一種室內(nèi)外無縫定位系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種室內(nèi)外無縫定位系統(tǒng)，包括感知層L1、算法層L2、硬件層L3、數(shù)據(jù)層L4和應(yīng)用層L5；感知層L1由用戶需求模塊L11、場景模塊L12和狀態(tài)模塊L13組成；用戶需求模塊L11，場景模塊L12和狀態(tài)模塊L13是并列的；算法層L2由算法選擇軟件組成，基于感知層L1發(fā)送的信令集S1的信息，實現(xiàn)算法選擇；硬件層L3由硬件開關(guān)管理軟件組成，基于算法層L2的算法選擇結(jié)果，完成GNSS和WIFI的硬件開關(guān)狀態(tài)切換；數(shù)據(jù)層L4由WIFI數(shù)據(jù)分析、定位軟件和GNSS數(shù)據(jù)分析、定位軟件和MEMS定位軟件組成；應(yīng)用層L5由客戶端軟件組成，是為用戶提供基于位置的服務(wù)。本發(fā)明特點在于無縫定位系統(tǒng)可根據(jù)場景進(jìn)行自適應(yīng)地軟硬件切換，使得大部分時間GNSS和WiFi設(shè)備只有一個處于運行狀態(tài)，節(jié)省了終端電量。
【專利說明】一種室內(nèi)外無縫定位系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提供一種室內(nèi)外無縫定位系統(tǒng)，具體說是一種基于無線傳輸技術(shù)(WIFI)和全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)定位技術(shù)的室內(nèi)外無縫定位系統(tǒng)，包括軟硬件架構(gòu)設(shè)計及信令流程。該設(shè)計能夠隨使定位技術(shù)隨環(huán)境變化自適應(yīng)地進(jìn)行切換的同時，相應(yīng)的WIFI和GNSS硬件開關(guān)狀態(tài)也隨著進(jìn)行切換，屬于無線傳輸和導(dǎo)航【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人類社會發(fā)展，人們對自身位置信息的需求越來越大，由此發(fā)展了諸多的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)為人們提供了高精度、全天候的定位服務(wù)，但是由于其測量信號不能穿透建筑物的特點，在高密集建筑群區(qū)和室內(nèi)無法有效進(jìn)行GNSS定位服務(wù)。為了滿足人們對任意時間，任意位置的定位需求，無縫定位技術(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)外專家和學(xué)者研究發(fā)展的對象。所謂無縫定位技術(shù)就是指在人類活動的地上，地下空間和外層空間范圍內(nèi)，能夠聯(lián)合采用不同定位技術(shù)以達(dá)到對各種定位應(yīng)用的無縫覆蓋，同時保證各種場景下定位技術(shù)、定位算法、定位精度和覆蓋范圍的平滑過渡和無縫連接。
[0003]為了解決高密集建筑群區(qū)和室內(nèi)定位難題，國內(nèi)外專家提出了一系列技術(shù)方案，例如:基于移動通信網(wǎng)絡(luò)的輔助GNSS (A - GNSS)、偽衛(wèi)星技術(shù)、射頻標(biāo)簽(RFID)等。盡管各種技術(shù)的精度和易用性各有差別，但是大多數(shù)技術(shù)需要布設(shè)額外設(shè)備和改裝大量已有設(shè)備，以其為解決實現(xiàn)的無縫定位系統(tǒng)將耗資巨大，可用性弱。從技術(shù)成熟和大規(guī)模應(yīng)用的角度考慮，室外靠GNSS定位、高密集建筑群區(qū)和室內(nèi)以WIFI定位為主的方案已成為當(dāng)前主流的、也是未來最具發(fā)展?jié)摿Φ臒o縫定位技術(shù)。
[0004]無縫定位技術(shù)的軟硬件集成是無縫定位技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。
[0005]目前的大部分無縫系統(tǒng)中WIFI和GNSS —直處于工作狀態(tài)，通過兩個系統(tǒng)分別在室內(nèi)和室外定位來提供定位結(jié)果。而本發(fā)明通過對WIFI定位技術(shù)和GNSS技術(shù)特點的研究，提出一種分層的系統(tǒng)架構(gòu)，通過隨著室內(nèi)外環(huán)境的改變，實現(xiàn)定位技術(shù)和硬件的同時切換，并設(shè)計了各層之間的通信信令。例如當(dāng)用戶從室內(nèi)移動到室外時，切換為GNSS定位技術(shù)，同時WIFI設(shè)備關(guān)閉，GNSS設(shè)備打開。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于:提供一種室內(nèi)外無縫定位系統(tǒng)，包括軟硬件架構(gòu)的分層結(jié)構(gòu)設(shè)計和各層之間的通信信令設(shè)計。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0008]基于室內(nèi)環(huán)境使用WIFI定位技術(shù)和室外環(huán)境使用GNSS定位技術(shù)的無縫定位架構(gòu)，本發(fā)明提出了一種室內(nèi)外無縫定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計利用分層理念，將整個架構(gòu)分為5層結(jié)構(gòu)，各層在軟硬件結(jié)構(gòu)上相互獨立，通過信令實現(xiàn)交互，每層的軟硬件結(jié)構(gòu)利用下層結(jié)構(gòu)發(fā)送的信令完成該層相應(yīng)的功能，并將其結(jié)果以規(guī)定的信令格式發(fā)送給上層結(jié)構(gòu)。為了使整個無縫定位系統(tǒng)工作于自主模式，在相應(yīng)的分層之間設(shè)計了反饋信令。從用戶需求或者環(huán)境變化監(jiān)測獲得切換指示后，通過各層之間的信令交換完成定位技術(shù)及相應(yīng)硬件開關(guān)切換。即當(dāng)用戶從室內(nèi)向室外移動，或者從室外向室內(nèi)移動時，定位技術(shù)進(jìn)行切換，同時相應(yīng)的硬件裝置開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
[0009]本發(fā)明一種室內(nèi)外無縫定位系統(tǒng)，主要包括以下5個部分:感知層LI，算法層L2，硬件層L3，數(shù)據(jù)層L4，應(yīng)用層L5。下面詳細(xì)說明各層的結(jié)構(gòu)和功能:
[0010]感知層LI主要由三個模塊組成，用戶需求模塊L11，場景模塊L12和狀態(tài)模塊L13。它們之間的相互關(guān)系是:用戶需求模塊L11，場景模塊L12和狀態(tài)模塊L13是并列的。
[0011]用戶需求模塊Lll由終端輸入軟件構(gòu)成，獲取用戶輸入的特定要求，包括精度要求和延遲要求，并形成相應(yīng)的精度信令即精度標(biāo)識(ACCUraCy_flag)和時延信令即時延標(biāo)識(Timedelay_flag)。場景模塊L12由光傳感器和基站信號接收器等設(shè)備組成,通過光通量強度變化、基站信號強度變化檢測等等方法實現(xiàn)室內(nèi)、室外、邊緣區(qū)域的場景變換判斷，得到場景指示即場景標(biāo)識(Scenario_flag)和切換指示信令即切換指示標(biāo)識(Handover_flag)。狀態(tài)模塊L13由加速計，電子羅盤等傳感器組成，獲得移動終端的運動狀態(tài)來確定定位結(jié)果更新時間。
[0012]其中，所述的“終端輸入軟件”，是指用戶將定位精度，時延的要求輸入定位系統(tǒng)用于選擇合適的定位算法。
[0013]算法層L2由算法選擇軟件組成，主要基于感知層LI發(fā)送的信令集SI的信息，實現(xiàn)算法選擇。
[0014]其中，所述的“算法選擇軟件”由以下幾個模塊組成:
[0015](I)若 Scenario_fIag=I,選擇 WIFI 定位算法,若 Scenario_flag=2,選擇 GNSS 定位算法，若SCenari0_flag=3，選擇待切換區(qū)MEMS定位算法；(2)基于感知層LI的切換指示標(biāo)識HandoVer_flag完成算法切換；(3)基于數(shù)據(jù)層L4的反饋信令S4實現(xiàn)算法更換。例如:GNSS數(shù)據(jù)中衛(wèi)星數(shù)據(jù)過少，或者GDOP不符合要求，可以反饋至算法層L2更換定位算法。
[0016]其中，所述的“WIFI定位算法”，通過首先給帶定位的區(qū)域建立離線數(shù)據(jù)庫，存儲一系列參考點位置的信號強度和接入點集合，將實際接收到的參考信號強度向量與離線數(shù)據(jù)庫中所有參考點位置的信號強度矢量進(jìn)行匹配，歐氏距離最小的參考點就認(rèn)為是定位結(jié)果O
[0017]其中，所述的“GNSS”定位算法“，是通過解算接收到的GNSS數(shù)據(jù)中的衛(wèi)星坐標(biāo)，星歷，時鐘偏差等各種信息，建立方程求解。
[0018]其中，所述的“建立方程求解”，其求解的方法如下:設(shè)時刻&在測站點P用GPS接收機同時測得P點至四顆GPS衛(wèi)星S1、S2、S3、S4的距離P ^ P 2、P 3、P 4，通過GPS電文解譯出四顆GPS衛(wèi)星的三維坐標(biāo)(Xj，YJ, Zj), j=l, 2，3，4，用距離交會的方法求解P點的三維坐標(biāo)(X，Y, Z)的觀測方程為:
【權(quán)利要求】
1.一種室內(nèi)外無縫定位系統(tǒng)，其特征在于:它包括以下5個部分:感知層LI，算法層L2，硬件層L3，數(shù)據(jù)層L4，應(yīng)用層L5 ； 感知層LI由三個模塊組成，用戶需求模塊L11，場景模塊L12和狀態(tài)模塊L13 ;它們之間的相互關(guān)系是:用戶需求模塊LI I，場景模塊L12和狀態(tài)模塊L13是并列的； 用戶需求模塊Lll由終端輸入軟件構(gòu)成，獲取用戶輸入的特定要求，包括精度要求和延遲要求，并形成相應(yīng)的精度標(biāo)識即Accuracy_flag和時延標(biāo)識即Timedelay_flag ;場景模塊L12由光傳感器和基站信號接收器組成，通過光通量強度變化、基站信號強度變化檢測實現(xiàn)室內(nèi)、室外、邊緣區(qū)域的場景變換判斷，得到場景標(biāo)識即Scenari0_flag和切換指示標(biāo)識即HandoVer_flag ;狀態(tài)模塊L13由加速計傳感器和電子羅盤傳感器組成，獲得移動終端的運動狀態(tài)來確定定位結(jié)果更新時間； 算法層L2由算法選擇軟件組成，基于感知層LI發(fā)送的信令集SI的信息，實現(xiàn)算法選擇； 硬件層L3由硬件開關(guān)管理軟件組成，基于算法層L2的算法選擇結(jié)果，完成GNSS和WIFI的硬件開關(guān)狀態(tài)切換； 數(shù)據(jù)層L4由WIFI數(shù)據(jù)分析、定位軟件和GNSS數(shù)據(jù)分析、定位軟件和MEMS定位軟件組成，根據(jù)硬件層L3測量的信號獲取定位所需數(shù)據(jù)進(jìn)行定位結(jié)果計算，通過對所獲數(shù)據(jù)和所得結(jié)果進(jìn)行分析判斷算法層L2的算法是否可定位并產(chǎn)生反饋信令集S4 ;由于WIFI定位算法是一種通過測量數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)匹配實現(xiàn)定位，所以信令集S5是為了實現(xiàn)WIFI匹配定位而設(shè)計的非分層之間通信的信令集； 應(yīng)用層L5由客戶端軟件組成，是為用戶提供基于位置的服務(wù)； 系統(tǒng)各層之間的關(guān)系如下: 感知層LI產(chǎn)生信令集SI與算法層L2進(jìn)行通信，定義SI如下:SI:定位狀態(tài)標(biāo)識即 Positioning_Condition_lndicate{ Accuracyjlag:整型，有效范圍1，2；其中I代表高精度，2代表一般精度； Timedelay_flag:整型，有效范圍1，2；其中I代表定位結(jié)果快速反饋，2代表正常時延； HandoverJIag:格哨，有效范圍1，2；其中I代表不切換，2代表切換； ScenarioJIag:整型，有效范圍1，2，3；其中I代表室內(nèi)，2代表室外，3代表室外邊緣區(qū)域；}> 算法層L2產(chǎn)生信令集S2與硬件層L3進(jìn)行通信，定義S2如下:S2:定位裝置請求即 Positioning_Device_Request{ WIFLflag:整型，有效范圍1，2；其中I代表開啟，2代表關(guān)閉；GNSSJIag:整型，有效范圍1，2；蘆中I代表開啟，2代表關(guān)閉；}; 硬件層L3產(chǎn)生信令集S3與數(shù)據(jù)層L4進(jìn)行通信，定義S3如下:S3:定位數(shù)據(jù)傳輸即 Positioing—Data—transfer{ WIFI_data即用于室內(nèi)定位的相關(guān)WiH數(shù)據(jù)； GNSS_data即用于室外定位的相關(guān)GNSS數(shù)據(jù)； MEMS_data即加速計傳感器和電子羅盤傳感器數(shù)據(jù)，用丁補充定 位盲點區(qū)域；}； 數(shù)據(jù)層L4產(chǎn)生信令集S4，S5與WIFI定位數(shù)據(jù)庫進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)層L4產(chǎn)生信令集S6與應(yīng)用層L5進(jìn)行通信，定位如下:S4: 位數(shù)拙反饋即 Positioning_Data_Feedback{ WIFI_data_flag:布爾型，如為真，則表不WIFI定位方法能用，否則為不能用； GNSS_data_flag:布爾型，如為真，則表示GNSS定位方法能用，否則為不能用；S5: WIFI 數(shù)據(jù)傳輸即 WIF I—Data—Transfer{ WIFI_datah
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種室內(nèi)外無縫定位系統(tǒng)，其特征在于: 所述的感知層LI中的用戶需求模塊Lll由終端輸入軟件構(gòu)成，該終端輸入軟件是指用戶將定位精度，時延的要求輸入定位系統(tǒng)用于選擇預(yù)定的定位算法。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種室內(nèi)外無縫定位系統(tǒng)，其特征在于: 所述的算法層L2由算法選擇軟件組成，該“算法選擇軟件”由以下幾個模塊組成: (1)若Scenario_fIag=I,選擇 WIFI 定位算法,若 Scenario_flag=2,選擇 GNSS 定位算法,若Scenario_flag=3,選擇待切換區(qū)MEMS定位算法； (2)基于感知層LI的切換指示信令Handover_flag完成算法切換； (3)基于數(shù)據(jù)層L4的反饋信令S4實現(xiàn)算法更換。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種室內(nèi)外無縫定位系統(tǒng)，其特征在于: 所述的“WIFI定位算法”，通過首先給帶定位的區(qū)域建立離線數(shù)據(jù)庫，存儲一系列參考點位置的信號強度和接入點集合，將實際接收到的參考信號強度向量與離線數(shù)據(jù)庫中所有參考點位置的信號強度矢量進(jìn)行匹配，歐氏距離最小的參考點就認(rèn)為是定位結(jié)果； 所述的“GNSS”定位算法“，是通過解算接收到的GNSS數(shù)據(jù)中的衛(wèi)星坐標(biāo)，星歷，時鐘偏差等各種信息，建立方程求解；該“建立方程求解”，其求解的方法如下:設(shè)時刻ti在測站點P用GPS接收機同時測得P點至四顆GPS衛(wèi)星S1、S2、S3、S4的距離Pl、p2、p3、P4，通過GPS電文解譯出四顆GPS衛(wèi)星的三維坐標(biāo)(Xj，YJ, Zj)，j=l, 2，3，4，用距離交會的方法求解P點的三維坐標(biāo)(X，Y，Z)的觀測方程為:

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種室內(nèi)外無縫定位系統(tǒng)，其特征在于: 所述的硬件層L3由硬件開關(guān)管理軟件組成，該“開關(guān)管理軟件”，流程如下:若GNSS_flag=l，則硬件層L3將GNSS置于開啟狀態(tài)，GNSS硬件裝置開始接收GNSS衛(wèi)星信號；若WIFI_flag=l，則硬件層L3將WIFI置于開啟狀態(tài)，WIFI硬件裝置開始接受WIFI信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種室內(nèi)外無縫定位系統(tǒng)，其特征在于: 所述的數(shù)據(jù)層L4是由WIFI數(shù)據(jù)分析、定位軟件和GNSS數(shù)據(jù)分析、定位軟件和MEMS定位軟件組成；該“胃正1數(shù)據(jù)分析軟件”，是通過首先給帶定位的區(qū)域建立離線數(shù)據(jù)庫，存儲一系列參考點位置的信號強度和接入點集合，將實際接收到的接入點集合與離線數(shù)據(jù)庫中的集合進(jìn)行匹配比較，若都屬于該數(shù)據(jù)庫，則認(rèn)為接收到的WIFI數(shù)據(jù)有效，并采用WIFI數(shù)據(jù)定位軟件進(jìn)行定位；否則認(rèn)為WIFI無效,采用MEMS定位軟件進(jìn)行定位； 該“WIFI數(shù)據(jù)定位軟件”，通過將實際接收到的參考信號強度向量與離線數(shù)據(jù)庫中所有參考點位置的信號強度矢量進(jìn)行匹配，歐氏距離最小的參考點就認(rèn)為是定位結(jié)果； 該“GNSS數(shù)據(jù)分析軟件”，是通過檢測獲得GNSS數(shù)據(jù)中衛(wèi)星數(shù)量，若大于或等于4，則認(rèn)為GNNS數(shù)據(jù)有效，并采用GNSS數(shù)據(jù)定位軟件進(jìn)行定位；否則認(rèn)為GNSS數(shù)據(jù)無效，并采用MEMS定位軟件進(jìn)行定位； 該“GNSS”數(shù)據(jù)定位軟件“，是通過解算接收到的GNSS數(shù)據(jù)中的衛(wèi)星坐標(biāo)，星歷，時鐘偏差等各種信息，建立偽距方程求解； 該“MEMS定位軟件”，是指基于移動終端中的加速計和電子羅盤，隨著終端的移動，測量移動方向和移動速度，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)時間內(nèi)的位移，最后將位移不斷累加，得到定位結(jié)果。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種室內(nèi)外無縫定位系統(tǒng)，其特征在于: 所述的應(yīng)用層L5由客戶端軟件組成，該“客戶端軟件”，是指基于位置服務(wù)的各種應(yīng)用程 序。
【文檔編號】H04W84/12GK103533649SQ201310511889
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月25日
【發(fā)明者】楊東凱, 杜元鋒, 修春娣, 劉源, 孫智強 申請人:北京航空航天大學(xué), 中國電信集團(tuán)上海市電信公司