实时定位方法及定位服务器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种实时定位方法及定位服务器，所述定位方法包括：获取访问接入点发送的第一信号的信号强度与方向信息，其中，所述第一信号的信号强度与方向信息为欲定位终端发送至访问接入点的定位信号；在定位服务器的校准信息中查找，若存在与所述第一信号的方向及信号强度相同或最接近的第二信号的方向及信号强度；则获取与第二信号的方向、信号强度相关联的位置信息，其中，所述第一信号的方向和第二信号的方向为欲定位终端发送或接收信号时的方向；向接收方发送所述位置信息，完成预定位终端的定位。通过上述方式，能够提高定位的准确性。
【专利说明】实时定位方法及定位服务器
【技术领域】
[0001]本发明涉及定位【技术领域】，特别是涉及一种实时定位方法及定位服务器。
【背景技术】
[0002]随着无线局域网的普及，室内的实时定位系统(real time location system,RTLS)在近几年来变得流行。它的应用前景十分广泛，涉及到各个行业。如:可应用于在医院内定位医务人员或者设备，可应用于在仓库定位储存的产品，还可应用于在一栋大楼内定位贵重物品。
[0003]各种利用无线局域网的定位技术被用来进行室内定位，根据定位方法的不同，现有主要技术有到达时间(time of arrival, T0A)、到达时间差(time difference ofarrival,TD0A)和基于接收的信号强度(received signal strength,RSS)的定位技术。发明人经过长期研究发现，以上三种定位技术均存在不同技术缺陷，如下描述:
[0004]TOA定位技术需要测量出发射节点到目标的传播时间，根据已知的信号传播速度和测量到的传播时间，计算出距离，得到目标的位置。具体实现方案如下:
[0005]为了定位到目标的位置，TOA定位方法需要得到至少3个发射节点到目标的距离，在已知信号传播速度的情况下，测量某个发射节点到达目标所需要的时间，可计算出从该发射节点到达目标的距离。如图1所示，三个发射节点PU P2和P3其分别到达目标的距离为D1、D2和D3。在计算出至少三个距离之后，最直观的确定目标位置的方法是求以发射点为圆心，以距离为半径的三个圆的交点。如图所示，交点为T，即该交点T就是目标的位置。除了这种几何算法，还有其他基于TOA的算法来确定目标的位置，如:CN(closest-neighbor)和残差加权(residual weighting, RffGH)等。
[0006]对于TOA定位方法，其存在的缺陷为:时间同步要求高，即需要所有的发射和接收节点保持精确的时间同步。因此，需要较高的功耗和硬件配置。在室内的环境下，无线电的传播存在多径效应，很难找到从发射节点到目标的瞄准线，因此，定位精度会有所降低。
[0007]对于TDOA定位技术，则主要是由两个发射节点同时发送信号，通过测量出两信号到达目标的时间差来计算距离。具体实现方案如下:
[0008]TDOA通过测量不同发射节点的无线电信号到达被定位目标的时间差，来对目标进行定位。根据已知的传播速度，直接把时间差转化为距离差。如图2所示，发射节点Pl和P2到目标T的距离差为Pu时，目标T的位置会在以PU P2为焦点、与两焦点距离差为常数Pu的双曲线上。发射节点Pl和P3到目标T的距离差为P2,3时，目标T的位置会在以以P2、P3为焦点、与两焦点距离差为常数P2，3的双曲线上。通过两组或者多组双曲线相交，可以估算出目标的位置，如图2所示，由于距离差应当为正值，所以多组双曲线的交点应当落在X正半轴区间的曲线上，交点T符合要求，因此，T为目标位置。
[0009]对于TDOA定位技术，其存在的缺陷为:TD0A定位技术虽不像TOA定位技术那样需要对所有节点进行全局的时钟同步，但仍需要对发射节点进行时钟同步，同样，对硬件和功耗的要求高，成本大。信号的多径传播和阴影效应使得精度提高受到限制。[0010]而基于RSS的定位技术的原理则是利用信号在传播过程中会出现衰减的规律，根据理论的和经验的信号衰减模型将传输损耗转化为距离。如:如图3所示，已知发射节点P1、P2和P3发射的信号强度，测量出目标T处的信号强度，根据信号的衰减值计算出发射节点与目标的距离，从而确定出被定位目标的位置。在室内环境中，由于多径传播和障碍物，信号强度往往随着环境发生变化，导致定位精度降低。
【发明内容】
[0011]本发明实施例提供一种实时定位方法及定位装置，能够利用基于接收的信号强度的定位技术进行定位，同时在实时定位过程中降低环境对接收信号强度的影响，提高定位精度。
[0012]—方面提供一种实时定位方法，包括:获取访问接入点发送的第一信号的信号强度与方向信息，其中，第一信号的信号强度与方向信息为欲定位终端发送至访问接入点的定位信号；在校准信息中查找与第一信号的方向相同或最接近的第二信号的方向，校准信息包括预先测量的多组方向、信号强度以及位置之间的关联关系数据，其中，第一信号的方向和第二信号的方向为欲定位终端发送或接收信号时的方向；若查找得到校准信息中存在与第一信号的方向相同或最接近的第二信号的方向，则在校准信息中选取查找得到的与第二信号的方向关联的信号强度；若选取得到的与第二信号的方向关联的信号强度与第一信号的信号强度相同或最接近，则获取与第二信号的方向、信号强度相关联的位置信息；向接收方发送位置信息，完成预定位终端的定位。
[0013]另一个方面提供一种实时定位装置，包括:第一获取模块，用于获取访问接入点发送的第一信号的信号强度与方向信息，其中，第一信号的信号强度与方向信息为欲定位终端发送至访问接入点的定位信号；查找模块，用于在校准信息中查找与第一信号的方向相同或最接近的第二信号的方向，校准信息包括预先测量的多组方向、信号强度以及位置之间的关联关系数据，其中，第一信号的方向和第二信号的方向为欲定位终端发送或接收信号时的方向；选取模块，用于在查找模块查找得到校准信息中存在与第一信号的方向相同或最接近的第二信号的方向时，在校准信息中选取查找得到的与第二信号的方向关联的信号强度；第二获取模块，用于在选取模块选取得到的与第二信号的方向关联的信号强度与第一信号的信号强度相同或最接近时，获取与第二信号的方向、信号强度相关联的位置信息；发送模块，用于向接收方发送位置信息，完成预定位终端的定位。
[0014]区别于现有技术的情况，本发明实施例针对基于接收的信号强度的定位技术进行定位时，易受环境影响的特点，在实时定位前，首先将包括预先测量的多组方向、信号强度以及位置之间的关联关系数据的校准信息存储于定位服务器中。在实时定位时，定位服务器获取访问接入点发送的第一信号的信号强度与方向信息，其中，第一信号的信号强度与方向信息为欲定位终端发送。然后将第一信号的信号强度与方向信息与校准信息进行指纹比对，若校准信息中存在与第一信号的方向信息与信号强度相同或最接近的第二信号的方向信息与信号强度，则获取与第二信号的方向、信号强度相关联的位置信息，获取的位置信息为欲定位终端的位置坐标，并将该位置信息发送至接收方，完成欲定位终端的定位。其中，第一信号的方向和第二信号的方向为欲定位终端发送或接收信号时的方向。通过上述方式，能够利用基于接收的信号强度的定位技术进行定位，同时在实时定位过程中降低环境对接收信号强度的影响。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是现有技术一种到达时间定位技术的示意图；
[0016]图2是现有技术一种到达时间差定位技术的示意图；
[0017]图3是现有技术一种接收信号强度定位技术的示意图；
[0018]图4是本发明实时定位系统一实施例的网络结构示意图；
[0019]图5是图4所示定位系统的系统框图；
[0020]图6是本发明实时定位方法一实施例的流程示意图；
[0021]图7是本发明实时定位装置一实施例的结构示意图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
[0023]由于TOA和TDOA定位技术对时钟同步要求高，因此不适合室内低成本、低功耗的定位。本发明实施例采用测量信号强度的方案，即RSS的定位技术来进行定位，同时对RSS定位技术易受环境变化和室内多径效应的影响，这一缺陷进行改善，降低环境影响，消除接收的信号强度指示(received signal strength indication, RSSI)的测量误差,提高定位的准确性。
[0024]如图4所示，图4是本发明实时定位系统一实施例的网络结构示意图，在本实施例中，实时定位系统包括:定位服务器41、访问接入点(access point, AP) 42、欲定位终端43以及交换机44。
[0025]其中，实时定位系统还包括:定位显示终端45。
[0026]其中，访问接入点42的数量为三个或三个以上；欲定位终端43为配置有陀螺仪的移动终端；可利用以太网集线器来替换交换机44。
[0027]其中，陀螺仪又叫角速度传感器，测量的物理量是偏转，即倾斜时的转动角速度。
[0028]实时定位系统的操作流程为，首先定位服务器41与访问接入点42通过交换机44或以太网集线器组成局域网，然后欲定位终端43在局域网范围内通过访问接入点42访问定位服务器41。定位服务器41根据访问接入点42采集的欲定位终端43发送的的信号强度信息，对欲定位终端43进行定位，并将位置信息发送至定位服务器45，供用户查询。
[0029]在本实施例中，IEEE 802.11是无线局域网最权威的标准，本实施例在遵循802.11协议的无线局域网(wireless local area networks, WLAN)中，利用了室内已有的WLAN设备来进行定位。系统中各部分的连接方式为，多个访问接入点42通过交换机44与定位服务器41通过有线的方式相连，欲定位终端43以无线的方式通过访问接入点42访问网络，定位显示终端45以有线或无线的方式与定位服务器41相连。
[0030]定位系统各部分的功能为，定位服务器41用于存储校准信息，以及运行定位算法得出被定位设备的位置信息。定位显示终端45是PC机或者其它可以接入无线局域网的便携设备，用来访问定位服务器41，查看到定位的结果。欲定位终端43在定位系统中是需要定位的设备，可以是定制的标签(tag)、便携机或WIFI手机等。定位系统可以定位人或者物品的位置，人只需携带移动终端等，物品上只需安放tag等，就可以通过定位系统来进行定位。
[0031]本发明实施例是基于RSS的指纹定位，包括场测和实时定位两个阶段。具体定位方式如图5所示，图5为图4所示定位系统的系统框图，如图所示，定位服务器41包括:校准单元411、数据库412、定位引擎413以及数据处理与滤波单元414。
[0032]图5所示定位系统的定位过程为，在场测阶段，进行场测获取场测数据，如RSSI信息等，将获得场测数据记录到文件中，再将文件中的场测数据存储于定位服务器41的数据库412中，其中，文件可以是可扩展语言文件(Extensible Markup Language, XML),定位服务器41中的校准单元411对场测数据进行校准，获得校准后的RSSI信息(RSSI概率模型)，此时指纹库被建立。
[0033]在实时定位阶段，定位服务器41通过无线局域网实时地获取RSSI信息，并对实时获得的数据通过数据处理与滤波单元414进行处理和滤波，定位引擎413将处理和滤波后的数据与指纹库中的RSSI信息进行比对，计算出欲定位终端43的位置，并将位置信息记录到数据库412中。
[0034]用户在定位显示终端45上通过网页提交查询位置的请求或者其他事件后，定位服务器41响应请求，查询数据库412，并将查询结果返回到定位显示终端45上，供用户查看。
[0035]其中，在实时定位阶段，当定位服务器41通过无线局域网实时地获取RSSI信息后，校准单元411从数据库412中调取场测数据并进行校准，建立指纹库，然后将校准后信息发送至定位引擎413，定位引擎413估算出位置信息后，将位置信息存入数据库412。
[0036]也可以是在实时定位阶段，当定位服务器41通过无线局域网实时地获取RSSI信息后，校准单元411将已构建好的指纹库中的信息发送至定位引擎413，定位引擎413估算出位置信息后，将位置坐标存入数据库412。
[0037]具体的定位方法，请参阅图6。图6是本发明实时定位方法一实施例的流程示意图，本实施例的实时定位方法包括以下步骤:
[0038]步骤601,获取访问接入点发送的第一信号的信号强度与方向信息,其中，第一信号的信号强度与方向信息为欲定位终端发送至访问接入点的定位信号；
[0039]在实时定位阶段，访问接入点采集欲定位终端的信号强度信息，在本实施例中，采用上行定位的方式，具体流程如下:
[0040]A.欲定位终端定时发送探查请求(probe request)；
[0041]欲定位终端发送probe request的作用为，根据802.11协议,利用probe request帧来扫描所在区域内的802.11网络。
[0042]其中，probe request的发送周期取决于欲定位终端。欲定位终端上设置有陀螺仪，陀螺仪能够测量出欲定位终端的方向信息，欲定位终端将测量出的方向信息发送至定位服务器。
[0043]B.与欲定位终端在同一局域网内的AP检测接收到的probe request的信号强度；
[0044]C.AP将检测到的信号强度及与之相对应的AP标志发送至定位服务器。
[0045]其中，要确定欲定位终端的位置，需要三个或三个以上的AP向定位服务器发送其检测到的信号强度。[0046]步骤602，在校准信息中查找与第一信号的方向相同或最接近的第二信号的方向，校准信息包括预先测量的多组方向、信号强度以及位置之间的关联关系数据，其中，第一信号的方向和第二信号的方向为欲定位终端发送或接收信号时的方向；
[0047]其中，校准信息的获取过程如下:
[0048]A.选择需要定位的区域中的多个测量点并利用终端进行场测，获得场测数据，场测数据包括测量点的位置坐标、终端接收第二信息的信号强度及第二信号的方向信息；
[0049]B.将获得的场测数据存储于定位服务器的数据库中；
[0050]C.对存储于数据库中的场测数据进行校准，以获取校准信息。
[0051]如上所述，场测数据的具体获取方式为:
[0052]在本实施例中，校准信息的产生采用下行校准的方式，其流程为:
[0053]A.AP 发送信标(beacon)；
[0054]根据802.11协议的规定，AP会周期性向其所在局域网区域内的所有终端发送beacon 中贞。
[0055]B.在需要定位的区域，即AP所覆盖的区域，选择特定的测量点，并记录该地点的位置，即位置坐标信息；
[0056]特定测量点为用户的随机选择，为获得较好的测量效果，特定测量点的分布应比较均匀。
[0057]C.在特定的测量点利用 欲定位终端检测AP发送的下行信号beacon帧的信号强度，并通过陀螺仪测量出AP发送的下行信号的方向信息；
[0058]其中，在某一特定测量点，欲定位终端可以在某个特定方向上，测量多次，获得一组信号强度和方向信息。
[0059]其中，在某一特定测量点，欲定位终端可旋转自身的方向，获得多组信号强度和方向信息。以实现对每个AP多个方向上的测量。
[0060]D.欲定位终端将测量点的位置坐标信息，测量的信号强度及方向信息存储至XML文件中；
[0061]XML文件包括多个测量点下的位置坐标信息，测量的信号强度及方向信息，以及同一测量点下的多个方向的信号强度和方向信息。
[0062]E.将XML文件导入定位服务器的数据库中。
[0063]步骤603，若查找得到校准信息中存在与第一信号的方向相同或最接近的第二信号的方向，则在校准信息中选取查找得到的与第二信号的方向关联的信号强度；
[0064]在校准阶段指纹库里记录了对于每个AP多个方向上的校准RSSI信息，如表1所示，测量了 n个AP在n个角度下的RSSI信息，校准RSSI信息用集合Rii (i G Z, i>0)来表
示，方向用集合A= I^1, P2, 03，......Pn}。在实时定位阶段，定位服务器会从欲定位终
端得到方向信息，并且从指纹库中选取合适的方向上的校准RSSI信息进行对比，计算出终端的位置坐标。
[0065]选取哪个方向上的校准RSSI信息分为两种情况，一种情况是在表1所示方向集合A中搜索到与欲定位终端相同的方向，如表2中的终端I的方向角度为a，在集合A中发现^的值与a相等，则在进行比对时，选取P1角度下的校准RSSI信息进行比对。
【权利要求】
1.一种实时定位方法，其特征在于，包括: 获取访问接入点发送的第一信号的信号强度与方向信息，其中，所述第一信号的信号强度与方向信息为欲定位终端发送至访问接入点的定位信号； 在校准信息中查找与所述第一信号的方向相同或最接近的第二信号的方向，所述校准信息包括预先测量的多组方向、信号强度以及位置之间的关联关系数据，其中，所述第一信号的方向和第二信号的方向为欲定位终端发送或接收信号时的方向； 若查找得到所述校准信息中存在与第一信号的方向相同或最接近的第二信号的方向，则在所述校准信息中选取查找得到的与第二信号的方向关联的信号强度； 若选取得到的与第二信号的方向关联的信号强度与第一信号的信号强度相同或最接近，则获取与所述第二信号的方向、信号强度相关联的位置信息； 向接收方发送所述位置信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于: 所述校准信息的获取步骤包括: 获取来自终端的场测数据，所述场测数据包括所述测量点的位置坐标、终端接收第二信息的信号强度及第二信号的方向信息，并且由选择需要定位的区域中的多个测量点并利用终端进行场测而获得； 将获得的场测数据存储于数据库中； 对存储于数据库中的场测数据进行校准，以获取校准信息。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于: 所述将获得的场测数据存储于数据库中的步骤具体是指:将获得的场测数据记录到文件中，再将所述文件里的场测数据存储于数据库中，其中，所述文件可以是可扩展语言文件。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于: 所述场测数据包括每个测量点处终端在多个方向上检测到的下行信号的信号强度、相应方向以及测量点处位置信息。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于: 所述获取访问接入点发送的第一信号的信号强度与方向信息的步骤具体是指:接收来自所述至少三个访问接入点的标志及其所检测得到的上行信号的信号强度信息，以及获取来自所述欲定位终端的方向信息，所述上行信号是至少三个访问接入点分别接收的欲定位终端的上行信号。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于: 所述获取访问接入点发送的第一信号的信号强度与方向信息的步骤具体是指:接收欲定位终端所检测到至少三个访问接入点的下行信号的信号强度信息及相应的方向信息。
7.—种定位服务器，其特征在于，包括: 第一获取模块，用于获取访问接入点发送的第一信号的信号强度与方向信息，其中，所述第一信号的信号强度与方向信息为欲定位终端发送至访问接入点的定位信号； 查找模块，用于在校准信息中查找与所述第一信号的方向相同或最接近的第二信号的方向，所述校准信息包括预先测量的多组方向、信号强度以及位置之间的关联关系数据，其中，所述第一信号的方向和第二信号的方向为欲定位终端发送或接收信号时的方向；选取模块，用于在所述查找模块查找得到所述校准信息中存在与第一信号的方向相同或最接近的第二信号的方向时，在所述校准信息中选取查找得到的与第二信号的方向关联的信号强度； 第二获取模块，用于在所述选取模块选取得到的与第二信号的方向关联的信号强度与第一信号的信号强度相同或最接近时，获取与所述第二信号的方向、信号强度相关联的位置信息； 发送模块，用于向接收方发送所述位置信息，完成预定位终端的定位。
8.根据权利要求7所述的定位服务器，其特征在于，所述定位服务器包括: 接收模块，用于获取来自终端的场测数据，所述场测数据包括所述测量点的位置坐标、终端接收第二信息的信号强度及第二信号的方向信息，并且由选择需要定位的区域中的多个测量点并利用终端进行场测而获得； 存储模块，用于将获得的场测数据存储于数据库中； 校准模块，用于对存储于数据库中的场测数据进行校准，以获取校准信息。
9.根据权利要求8所述的定位服务器，其特征在于: 所述存储模块具体用于将获得的场测数据记录到文件中，再将所述文件里的场测数据存储于数据库中，其中，所述文件可以是可扩展语言文件。
10.根据权利要求8所述的定位服务器，其特征在于: 所述场测数据包括每个测量点处终端在多个方向上检测到的下行信号的信号强度、相应方向以及测量点处位置信息。
11.根据权利要求7所述的定位服务器，其特征在于: 所述第一获取模块具体用于接收来自所述至少三个访问接入点的标志及其所检测得到的上行信号的信号强度信息，以及获取来自所述欲定位终端的方向信息，所述上行信号是至少三个访问接入点分别接收的欲定位终端的上行信号。
12.根据权利要求7所述的定位服务器，其特征在于: 所述第一获取模块具体用于接收欲定位终端所检测到至少三个访问接入点的下行信号的信号强度信息及相应的方向信息 。
【文档编号】H04W64/00GK103517407SQ201210218756
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2012年6月28日 优先权日:2012年6月28日
【发明者】张军平, 蒋文婷 申请人:华为技术有限公司