一种移动定位服务方法

专利名称：一种移动定位服务方法
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、惯性导航技术以及无线通信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高都已开通了移动定位业务。移动定位服务大致分为以下几种类型。公共安全业务主要是为拨打紧急呼叫电话的用户定位，以方便公共安全部门为其提供迅速、准确的救援服务。此类业务的主要代表是美国的移动911紧急呼叫服务。跟踪业务提供对人员、车辆等可移动目标的跟踪服务，允许用户定期或按需要查询目标的位置。具体的应用有儿童和老人监护、宠物追踪、车辆防盗、物流及出租车队调度
与管理等。基于位置的个性化信息服务为用户提供与其当前所处位置相关的综合信息服务，例如为旅游者提供当地的交通状况、天气预报、旅游指南等分类信息，帮助其查找附近的酒店、停车场、娱乐场所等。导航服务为用户提供由当前位置到目的地的引导服务，例如针对旅行者的路线规划服务和行程中的引导服务(提供转向提示、到达通知等)。所有这些移动定位服务都是基于定位技术实现的，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
5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GPSONE。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。美国专利US20080091351提出一种利用MEMS器件构成的惯性系统调整汽车GPS 导航精度的方法和系统。系统中集成了由MEMS器件构成的惯性测量单元IMU、GPS接收机单元和Kalman滤波单元，在GPS接收机因为多经信号影响导致定位精度下降时，该专利提出的方法能够利用IMU测量数据改善系统的导航精度。不过该专利提供的方法和系统适用于车载导航应用，并不满足公共安全领域应用时的微型化、隐蔽性和低功耗要求。美国专利US20080143596提出一种利用MEMS器件测试手机三维移动速度进而为
6GPS定位计算提供辅助信息，这样在GPS信号不够理想无法捕获足够GPS卫星信号时仍然可以实现手机定位。但是该专利并未涉及具体的基于位置信息的定位服务以及满足定位服务需求所涉及的技术解决方案。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。因此，市场需要一种能够提供可靠的定位信息并基于定位信息提供增值服务的移动定位服务方法，并且其中的定位终端要满足低功耗、小型化和隐蔽性需求。

发明内容
本发明提出一种提供定位服务的方法，包括以下步骤a)定位管理平台经由通信网络连接至少一个定位终端LE和至少一个定位信标 LIU ；b)定位管理平台接收定位终端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LE历史轨迹信息确定LE当前的位置和相关航迹；c)定位管理平台接收定位信标LIU上报的LE探测信息，利用该信息校正相关LE 的航迹。所述方法进一步包括定位管理平台经由通信网络连接经授权的第三方定位服务商LBS和定位服务用户LUE，向LBS和LUE发布位置服务信息，所述位置服务信息包括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-S⑶MA网络以及基于上述移动网络的演进网络。所述LE包括GPS单元、无线传感单元、惯性测量单元IMU、无线通信单元和主控单元。所述LIU包括无线传感单元、通信单元和主控单元。而定位管理平台则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根据定位策略定时触发定位测量和结果上报，定位测量包括GPS测量、惯性导航测量和无线网络参数测量。定位策略包括LE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；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；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。在两次定位测量和结果上报期间LE进入休眠状态并关断外围电路电源。
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。其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。GPS定位数据置信度C_L通过下式计算
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A)定位管理平台经由通信网络连接至少一个定位终端LE和至少一个定位信标LIU；B)定位管理平台接收定位终端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LE历史轨迹信息确定LE当前的位置和相关航迹；C)定位管理平台接收定位信标LIU上报的LE探测信息，利用该信息校正相关LE的航迹。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括定位管理平台经由通信网络连接经授权的第三方定位服务商LBS和定位服务用户LUE，向LBS和LUE发布位置服务信息，所述位置服务信息包括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、GPRS 网络、EDGE 网络、CDMA20001x 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GPS单元，负责接收GPS信号并解码输出定位结果至主控单元；无线传感单元，采用短距离无线通信技术，利用RFID标签或者配置成精简功能设备 RFD的ZigBee模块存储LE的身份识别号ID-1 ；惯性测量单元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；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GPS单元、IMU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1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述LIU预先配置并存储唯一识别号ID-2，用于和定位管理平台交互消息时标识自己的身份，LIU进一步包括无线传感单元，采用RFID或ZigBee短距离无线通信技术，配置成RFID读取器或配置成ZigBee全功能设备FFD，其探测范围可通过调节其无线发射功率和配套天线来调整；负责自动探测进入其探测范围的LE并自动读取LE识别号且报告主控单元；通信单元，负责通过有线或无线的方式接入通信网络，进而和定位管理平台建立通信连接；主控单元，通过控制和数据接口连接无线传感单元和通信单元，完成各单元的初始化、 参数配置、工作状态监测控制，接收无线传感单元报告的LE探测结果并通过通信单元上报定位管理平台，同时通过通信单元接收并响应定位管理平台的指令。
6.根据权利要求1-5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、LIU、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；负责从LE的上报消息中提取LE识别号、定位测量信息并转交给数据处理单元，从LIU上报的消息中提取LE的识别号、 LE信息识别时间和LIU识别号信息并转交数据处理单元；负责按照管理单元的指令向授权 LBS和LUE发布LE定位服务信息；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，以及LIU的识别号、LIU部署位置的坐标信息、LIU识别LE的距离；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；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、LIU历次上报的LE识别信息；数据处理单元，负责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LIU上报信息，查询数据库中该LIU的关联信息并结合这些信息及时校正LE当前位置坐标；管理单元，负责管理所有LE、LIU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。
7.根据权利要求1-6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；在两次定位测量和结果上报期间LE进入休眠状态并关断外围电路电源。
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。
9.根据权利要求8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
10.根据权利要求8或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。
11.根据权利要求8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。
12.根据权利要求1-11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LIU上报的LE探测信息A)收到来自LIU的LE探测消息后根据LIU上报的LE识别号ID-I触发进入相关LE的定位更新流程；B)根据LIU的识别号ID-2检索数据库调出该LIU的属性数据，包括部署位置，能够有效探测LE的距离和无线传感单元天线方向性参数；C)根据LIU上报的LE无线传感单元信号强度和LIU无线传感单元天线方向性参数计算LE对于该LIU的相对方位，然后通过LIU部署位置信息得出LE在被LIU探测到的时刻 ts时的位置；D)检索数据库调出该LE最近的运动轨迹数据，对LIU上报的探测时间ts时刻的LE位置进行校正，并重新基于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。
全文摘要
本发明提供一种定位服务方法，首先定位管理平台通过通信网络连接多个LE和LIU，其中LE具备定位测量、无线传感和通信功能，LIU具备无线传感和通信功能；LE定时将定位测量数据上报定位管理平台，由管理平台通过信息融合技术获得LE位置的最优估计；当LE接近至LIU无线传感单元探测范围时可被自动识别，其中的识别号ID-1被LIU自动读取并上报给定位管理平台，管理平台据此校正对应LE的位置数据。应用本发明方法，可大大简化LE的数据处理，降低其功耗，有利于开展多种定位增值服务，特别有利于开展那些对LE有低功耗、隐蔽性要求的定位服务。
文档编号G01S5/02GK102223596SQ20101014777
公开日2011年10月19日 申请日期2010年4月15日 优先权日2010年4月15日
发明者胡乐乐 申请人:上海启电信息科技有限公司