本發(fā)明涉及一種定位技術(shù)，尤其涉及一種衛(wèi)星-WiFi飛行時(shí)間組合定位系統(tǒng)及其方法。

背景技術(shù)：

智能手機(jī)和移動(dòng)終端可以利用衛(wèi)星或者WiFi定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位和基于位置的服務(wù)，給人類帶來巨大方便。衛(wèi)星定位可以在室外達(dá)到比較高的精度。但是在室內(nèi)或者環(huán)境復(fù)雜的城市街道，衛(wèi)星定位變得不可靠，甚至不能使用。目前主流的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有美國的GPS系統(tǒng)，俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)和中國的北斗BDS系統(tǒng)，但是它們主要是室外開闊環(huán)境下的定位系統(tǒng)。對(duì)于多徑嚴(yán)重的場(chǎng)合，比如城市高樓林立的街道、高架橋下，就無法保證定位成功率和定位精度。即使使用多星座的組合定位，也無法完全解決多徑帶來的嚴(yán)重誤差。對(duì)于遮擋和室內(nèi)應(yīng)用場(chǎng)景，單一的衛(wèi)星定位技術(shù)不能滿足位置服務(wù)的基本要求。

WiFi定位是獨(dú)立于衛(wèi)星定位的一種技術(shù)。它有效距離較近。傳統(tǒng)的WiFi定位技術(shù)分為WiFi接入點(diǎn)的IP地址定位、使用RSSI(接受信號(hào)強(qiáng)度指示)定位技術(shù)和最新發(fā)展起來的信道狀態(tài)信息(channel state information，CSI)定位技術(shù)。其中利用IP地址定位已經(jīng)在手機(jī)地圖的到廣泛應(yīng)用，但其定位誤差較高，通常達(dá)到幾十米到幾百米。而RSSI定位相對(duì)精度高，在幾米到幾十米之間。但它受多徑和環(huán)境的影響嚴(yán)重，目前使用較少。改進(jìn)的RSSI方法使用RSSI的指紋信息建立數(shù)據(jù)庫。將定位終端測(cè)到的RSSI數(shù)據(jù)，通過服務(wù)器匹配到RSSI指紋上，實(shí)現(xiàn)亞米級(jí)的定位。但本技術(shù)采集RSSI指紋工作量大，而且容易受環(huán)境的影響，造成定位誤差。第三種WiFi定位方法是使用信道狀態(tài)信息的一種新技術(shù)。它有定位精度高，成本低的特點(diǎn)。本技術(shù)有望在未來幾年成為室內(nèi)定位主流技術(shù)。該技術(shù)利用跳頻(Frequency band hopping)，頻帶拼接(Stitching band)技術(shù)，測(cè)量WiFi飛行時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)單節(jié)點(diǎn)室內(nèi)高精度、亞米級(jí)定位。

基于CSI的WiFi定位技術(shù)通常是相對(duì)定位，定位結(jié)果是用戶與接入點(diǎn)的相對(duì)位置。而衛(wèi)星導(dǎo)航計(jì)算出來的通常是地球的地心地固坐標(biāo)系。在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景下，我們經(jīng)常需要組合定位。比如在城市高大建筑物遮擋下，衛(wèi)星定位系統(tǒng)可能只能看見3顆甚至更少的衛(wèi)星，而衛(wèi)星定位需要4顆以上的衛(wèi)星才能實(shí)現(xiàn)3維定位。因?yàn)樾枰獩Q定用戶的空間3維坐標(biāo)(x，y，z)和時(shí)間t這4個(gè)未知數(shù)，需要4個(gè)衛(wèi)星的偽距離測(cè)量方程。這時(shí)衛(wèi)星定位系統(tǒng)就不能只通過衛(wèi)星信號(hào)實(shí)現(xiàn)定位。如果移動(dòng)終端還可以測(cè)量一個(gè)WiFi接入點(diǎn)到用戶WiFi天線的飛行時(shí)間，定位系統(tǒng)就多了一個(gè)測(cè)量方程，但是WiFi定位需要至少3個(gè)測(cè)量方程，才能實(shí)現(xiàn)3維定位。所以在這個(gè)場(chǎng)景下，如果WiFi只能測(cè)量到2個(gè)或者更少的飛行時(shí)間，衛(wèi)星和WiFi都不能實(shí)現(xiàn)獨(dú)立定位。這樣的場(chǎng)景很多，比如高樓林立的城市環(huán)境、室外接近建筑物的地方、高架橋等復(fù)雜環(huán)境下。由于WiFi飛行時(shí)間測(cè)量方程和衛(wèi)星導(dǎo)航測(cè)量方程不兼容，衛(wèi)星導(dǎo)航和WiFi飛行時(shí)間方法都不能實(shí)現(xiàn)定位。

另外一種常用的應(yīng)用場(chǎng)景是穿越室外到室內(nèi)的導(dǎo)航定位。一架無人機(jī)從室外飛行到室內(nèi)，它在室外使用的衛(wèi)星導(dǎo)航會(huì)中斷，在室外導(dǎo)航切換到室內(nèi)導(dǎo)航這段時(shí)間里，無人機(jī)處于無導(dǎo)航的危險(xiǎn)狀態(tài)下。實(shí)際上在切換導(dǎo)航模式的時(shí)間里，部分衛(wèi)星導(dǎo)航和WiFi飛行時(shí)間導(dǎo)航測(cè)量是有效的。但是它們都不能實(shí)現(xiàn)獨(dú)立定位，而失去導(dǎo)航定位功能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，實(shí)現(xiàn)在衛(wèi)星或者WiFi都不能實(shí)現(xiàn)單獨(dú)定位的情況下，組合WiFi飛行時(shí)間測(cè)量和衛(wèi)星導(dǎo)航測(cè)量，實(shí)現(xiàn)高精度定位服務(wù)，無縫覆蓋室外、室內(nèi)和室內(nèi)到室外的復(fù)雜環(huán)境。本發(fā)明提出一種衛(wèi)星-WiFi飛行時(shí)間組合定位系統(tǒng)及其方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣的，一種衛(wèi)星-WiFi飛行時(shí)間組合定位系統(tǒng)，包括

至少一顆導(dǎo)航衛(wèi)星；

WiFi接入點(diǎn)，所述WiFi接入點(diǎn)具有信道信息測(cè)量功能，且包括至少一個(gè)MIMO天線元且存儲(chǔ)有每個(gè)MIMO天線元的地心地固坐標(biāo)；

移動(dòng)設(shè)備，所述移動(dòng)設(shè)備包括衛(wèi)星信號(hào)接收處理模塊和WiFi信號(hào)接收處理模塊；和

組合導(dǎo)航軟件；

其中導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)量和WiFi接入點(diǎn)的MIMO天線元數(shù)量之和不小于4，每個(gè)MIMO天線元通過跳頻進(jìn)行頻帶拼接解算該MIMO天線元與所述移動(dòng)設(shè)備之間的距離，所述移動(dòng)設(shè)備根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)接收處理模塊獲得的衛(wèi)星測(cè)量數(shù)據(jù)和WIFi信號(hào)接收處理模塊獲得的MIMO天線元測(cè)量數(shù)據(jù)及MIMO天線元地心地坐標(biāo)，所述組合導(dǎo)航軟件求解出所述移動(dòng)設(shè)備的位置。

進(jìn)一步地，所述導(dǎo)航衛(wèi)星為GPS系統(tǒng)衛(wèi)星、GLONASS系統(tǒng)衛(wèi)星或BDS系統(tǒng)衛(wèi)星。

更進(jìn)一步地，所述衛(wèi)星測(cè)量數(shù)據(jù)包括衛(wèi)星的偽距離、多普勒和載波相位數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步地，所述WiFi接入點(diǎn)的每個(gè)MIMO天線元的地心地固坐標(biāo)是通過預(yù)設(shè)方式或定標(biāo)方式設(shè)定的。

進(jìn)一步地，所述組合導(dǎo)航軟件求解所述移動(dòng)設(shè)備位置的方法包括但不限于最小二乘法和卡爾曼濾波器法。

進(jìn)一步地，所述移動(dòng)設(shè)備為移動(dòng)終端或智能手機(jī)。

本發(fā)明還提供一種衛(wèi)星-WiFi飛行時(shí)間組合定位方法，包括步驟

S1：移動(dòng)設(shè)備同時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)和WiFi信號(hào)，篩選出有效衛(wèi)星信號(hào)和WiFi信號(hào)，同時(shí)向WiFi接入點(diǎn)發(fā)送定位請(qǐng)求信息；

S2：WiFi接入點(diǎn)接收定位請(qǐng)求信息，其MIMO天線元采集信道信息，發(fā)送跳頻指令給所述移動(dòng)設(shè)備并啟動(dòng)跳頻；

S3：移動(dòng)設(shè)備接收跳頻指令，跳頻，對(duì)應(yīng)的MIMO天線元對(duì)跳頻后的頻率進(jìn)行信道信息采集；

S4：重復(fù)步驟S2-S3，采集各信道信息，進(jìn)行頻帶拼接，求出WiFi接入點(diǎn)和移動(dòng)設(shè)備之間的距離；

S5：WiFi接入點(diǎn)將對(duì)應(yīng)的MIMO天線元地心地坐標(biāo)發(fā)送到移動(dòng)設(shè)備，移動(dòng)設(shè)備根據(jù)衛(wèi)星測(cè)量數(shù)據(jù)和MIMO天線元測(cè)量數(shù)據(jù)及MIMO天線元地心地坐標(biāo)，求解出所述移動(dòng)設(shè)備的位置。

進(jìn)一步地，所述步驟S1前還包括步驟S0：用戶啟動(dòng)移動(dòng)設(shè)備和移動(dòng)設(shè)備的定位軟件，所述定位軟件的啟動(dòng)是通過用戶執(zhí)行或網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控進(jìn)行控制的。

進(jìn)一步地，所述步驟S4中WiFi接入點(diǎn)和移動(dòng)設(shè)備之間的距離是根據(jù)中國余數(shù)定理求出的。

本發(fā)明的有益效果在于，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明不需要對(duì)現(xiàn)有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和用戶接收設(shè)備進(jìn)行任何硬件改動(dòng)，也不需要對(duì)現(xiàn)有的WiFi設(shè)備進(jìn)行任何硬件改動(dòng)，只需要通過編寫軟件讀取兩者的信號(hào)信息，進(jìn)行軟件處理即可進(jìn)行組合解算，通過WiFi功能和衛(wèi)星導(dǎo)航功能有機(jī)結(jié)合，不僅大大提高復(fù)雜環(huán)境的定位準(zhǔn)確性，也能實(shí)現(xiàn)廣大移動(dòng)設(shè)備用戶的室內(nèi)外無縫組合定位的需求，服務(wù)人群廣泛和成本相對(duì)低的市場(chǎng)需求。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種衛(wèi)星-WiFi飛行時(shí)間組合定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明一種衛(wèi)星-WiFi飛行時(shí)間組合定位系統(tǒng)偽距坐標(biāo)圖。

圖3是本發(fā)明一種衛(wèi)星-WiFi飛行時(shí)間組合定位方法流程圖。

圖4是本發(fā)明一種衛(wèi)星-WiFi飛行時(shí)間組合定位方法工作流程圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

請(qǐng)參見圖1，本發(fā)明衛(wèi)星-WiFi飛行時(shí)間組合定位系統(tǒng)由三個(gè)獨(dú)立部分組成：移動(dòng)設(shè)備107,108,109、導(dǎo)航衛(wèi)星101,102,103和WiFi接入點(diǎn)104,105,106。首先用戶軟件啟動(dòng)定位要求，移動(dòng)設(shè)備開啟衛(wèi)星信號(hào)接收處理模塊，處理衛(wèi)星信號(hào)；同時(shí)移動(dòng)設(shè)備啟動(dòng)WiFi通信，發(fā)送WiFi定位要求給WiFi接入點(diǎn)。移動(dòng)設(shè)備會(huì)選取可用的導(dǎo)航衛(wèi)星和WiFi接入點(diǎn)。WiFi接入點(diǎn)啟動(dòng)信道狀態(tài)信息獲取軟件，開始進(jìn)行跳頻，采集不同頻點(diǎn)的信道狀態(tài)信息，再利用頻段拼接技術(shù)，計(jì)算WiFi接入點(diǎn)各個(gè)MIMO天線元到移動(dòng)設(shè)備的飛行時(shí)間。組合導(dǎo)航軟件根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)接收處理模塊測(cè)量的偽距離、多普勒和載波相位，結(jié)合WiFi的MIMO天線元的地心地坐標(biāo)和WiFi飛行時(shí)間的距離方程，得到移動(dòng)用戶的位置。其中衛(wèi)星信號(hào)和WiFi信號(hào)一般有室內(nèi)外信號(hào)交替過程110.因此本發(fā)明尤其適用于室內(nèi)外該室內(nèi)外交替場(chǎng)景。

其中WiFi飛行時(shí)間定位是采用跳頻技術(shù)，多頻合成寬帶WiFi工作頻點(diǎn)。由于WIFI的工作頻率是分布在2.4Ghz和5Ghz的非連續(xù)的頻率范圍，必須組合成一個(gè)寬的頻帶才能測(cè)量準(zhǔn)確的飛行時(shí)間。因此本發(fā)明借助跳頻技術(shù)，在短時(shí)間內(nèi)遍歷各個(gè)子頻點(diǎn)，通過讀取每個(gè)頻率的信道信息(這里主要是指相位信息)，得到各個(gè)頻率(相位)-飛行時(shí)間方程，并將這些頻率-飛行時(shí)間方程結(jié)合，組成方程組求解準(zhǔn)確飛行時(shí)間。各個(gè)頻段經(jīng)過頻帶拼接融合成比較大的頻寬，使得當(dāng)這個(gè)頻寬大于一定閥值的時(shí)候，找出精確的飛行時(shí)間，以用于WiFi定位。

WiFi信道狀態(tài)信息和飛行時(shí)間有如下關(guān)系：

其中τ代表WiFi信號(hào)的飛行時(shí)間、h代表信道載波相位，f代表WiFi頻率。由于飛行時(shí)間含有頻率倒數(shù)的模，單頻率方程式?jīng)]法計(jì)算出WiFi信號(hào)的飛行時(shí)間。采用頻段拼接(Band stitching)技術(shù)的目的即是為了得到多組時(shí)間-相位方程，將飛行時(shí)間求解出來。頻段拼接技術(shù)采用覆蓋2.4GHz和5GHz的多個(gè)通道，得到多個(gè)飛行時(shí)間方程，再利用中國余數(shù)定律計(jì)算出正確的飛行時(shí)間。

請(qǐng)參見圖2，當(dāng)定位系統(tǒng)可見衛(wèi)星為一顆時(shí)，可以得到一個(gè)衛(wèi)星的偽距離測(cè)量方程，WiFi接入點(diǎn)的MIMO天線元為三根可以得到三個(gè)測(cè)量方程；在這種情況下，WiFi飛行時(shí)間可以計(jì)算出用戶位置，而衛(wèi)星的偽距離方程可用于精確時(shí)間同步。當(dāng)定位系統(tǒng)可見衛(wèi)星為兩顆時(shí)，可以得到兩個(gè)衛(wèi)星的偽距離測(cè)量方程，WiFi接入點(diǎn)的MIMO天線元為兩根可以得到兩個(gè)個(gè)測(cè)量方程，這四個(gè)方程可用計(jì)算出用戶位置和用戶時(shí)間；

當(dāng)定位系統(tǒng)可見衛(wèi)星為三顆時(shí)(201,202,203)，可以得到三個(gè)衛(wèi)星的偽距離測(cè)量方程。同時(shí)，定位系統(tǒng)可以測(cè)量一個(gè)WiFi接入點(diǎn)204到用戶的飛行時(shí)間，這里也可以得到一個(gè)測(cè)量方程。這四個(gè)方程同樣可計(jì)算出用戶的三維位置和時(shí)間。

在衛(wèi)星或者WiFi不能實(shí)現(xiàn)單獨(dú)定位的情況下只要滿足n+m>3，由衛(wèi)星-WiFi組合可得到四個(gè)測(cè)量方程解算用戶坐標(biāo)，從而可以做到高精度組合定位。衛(wèi)星-WiFi組合定位、定時(shí)算法的本質(zhì)就是求解一個(gè)四元非線性方程組，其中移動(dòng)設(shè)備到衛(wèi)星的距離方程為：

移動(dòng)設(shè)備到MIMO天線元的距離方程為：

其中的每一個(gè)方程式對(duì)應(yīng)于一顆可見衛(wèi)星的偽距測(cè)量值或者是WiFi接入點(diǎn)所測(cè)的相應(yīng)偽距，在上述整個(gè)方程組中，各顆衛(wèi)星的位置坐標(biāo)值(x⁽ⁿ⁾，y⁽ⁿ⁾，z⁽ⁿ⁾)可依據(jù)它們各自播發(fā)的星歷計(jì)算獲得，誤差校正后的偽距則由移動(dòng)設(shè)備測(cè)量得到；WiFi接入點(diǎn)接入點(diǎn)發(fā)送自己每一個(gè)MIMO天線元的地心地固坐標(biāo)(x_id,y_id,z_id)給移動(dòng)設(shè)備得到相應(yīng)的偽距，因而方程組中只有剩下的移動(dòng)設(shè)備位置三個(gè)坐標(biāo)分量(x，y，z)和接收機(jī)時(shí)鐘差是所要求解的未知量。如果移動(dòng)設(shè)備滿足不小于四個(gè)測(cè)量方程，就可以根據(jù)利用最小二乘方法或者是卡爾曼濾波器求解聯(lián)立位置方程，從而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星-WiFi組合定位。

本發(fā)明提出的衛(wèi)星-WiFi飛行時(shí)間組合定位系統(tǒng)的坐標(biāo)系是采用統(tǒng)一坐標(biāo)系，即統(tǒng)一成地心地固坐標(biāo)系或者地理坐標(biāo)系，在一般的衛(wèi)星導(dǎo)航中，衛(wèi)星播發(fā)的軌道坐標(biāo)系是地心地固坐標(biāo)系，在一般的WiFi定位中，坐標(biāo)系通常是WiFi接入點(diǎn)的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系，這顯然與衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系不符。在組合計(jì)算時(shí)，為每個(gè)WIFi接入點(diǎn)內(nèi)置和衛(wèi)星坐標(biāo)系兼容的坐標(biāo)，這樣使得衛(wèi)星偽距離方程和WiFi飛行時(shí)間方程的坐標(biāo)系得到統(tǒng)一，方便的解算出用戶的坐標(biāo)。

請(qǐng)參見圖3和圖4，本發(fā)明一種衛(wèi)星-WiFi飛行時(shí)間組合定位方法包括步驟：移動(dòng)設(shè)備同時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)和WiFi信號(hào)，篩選出有效衛(wèi)星信號(hào)和WiFi信號(hào)，同時(shí)向WiFi接入點(diǎn)發(fā)送定位請(qǐng)求信息；

WiFi接入點(diǎn)接收定位請(qǐng)求信息，其MIMO天線元采集信道信息，發(fā)送跳頻指令給所述移動(dòng)設(shè)備并啟動(dòng)跳頻；

移動(dòng)設(shè)備接收跳頻指令，跳頻，對(duì)應(yīng)的MIMO天線元對(duì)跳頻后的頻率進(jìn)行信道信息采集；

重復(fù)步驟S2-S3，采集各信道信息，進(jìn)行頻帶拼接，求出WiFi接入點(diǎn)和移動(dòng)設(shè)備之間的距離；

WiFi接入點(diǎn)將對(duì)應(yīng)的MIMO天線元地心地坐標(biāo)發(fā)送到移動(dòng)設(shè)備，移動(dòng)設(shè)備根據(jù)衛(wèi)星測(cè)量數(shù)據(jù)和MIMO天線元測(cè)量數(shù)據(jù)及MIMO天線元地心地坐標(biāo)，求解出所述移動(dòng)設(shè)備的位置。

以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。