一種室內外無縫定位切換方法
2023-07-23 21:20:31
一種室內外無縫定位切換方法
【專利摘要】一種室內外無縫定位切換方法，步驟如下：一：由感知層L1檢測場景變化及用戶需求變化，並上報給切換模塊；二：由算法層L2上報當前方法給切換模塊；三：L2通知硬體層L3開啟硬體模塊；四：數據層L4根據新測得的定位數據反饋給L2，判斷候選定位算法是否能用，若能用，就上報給切換模塊，若切換後的方法仍然無法定位，則重新選擇預定的候選定位算法直到切換後的方法能用為止；五：當切換模塊在一段窗口時間內持續收到當前算法不能用指示，且接收到候選定位算法能用指示，就通知L2進行算法切換，同時，MEMS定位技術關閉，使用候選定位算法進行定位；六：L2切換完成後，通知L3關閉不需要的硬體模塊。本發明能節約終端電量，利於維護和標準化。
【專利說明】一種室內外無縫定位切換方法
【技術領域】
[0001]本發明提供一種室內外無縫定位切換方法，具體說是一種在無線傳輸技術(WIFI)室內定位和全球衛星導航系統(GNSS)室外定位方法之間進行無縫切換的方法。該方法能夠通過檢測環境變化，自適應地進行軟硬體切換，屬於無線傳輸和導航【技術領域】。
【背景技術】
[0002]隨著人類社會發展，人們對自身位置信息的需求越來越大，由此發展了諸多的導航定位系統。全球衛星導航系統(GNSS)為人們提供了高精度、全天候的定位服務，但是由於其測量信號不能穿透建築物的特點，在高密集建築群區和室內無法有效進行GNSS定位服務。為了滿足人們對任意時間，任意位置的定位需求，無縫定位技術已經成為國內外專家和學者研究發展的對象。所謂無縫定位技術就是指在人類活動的地上，地下空間和外層空間範圍內，能夠聯合採用不同定位技術以達到對各種定位應用的無縫覆蓋，同時保證各種場景下定位技術、定位算法、定位精度和覆蓋範圍的平滑過渡及無縫連接。
[0003]為了解決高密集建築群區和室內定位難題，國內外專家提出了一系列技術方案，例如:基於移動通信網絡的輔助GNSS (A - GNSS)、偽衛星技術、射頻標籤(RFID)等。儘管各種技術的精度和易用性各有差別，但是大多數技術需要布設額外設備和改裝大量已有設備，以其為解決實現的無縫定位系統將耗資巨大，可用性弱。從技術成熟和大規模應用的角度考慮，室外靠GNSS定位、高密集建築群區和室內以WIFI定位為主的方案已成為當前主流的、也是未來最具發展潛力的無縫定位技術。
[0004]無縫定位技術的軟硬體集成是無縫定位技術的關鍵技術之一。本發明通過對WIFI定位技術和GNSS技術特點的研究，提出一種室內外無縫定位切換方法。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在於:提供一種室內外無縫定位切換方法，以解決現有無縫定位切換方法中，WIFI和GNSS模塊都持續工作帶來的過多電量消耗的問題
[0006]本發明的技術方案:
[0007]基於室內環境使用WIFI定位技術和室外環境使用GNSS定位技術的無縫定位架構，本發明提出了一種室內外無縫定位切換方法，即當用戶從室內向室外移動，或者從室外向室內移動時，定位技術進行切換，同時相應的硬體裝置開關狀態進行轉換。
[0008]當定位過程在移動終端初始化時，WIFI和GNSS模塊都置於工作狀態，通過對接收到的GNSS信息是否有效來判斷用戶處於室內還是室外，例如當接收到的衛星數目大於或等於4顆時就認為用戶在室外。此後，隨著用戶的移動，為實現室內外無縫定位，就需要對WIFI定位技術和GNSS定位技術進行切換。
[0009]本發明提出的室內外無縫定位切換方法是基於檢測室內外環境變換而自適應地觸發切換過程。這樣可以實現需要室內WIFI定位方法時單獨打開WIFI裝置或者需要室外GNSS定位方法時單獨打開GNSS裝置，避免了現有定位切換方法中WIFI和GNSS都持續工作帶來的過多電量消耗。
[0010]本發明提出的室內外無縫定位切換方法，設立了單獨的切換模塊與無縫定位系統進行交互信息，通過室內外環境檢測，用戶狀態檢測，獲得數據檢測等來實現自適應定位軟硬體切換。本發明主要涉及無縫定位系統的5個分層:感知層LI，算法層L2，硬體層L3，數據層L4，應用層L5。感知層LI主要包括三個模塊，用戶需求模塊L11，場景模塊L12和狀態模塊L13，作為系統輸入。算法層L2主要完成基於感知層LI發送的信息，實現定位算法選擇。硬體層L3基於算法層L2的算法選擇結果，完成GNSS和WIFI的硬體開關狀態選擇。數據層L4根據硬體層L3測量的信號獲取定位所需數據進行定位結果計算，通過對所獲數據和所得結果進行分析判斷算法層L2的算法是否可定位並產生反。應用層L5主要是為用戶提供基於位置的服務(LBS)。例如:結合地圖資料庫進行位置可視化顯示。
[0011]本發明一種室內外無縫定位切換方法，主要包括以下幾個步驟:步驟一:由感知層LI檢測場景變化及用戶需求變化，並上報給切換模塊；
[0012]其中，所述的「感知層LI」主要包括三個模塊，用戶需求模塊L11，場景模塊L12和狀態模塊L13。用戶需求模塊Lll根據交互模塊的信息判斷用戶需求，包括精度要求和延遲要求。場景判斷模塊L12是自適應發起切換指示的關鍵模塊，主要由終端裡的光傳感器和WIFI模塊檢測WIFI接入點集合進行綜合判斷是否發生場景變化。例如，白天終端從室外移動到室內，光傳感器的光通量值會大幅下降；而WIFI模塊檢測到室內區域不存在的WIFI接入點則認為終端移動到室外了。狀態模塊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來確定定位結果更新時間。它們之間的關係是並列的，作為算法信息輸入。
[0013]其中，所述的「切換模塊」，由切換軟體組成，通過獲取感知層LI輸出的信息，判斷是否需要發生定位算法切換。
[0014]其中，所述的「檢測場景變化」，本發明主要採用光傳感器和室內接入點(AP)集合匹配的方法進行室內外環境變化檢測。一方面由於人造光源的光通量越小於室外的自然光源，而目前絕大部分智能終端都裝配了光傳感器，通過檢測光通量的變化能在白天很好地區分大部分場景下的室內外環境變化。另一方面，WIFI裝置接收到的AP集合可以與預先測量好的室內的固有AP集合進行匹配，如果匹配係數變化超出一定門限，則認為用戶發生了室內外環境變化。
[0015]其中，所述的「光傳感器」是一種裝配在移動終端或其他設備中的傳感器，用來獲取周圍的光通量信息。
[0016]AP集合的匹配係數計算如下:
[0017]
【權利要求】
1.一種室內外無縫定位切換方法，其特徵在於:它包括以下幾個步驟: 步驟一:由感知層LI檢測場景變化及用戶需求變化，並上報給切換模塊； 該「切換模塊」，是由切換軟體組成，通過獲取感知層LI輸出的信息，判斷是否需要發生定位算法切換； 該「檢測場景變化」，採用光傳感器和室內接入點即AP集合匹配的方法進行室內外環境變化檢測，一方面由於人造光源的光通量越小於室外的自然光源，而目前絕大部分智能終端都裝配了光傳感器，通過檢測光通量的變化能在白天很好地區分大部分場景下的室內外環境變化，另一方面，WIFI裝置接收到的AP集合能與預先測量好的室內的固有AP集合進行匹配，如果匹配係數變化超出預定門限，則認為用戶發生了室內外環境變化； 步驟二:由算法層L2上報當前方法給切換模塊，同時數據層L4通過所得的測量數據上報當前定位方法不能用指示給切換模塊；切換模炔基於上報的信息，就通知算法層L2進行切換初始化，包括選擇預定的候選定位算法，並使用備用的MEMS定位技術開始定位； 步驟三:算法層L2根據選擇的候選定位算法通知硬體層L3開啟候選定位算法需要的硬體模塊；該「硬體層L3」，是由硬體開關管理軟體組成，基於算法層L2的算法選擇結果，完成GNSS和WIFI的硬體開關狀態切換； 該「硬體模塊」，是指WIFI定位技術所需要的WIFI接收模塊，GNSS定位技術所需要的GNSS接收模塊；該WIFI接收模塊是移動終端內與WIFI相關的硬體裝置，該GNSS接收模塊是移動終端內與GNSS相關的硬體裝置； 步驟四:數據層L4根據新測`得的定位數據反饋給算法層L2，基於定位數據分析算法判斷候選定位算法是否能用，若候選定位算法能用，就上報給切換模塊，若切換後的方法仍然無法定位，則重新選擇預定的候選定位算法或繼續使用MEMS定位技術，直到切換後的方法能用為止； 步驟五:當切換模塊在一段窗口時間內持續收到當前算法不能用指示，且接收到候選定位算法能用指示，就通知算法層L2進行算法切換，同時，MEMS定位技術關閉，使用候選定位算法進行定位； 步驟六:算法層L2切換完成後，通知硬體層L3關閉不需要的硬體模塊；該「不需要的硬體模塊」，是指使用WIFI定位方法時就關閉GNSS模塊，使用GNSS定位方法時就關閉WIFI模塊。
2.根據權利要求1所述的一種室內外無縫定位切換方法，其特徵在於:在步驟一中所述的「感知層LI」包括三個模塊，用戶需求模塊L11，場景模塊L12和狀態模塊L13 ;用戶需求模塊Lll根據交互模塊的信息判斷用戶需求，包括精度要求和延遲要求；場景判斷模塊L12是自適應發起切換指示的關鍵模塊，由終端裡的光傳感器和WIFI模塊檢測WIFI接入點集合進行綜合判斷是否發生場景變化；而WIFI模塊檢測到室內區域不存在的WIFI接入點則認為終端移動到室外了 ；狀態模塊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來確定定位結果更新時間，它們之間的關係是並列的，作為算法信息輸入。
3.根據權利要求2所述的一種室內外無縫定位切換方法，其特徵在於:在步驟一中所述的「光傳感器」是一種裝配在移動終端及其他設備中的傳感器，用來獲取周圍的光通量信肩、O
4.根據權利要求1所述的一種室內外無縫定位切換方法，其特徵在於:在步驟一中所述的「AP集合進行匹配」，該AP集合的匹配係數計算如下:
5.根據權利要求1所述的一種室內外無縫定位切換方法，其特徵在於:在步驟二中所述的「算法層L2」是由算法選擇軟體組成，基於感知層LI輸入的信息，實現算法選擇； 該「算法選擇軟體」是由以下模塊組成:` (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MEMS定位算法；(2)基於感知層LI的切換指示信令Handover_flag完成算法切換；(3)基於數據層L4的反饋信令S4實現算法更換。
6.根據權利要求1所述的一種室內外無縫定位切換方法，其特徵在於:在步驟二中所述的「候選定位算法」，是指WIFI定位技術和GNSS定位技術； 該「WIFI定位技術」，是指首先給帶定位的區域建立離線資料庫，存儲一系列參考點位置的信號強度和接入點集合，然後通過將實際接收到的參考信號強度向量與離線資料庫中所有參考點位置的信號強度矢量進行匹配，歐氏距離最小的參考點就認為是定位結果； 該「GNSS定位技術」，是通過解算接收到的GNSS數據中的衛星坐標，星曆，時鐘偏差等各種信息，建立偽距方程求解的定位方法。
7.根據權利要求1所述的一種室內外無縫定位切換方法，其特徵在於:在步驟二中所述的「MEMS定位技術」，是指基於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距離，不斷累加，得到定位結果。
8.根據權利要求1所述的一種室內外無縫定位切換方法，其特徵在於:在步驟三中所述的「硬體開關管理軟體」，其流程如下:若GNSS_flag=l，則硬體層L3將GNSS置於開啟狀態，GNSS硬體裝置開始接收GNSS衛星信號；SWIFI_flag=l，則硬體層L3將WIFI置於開啟狀態，WIFI硬體裝置開始接受WIFI信號。
9.根據權利要求1所述的一種室內外無縫定位切換方法，其特徵在於:在步驟四中所述的「數據層L4」是由定位數據分析軟體組成，數據層L4根據硬體層L3測量的信號獲取定位所需數據進行定位結果計算，通過對所獲數據和所得結果進行分析判斷算法層L2的算法是否能定位並產生反饋；該「定位數據分析軟體」，包括WIFI定位數據分析方法和GNSS定位數據分析方法； 該「WIFI定位數據分析方法」，是通過首先給帶定位的區域建立離線資料庫，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資料庫中的集合進行匹配比較，若都屬於該資料庫，則認為接收到的WIFI定位數據有效，能用於定位；否則認為無效； 該「GNSS定位數據分析方法」，是通過檢測獲得的GNSS定位數據中衛星數量，若大於或等於4，則認為GNNS數據有效，能用於定位，否則認為無效。
10.根據權利要求1所述的一種室內外無縫定位切換方法，其特徵在於:所述室內外無縫定位切換方法的六個步驟中所涉及的「切換模塊」與無縫定位系統各層之間的關係及信令交互如下: 在步驟一中，感知層LI通過Sla與切換模塊進行通信，算法層L2通過Slb與切換模塊進行通信，數據層L4通過Slc與切換模塊進行通信，定義Sla，Sib, Slc如下: Sla 切換數據傳送即 Handover_Data_transfor
{ 場景切換標識即Scenario_change_flag:整型，有效範圍1,2 ;其中I代表場景有變化，2代表場景不變； 需求變化標識即Requirement_change_flag:整型，有效範圍1,2 ； 其中I代表需求有變化，2代表需求不變；
} Slb:方法數據傳送即 Method_Data_transfor
{ 方法標識即methocLflag:整型，有效範圍1，2，3 ;其中I代表WIFI定位方法，2代表GNSS定位方法，3代表MEMS定位方法；
} Slc:方法指不傳送即 Method_index_transfor
{ 方法無效標識即Method_unavailable_flag:整型,有效範圍1,2 ;其中I代表當前定位方法可用，2代表當前定位方法不可用； 方法無效時間即Method_unavailable_time:整型,用戶統計當前方法不可以用時間；
} 步驟二中，算法層L2通過S2與切換模塊進行通信，定義S2如下: S2:切換初始化即 Handover_initial
{ 方法改變標識即Meth0d_Change_flag:整型，有效範圍1，2，3 ;其中I代表定位方法向WIFI切換，2代表定位方法向GNSS切換，3代表定位方法向MEMS切換；
} 步驟三中，算法層L2與硬體層L3通過S3進行通信，定義S3如下: S3:切換硬體即 Handover_hardware
{WIFI變化標識即WIFI_change_flag:整型，有效範圍1，2 ;其中I代表將WIFI開啟，2代表將WIFI關閉； GNSS變化標識即GNSS_change_flag:整型，有效範圍1，2 ;其中I代表將GNSS開啟，2代表將GNSS關閉；
} 步驟四中，數據層L4與切換模塊通過S4進行通信，定義S4如下: S4:切換後有效性指不即Handover_change_avaiable
{ 變換有效標識即Change_aVailable_flag:整型，有效範圍1，2 ;其中I代表切換後的方法可用，2代表切換後的方法不可用；
} 步驟五中，算法層L2與切換模塊通過S5進行通信，定位S5如下: S5:切換完成即 Handover_complete
{ 切換成功標識即Handover_success_flag:整型,有效範圍1,2 ;其中I代表切換成功，2代表切換不成功；
} 步驟六中，算法層L2與硬體層L3通過S3進行通信。
【文檔編號】H04W36/18GK103517361SQ201310512302
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年10月25日 優先權日:2013年10月25日
【發明者】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, 中國電信集團上海市電信公司