专利名称：一种基于无线传感技术的移动定位服务方法
技术领域：
本发明涉及移动定位服务方法，尤其涉及综合利用GPS技术、惯性导航技术、无线通信技术以及无线传感技术提供定位服务的方法。
背景技术：
作为无线通信系统的特色业务之一，定位服务作为移动增值业务的一个亮点受到业界的普遍关注。目前，北美、欧洲和亚太地区的主要移动运营商都已开通了移动定位业务。目前在移动定位服务中应用的定位技术主要有以下几种基于网络的源小区(COO)定位技术，即基于Cell ID的定位技术，它由网络侧获取用户当前所在的基站Cell信息以获取用户当前位置，其精度取决于移动基站的分布及覆盖范围的大小；基于到达时间(TOA)或到达时间差(TDOA)原理的三角测量技术，如CDMA网络中使用的AFLT (Advanced Forward Link Trilateration)定位技术，在定位操作时，手机/终端同时监听多个基站的导频信息，利用码片时延来确定到附近基站的距离，最后用三角定位法算出具体位置；基于星基无线导航系统的辅助GPS(A-GPS)技术。传统GPS技术由于过于依赖终端性能，即将卫星扫描、捕获、伪距信号接收及定位运算等工作集于终端一身，从而造成定位灵敏度低及终端耗电量大等方面缺陷。A-GPS将终端的位置计算工作简化，由网络侧的定位服务器与终端相互配合完成定位工作，将卫星扫描及定位运算等最为繁重的工作从终端一侧转移到网络一侧的定位服务器完成。提高了终端的定位精度、灵敏度和冷启动速度、降低终端耗电。具体地，A-GPS技术利用一个由多个高灵敏度GPS接收机组成的广域GPS卫星参考网络，负责全天候监测覆盖区域上空所有GPS卫星的星历数据、多普勒频移等定位所需信息，动态刷新存储于定位平台中的GPS卫星数据库(卫星数据与地理位置对应关系)。 终端只有在需要定位时才通过无线网络向定位平台通报大概位置(属于哪个基站)，然后通过定位平台获得GPS卫星信息，从而大大缩短卫星捕获时间，大幅度降低耗电。借助定位服务器强大的运算能力，可以采用复杂的定位算法以降低接收信号弱等不利因素的影响从而提高定位精度和灵敏度；GPSONE技术是美国高通公司为基于位置的移动服务开发的定位技术。它将无线辅助A-GPS和AFLT三角定位法两种定位技术有机结合，在GPS卫星信号和无线网络信号都无法单独完成定位的情形下，GPSONE系统会组合这两种信息源，只要有一颗卫星和一个小区站点就可以完成定位，解决了传统GPS无法解决的问题，实现较高精度、高可用性和快速定位，改善了室内定位效果。在这两种定位技术均无法使用的环境中，GPSONE会自动切换到 Cell ID扇区定位方式，确保定位成功率。此外，近年还出现一些利用短距离无线技术和三角测量技术实现的定位方案 RTLS^ WiFi定位系统、ZigBee定位系统等，他们工作机理都是通过部署多台定位基站，然后待定位的终端通过测量临近基站的信号强度并通过定位算法模型计算出位置坐标，这些
6技术方案只能用于小范围特别是室内区域的定位而且精度不高，适用场合有限。对于公共安全、定位跟踪、导航等移动定位服务，基于CELL ID和基站无线测量的定位技术虽然成功率高但是精度远远不能满足业务要求，因此这类服务大多采用基于GPS 的定位技术，如A-GPS或GPS0NE。不过在实际应用中GPS技术的可用性存在很大问题，比如在城市环境GPS信号会受到很多高楼的阻挡、定位终端周围建筑对GPS信号的反射会引起测量误差、许多需要定位服务的位置无法收到GPS信号(如城市高架下的道路、地下停车场、车站码头等室内环境等等)。为解决上述问题，近年来一些新技术被引入定位服务领域， 如常见的车辆导航系统就采用GPS接收器加上航位推算(Dead-Reckoning)设备共同完成导航功能，常见的航位推算设备如陀螺仪、加速度仪、电子指南针以及车轮转动信号等，它们能测量车辆在相对短的时间内的位置变化，而GPS接收器能够在确定的误差范围内测量车辆的绝对位置。二者具有天然的互补性航位推算设备能够平均掉GPS接收器短时间内的误差，GPS接收器能够在长时间内对航位推算设备进行校准。用于航空航天领域的传统航位推算设备精度高但是体积庞大且价格昂贵，并不适用于一般的民用车辆导航。随着近十几年来微机电系统(MEMS)工艺的进步，采用MEMS工艺的微陀螺仪、微加速仪器件的性能得到了迅速的提高，MEMS器件以其体积小、成本低、外围电路简单等优点为导航定位系统的设计提供了新的选择。除了 GPS接收器和航位推算设备，车载导航仪还装载有一个数字化的交通道路数据库——数字地图。利用数字地图的信息和测量数据通过地图匹配能够很好地确定待导航车辆的位置。设计良好的导航仪能够很好的整合来自GPS接收器和航位推算设备的测量数据，从而进一步做出很好的地图匹配。为了很好整合这些测量数据以达到满意的导航效果，业界常常采用卡尔曼滤波器(Kalman filter)来平衡当前测量和历史测量数据，以线性、无偏、最小方差为原则实现最优估计，尽可能减少系统噪声从而提高定位精度和可用性。综上所述，移动定位技术经过近年来的不断发展取得显著进步，但是要满足优质移动定位服务的要求，尤其是对于一些诸如人员定位跟踪、敏感或危险物品的定位追踪等公共安全领域的应用，目前市场提供所技术和产品尚有以下不足现有的定位产品尺寸较大且没有考虑隐蔽性设计，难以满足上述应用的小型化、 微型化和隐蔽性需求；现有的定位产品在低功耗设计上没有进行特别设计，难以满足上述应用中采用电池供电时的低功耗需求；现有的定位产品和服务局限于获取定位信息、通报定位信息或结合地理信息系统 (GIS)和电子地图提供简单的历史轨迹记录功能，缺少跟踪预警、利用后台系统对大量定位终端的统一管理、利用后台系统的历史冗余信息提高定位精度和成功率等增值服务功能。中国专利CN2010101477791针对以上问题提出了解决方案，但是也带来了新的问题，该专利提出一种定位信标LIU用于校正移动至它附近的移动定位终端LE的定位信息和航迹，要取得良好的应用效果就需要根据应用场景在一些关键地点部署定位信标LIU，这会带来较大的系统实施成本，在很多场合也会遇到较大的实施困难。如果在上述专利的基础上能够提供一种方便部署和低成本的定位信标，就可以更好地满足市场需求。
发明内容
本发明提出一种提供定位服务的方法，包括a)至少一个定位终端LE和至少一个定位标识LM通过短距离无线链路自动组成无线传感网络；其中一个定位终端LE作为网关负责进行自身的定位测量并通过通信网络上报结果，通过无线传感网络采集该网络的状态信息并通过通信网络上报；其它定位终端 LE作为子节点进行自身的定位测量的同时通过无线传感网络上报自身状态信息并转发来自临近节点的消息；定位标识LM作为子节点接入无线传感网络并报告自身状态信息；b)定位管理平台通过通信网络连接至少一个由定位终端LE和定位标识LM组成的无线传感网络，采集其中所有LE上报的定位测量信息，经过信息融合处理并结合数据库中的各LE历史航迹信息确定各LE当前的位置和相关航迹，同时采集其中网关LE上报的无线传感网络状态信息，利用该信息对该无线传感网络中的LE进行定位校正并确定该无线传感网络中LM的位置坐标。所述方法还包括定位管理平台授权第三方定位服务商LBS和定位服务用户LUE， 使得他们能够通过通信网络连接定位管理平台，接收定位管理平台发布的位置服务信息， 包括LM或LE即时位置信息、位置触发的告警和航迹。所述通信网络指能够提供广域覆盖的移动通信网络、有线宽带网络、无线宽带网络或者它们的组合，所述移动通信网络包括GSM网络、GPRS网络、EDGE网络、CDMA2000 Ix 网络、CDMA2000 EVDO网络、W⑶MA网络、TD-SCDMA网络以及基于上述移动网络的演进网络。所述LE包括由GPS子单元和惯性测量子单元IMU构成的定位测量单元、采用 ZigBee短距离无线通信技术实现的无线传感单元、负责接入通信网络与定位管理平台建立通信连接的无线通信单元、显示单元、输入输出单元和主控单元。优选的，所述LE由一个具备GPS定位功能的手机和一个扩展功能单元构成；它们通过手机的外部接口如USB接口、或者蓝牙接口、或者红外接口连接；所述扩展功能单元包括惯性测量IMU子单元、无线传感子单元和接口子单元构成。所述LE通过其无线传感单元连接临近的无线传感节点后，在定位管理平台的指配下工作于路由模式或网关模式；作为路由节点的LE定时通过无线传感网络报告自身状态消息，其中包括自身身份识别号ID-1、临近网络节点的信号强度及其节点ID信息；作为网关节点的LE通过通信网络定时上报下属无线传感网络的实时状态消息，其中包括网络拓扑、各节点观察到的临近节点信号强度、下属所有端节点LM上报的自身状态消息和此状态报告的对应时间信息。所述LM预先配置并存储唯一识别号ID-2用于标识自己的身份，由无线传感单元和主控单元构成。所述定位管理平台采用分布式、模块化的架构，由一台服务器或多台服务器群组构成；包括信息采集发布单元、数据库单元、数据处理单元和管理单元。所述LE进行的定位测量包括GPS测量、惯性导航测量和无线网络参数测量；所述定位测量和结果上报根据定位策略定时触发，所述定位策略由定位管理平台根据LE申请的定位业务类别、LE的常规运动模式和LE的运算能力预先确定并通过下发参数配置于LE 中，定位策略包括LE需定时测量和上报的定位参数、定时测量的时间间隔和上报的时间间隔；所述时间间隔是和LE即时运动速度相关的一个动态变化量，其变化规律是速度越高时间间隔越小。所述定位管理平台通过下述步骤处理LE上报的定位测量信息1)定位信息采集单元接收来自LE的定时上报消息，提取其中的定位信息，包括 GPS定位测量信息、IMU测量信息和无线网络参数；2)数据处理单元首先对定位信息进行预处理，包括计算GPS定位数据置信度C_L， 根据IMU测量数据计算出本次上报数据中所包含的各采样时刻的LE即时速度矢量和航向， 根据上报信息中包含的无线网络参数确定LE当前的服务基站和相邻基站；3)根据第2)步预处理所得数据，进行定位信息融合处理，获得可靠的LE位置坐标。所述定位管理平台处理LE上报的定位测量信息第2)步骤中的GPS定位数据置信度C_L通过下式计算
A^ O(SN1-SN0)C L =10 10
一 4 ζ其中，N_S是GPS定位测量信息中的卫星数量，SNi, i = 1,2,...η是卫星信号信噪比，SN0是GPS接收机正确解调信号所需的卫星信号信噪比阈值，单位为dB，该数值作为LE 的属性参数预先存储在定位管理平台数据库单元。根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述定位管理平台处理LE上报的定位测量信息第3)步骤中的定位信息融合处理包括(a)由卡尔曼(Kalman)滤波单元对GPS定位测量数据进行最优估计；(b)航位推算(Dead-Reckoning)单元使用IMU测量数据进行航位推算；(c)信息融合单元对(a)、(b)的结果进行信息融合处理当GPS定位信息置信度 C_L < C_L0时，舍弃GPS定位信息，直接采用航位推算结果作为LE的定位结果，同时启动航位推算导航计时器T，当T > TO时，发出系统告警；否则对a)、b)输出信息进行Kalman滤波处理，获得LE位置信息最优估计；所述CJjci和TO为定位管理平台预先设定的门限值，并且可根据相应定位服务对精度的要求和实际使用效果随时修改；(d)使用LE周围区域的数字地图校正LE的位置坐标和航迹；(e)将LE的定位结果送到航位推算单元进行反馈校正，钳制航位推算随着时间积累的系统误差；更新定位管理平台数据库单元记录的LE历史运动速度、航迹和姿态数据。所述定位管理平台处理LE上报的定位测量信息第1)步骤中的无线网络参数包括伪随机码相位偏置系数、导频激活集、导频候选集和导频相邻集数据；根据这些无线网络参数通过检索数据库中预先存储的无线网络规划信息确定LE当前的服务基站和相邻基站；然后结合数字地图估计LE的大致位置，作为LE定位的辅助信息。所述定位管理平台通过下述步骤处理网关LE上报的无线传感网络实时状态信息A)检查该无线传感网络中所有LE的定位状态，比较它们的GPS定位信息置信度 C_L，选择其中置信度C_L > Cj1的LE作为该无线传感网络的位置校正源，其中Cj1为定位管理平台预先设定的门限值，可根据相应定位服务对精度的要求和实际使用效果随时修改；
B)检索数据库调出校正源LE的属性数据，包括其当前位置、其无线传感单元能够有效探测的距离和无线传感单元天线方向性参数等；C)根据网关LE上报的信息和校正源LE属性信息依次计算校正源LE临近的LE相对于校正源LE的距离，该计算可依据电波在自由空间的传播模型进行，然后通过三角测量技术得出临近LE在状态报告对应时间ts时刻的位置；D)检索数据库调出被校正LE最近的运动轨迹数据，对状态报告对应时间ts时刻的LE位置进行校正，并重新基于其IMU历史数据通过航位推算更新ts时刻之后直到当前的LE航迹，将校正和计算结果更新至数据库；E)按照步骤C)相同的方法计算获得该无线传感网络中LM的位置坐标。本发明系统部署方便，可充分利用现有移动网络终端开展业务，LM功耗很低，有利于开展多种定位增值服务，特别有利于开展那些对定位终端有低功耗、隐蔽性要求的定位服务。结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
图1是本发明方法一个实施例的系统架构图；图2是本发明方法中LE —个实施例的功能框图；图3是本发明方法中LM —个实施例的功能框图；图4是本发明方法中LE —个实施例的一种硬件实现方案；图5是本发明方法中LE —个实施例的另一种硬件实现方案；图6是本发明方法一个实施例中LE在定位管理平台的注册流程示意图；图7是本发明方法一个实施例中LM工作流程示意图；图8是本发明方法一个实施例中定位管理平台处理LE上报信息的流程示意图；图9是通过无线参数估计LE大概位置的原理示意图。
具体实施例方式下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式
。图1给出了本发明一个实施例的系统架构图，其中多个定位终端LE通过无线链路 S103接入通信网络SlOl并进而与定位管理平台S102建立通信连接，定位管理平台S102采集各LE上报的定位测量信息，结合数据库中的终端历史轨迹信息和定位算法确定并记录各LE当前的位置；同时，定位终端LE和定位标识LM通过短距离无线链路S104自动组成网状无线传感网络，其中处于网关位置的LE采集各节点的状态信息并上报定位管理平台 S102，定位管理平台S102据此根据短距离无线定位RTLS技术计算获得LM的位置坐标，进一步的，定位管理平台S102还可利用此无线传感网络的状态信息对其节点LE的定位信息进行校正处理。另外，定位管理平台S102还通过通信网络SlOl与经授权的第三方定位服务商LBS和定位服务用户LUE建立通信连接，向LBS和LUE发布LE和LM的即时位置信息和位置告警、历史轨迹等增值服务信息。所述通信网络是指能够提供广域覆盖的移动通信网络、有线宽带网络、无线宽带网络或者它们的组合，这里为了表述清晰简洁，仅以CDMA移
10动通信网络为例来说明本发明的思想。如图1所示，定位管理平台S102通过SlOl中的短信网关、分组数据服务节点PDSN(Packet Data Serving Node)和路由器与多个LE、LUE和 LBS建立通信连接。定位管理平台S102在具体实施时采用分布式、模块化的架构，可视应用规模灵活采用一台服务器或多台服务器群组构成。其中包括信息采集发布单元、数据处理单元、数据库单元和管理单元，各单元的功能和连接关系如下信息采集发布单元负责基于TCP/IP协议或短信SMS完成定位管理平台S102和 LE、LUE以及LBS之间的通信，完成它们之间交互消息的封装与拆封；同时还负责从LE的上报消息中提取LM的识别号、LE识别号、定位测量信息和无线传感网络状态信息并转交给数据处理单元；另外，信息采集发布单元还负责按照管理单元的指令向授权LBS和LUE发布 LE位置信息。数据库单元是多种逻辑数据库的综合，包括终端管理数据库TM_DB、用户管理数据库CM_DB及业务数据库TF_DB。TM_DB存储的终端管理数据包括所有LE的识别号、LE的常规运动模式和当前运动模式、LE当前的姿态、LE的定位服务类别、LE配置的定位测量能力、 LE通过短距离无线技术识别LM的有效距离，以及LM的识别号、LM的常规运动模式和当前运动模式等。CM_DB存储的用户管理数据包括LUE和LBS的识别号、鉴权认证信息、授权服务类别和等级等。TF_DB存储的业务数据包括开展业务地区的数字地图、地物地貌信息、移动基站规划信息、LE历次上报的定位测量信息、LE历史位置信息、网关LE历次上报的无线传感网络状态信息和LM历史位置信息等。数据处理单元负责按照定位算法处理信息采集单元转交的LE定位测量数据，结合数据库单元记录的该LE历史运动轨迹、前一时刻运动模式和运动姿态以及LE所在区域的地理信息系统，确定该LE当前位置坐标、当前运动模式和运动姿态并记录结果。同时负责处理信息采集单元转交的网关LE上报的无线传感网络状态信息，首先对无线传感网络内各节点LE的定位结果置信度进行评估计算，将置信度高于标准值的LE作为校正源，然后结合短距离无线定位技术RTLS对各节点LE的位置坐标和相关航迹进行校正处理，并进而得到LM节点的位置坐标。管理单元负责管理所有LE、LM的注册、接入认证、工作状态监测统计、升级维护以及关联属性数据的更新，还负责管理LBS和LUE的业务开通、业务变更和业务使用记录。图2给出了 LE —个实施例的功能框图。其中，定位测量单元包括GPS模块和惯性测量模块IMUdnertial Measurement Unit)， GPS单元负责接收GPS信号并解码输出定位结果至主控单元。GPS的输出信号遵循美国国家航海电子协会 NMEA(National Marine Electronics Association)制订的 NMEA-0183 协议规范，其中包括GPS定位数据时间、经度、纬度、所用到的卫星数、高度、观察到的 GNSS卫星数量及其编号、位置、信噪比、地面数率、地面航向、日期等信息。惯性测量单元 IMUdnertial Measurement Unit)中包括直角坐标系X/Y/Z三个方向上的加速度传感器和角速度传感器，负责实时测量LE在三个坐标轴向的加速度和角速度，据此可计算出LE的运动姿态、航向和航速并上报主控单元。无线传感单元利用短距离无线技术如ZigBee技术自动探测周围的LM和其它LE， 其中配置成全功能设备FFD的ZigBee模块存储LE的身份识别号ID-I并预先统一配置ZigBee网络参数，如网络ID、节点ID、加密方式、密钥、工作模式等，当LE接近同样配置了 ZigBee模块的其它LE或LM时即可自动建立无线连接，探测到临近LE或LM的身份识别号及其信号强度。无线通信单元负责通过接入通信网络SlOl从而和管理平台S102建立通信连接， 同时还可根据主控单元的控制指令上报一些无线网络参数，对于CDMA网络所述无线网络参数包括伪随机码相位偏置系数、导频激活集、导频候选集和导频相邻集，这些参数在无线通信模块接入CDMA网络时从网络侧获取。显示单元采用液晶显示屏向用户提供使用界面，以图文方式显示诸如无线网络名称、信号强度、电池剩余电量等LE工作状态和用户使用菜单。输入输出单元向用户提供键盘、耳麦、外接电源、扩展存储卡等输入输出功能模块。主控单元通过控制和数据接口连接其他功能单元，完成各单元的初始化、参数配置、工作状态监测控制，处理定位测量单元上报的测量结果并通过无线通信单元上报管理平台S102，同时通过无线通信单元接收并响应管理平台S102的管理指令。本领域的技术人员应该理解，一个完整意义的LE还应该包括电源、时钟、存储等通用的功能单元，为了叙述简洁，对于这些通用的功能单元不再一一描述，图2中也略去没有画出。在以下的LM实施例描述中也做同样处理。图3给出了 LM—个实施例的功能框图，其中无线传感单元采用短距离无线通信技术如ZigBee，配置成精简功能设备RFD，在探测到周围的无线传感网络节点时自动按照无线传感网络协议作为端节点接入无线传感网络；主控单元完成LM的初始化、参数配置、工作状态监测控制，通过本地配置端口预先配置并保存静态工作参数，如身份识别号ID-2和无线传感网络ID、节点ID、加密方式、密钥、工作模式等ZigBee网络参数，通过无线传感单元连接到无线传感网络并进而定时向上一级网络节点发送“心跳”消息，其中包括自身身份识别号ID-2、临近网络节点的信号强度及其节点ID、由自身剩余电量及本地告警等信息组成的工作状态报告等等。进一步地，主控单元可以连接一个本地告警按钮，当此按钮被按下时，主控单元立即向上一级网络节点发出“告警”消息，其中包括自身身份识别号ID-2、临近网络节点的信号强度及其节点ID等内容。对于上述自动组网的无线传感网络，其中的LE节点由定位管理平台在线指配为网关节点或路由节点。作为路由节点的LE接入网络后定时向上一级网络节点发送“心跳” 消息，其中包括自身身份识别号ID-1、临近网络节点的信号强度及其节点ID等信息，同时路由节点LE还向上级节点转发下级节点发来的消息；而作为网关节点的LE将采集到的该无线传感网络的状态信息定时上报给定位管理平台，所述无线传感网络的状态信息包括网络的拓扑结构、各节点观察到的临近节点信号强度、下属所有端节点LM上报的“心跳”消息和此状态报告的对应时间等信息。图4进一步给出了 LE的一种硬件实现方案，该方案采用美国高通公司的CDMA终端芯片解决方案实现主控单元和无线通信单元的功能，同时通过主芯片的异步串行接口 UART连接ZigBee模块实现无线传感单元功能，连接加速度传感器实现IMU单元功能。如图4所示，天线S401接收的CDMA信号经双工器送入RFL6000进行低噪声放大处理，然后经声表面波滤波器RxSAW滤波后送入RF接收模块RFR6000，RFR6000将接收信号解调至模拟基带后送入CDMA主芯片MSM6050的Rx ADC端口进行AD变换，将模拟基带信号转换成数字基带信号后再进行CDMA信号处理。天线S402接收的GPS卫星信号经过带通滤波后同样送入RF接收模块RFR6000，RFR6000将接收信号解调至模拟基带后送入MSM6050的Rx ADC端口进行AD变换，将模拟基带信号转换成数字基带信号后再进一步进行GPS信号解码处理。 MSM6050将需要发送的CDMA基带信号通过Tx DAC送入RF发送模块RFT6100，经变频调制后进行滤波TxSAW、功率放大PA处理，最后通过双工器将射频发送信号馈入天线S401发送出去。电源管理芯片PM6050负责LE内部的电源和时钟管理，包括电池管理，如供电、充电、 电量显示等；电源电压升压降压转换；背光照明管理；提供各芯片工作电源；RF接收、发送时钟管理、系统休眠时钟管理等等。MSM6050通过串行总线接口 SBI连接PM6050、RFR6000 和RFT6100，实现对上述芯片的控制管理。MSM6050内嵌有ARM7微处理器，可作为定位终端LE的主控单元使用。通过其并行数据总线、地址总线和存储器管理端口连接SDRAM和 FLASH作为LE的存储单元，连接液晶显示屏IXD作为显示单元。LE的输入按钮或键盘连接至MSM6050的GPIO接口，音频编解码器接口连接外围的音频电路，可提供音频输入输出功能。用户识别模块UIM(User Identity Model)卡电路可直接连接至MSM6050的UART接口。 实现IMU功能的加速度传感器输出信号经模数转换后输入MSM6050的GPIO接口，实现无线传感功能的ZigBee模块则通过串口连接至MSM6050的UART接口。MEMS传感器可选用美国模拟器件公司ANALOG DEVICES的加速度传感器ADXL335和陀螺仪ADXRS150，可实现X/Y/ Z三个轴向的加速度测量和角速度测量。ZigBee模块可选用美国TI公司的CC2431芯片实现，CC2431内嵌了 C8051微处理器、2. 4GHz符合IEEE802. 15. 4标准的射频收发信机、128KB FLASH,8KB RAM，通过在C8051中装载ZigBee协议栈实现ZigBee FFD设备功能。同样，选用美国TI公司的CC2431芯片再配以电源和时钟等外围电路就构成了 LM 的硬件实施方案，其内嵌的C8051微处理器装载ZigBee协议栈实现ZigBee精简功能设备 RFD。具体实现时，LE还可以通过在带GPS定位功能的普通商业手机上外加一个功能扩展单元来构成，如图5所示。其中功能扩展单元实现惯性测量IMU和ZigBee功能，通过手机的USB接口或者蓝牙接口或者红外接口和手机主控CPU通信，同时在手机中装载移动定位应用客户端软件和针对功能扩展单元的驱动软件。当然，此时ZigBee单元还需增加对外接口模块用以实现USB接口或者蓝牙接口或者红外接口功能。实际应用中，定位标识LM安装在需要定位跟踪的车辆或物品上，或者佩带在需要定位跟踪的人员身上，大多数情况下需要采用电池供电，小型化、低功耗设计显得尤为重要。定位终端LE则配置给相关行业管理人员、政府公务人员以及志愿者等等。当LE的数量足够大时，就可以随时随地将临近的LE和LM通过ZigBee自动组网并通过无线通信网络连接到定位管理平台。而定位管理平台则可以根据LE上报的信息对每一个活动的LE和LM 进行定位运算和位置跟踪。定位终端LE在安装新UIM卡后首次使用前需通过注册流程通过定位管理平台 S102的鉴权认证，获得合法性授权，具体步骤如图6所示S601:LE 加电启动；S602 =LE检测是否为未注册状态，如果为未注册状态则转到S603，否则结束该流程，转入登陆流程；
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S603 :LE通过无线通信单元接入通信网络SlOl，进而和定位管理平台S102建立通信连接；S603 =LE发送注册请求到定位管理平台S102，其中包括终端编号和UIM卡信息；S604 定位管理平台S102对LE信息进行校验，包括该定位终端编号是否符合规贝U、定位终端是否已经在平台登记、是否已经注销，如果校验出错，结束注册流程；S605 定位管理平台S102对UIM卡信息进行校验，包括UIM卡是否开通、状态是否可用，如果校验出错，结束注册流程；S606 定位管理平台S102对UIM卡和终端编号分别进行逻辑校验，检查该UIM卡是否已经和其它终端编号绑定，或者该终端编号是否已经和其它UIM卡绑定，如果存在上述绑定关系则解除原先的绑定。S607 定位管理平台S102根据验证结果向LE返回注册结果，下发接入密码，并创建终端编号与UIM卡的绑定关系；S608 终端变更自身注册状态为已注册。已经注册成功的定位终端LE在每次加电启动后还需要通过登陆流程验证终端和 UIM卡的合法性，确保终端能够正确地接入定位管理平台并顺利开展定位业务。定位管理平台S102通过向已登陆的定位终端LE下发配置参数来控制LE的定位策略。所述定位策略根据此LE申请的定位业务类别、LE的常规运动模式和LE的运算能力等因素确定，定位策略包括终端需定时测量和上报的定位参数、定时测量和上报的时间间隔、在运动状态突变时如何相应改变定位策略等内容。比如对于车载定位应用，定位管理平台S102预先记录了该车载定位终端所属车辆的正常行驶速度范围、日常活动范围等信息， 根据这些信息并结合定位跟踪精度要求以及LE节电需求可定义该LE的定位策略如下当 IUM测量的LE运动速率小于lm/s时，LE每10秒进行一次GPS测量并上报结果，每100毫秒采样并记录一次IUM测量结果但累计100次结果后上报(即每10秒上报一次)，每10分钟上报一次无线网络参数；当IUM测量的LE运动速率大于等于15m/s时，LE每秒种进行一次GPS测量并上报结果，每10毫秒采样并记录一次IUM测量结果但累计100次结果后上报 (即每秒上报一次)，每1分钟上报一次无线网络参数；当IUM测量的LE运动速率处于Im/ s至15m/s时，按照运动速率由低到高逐步减少LE定位测量和上报的时间间隔。采用这种定位策略，在两次测量上报期间LE的相关模块如定位测量、显示、主控、无线通信等可以采取休眠、关断外围电路电源等节电措施，显著降低LE的平均功耗，同时又保证定位管理平台及时获取足够的定位信息，保证对LE的定位和轨迹跟踪精度，确保定位服务质量。定位标识LM采用低功耗的ZigBee技术实现无线传感功能，其工作流程如图7所示1)定时触发或者紧急按钮被按下触发进入工作状态；2)首先检查是否还在原先的无线传感网络中，如果仍在原先的网络中，则跳过下
一步骤；3)搜索周围的无线传感网络，并按照预先设定的工作参数接入搜索到的无线传感网络；4)向上级节点发送如前所述的“心跳”或“告警”消息，报告自己的身份识别号、检测到的周围无线传感节点信号强度等信息；
5)进入休眠状态，直到下一次定时触发时刻或紧急按钮被按下后回到第一步。处于同一区域的多个LM和LE按照无线传感网络协议自动协商组成网状网络，其中LM处于端节点位置，LE处于路由节点或网关节点位置，网关节点将通过无线通信模块定时上报下属无线传感网络实时状态消息给定位管理平台。所述无线传感网络实时状态消息包括网络拓扑、各节点观察到的临近节点信号强度、下属所有端节点LM上报的“心跳”消息和此状态报告的对应时间等信息。如果网关节点收到下属LM节点的“告警”消息，则在第一时间即刻转发给定位管理平台。定位管理平台据此根据短距离无线实时定位技术RTLS 计算出相关LM相对与临近LE的方位，并进而得到这些LM的位置坐标。同时，定位管理平台还可据此进一步校正高定位精度LE周围的LE之位置坐标。定位终端LE也可以设置一个特定按钮用于紧急报警，当此特定按钮被按下后即进入告警状态，此时LE立即向定位管理平台S102发送告警消息，定位管理平台S102接收到告警消息后可以在跟踪该LE的运动轨迹的同时向该LE发起语音呼叫，LE对来自定位管理平台S102的呼叫自动应答，建立并保持此语音呼叫，然后由定位管理平台S102监听并记录从该LE传回的任何声音信息。显然，这些来自定位终端LE现场的声音信息有助于对LE 所处的紧急情况进行辨别和应急处理。上述定位终端LE和定位管理平台之间的业务流程中使用的交互消息由预先定义的承载在SMS、TCP或UDP之上的应用层接口协议封装，如图8所示。其中的TCP和UDP端口号作为可配置参数，可以预先配置或在线修改。定位终端LE和定位管理平台S102通过解析和响应来自对方的消息，完成注册、登陆鉴权、参数配置、定位信息上报和告警管理等功能。需要说明的是，以上仅以LE的注册流程详细说明了定位终端LE和定位管理平台S102 之间的交互过程，对于其它诸如登陆、参数配置、定位信息上报和告警等流程均可采用类似机理，在此不再一一赘述。对于LE第m次上报的定位信息，定位管理平台的处理流程如图9所示1)定位信息采集单元接收来自LE的定时上报消息，提取其中的定位信息，包括 GPS定位输出信息、IMU测量信息和无线网络参数；2)数据处理单元首先对定位信息进行预处理，为下一步定位运算做准备A)对于GPS定位输出信息(定位时间、经度、纬度、所用到的卫星数、高度、观察到的GNSS卫星数量及其编号、位置、信噪比、地面速率、地面航向、日期等信息)，需要对其进行置信度评估，具体做法如下定义GPS定位信息置信度C_L，它由GPS定位输出信息中的卫星数量N_S和卫星信号信噪比SNi, i = 1，2，. . . η按照下式计算得出，
权利要求
1.一种提供定位服务的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤a)至少一个定位终端LE和至少一个定位标识LM通过短距离无线链路自动组成无线传感网络；其中一个定位终端LE作为网关负责进行自身的定位测量并通过通信网络上报结果，通过无线传感网络采集该网络的状态信息并通过通信网络上报；其它定位终端LE作为子节点进行自身的定位测量的同时通过无线传感网络上报自身状态信息并转发来自临近节点的消息；定位标识LM作为子节点接入无线传感网络并报告自身状态信息；b)定位管理平台通过通信网络连接至少一个由定位终端LE和定位标识LM组成的无线传感网络，采集其中所有LE上报的定位测量信息，经过信息融合处理并结合数据库中的各 LE历史航迹信息确定各LE当前的位置和相关航迹，同时采集其中网关LE上报的无线传感网络状态信息，利用该信息对该无线传感网络中的LE进行定位校正并确定该无线传感网络中LM的位置坐标。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括定位管理平台授权第三方定位服务商LBS和定位服务用户LUE，使得他们可以通过通信网络连接定位管理平台，接收定位管理平台发布的位置服务信息，包括LM或LE即时位置信息、位置触发的告警和航迹。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述通信网络指能够提供广域覆盖的移动通信网络、有线宽带网络、无线宽带网络或者它们的组合，所述移动通信网络包括GSM 网络、GI3RS 网络、EDGE 网络、CDMA2000 Ix 网络、CDMA2000 EVDO 网络、WCDMA 网络、TD-SCDMA 网络以及基于上述移动网络的演进网络。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述LE包括定位测量单元，进一步包括GPS子单元和惯性测量子单元IMU，其中GPS子单元负责接收GPS信号并解码输出定位结果至主控单元，惯性测量单元子IMU，负责实时测量LE在三个坐标轴向的加速度和角速度，据此计算出LE的运动姿态、航向和航速并上报主控单元；无线传感单元，采用ZigBee短距离无线通信技术，利用配置成全功能设备FFD的 ZigBee模块存储LE的身份识别号ID-1，自动搜索并连接临近的无线传感节点；无线通信单元，负责接入通信网络与定位管理平台建立通信连接，根据主控单元的控制指令上报无线网络参数，对于CDMA网络所述无线网络参数包括伪随机码相位偏置系数、 导频激活集、导频候选集和导频相邻集；显示单元，负责向用户提供使用界面，以图文方式显示LE工作状态和用户使用菜单， 所述工作状态包括LE接入的无线网络名称、信号强度、电池剩余电量；输入输出单元，负责向用户提供输入输出功能，包括键盘、耳麦、外接电源和扩展存储卡；主控单元通过控制和数据接口连接其他功能单元，完成各单元的初始化、参数配置、工作状态监测控制，处理定位测量单元上报的测量结果并通过无线通信单元上报定位管理平台，同时通过无线通信单元接收并响应定位管理平台的管理指令。
5.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述LE包括一个具备GPS定位功能的手机和一个扩展功能单元；它们通过手机的外部接口连接，所述外部接口是USB接口、或者蓝牙接口、或者红外接口 ；所述扩展功能单元包括惯性测量IMU子单元，负责实时测量LE扩展功能单元在三个坐标轴向的加速度和角速度，据此计算出LE扩展功能单元的运动姿态、航向和航速并上报手机主控CPU ；无线传感子单元，采用ZigBee短距离无线通信技术，利用配置成全功能设备FFD的 ZigBee模块存储LE的身份识别号ID-1，自动搜索并连接临近的无线传感节点；接口子单元，负责通过USB接口、或者蓝牙接口、或者红外接口实现扩展功能单元和手机主控CPU的通信。
6.根据权利要求4或5任一项所述的方法，其特征在于，所述LE通过其无线传感单元连接临近的无线传感节点后，在定位管理平台的指配下工作于路由模式或网关模式；作为路由节点的LE定时通过无线传感网络报告自身状态消息，其中包括自身身份识别号ID-1、 临近网络节点的信号强度及其节点ID信息；作为网关节点的LE通过通信网络定时上报下属无线传感网络的实时状态消息，其中包括网络拓扑、各节点观察到的临近节点信号强度、 下属所有端节点LM上报的自身状态消息和此状态报告的对应时间信息。
7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，所述LM预先配置并存储唯一识别号ID-2用于标识自己的身份，LM进一步包括无线传感单元，采用ZigBee短距离无线通信技术，配置成ZigBee精简功能设备RFD，负责按照主控单元的指令定时接入临近无线传感网络并上报自身状态消息，所述自身状态消息包括自身身份识别号ID-2、临近ZigBee FFD节点的信号强度及其节点ID、自身剩余电量和本地告警信息；主控单元，通过控制和数据接口连接无线传感单元，完成其初始化、参数配置、工作状态监测控制，按照预先配置的参数定时触发无线传感单元接入临近无线传感网络并上报自身状态消息。
8.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，所述定位管理平台采用分布式、 模块化的架构，由一台服务器或多台服务器群组构成；其中包括信息采集发布单元，负责基于TCP/IP协议或短信SMS完成定位管理平台和LE、LUE以及LBS之间的通信，完成它们之间交互消息的封装与拆封；从LE的上报消息中提取LM的识别号、LE识别号、定位测量信息和无线传感网络状态信息并转交给数据处理单元；按照管理单元的指令向授权LBS和LUE发布LE位置信息；数据库单元，是多种逻辑数据库的综合，包括终端管理数据库TM_DB、用户管理数据库 CM_DB及业务数据库TF_DB，TM_DB存储终端管理数据，包括所有LE的识别号、LE的常规运动模式和当前运动模式、LE当前的姿态、LE的定位服务类别、LE配置的定位测量能力、LE 通过短距离无线技术识别LM的有效距离，以及LM的识别号、LM的常规运动模式和当前运动模式；CM_DB存储用户管理数据，包括LUE和LBS的识别号、鉴权认证信息、授权服务类别和等级；TF_DB存储的业务数据包括开展业务地区的数字地图、地物地貌信息、移动基站规划信息、LE历次上报的定位测量信息、LE历史位置信息、网关LE历次上报的无线传感网络状态信息和LM历史位置信息；数据处理单元，负责按照定位算法处理信息采集单元转交的LE定位测量数据，结合数据库单元记录的该LE历史运动轨迹、前一时刻运动模式和运动姿态以及LE所在区域的地理信息系统，确定该LE当前位置坐标、当前运动模式和运动姿态并记录结果；同时负责处理信息采集单元转交的网关LE上报的无线传感网络状态信息，首先对无线传感网络内各节点LE的定位结果置信度进行评估计算，将置信度高于标准值的LE作为校正源，然后结合短距离无线定位技术RTLS对各节点LE的位置坐标和相关航迹进行校正处理，并进而得到 LM节点的位置坐标；管理单元，负责管理所有LE、LM的注册、接入认证、工作状态监测统计、升级维护以及关联属性数据的更新，还负责管理LBS和LUE的业务开通、业务变更和业务使用记录。
9.根据权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于，所述LE进行的定位测量包括 GPS测量、惯性导航测量和无线网络参数测量；所述定位测量和结果上报根据定位策略定时触发，所述定位策略由定位管理平台根据LE申请的定位业务类别、LE的常规运动模式和 LE的运算能力预先确定并通过下发参数配置于LE中，定位策略包括LE需定时测量和上报的定位参数、定时测量的时间间隔和上报的时间间隔；所述时间间隔是和LE即时运动速度相关的一个动态变化量，其变化规律是速度越高时间间隔越小。
10.根据权利要求1-9任一项所述的方法，其特征在于，所述定位管理平台通过下述步骤处理LE上报的定位测量信息1)定位信息采集单元接收来自LE的定时上报消息，提取其中的定位信息，包括GPS定位测量信息、IMU测量信息和无线网络参数；2)数据处理单元首先对定位信息进行预处理，包括计算GPS定位数据置信度C_L，根据 IMU测量数据计算出本次上报数据中所包含的各采样时刻的LE即时速度矢量和航向，根据上报信息中包含的无线网络参数确定LE当前的服务基站和相邻基站；3)根据第2)步预处理所得数据，进行定位信息融合处理，获得可靠的LE位置坐标。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述定位管理平台处理LE上报的定位测量信息第2)步骤中的GPS定位数据置信度C_L通过下式计算
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述定位管理平台处理LE上报的定位测量信息第3)步骤中的定位信息融合处理包括(a)由卡尔曼(Kalman)滤波单元对GPS定位测量数据进行最优估计；(b)航位推算(Dead-Reckoning)单元使用IMU测量数据进行航位推算；(c)信息融合单元对(a)、(b)的结果进行信息融合处理当GPS定位信息置信度C_L < C_L0时，舍弃GPS定位信息，直接采用航位推算结果作为LE的定位结果，同时启动航位推算导航计时器T，当T > TO时，发出系统告警；否则对a)、b)输出信息进行Kalman滤波处理，获得LE位置信息最优估计；所述CJjci和TO为定位管理平台预先设定的门限值，并且可根据相应定位服务对精度的要求和实际使用效果随时修改；(d)使用LE周围区域的数字地图校正LE的位置坐标和航迹；(e)将LE的定位结果送到航位推算单元进行反馈校正，钳制航位推算随着时间积累的系统误差；更新定位管理平台数据库单元记录的LE历史运动速度、航迹和姿态数据。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述定位管理平台处理LE上报的定位测量信息第1)步骤中的无线网络参数包括伪随机码相位偏置系数、导频激活集、导频候选集和导频相邻集数据；根据这些无线网络参数通过检索数据库中预先存储的无线网络规划信息确定LE当前的服务基站和相邻基站；然后结合数字地图估计LE的大致位置，作为 LE定位的辅助信息。
14.根据权利要求1-13任一项所述的方法，其特征在于，所述定位管理平台通过下述步骤处理网关LE上报的无线传感网络实时状态信息A)检查该无线传感网络中所有LE的定位状态，比较它们的GPS定位信息置信度C_L， 选择其中置信度C_L > CJji的LE作为该无线传感网络的位置校正源，其中C^L1为定位管理平台预先设定的门限值，可根据相应定位服务对精度的要求和实际使用效果随时修改；B)检索数据库调出校正源LE的属性数据，包括其当前位置、其无线传感单元能够有效探测的距离和无线传感单元天线方向性参数等；C)根据网关LE上报的信息和校正源LE属性信息依次计算校正源LE临近的LE相对于校正源LE的距离，该计算可依据电波在自由空间的传播模型进行，然后通过三角测量技术得出临近LE在状态报告对应时间ts时刻的位置；D)检索数据库调出被校正LE最近的运动轨迹数据，对状态报告对应时间ts时刻的LE 位置进行校正，并重新基于其IMU历史数据通过航位推算更新ts时刻之后直到当前的LE 航迹，将校正和计算结果更新至数据库；E)按照步骤C)相同的方法计算获得该无线传感网络中LM的位置坐标。
全文摘要
本发明提供一种移动定位服务方法，首先由至少一个定位终端LE和至少一个定位标识LM通过短距离无线链路自动组成无线传感网络，其中一个LE作为网关采集并上报无线传感网络各节点的位置信息和状态信息；定位管理平台连接多个无线传感网络，根据其网关节点上报的信息计算确定并随时校正各LE和LM的位置；定位管理平台向授权第三方定位服务商LBS和个人用户LUE提供移动定位服务。本发明部署方便，可充分利用现有移动网络终端开展业务，LM功耗很低，有利于开展多种定位增值服务，特别有利于开展那些对定位终端有低功耗、隐蔽性要求的定位服务。
文档编号H04W24/10GK102469500SQ201010549668
公开日2012年5月23日 申请日期2010年11月18日 优先权日2010年11月18日
发明者胡乐乐 申请人:上海启电信息科技有限公司