置，导航灯装置也能够安装在灯座、插座上或吸附、粘贴到墙壁或者天花板上；

步骤2.2，测试标定rssi场强，使导航灯装置发射功率以及在覆盖范围内分布的信号强度符合标准要求，智能物标签接收导航灯装置发射信号的信号强度并按照信号功率辐射方程换算成智能物标签距离导航灯的辐射距离值，这个辐射距离值称为伪距值ρ_iu，也能够直接测试室内覆盖范围内分布的信号强度(rssi)或衡量信道情况的信道状态信息(CSI)以组成信号强度(rssi)信息库，将智能物标签接收导航灯装置发射信号的信号强度与信号强度信息库的信号强度(rssi)匹配并找到对应的位置值；

步骤3，采用广义融合复域综合求解定位方法，广义融合复域综合求解定位方法是一种融合代数域算法与几何域算法的标签位置复域综合求解方法，其中，代数域算法是指通过解代数位置方程获得位置解的算法并用于室外导航定位，几何域算法则指用几何域中的几何图形元进行围捕运算求得可行解域的算法并用于室内导航定位，在室外信号遮挡区则采用融合代数域算法与几何域算法组成组合算法以实现增强定位；

步骤3.1，求解代数方程，在室外场所，当要获得高精度的定位解则运用载波相位观测值，用载波相位相干差分处理求解数值方程以获得精准定位解，在覆盖区域里设置差分基准站，智能物标签与差分基准站之间形成一条基线，通过差分基准站的伪距和载波相位观测量与智能物标签的伪距和载波相位观测量之间的相干测量和双差处理并直接消除接收机钟差、卫星钟差和星历误差以降低电离层和对流层延时造成的误差并提高方程的求解精度，当观测m颗卫星时，形成的观测方程组如以下公式(1)所示：

在公式(1)中，m为卫星数；φ_ei,i＝1,2,…,m表示为卫星信号分别到达差分基准站e和智能物标签i时，两路载波相位观测量之间载波相位的差值，

为差分基准站e和智能物标签i两个天线间的基线矢量，

为未知基线矢量在地球坐标系中的坐标投影，

为差分基准站e天线和智能物标签i天线至卫星的方向的单位矢量，天线位置坐标和卫星坐标通过卫星定位及卫星星历得到，

ΔN_ei,i＝1,2,…,m为新的模糊度参数；

公式(1)中，由于m颗卫星的模糊度存在相关性，当求解出正确的模糊度时，观测方程组有唯一解，通过解算得到未知基线矢量及智能物标签i的精准位置值，求解整周模糊度的算法包括最小二乘模糊度搜索算法(LSAST)、优化Cholesky分解算法、LAMBDA算法、快速模糊度搜索算法(FASF)，选择整周模糊度求解算法解算出基线矢量

将

进行坐标转换得到基线矢量bBFS(载体坐标系)、bLLS(地理坐标系)和两基线矢量的变换矩阵并解算出智能物标签i的位置坐标；

步骤3.2，几何图形元运算求解方法：

步骤3.2.1，挖掘广义含解图形元，求解时选用的图形元包括：电子走道、墙的电子篱笆、障碍物电子围栏、非导航空间图形元、天线波束覆盖图形元、惯性外推图形元以及各种测量值转化获得的图形元，例如：由地图获得的图形元是考虑到人、车辆、物移动时不可能紧靠建筑物并与建筑物有一定距离并设置出缩小解域的电子走道及墙的电子篱笆图形元，当有些地方或区域是不准人员进入时，设置电子围栏以限制或框定解域，缩小室内导航解的取值范围，除了选用电子约束图形元以外，还能够选用天线波束覆盖图形形成含有位置解的图形元，根据RSSI信号场强值或CSI信道状态信息反演推算获得可行解域的图形元，也能够利用以前和当前位置信息和惯性器件信息外推行进路径的轨迹图形元，也能够利用摄像头获得的视觉图像提炼出能参与定位求解的图形元，室外导航电文中传送的插值细分函数的参数推演出可行解域的图形元；

步骤3.2.2，围捕运算含解图形元，挖掘广义含解图形元A(x,y)，B(x,y)，……，L(x,y)，运算含解图形元来进行缩小的图形解域的围捕，如以下公式(2)所示：

S(x,y)＝A(x,y)∧B(x,y)∧……∧L(x,y)……(2)，

通过上述公式(2)将含解图形元进行围捕运算并获得重叠度高的一块缩小的图形元，缩小的图形元就是含解图形元定位的解域，即捕获的模糊定位解域；

步骤3.2.3，模糊解的精确表述，缩小的图形元解域表述出来以便于认知和阅读，表述的方式能够用区间数，也能够用内接的规则图形，包括：内接圆、内接正方形、内接多边形；也能够用解域图形的特征点，包括：圆心、重心、质心，也能够用内插细分处理后的特征图形元素，包括：小圆心、点、短线、十字图形，通过含解图形元细分、提取、表述的方法获得模糊定位解域；

步骤3.3，将接收和求解定位程序写入到智能物标签；

步骤3.3.1，将定位程序写入到智能物标签，将广义融合复域综合导航定位求解程序写入到智能物标签；

步骤3.3.2，测试并标零校正智能物标签，智能物标签整装后，要进行调试和标零校正，使智能物标签精确地感知导航灯装置的rssi辐射场强值和CSI信道状态信息以精确计算出智能物标签与导航灯装置的相隔距离值，当存在误差则进行修正；

步骤4，平台、网关设备与物联网的智能管理，智能物标签接收到待测标的物所处的位置和环境参数数据后将位置和环境参数数据通过物联网传输至系统监控服务管理中心，系统监控服务管理中心对位置和环境参数数据进行处理、存储及运算。

如图1、图4、图5、图6、图7、图9所示，本发明所述智能物标签在室内外环境中实现位置信息采集、处理、求解、传送和存储并使用网关设备对智能物标签实施操作。网关设备由依次连接的天线、低噪声放大电路、滤波器电路、AD转换模块、中央处理器CPU、存储电路、接口和控制端口组成，网关设备的工作流程是通过天线向本发明所述智能物标签采集位置信息并经过低噪声放大电路增强信号并再通过滤波器电路滤除杂波，最后将位置信息在中央处理器CPU中进行解析处理并存储并将解析完的数据通过端口连接到PC并进行显示。网关设备除了能够阅读智能物标签中的位置信息以外也能够对本发明所述智能物标签输入数据、指令及设置工作参数，如到转运站、停靠站后，根据需要网关设备读出存储在标签中的各类信息并传送至网络平台以使系统监控服务管理中心能实时了解待测标的物的情况和状况。

智能物标签通过通信系统与网络将信息传输至系统监控服务管理中心的平台上，系统监控服务管理中心由服务器、WEB服务器、网关、智能物标签、通讯终端、处理终端、显示终端及交换机组成，系统监控服务管理中心的服务器对数据库中的数据进行维护管理，系统监控服务管理中心的服务器通过交换机把智能物标签的信息分发到通讯终端进行数据的发送，处理终端对数据进行处理，显示终端将数据显示或打印，网关设备读取智能物标签中的信息，然后将数据存储到数据库中，通过WEB服务器进行可视化服务，同时服务器能处理来自不同访问设备的请求服务。

智能物标签、网关设备、导航灯装置、系统监控服务管理中心、传输系统与网络共同组成室内外共享导航定位综合系统并对标的物的性能和状态的监视与实时处理，形成一种具有智能管理能力的标签物联网。差分基准值通过接收卫星信号获得的测量值进行定位并反演出位置差分修正信息且通过近距离无线通信广播把差分修正信息通过网络进行播发。智能物标签在接收导航卫星信号的同时接收播发的差分增强信号以实现高精度的实时动态差分定位(RTK,Real-time kinematic)，智能物标签获得位置信息后通过近距离无线通信将智能物标签获得的位置信息由网络传送到系统监控服务管理中心。

目前，在大中城市里都有交通枢纽，交通枢纽区域里包括机场、高铁站、汽车站，有些交通枢纽区域里还有水路或远洋码头，交通枢纽区域内有很多非机动设备，如：行李托盘、货斗、平板车、牵引杆、自动驳车、拖车、叉车、集装箱、工作梯桥架，这些设备种类多、数量大，对这些设备的管理与掌控影响着整个枢纽及每个交通运输单位的运行效率。以机场为例，由于机场业务繁忙，会出现飞机服务的非机动设备不能及时到位的现象，造成装卸货物和行李迟缓，影响航班正常起航。而根据上述交通枢纽区域内地服作业设备对时空精准定位的需求并实行对地服设备精准定位和管控以及智能流转正是本发明所要解决的技术问题。

下面针对本发明的具体实施方案之一进行具体说明，采用卫星导航室外精准位置实时动态差分定位+导航灯装置室内定位+通信传输系统+智能控制平台的实施方案，即在室外采用GNSS高精度位置差分增强系统，由GNSS导航卫星、基准站、智能物标签、手持终端、监控平台组成，即在一个大型交通枢纽区域内设置1—2个导航定位差分基准站，安装在基准站上的监测基准终端设备通过接收GNSS导航信号获得测量量并反演出位置差分修正信息，通过通信网络或者传感网络向智能物标签发送测量值或差分修正信息，智能物标签接收导航卫星信号以及差分基准站的测量值或差分修正信息从而能实现高精度RTK定位导航。

智能物标签根据精度的性能要求，能够采用单频或双频精准测量芯片，定位精度能够达到厘米量级；也能够采用普通的单频差分测量模块，定位精度也小于1米精度，达到分米级。对于地面服务使用的设备在室外场所小于1米的定位精度完全能满足要求，在室内场所下，根据地服设备定位精度的实际需求，最后定位在能够正确感知设备所在的区域小范围并能对设备实现方便寻找并能减少室内定位的实现难度，也能降低系统的投入成本，因此，根据本发明室内场所下采用导航灯装置的室内定位方案，由于导航灯装置播发的定位信号与导航卫星播发的导航信号体制相同，这时用同一块GNSS导航定位芯片就能解决室内外两种场所下的导航定位问题，从而能简化了智能物标签的设计，智能物标签产品中器件共享程度高、结构简单紧凑且可靠性高，智能物标签采用低耗电的器件且采用休眠可唤醒间断工作方式以减少电量的消耗，智能物标签平时处于休眠或半休眠状态，当要求工作时唤醒智能物标签开启工作，电池采用自充电、太阳能充电的方式解决供电持久性问题，电池能快速进行更换，解决了室内外定位以后，将导航灯装置安装到行李房、始发库区室内场所里，将智能物标签插入或安装到拖车以及非机动设备上，同时为了方便行李拖车司机工作，给司机配备搭载了本发明所述智能物标签的手持终端即人员手持终端。

实现了室内外定位以后，共享定位智能物标签的信息输出用CAT1的方式进行通信传输，CAT1是中信息速率传输系统，既能广播差分增强信息，也能把位置的信息通过网络实时上传到车辆定位管理平台，数据分析人员根据业务需要对数据进行处理，使系统监控服务管理中心能实时掌控设备和人员的工作状态，服务器通过管控界面方便管理人员对设备实施感知、定位、开展、预约、查询、调度、盘点并通过大数据进行处理分析，提供分析决策，实现交通枢纽区域中非机动设备的精准调控、智能优化流转，从而能提高设备的利用率，充分发挥出设备的作用，同时还能改善对工作人员的管理，从而实现优化机场地服的需求，因此，本发明能够提供针对交通枢纽中的非机动设备和机动设备应用的智能物标签及室内外共享导航定位综合系统。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的范围内，能够轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于物联网智能物标签，其特征在于，包括：分别与处理器CPU连接的导航接收单元、感知单元、通信发射单元、通信接收单元和导航灯装置组成，其中，导航接收单元由依次连接的导航接收天线、低噪声放大器电路、滤波器电路、下变频器电路、导航接收基带电路组成；通信接收单元由依次连接的通信接收天线、低噪声放大器电路、滤波器电路、下变频器电路、接收基带电路组成；通信发射单元包括依次连接的发射基带电路、上变频器电路、通信发射天线组成；感知单元由气压传感器、惯性传感器、湿度传感器、温度传感器和A/D模数转换器组成；导航灯装置分别与导航接收天线、通信接收天线、通信发射天线无线连接；

导航灯装置包括依次连接的天线、射频电路、信号基带电路、信号处理电路；传感器模块、通信信号生成电路、标准信号生成电路分别与信号处理电路连接。

2.一种基于物联网标签共享综合定位导航方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，绘制室内地空图，所述地空图是指增加了室内空间信息的地图；

步骤2，布设导航灯装置；

步骤3，采用广义融合复域综合求解定位方法，广义融合复域综合求解定位方法是一种融合代数域算法与几何域算法的标签位置复域综合求解方法，其中，代数域算法是指通过解代数位置方程获得位置解的算法并用于室外导航定位，几何域算法则指用几何域中的几何图形元进行围捕运算求得可行解域的算法并用于室内导航定位，在室外信号遮挡区则采用融合代数域算法与几何域算法组成组合算法以实现增强定位；

步骤4，平台、网关设备与物联网的智能管理，智能物标签接收到待测标的物所处的位置和环境参数数据后将位置和环境参数数据通过物联网传输至系统监控服务管理中心，系统监控服务管理中心对位置和环境参数数据进行处理、存储及运算。

3.根据权利要求2所述的一种基于物联网标签共享综合定位导航方法，其特征在于，所述步骤1包括以下步骤：

步骤1.1，选取室内局部坐标系；室内导航定位时，选用室内局域坐标系，室内局部坐标系是覆盖范围小的局域坐标系，室内局部坐标系的原点O选择室内地面中心位置且这一中心位置能够与选择的导航灯装置在地面的投影点位置坐标重合，也能够选择室内进出门的中心点或者其它特征点位置坐标作为坐标系原点O，x坐标轴和y坐标轴朝向根据室内平面的基本形状来进行选择，组成空间三维或者地面水平面坐标，在空间三维坐标系里，z轴向上与地面水平面垂直，室内局部坐标系与局域坐标系建立联系或直接与地心地固坐标系建立联系以实现坐标系统之间的转换，室内坐标原点O标出其在地心地固坐标系中的位置，同时也标出室内坐标y轴朝向与正北的角度偏差，当室内坐标系中的室内地平面与当地水平面有偏差时标出两维偏差以保证室内坐标系与地心地固坐标系之间正确的坐标转换关系；

步骤1.2，测绘室内地图；

步骤1.3，增添室内空间信息，在室内地图增加室内空间的信息用于定位导航服务和物联网用户服务，将室内空间信息输入到地图信息包中形成室内地空信息图，增加的室内空间信息包括：组成建筑物的建筑单元柱、梁、窗、门、墙壁、楼梯、台阶的信息及建筑体内装置的空调、灯、插座及室内的通信设施设备、放置在室内空间里的桌子、柜子、椅子、沙发的家具、堆放物、室内房子的编号、属性、设施、温度、湿度、楼层海拔高度、室内通信设施的参数的环境参数。

4.根据权利要求2所述的一种基于物联网标签共享综合定位导航方法，其特征在于，所述步骤2包括以下步骤：

步骤2.1，安装导航灯装置，智能物标签在室内定位时，在室内场所中安装导航灯装置，导航灯装置在室内能够居中放置，导航灯装置也能够安装在灯座、插座上或吸附、粘贴到墙壁或者天花板上；

步骤2.2，测试标定rssi场强，使导航灯装置发射功率以及在覆盖范围内分布的信号强度符合标准要求，智能物标签接收导航灯装置发射信号的信号强度并按照信号功率辐射方程换算成智能物标签距离导航灯的辐射距离值，这个辐射距离值称为伪距值ρ_iu，也能够直接测试室内覆盖范围内分布的信号强度或衡量信道情况的信道状态信息以组成信号强度信息库，将智能物标签接收导航灯装置发射信号的信号强度与信号强度信息库的信号强度匹配并找到对应的位置值。

5.根据权利要求2所述的一种基于物联网标签共享综合定位导航方法，其特征在于，所述步骤3包括以下步骤：

步骤3.1，求解代数方程，在室外场所，当要获得高精度的定位解则运用载波相位观测值，用载波相位相干差分处理求解数值方程以获得精准定位解，在覆盖区域里设置差分基准站，智能物标签与差分基准站之间形成一条基线，通过差分基准站的伪距和载波相位观测量与智能物标签的伪距和载波相位观测量之间的相干测量和双差处理并直接消除接收机钟差、卫星钟差和星历误差以降低电离层和对流层延时造成的误差并提高方程的求解精度，当观测m颗卫星时，形成的观测方程组如以下公式(1)所示：

在公式(1)中，m为卫星数；φ_ei,i＝1,2,…,m表示为卫星信号分别到达差分基准站e和智能物标签i时，两路载波相位观测量之间载波相位的差值，

为差分基准站e和智能物标签i两个天线间的基线矢量，

为未知基线矢量在地球坐标系中的坐标投影，

为差分基准站e天线和智能物标签i天线至卫星的方向的单位矢量，天线位置坐标和卫星坐标通过卫星定位及卫星星历得到，

i＝1,2,…,m；ΔN_ei,i＝1,2,…,m为新的模糊度参数；

公式(1)中，由于m颗卫星的模糊度存在相关性，当求解出正确的模糊度时，观测方程组有唯一解，通过解算得到未知基线矢量及智能物标签i的精准位置值，求解整周模糊度的算法包括最小二乘模糊度搜索算法(LSAST)、优化Cholesky分解算法、LAMBDA算法、快速模糊度搜索算法(FASF)，选择整周模糊度求解算法解算出基线矢量

将

进行坐标转换得到基线矢量bBFS、bLLS和两基线矢量的变换矩阵并解算出智能物标签i的位置坐标；

步骤3.2，几何图形元运算求解方法；

步骤3.3，将接收和求解定位程序写入到智能物标签。

6.根据权利要求2所述的一种基于物联网标签共享综合定位导航方法，其特征在于，所述步骤3.2包括以下步骤：

步骤3.2.1，挖掘广义含解图形元，求解时选用的图形元包括：电子走道、墙的电子篱笆、障碍物电子围栏、非导航空间图形元、天线波束覆盖图形元、惯性外推图形元以及各种测量值转化获得的图形元，由地图获得的图形元考虑到人、车辆、物移动时不能够抵靠建筑物，即与建筑物有一定距离并设置出缩小解域的电子走道及墙的电子篱笆图形元，当有些区域是不准人员进入时，设置电子围栏以限制或框定解域，缩小室内导航解的取值范围，除了选用电子约束图形元以外，还能够选用天线波束覆盖图形形成含有位置解的图形元，根据RSSI信号场强值或CSI信道状态信息反演推算获得可行解域的图形元，也能够利用以前和当前位置信息和惯性器件信息外推行进路径的轨迹图形元，也能够利用摄像头获得的视觉图像提炼出能参与定位求解的图形元，室外导航电文中传送的插值细分函数的参数推演出可行解域的图形元；

步骤3.2.2，围捕运算含解图形元，挖掘广义含解图形元A(x,y)，B(x,y)，……，L(x,y)，运算含解图形元来进行缩小的图形解域的围捕，如以下公式(2)所示：

S(x,y)＝A(x,y)∧B(x,y)∧……∧L(x,y)……(2)，

通过上述公式(2)将含解图形元进行围捕运算并获得重叠度高的一块缩小的图形元，缩小的图形元就是含解图形元定位的解域，即捕获的模糊定位解域；

步骤3.2.3，模糊解的精确表述，缩小的图形元解域表述出来以便于认知和阅读，表述的方式能够用区间数，也能够用内接的规则图形，包括：内接圆、内接正方形、内接多边形；也能够用解域图形的特征点，包括：圆心、重心、质心，也能够用内插细分处理后的特征图形元素，包括：小圆心、点、短线、十字图形，通过含解图形元细分、提取、表述的方法获得模糊定位解域。

7.根据权利要求2所述的一种基于物联网标签共享综合定位导航方法，其特征在于，所述步骤3.3包括以下步骤：

步骤3.3.1，将定位程序写入到智能物标签，将广义融合复域综合导航定位求解程序写入到智能物标签；

步骤3.3.2，测试并标零校正智能物标签，智能物标签整装后，要进行调试和标零校正，使智能物标签精确地感知导航灯装置的rssi辐射场强值和CSI信道状态信息以精确计算出智能物标签与导航灯装置的相隔距离值，当存在误差则进行修正。

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