集成卫星导航与蓝牙技术的室内外无缝定位系统及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及导航定位或位置服务技术领域，特别是一种集成卫星导航与蓝牙技术 的室内外无缝定位系统及其方法。
【背景技术】
[0002] 随着GPS、北斗、GLONASS等全球卫星导航定位系统的日益成熟，人们享受到了快 速、准确的定位服务，一大批专业应用也得以快速发展壮大，如交通导航、野外测量、导弹制 导等。然而受制于卫星定位技术的局限性，GPS、北斗等定位技术无法有效应用到室内场景 中。在大型建筑物内部，受水泥墙体的遮挡等影响，GPS信号将急剧减弱以至无法实现定 位。随着室内商务活动、应急救援、科技文化博览、旅游会展等应用的发展，人们迫切需要在 室内环境条件下也能获取到相应精度的定位服务。比如，在文化旅游领域，为了向游客提供 室内外的文化旅游景点的个性化讲解和信息推送服务，需要能为游客提供室内外一体化的 定位服务，以提高旅游服务质量与旅游体验效果。
[0003] 但室内外定位技术特别是其在具体应用时受环境因素的影响，面临着诸多挑战。 通常建筑物内部结构复杂、深度大，有较多的隔断、障碍物，且有大量的声、光、电、磁设备， 这都将严重影响室内定位的精度。目前，已发展出应用红外线、超声波、RFID、蓝牙、超宽带、 ZigBee和无线Wifi等作为媒介的室内定位技术。这些定位技术总体上可以分为两种模 式，一种是基于距离的定位方法（需测距)，的如TOA(TimeofArrival)方法、TDOA(Time DifferenceofArrival)方法和RSSI(receivedsignalstrengthindication)方法等， 这些方法以信号传播时间或以信号的传播特性来推算信号传播距离，进而采用三边定位、 三角定位等方法进行定位。典型的有微软公司的RADAR系统、麻省理工的Cricket系统等。 此外还有基于指纹的定位方法，该方法通过事先对室内的各点位测量出信号强度和对应的 距离，称为指纹信息，之后利用模式匹配技术，将实测的信号强度与库中的信号相比较，则 可得到信号接收方与信号发射方的距离。另一种模式是距离无关的定位方法(无需测距)， 如质心方法、APIT(ApproximatePoint-in-triangulationTeat)方法、DV-H0P方法等，这 些方法无需直接测量距离和方位角度信息，而是根据定位网络的拓扑情况估算相对位置。 典型的无线传感器网络中用于确定各传感器节点相对位置的室内外定位系统。
[0004] 基于蓝牙4. 0BLEiBeacon通信协议的室内定位技术是一种属于基于距离的定位 方法，通过在室内适当的位置安装蓝牙信号发射基站，当有蓝牙接收终端进入信号覆盖区 时，即可实现定位和数据传输。蓝牙4.0BLE模块现已被大多数手机、平板电脑等移动设备 所集成，只要持有手机、平板电脑等移动设备的用户就可获得室内定位服务，因此该定位方 法较易得到大规模推广应用。但基于蓝牙4.0BLE的室内定位技术，其使用的是公共免费 的2. 4GISM频段，仅适用于小区域范围，且易受室内复杂环境的干扰，故需要与传统的GPS 定位方法相结合以扩大适用范围，并在测距、三维空间定位等方面技术细节上需要改进，以 提高定位的速度和准确性。
[0005] 专利号为CN104469942A，发明名称为"一种基于隐马尔科夫模型的室内定位方法" 的专利提出了一种利用位置指纹信息的室内定位方法，通过预先建立定位区域的RSSI指 纹数据库，并基于隐马尔科夫定位模型，可计算获得连续运动最大可能的轨迹序列，并将轨 迹序列的最后位置作为定位结果。这种方法可降低RSSI波动带来的影响，但需要预先建立 RSSI指纹库，对陌生区域的适应性不强。
[0006] 发明专利号申请号为2014105599654,发明名称为"一种基于iBeacon的室内定位 及辅助导航方法、装置和系统"的专利提出了一种利用iBeacon进行室内定位的方法，该方 法根据iBeacon基站发射功率的大小，分别用峰值定位和质心定位的方式确定待测设备的 位置。该方法相较于wifi定位具有定位精度高的特点，但未考虑基站信号波动带来的影 响，且将室内定位简单考虑为二维平面上的定位，在楼层判断时将可能出现较大误差。
[0007] 专利号为CN103402259A，发明名称为"一种基于蓝牙的室内定位服务系统及方法" 的专利，提出将室内区域按照正六边形划分为多个区域，在区域中心和交界处部署蓝牙节 点，根据手机接收到的蓝牙信号采用质心法推算出其位置。该方法在部署时较为不易，且在 采用质心法时认为手机与所有收到信号的蓝牙节点的距离相同，因此定位精度较低。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供一种集成卫星导航与蓝牙技术的室内外无缝定位系统及 其方法，以克服现有技术中存在的缺陷。
[0009] 为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种集成卫星导航与蓝牙技术的室内外 无缝定位系统，包括：一室外卫星定位模块、一室内蓝牙定位模块、一室内外定位融合切换 模块以及一电子地图显示模块； 所述室外卫星定位模块用于通过GPS或北斗卫星导航系统进行室外空间定位，输出GPS/北斗卫星导航信号定位数据； 所述室内蓝牙定位模块用于通过采用场强衰减模型和三维空间定位算法进行室内空 间定位，输出蓝牙通信信号定位数据； 所述室内外定位融合切换模块用于通过采用基于联邦卡尔曼滤波器的方式，建立基于 所述GPS/北斗卫星导航信号定位数据与达到蓝牙通信信号定位数据的融合模型，对室内 外定位方式进行融合； 所述电子地图显示模块用于通过以二维电子地图、室内平面图或三维建筑物模型场景 图为基础，显示室内室外定位结果。
[0010] 进一步地，本发明还提供一种集成卫星导航与蓝牙技术的室内外无缝定位方法， 按照如下方式实现： 步骤S10 :所述定位系统根据所述室外卫星定位模块接收到的GPS/北斗导航卫星信号 或所述室内蓝牙定位模块接收到的蓝牙通信信号的强度选择该定位系统的定位方式；若所 述室外卫星定位模块接收到GPS/北斗导航卫星信号，则转入步骤S11 ;若所述室内蓝牙定 位模块收到室内布设的蓝牙基站发出的蓝牙通信信号，则转入步骤S12;若所述室外卫星 定位模块接收到GPS/北斗导航卫星信号且所述室内蓝牙定位模块收到室内布设的蓝牙通 信信号，则转入步骤S13 ; 步骤S11 :所述室外卫星定位模块采用GPS\北斗双模定位模块进行室外定位，即所述GPS\北斗双模定位模块通过GPS或北斗卫星导航系统对所述定位系统进行室外空间定位， 输出GPS/北斗卫星导航信号定位数据，并转入步骤S14 ; 步骤S12:所述室内蓝牙定位模块检测各个蓝牙基站发出的蓝牙信号，采用场强衰减 模型获取所述定位系统与各个蓝牙基站的距离，并采用高斯分布模型对所获取的所述定位 系统与各个蓝牙基站的距离的距离值进行修正，再采用三维空间定位算法获取该定位系统 的室内位置，输出蓝牙通信信号定位数据，完成室内空间定位，并转入步骤S14 ; 步骤S13 :所述室外卫星定位模块采用GPS\北斗双模定位模块进行综合定位，输出GPS/北斗卫星导航信号定位数据；所述室内蓝牙定位模块检测各个蓝牙基站发出的蓝牙 信号，采用场强衰减模型获取所述定位系统与各个蓝牙基站的距离，并采用高斯分布模型 对所获取的所述定位系统与各个蓝牙基站的距离的距离值进行修正，再通过采用三维空间 定位算法获取该定位系统的位置，输出蓝牙通信信号定位数据，并转入步骤S14 ; 步骤S14:所述室内外定位融合切换模块采用基于联邦卡尔曼滤波器的方式，建立基 于所述GPS/北斗卫星导航信号定位数据与所述蓝牙通信信号定位数据的融合模型，对室 内和室外定位方式进行融合、切换和集成，完成室内和室外定位的平滑过渡，以提高所述定 位系统的定位精度； 步骤S15 :所述电子地图显示模块以二维电子地图、室内平面图或三维建筑物模型场 景图为基础，通过结合所述室内外定位融合切换模块输出的定位数据融合信息，显示室内 室外定位结果。
[0011] 在本发明一实施例中，所述GPS/北斗卫星导航信号定位数据包括所述定位系统 室外的经炜度坐标、经转换的平面直角坐标或高程；所述蓝牙通信信号定位数据包括所述 定位系统室内的经炜度坐标、经转换的平面直角坐标或高程；所述定位数据融合信息包括 经融合后的所述定位系统室经炜度坐标、经转换的平面直角坐标或高程。
[0012] 在本发明一实施例中，在所述步骤S10中，室内布设有N个蓝牙基站，其中，N为大 于或等于3的正整数。
[0013] 在本发明一实施例中，在所述步骤S12中，还包括如下步骤： 步骤S121:所述室内蓝牙定位模块在同一个检测位置接收蓝牙基站发送的蓝牙信号 若干次； 步骤S122:所述室内蓝牙定位模块根据接收的该蓝牙基站每次发出的蓝牙信号，解析 获取该次蓝牙信号强度或能量以及所述定位系统对应接收的该次蓝牙信号强度或能量，并 采用接受信号强度指示（RSSI)衰减传播模型获取所述定位系统与该蓝牙基站的距离； 步骤S123 :采用如下所示的高斯分布模型对若干次采集的距离值进行筛选：
【主权项】
1. 一种集成卫星导航与藍牙技术的室内外无缝定位系统，其特征在于，包括；一室外 卫星定位模块、一室内藍牙定位模块、一室内外定位融合切换模块W及一电子地图显示模 块； 所述室外卫星定位模块用于通过GI^S或北斗卫星导航系统进行室外空间定位，输出GPS/北斗卫星导航信号定位数据； 所述室内藍牙定位模块用于通