CN112162306A - 一种基于北斗的室内外协同定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于北斗的室内外协同定位方法，包括步骤：移动终端周期性地扫描，获取定位信息；根据代价和归一化函数，选出WiFi信标和星座，确定出北斗和WiFi信标；基于北斗和WiFi融合的方程式，得到终端的位置。本发明能够有效的实现室内外的协同定位。

Description

一种基于北斗的室内外协同定位方法

技术领域

本发明涉及定位技术领域，特别是一种基于北斗的室内外协同定位方法。

背景技术

随着互联网的快速发展和终端应用的不断丰富，大幅推动了定位技术的发展，目前应用最广泛的定位方式，即为基于全球导航卫星系统，实现定位。

卫星导航系统对于各个国家来说都是重要的空间信息基础设施，随着卫星系统的不断发展更新，播发信号质量提高以及全球卫星星座的改善，其定位技术也不断革新，我国着眼于国家安全和经济水平的提高极其重视北斗卫星导航系统，同别的卫星星座相比较，北斗卫星导航系统的建设目前正逐步的走向成熟，从区域性服务逐渐步入全球服务的重要时期，满足我国国家安全、经济社会建设和科技发展等全方位需求。

随着定位技术的不断更新，已经由传统的单点定位转变到高精度的差分定位，目前我国高精度测量领域对GPS卫星系统依赖程度较高。北斗卫星能够全星座播发三频信号，这是在高精度差分测量技术中相比于其他卫星系统的一个独特优势，频段增多可以带来更多的虚拟观测量，可通过观测值的不同系数的线性组合，进行模糊度的快速解算，然而不同长度的基线对差分定位的定位影响有所不同，随着基线增长，其两测站之间的误差相关性减弱，从而进行差分定位的时候，其误差残差值较大，会对定位结果造成一定的影响，采用三频模糊度逐级解算时，随着基线变长窄巷模糊度往往不容易固定，对定位结果产生影响。

室内定位在个人定位、物联网、大型场馆、应急救援等许多领域都有应用。室内定位主要分为广域室内内卫和局域室内定位。仅仅依靠单一的无线技术无法实现室内的全覆盖，需要研究如何实现室内外的无缝定位。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于北斗的室内外协同定位方法，能够有效的实现室内外的协同定位。

本发明采用以下方案实现：一种基于北斗的室内外协同定位方法，具体包括以下步骤：

移动终端周期性地扫描，获取定位信息；

根据代价和归一化函数，选出WiFi信标和星座，确定出北斗和WiFi信标；

基于北斗和WiFi融合的方程式，得到终端的位置。

进一步地，所述根据代价和归一化函数，选出WiFi信标和星座，确定出北斗和WiFi信标具体包括以下步骤：

根据归一化函数，对参数进行代价函数计算，归一化的信噪比S和信号强度R的表达式如下：

式中，RSS表示终端接收的信号强度，RSS^th表示接收信号强度的阈值，RSS^max表示信标节点最大发射功率，SNR表示终端接收的信噪比，SNR^th表示接收信号强度的阈值，SNR^max表示最大信噪比；

经过归一化的代价函数为：

式中，Cost_i为定位模式i的代价函数值，R_i为第i个接入网络的信号强度的归一化值；S_i为信噪比的归一化值，w_R为信号强度的权重系数，w_s为信噪比的权重系数；

令最佳信标个数为k个，即k为选取的卫星数和参加定位的WiFi信标节点数之和，选取的判别准则为大于代价函数的平均值。

进一步地，信号强度的权重系数与信噪比的权重系数满足以下条件：

w_R+w_s＝1。

进一步地，所述最佳信标个数k的取值为大于等于4。

进一步地，所述基于北斗和WiFi融合的方程式，解出定位具体包括以下步骤：

基于北斗和WiFi融合的方程式如下：

式中，n为卫星的数量，m为WiFi信标节点的数量，m+n＝k；D_sn表示卫星n到终端的距离，(x_sn，y_sn，z_sn)表示卫星n的坐标，(x,y,z)表示终端节点的坐标，(x_m,y_m,z_m)表示信标节点m的坐标，d_m表示终端到第m个信标节点的距离。

设信标节点i的坐标为(x_i,y_i,z_i)，则终端到信标节点i的距离为：

d_i ²＝(x_i-x)²+(y_i-y)²+(z_i-z)²；

令第一个信标节点到终端的距离为d₁，信标节点i到移动台的距离为d_i，令第一个信标节点为参考节点，则终端到参考节点的距离与到信标节点i的距离差为d_i,1：

d_i,1＝d_i-d₁；

假设

x_i,1＝x_i-x₁,y_i,1＝y_i-y₁,z_i,1＝z_i-z₁得出：

式中，d表示移动终端到信标节点之间的距离；

对公式进行线性化处理得出：

M表示信标节点的数量；

Z的最大似然估计如下：

Z＝arg min{(H-GZ)^TΦ(H-GZ)}＝(G^TΦ^-1G)^-1G^TΦ^-1H：

其中，

Φ＝E[ΦΦ^T]＝BQB,B＝diag{d₂,d₃,...,d_M}；

式中，

终端距离B≈E，Q的表达式如下：

其中，

则，Z≈(G^TQ^-1G)^-1G^TQ^-1H；

得到终端的初始位置(x₀,y₀,z₀)，对初始值进行泰勒展开，得到：

V＝A×δX-L；

其中，

进行循环迭代，直至δX满足条件后迭代结束，得到位置的改正数(Δx,Δy,Δz)，公式如下：

最后终端的位置为：

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明采用室外北斗和室内的WiFi相结合的方式，能够实现室内外的精确定位，本发明提出的方法对初始位置进行了估算，并且基于估算的初值通过泰勒级数算法，解出了定位，能够有效地提高了定位的效率和定位的精度，

附图说明

图1为本发明实施例的方法示意图。

图2为本发明实施例的系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

不同的定位方式，定位的精度和范围均不一样，卫星定位主要用户室外，室内由于建筑物遮挡的原因，很难用卫星实现定位，主要使用WiFi，因此在室内外交界处，采用WiFi和北斗相融合的定位方式。当智能收到北斗信号时，采用北斗定位方式，当收不到北斗信号时，采用WiFi定位方式，当同时能够收到北斗和WiFi信号时，为了实现终端移动中的精确定位，采用WiFi和北斗融合的方式。

北斗多基站差分定位系统，通过多个卫星坐标和基准站，得到多个基准站的伪距修正值，实现伪距差分定位。北斗多基站差分定位系统主要由几个部分组成，本实施例的定位系统如图2所示。

组件一：基准站组网。基准站的功能是收集卫星的数据，将数据发送给数据处理中心。数据处理中心将将收到的数据进行处理，得到修正的参数，然后进行改正，通过数据链路发送给终端；

组件二：数据通信链路。数据通信链路由差分信息通信链路和基准站数据通信链路组成。基准站通信链路包含软件部分和硬件传输部分，通过无线网或者管线，实现数据中心和基准站的通信。差分信息通信链路包含调制编码器、播放器、调至解调器和接收器，将差分信号传送到终端；

组件三：数据处理中心。数据处理中心接收基准站的数据，然后计算出伪距差分改正值，并按照格式编码，通过信息链路，将数据传送给终端；

组件四：终端。终端包含北斗接收机等一些终端设备，接收机用来接收数据，其他设备主要用来对数据进行处理。

如图1所示，本实施例提供了一种基于北斗的室内外协同定位方法，具体包括以下步骤：

移动终端周期性地扫描，获取定位信息；

根据代价和归一化函数，选出WiFi信标和星座，确定出北斗和WiFi信标；

基于北斗和WiFi融合的方程式，得到终端的位置。

进一步地，所述根据代价和归一化函数，选出WiFi信标和星座，确定出北斗和WiFi信标具体包括以下步骤：

根据归一化函数，对参数进行代价函数计算，归一化的信噪比S和信号强度R的表达式如下：

式中，RSS表示终端接收的信号强度，RSS^th表示接收信号强度的阈值，RSS^max表示信标节点最大发射功率，SNR表示终端接收的信噪比，SNR^th表示接收信号强度的阈值，SNR^max表示最大信噪比；

经过归一化的代价函数为：

式中，Cost_i为定位模式i的代价函数值，R_i为第i个接入网络的信号强度的归一化值；S_i为信噪比的归一化值，w_R为信号强度的权重系数，w_s为信噪比的权重系数；

令最佳信标个数为k个，即k为选取的卫星数和参加定位的WiFi信标节点数之和，选取的判别准则为大于代价函数的平均值。

在本实施例中，信号强度的权重系数与信噪比的权重系数满足以下条件：

w_R+w_s＝1。

在本实施例中，所述最佳信标个数k的取值为大于等于4。

在本实施例中，所述基于北斗和WiFi融合的方程式，解出定位具体包括以下步骤：

基于北斗和WiFi融合的方程式如下：

式中，n为卫星的数量，m为WiFi信标节点的数量，m+n＝k；D_sn表示卫星n到终端的距离，(x_sn，y_sn，z_sn)表示卫星n的坐标，(x,y,z)表示终端节点的坐标，(x_m,y_m,z_m)表示信标节点m的坐标，d_m表示终端到第m个信标节点的距离。

设信标节点i的坐标为(x_i,y_i,z_i)，则终端到信标节点i的距离为：

令第一个信标节点到终端的距离为d₁，信标节点i到移动台的距离为d_i，令第一个信标节点为参考节点，则终端到参考节点的距离与到信标节点i的距离差为d_i,1：

d_i,1＝d_i-d₁；

假设

x_i,1＝x_i-x₁,y_i,1＝y_i-y₁,z_i,1＝z_i-z₁得出：

式中，d表示移动终端到信标节点之间的距离；

对公式进行线性化处理得出：

M表示信标节点的数量；

Z的最大似然估计如下：

Z＝arg min{(H-GZ)^TΦ(H-GZ)}＝(G^TΦ^-1G)^-1G^TΦ^-1H：

其中，

Φ＝E[ΦΦ^T]＝BQB,B＝diag{d₂,d₃,...,d_M}；

式中，

终端距离B≈E，Q的表达式如下：

其中，

则，Z≈(G^TQ^-1G)^-1G^TQ^-1H；

得到终端的初始位置(x₀,y₀,z₀)，对初始值进行泰勒展开，得到：

V＝A×δX-L；

其中，

进行循环迭代，直至δX满足条件后迭代结束，得到位置的改正数(Δx,Δy,Δz)，公式如下：

最后终端的位置为：

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明采用室外北斗和室内的WiFi相结合的方式，能够实现室内外的精确定位，本发明提出的方法对初始位置进行了估算，并且基于估算的初值通过泰勒级数算法，解出了定位，能够有效地提高了定位的效率和定位的精度，以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于北斗的室内外协同定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

移动终端周期性地扫描，获取定位信息；

根据代价和归一化函数，选出WiFi信标和星座，确定出北斗和WiFi信标；

基于北斗和WiFi融合的方程式，得到终端的位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于北斗的室内外协同定位方法，其特征在于，所述根据代价和归一化函数，选出WiFi信标和星座，确定出北斗和WiFi信标具体包括以下步骤：

根据归一化函数，对参数进行代价函数计算，归一化的信噪比S和信号强度R的表达式如下：

式中，RSS表示终端接收的信号强度，RSS^th表示接收信号强度的阈值，RSS^max表示信标节点最大发射功率，SNR表示终端接收的信噪比，SNR^th表示接收信号强度的阈值，SNR^max表示最大信噪比；

经过归一化的代价函数为：

式中，Cost_i为定位模式i的代价函数值，R_i为第i个接入网络的信号强度的归一化值；S_i为信噪比的归一化值，w_R为信号强度的权重系数，w_s为信噪比的权重系数；

令最佳信标个数为k个，即k为选取的卫星数和参加定位的WiFi信标节点数之和，选取的判别准则为大于代价函数的平均值。

3.根据权利要求2所述的一种基于北斗的室内外协同定位方法，其特征在于，信号强度的权重系数与信噪比的权重系数满足以下条件：

w_R+w_s＝1。

4.根据权利要求2所述的一种基于北斗的室内外协同定位方法，其特征在于，所述最佳信标个数k的取值为大于等于4。

5.根据权利要求1所述的一种基于北斗的室内外协同定位方法，其特征在于，所述基于北斗和WiFi融合的方程式，解出定位具体包括以下步骤：

基于北斗和WiFi融合的方程式如下：

式中，n为卫星的数量，m为WiFi信标节点的数量，m+n＝k；D_sn表示卫星n到终端的距离，(x_sn，y_sn，z_sn)表示卫星n的坐标，(x,y,z)表示终端节点的坐标，(x_m,y_m,z_m)表示信标节点m的坐标，d_m表示终端到第m个信标节点的距离；

设信标节点i的坐标为(x_i,y_i,z_i)，则终端到信标节点i的距离为：

令第一个信标节点到终端的距离为d₁，信标节点i到移动台的距离为d_i，令第一个信标节点为参考节点，则终端到参考节点的距离与到信标节点i的距离差为d_i,1：

d_i,1＝d_i-d₁；

假设

x_i,1＝x_i-x₁,y_i,1＝y_i-y₁,z_i,1＝z_i-z₁得出：

式中，d表示移动终端到信标节点之间的距离；

对公式进行线性化处理得出：

M表示信标节点的数量；

Z的最大似然估计如下：

Z＝argmin{(H-GZ)^TΦ(H-GZ)}＝(G^TΦ^-1G)^-1G^TΦ^-1H：

其中，

Φ＝E[ΦΦ^T]＝BQB,B＝diag{d₂,d₃,...,d_M}；

式中，

终端距离B≈E，Q的表达式如下：

其中，

则，Z≈(G^TQ^-1G)^-1G^TQ^-1H；

得到终端的初始位置(x₀,y₀,z₀)，对初始值进行泰勒展开，得到：

V＝A×δX-L；

其中，

进行循环迭代，直至δX满足条件后迭代结束，得到位置的改正数(Δx,Δy,Δz)，公式如下：

最后终端的位置为：

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