基于单个或多个蓝牙发射单元的微星基站定位系统及方法与流程

本发明属于室内定位技术领域，尤其涉及一种基于单个或多个蓝牙发射单元的微星基站定位系统及方法。

背景技术：

室内定位技术是近年来新兴的定位技术之一。与室外定位技术相比，室内定位通常在一个封闭的，较复杂的空间内实现可靠的定位计算。目前室内定位的主要方法有近邻法，几何法，场景分析法，线路推算法等。其中近邻法和场景分析法主要适用于精度要求较低的室内定位场合，线路推算法定位误差随着时间累计，难以独立作为高精度室内定位的方法。几何法主要依赖于各类声，光，电信号，通过直接或者间接的测定目标与参考点之间的相对距离，角度关系来确定目标的位置。目前几何法仍是高精度室内定位最理想的算法。基于不同信号频率和信号协议，可用于实现室内定位的技术手段已经达到十几种，常见的有激光，超声波，红外线，蜂窝网络，无线广播，经过编码的可见光，wi-fi,蓝牙，zigbee，rfid等。不同的技术可实现的精度和覆盖范围各有不同，但这些信号都需要预先布设主动或被动的定位节点来配合才能实现定位计算，大部分也都需要专用的用户端设备来实现，系统实现成本高，不利于推广。这些技术中，wi-fi和蓝牙技术由于已经被广泛的使用，现有的大部分手机都支持wi-fi和蓝牙进行通信，可以实现不改变现有的用户接收设备的室内定位，而其他的大多数设备都需要用户端配备专用的定位标签。wi-fi接入点(ap)需要连接电源并接入有线网络，布设较复杂。蓝牙4.0标准大幅度降低了蓝牙发射模块的功耗，目前蓝牙发射模块的成本也非常具有竞争力。本发明提出了一种基于蓝牙技术的高精度，高可靠性，低成本的室内定位解决方案。

综上所述，现有技术存在的问题是：

虽然能够实现室内定位的技术方法很多，但是大部分技术都需要布设专用的节点和专用的用户接收设备。节点的布设，维护费用成本昂贵，用户需要额外投资，推广难度大。专用的信号和收发设备的有点在于信号设计的灵活度更大，更容易设计适合室内定位的信号体制。有些定位技术如激光，uwb虽然可以实现分米至厘米级的定位，但是设备成本高，安装要求高，难度大，难以大范围推广。低成本的室内定位技术如wi-fi定位技术，蓝牙定位技术精度都停留在数米的水平而且定位的稳定性，可靠性也有待提高。特别地，对于低成本的蓝牙模块而言，信号稳定性较差。低性能的pcb天线导致信号发射和接收对方向有明显的依赖性。室内环境复杂，使得蓝牙信号产生阶跃或周期性波动，难以精确室内定位难以和室外gps获得的坐标进行无缝转换，这很大程度上妨碍了室内定位技术的商业普及应用。室内定位技术的另一个问题是大部分室内定位系统都基于局部坐标系建立的，无法和室外的gps定位衔接起来。最终导致室内和室外定位系统只能分别单独使用，给用户带来不便。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于单个或多个蓝牙发射单元的微星基站定位系统及方法。

本发明是这样实现的，一种基于单个或多个蓝牙发射单元的微星基站定位系统，所述基于单个或多个蓝牙发射单元的微星基站定位系统，包括：

至少一个微星基站，安装在坐标已知的固定点上，用于传递定位使用的信息，这些信息的包括但不限于微星基站的标识码、坐标、楼层、房间号、信号传播参数、工作模式的电文信息；

用户设备上的微星基站定位系统；通过无线信号与微星基站连接，用于接收微星基站的信号和解析得到的电文信息并计算自身的一维，二维或者三维坐标。

进一步，所述坐标还包括球坐标系统坐标wgs84坐标、cgcs2000坐标、独立坐标系坐标、室内坐标系坐标及加密后坐标系坐标；多个微星基站构成自组网体系。

进一步，所述微星基站由一个或多个蓝牙单元和一个微控制单元mcu组成；

每个蓝牙单元由蓝牙芯片、蓝牙信号天线以及外围电路组成；蓝牙单元按照一定几何构型排布来提高蓝牙信号的质量；

所有的蓝牙单元都与微控制单元mcu连接；其中部分蓝牙单元用于蓝牙信号的发射，另外一部分蓝牙单元用于蓝牙信号的接收；所述微控制单元mcu负责控制各个蓝牙单元工作。

进一步，用户设备上的微星基站定位系统包括用户终端，通过解析电文信息和测量到微星基站的距离实现实时定位；所述用户终端通过只需扫描到蓝牙信号即可获得用于定位的信息，而不需要与微星基站配对链接；

用户终端通过接收到同一微星基站的多个蓝牙发射器的信号强度值rssi，通过数据处理策略获得高精度，高可靠的距离测量值；

用户终端的定位工作模式包括但不限于获取空间三维坐标，水平面二维坐标，垂直面二维坐标，一维坐标，里程信息，楼层信息，房间号。

进一步，所述用户终端扫描多个蓝牙模块和进行测量数据计算处理；所述用户终端包括但不限于智能手机、手环、追踪器、嵌入式模块、智能机器人以及工业传感器设备。

本发明另一目的在于提供一种基于单个或多个蓝牙发射单元的微星基站定位方法，具体包括：

步骤一，在服务区域按照一定密度，均匀地选择微星基站安装点；安装密度根据微星基站的有效距离计算；对于三维定位，使服务区内的任何区域能收到三个或三个以上微星基站的信号；安装点布满整个服务区域；在过道，走廊的带状区域应避免微星基站安装在同一条直线或近似同一条直线上，使微星基站的部署具有好的几何强度；

步骤二，将用户终端关心的微星基站的相关信息注入微星基站；对整个服务区域需要安装的微星基站逐个编号，并且将微星基站的编号，坐标，楼层，信号改正参数的其他相关的信息进行编码，加密，并注入微星基站；在微星基站工作时，将写入的信息会以电文的形式广播给用户终端；微星基站较多时，布设时需使用空间拓扑分析保证编号相同的两个微星基站不在同一个工作区域；

步骤三，逐个安装微星基站到指定位置，并且启动微星基站；安装过程中，应使微星基站安装的空间位置与步骤二中注入的信息保持一一对应；启动微星基站后，检查微星基站的信号是否工作正常，播发的电文内容是否正确；

步骤四，用户终端开启蓝牙接收功能，能够扫描获得微星基站发射的信号；并且开启微星基站定位服务，自动获取收到的微星基站信息，并且解调电文内容；

步骤五，在用户终端运行的微星基站定位服务能够实时获取各个微星基站发射的信号强度rssi，并且解调出电文中包含的微星基站位置和其他相关信息，通过合适的信号处理与滤波方法从收到的信号中提取稳定、可靠的几何距离信息，并且使用几何法确定用户终端的位置；

步骤六，运行在用户终端上的微星基站定位服务计算得到的坐标通过系统api，配合室内地图，实现室内导航、定位、跟踪、轨迹显示、监控。

进一步，步骤一中，微星基站的几何强度用定位精度衰减因子pdop评估；定位精度衰减因子定义观测矩阵a：

式中[x,y,z]为用户位置，[xi,yi,zi]为第i个微星基站的位置，ρi为用户位置与第i个微星基站间的几何距离n为在用户位置可见微星基站个数；

根据观测矩阵定义协因数针q＝(a^t*a)^-1,其中操作符*表示矩阵相乘，操作符(·)^t表示矩阵转置运算，操作符(·)^-1表示矩阵求逆运算；

计算得到的q矩阵是一个3*3的方阵，pdop可用下式计算：

式中qij表示q矩阵的第i行，第j列的元素；pdop越大则认为微星基站几何构型强度越差；在选择微星基站安装点阶段，通过计算服务区域各个网点的pdop值确定微星基站安装点位置是否合理；对于二维定位的情况，可对上述计算方法进行降维处理；

选定微星基站安装点后，逐个测量各个安装点的坐标；各个安装点的坐标保证在同一套坐标系下，该坐标系为房间坐标系、建筑物坐标系的局部坐标系，或为全球坐标系坐标；获得室内微星基站安装点全球坐标系坐标的方法包括:

相对定位测量的方法；使用gnss方法获得室外某一个或者几个标志点的全球坐标系坐标，通过全站仪、经纬仪、激光测距仪测量室内目标点与室外标志点的相对位置，再计算求得室内标志点的全球坐标系坐标；

局部坐标系转换的方法；服务区域有设计图纸的局部坐标系的相对位置关系则使用gnss手段测量三个或三个以上建筑物特征点的全球坐标系坐标，利用这些特征点的全球坐标和局部坐标求解两套坐标系间转换参数；利用这些转换参数将局部坐标系坐标全部转换为全球坐标系坐标。

进一步，通过信号处理与滤波方法从收到的信号中提取稳定、可靠的几何距离信息，并且使用几何法确定用户终端的位置；用户到微星基站的几何距离，用泰勒级数展开，表达为：

式中ρ0是用户设备都微星基站的近似几何距离，ε是非线性误差；[xi,yi,zi]是第i个微星基站的坐标，[dx,dy,dz]是用户坐标的增量；忽略掉上式的非线性误差项，上式表达为：

考虑到多个微星基站的情况，该线性化系统表示为：

e(y)≈ax；

该线性化系统的最小二乘解为

其中是估计得到用户坐标增量,p是权阵；在求得坐标增量以后，更新近似坐标，并重新计算坐标增量，直到计算得到的坐标增量足够小；

首次定位时用户近似坐标未知，使用室外gnss定位结果作为初始近似坐标，或者使用给某一个基站坐标加一个随机偏移量的方式设置初始坐标；最小二乘法用于初始化滤波器，后续的导航定位计算使用扩展的卡尔曼滤波ekf；对于大部分室内定位场景，ekf使用随机游走模型模拟用户终端坐标移动状态，扩展的卡尔曼滤波模型表示为如下形式：

时间更新：

qk是历元k的过程噪声矩阵，该矩阵根据用户设备的运动速度调整；

kk是历元k的滤波增益矩阵,rk是观测值方差协方差矩阵，滤波完成后即得更新后的用户终端位置信息。

本发明的优点及积极效果为：

本发明提供一种低成本室内定位方案，微星基站成本低，部署方便，无需精密时间同步。

本发明不改变用户习惯，使用大众手机即可获得与室外定位相当的精度。

本发明可实现室内外定位无缝对接，提升了室内定位的用户体验。

本发明通过多个蓝牙单元协同工作的方式提高了蓝牙信号测距的准确度，稳定性和可靠性，提升了蓝牙信号的定位性能。

本发明的微星基站功耗低，部署方便，无需外接网线，光纤等，维护成本低。可根据室内场景，实现一维，二维，三维定位，环境适应性好，可扩展性好。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于单个或多个蓝牙发射单元的微星基站定位系统示意图。

图中：1、微星基站；2、用户设备上的微星基站定位系统。

图2是本发明实施例提供的微星基站物理结构示意图。

图3是本发明实施例提供的微星基站功能逻辑结构示意框图。

图4是本发明实施例提供的微星基站定位技术具体实施步骤流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于单个或多个蓝牙发射单元的微星基站定位系统，包括两部分组成，微星基站1和运行在用户设备上的微星基站定位系统2；

该系统运行需要部署两个或两个以上的微星基站1安装在坐标已知的固定点上。

用户设备上的微星基站定位系统2通过接收微星基站的信号和解析得到的电文信息计算自身的一维，二维或者三维坐标。

如需计算用户的一维或者二维坐标需要至少两个微星基站；如需计算用户的三维坐标，则需至少三个微星基站。单个微星基站1自身具有蓝牙信号发射和接收功能。微星基站1内部的蓝牙模块通过微控制器(mcu)进行模块之间的链接和信号传输控制。并且微星基站1与基站之间具备信号之间的相互传递和组网功能。

本发明涉及的微星基站电气原理如图2所示，本发明涉及的微星基站由一个或多个蓝牙单元组成和一个微控制单元组成。每个蓝牙单元由蓝牙芯片，蓝牙信号天线以及外围电路组成。蓝牙单元按照一定几何构型排布来提高蓝牙信号的质量。所有的蓝牙单元都与微控制单元(mcu)连接。其中部分蓝牙单元用于蓝牙信号的发射，另外一部分蓝牙单元用于蓝牙信号的接收。mcu负责控制各个蓝牙单元工作。整个微星基站具有自组网和信号传递的功能。

本发明涉及的微星基站逻辑功能结构如图3所示。每个蓝牙单元负责独立蓝牙信号发射或接收，整个微星基站可能包含一个或多个蓝牙单元独立发射/接收蓝牙信号。所有蓝牙单元都受为微控制单元(mcu)控制。微控制单元(微星基站管理模块)主要完成四个方面的工作：(1)蓝牙单元管理，包括控制蓝牙单元工作，实现蓝牙单元电文上注等；(2)电文编码和加密工作，mcu按照一定的规则对微星基站需要播发的电文，按照一定的数据协议进行编码和加密，保证电文正确，可靠地发送到用户设备。(3)各个蓝牙单元的健康状态监测，mcu通过与各个蓝牙单元之间的通信，掌握各个蓝牙单元的工作状况，通过蓝牙接收单元监控周围其他微星基站的工作状态以及蓝牙信号校准；(4)实现微星基站的命令系统，系统管理员通过与mcu之间的通信向微星基站发送命令实现微星基站的配置，控制以及查询工作状态等。微星基站的软硬件一起构成了整个定位系统的服务端，而用户终端则是运行了微星基站定位服务软件的移动设备，如智能手机等。

如图4所示，本发明实施例提供的基于单个或多个蓝牙发射单元的微星基站定位方法，具体包括：

s101：在服务区域按照一定密度，均匀地选择微星基站安装点；安装密度根据微星基站的有效距离计算；对于三维定位，使服务区内的任何区域能收到三个或三个以上微星基站的信号；安装点布满整个服务区域；在过道，走廊的带状区域应避免微星基站安装在同一条直线或近似同一条直线上，使微星基站的部署具有好的几何强度；

s102：将用户终端关心的微星基站的相关信息注入微星基站；对整个服务区域需要安装的微星基站逐个编号，并且将微星基站的编号，坐标，楼层，信号改正参数的其他相关的信息进行编码，加密，并注入微星基站；在微星基站工作时，将写入的信息会以电文的形式广播给用户终端；微星基站较多时，布设时需使用空间拓扑分析保证编号相同的两个微星基站不在同一个工作区域；

s103：逐个安装微星基站到指定位置，并且启动微星基站；安装过程中，应使微星基站安装的空间位置s102中注入的信息保持一一对应；启动微星基站后，检查微星基站的信号是否工作正常，播发的电文内容是否正确；

s104：用户终端开启蓝牙接收功能，能够扫描获得微星基站发射的信号；并且开启微星基站定位服务，自动获取收到的微星基站信息，并且解调电文内容；

s105：在用户终端运行的微星基站定位服务能够实时获取各个微星基站发射的信号强度rssi，并且解调出电文中包含的微星基站位置和其他相关信息，通过合适的信号处理与滤波方法从收到的信号中提取稳定、可靠的几何距离信息，并且使用几何法确定用户终端的位置；

s106：运行在用户终端上的微星基站定位服务计算得到的坐标通过系统api，配合室内地图，实现室内导航、定位、跟踪、轨迹显示、监控。

下面结合具体实施例对本发明的的应用原理作进一步描述。

本发明实施例提供的基于单个或多个蓝牙发射单元的微星基站定位方法中，

1)在本系统的服务区域按照一定密度，尽量均匀地选择微星基站安装点。安装密度应根据微星基站的有效距离计算，对于三维定位的情况，应保证服务区内的任何区域能收到三个或三个以上微星基站的信号，安装点应尽可能布满整个服务区域。在过道，走廊等带状区域应避免微星基站安装在同一条直线或近似同一条直线上，保证微星基站的部署具有较好的几何强度。微星基站几何强度可用定位精度衰减因子(pdop)评估。几何精度衰减因子可定义观测矩阵a：

式中[x,y,z]为用户位置，[xi,yi,zi]为第i个微星基站的位置，ρi为用户位置与第i个微星基站间的几何距离n为在用户位置可见微星基站个数。可根据观测矩阵定义协因数针q＝(a^t*a)^-1,其中操作符*表示矩阵相乘，操作符(·)^t表示矩阵转置运算，操作符(·)^-1表示矩阵求逆运算。计算得到的q矩阵是一个3*3的方阵，pdop可用下式计算：

式中qij表示q矩阵的第i行，第j列的元素。pdop越大则认为微星基站几何构型强度越差。在选择微星基站安装点阶段，可通过计算服务区域各个各网点的pdop值确定微星基站安装点位置是否合理。对于二维定位的情况，可对上述计算方法进行降维处理，计算过程类似。

选定微星基站安装点后，需要逐个测量各个安装点的坐标。各个安装点的坐标应保证在同一套坐标系下，该坐标系可以是房间坐标系，建筑物坐标系等局部坐标系，也可以全球坐标系坐标，如wgs84坐标系，cgcs2000坐标系等。使用全球坐标系坐标是实现室内外无缝定位的前提条件，因此使用全球坐标系坐标具有更大的实用价值。获得室内微星基站安装点全球坐标系坐标的方法有两种:

(1)使用gnss定位方法获得室外某一个或者几个标志点的全球坐标系坐标，通过相对定位手段，如全站仪，经纬仪，激光测距仪等设备测量室内目标点与室外标志点的相对位置，再计算求得室内标志点的全球坐标系坐标。(2)使用局部坐标系地图进行坐标转换的方法。如果服务区域有设计图纸等局部坐标系的相对位置关系，则可以使用gnss手段测量三个或三个以上建筑物特征点的全球坐标系坐标，利用这些特征点的全球坐标和局部坐标求解两套坐标系间转换参数。利用这些转换参数就可以将局部坐标系坐标全部转换为全球坐标系坐标。这样只需测量微星基站安装点在局部坐标系的坐标即可转换得到其全球坐标系坐标。

2)将用户设备关心的微星基站的相关信息注入微星基站。该步骤需要对整个服务区域需要安装的微星基站逐个编号，并且将微星基站的编号，坐标，楼层，信号改正参数等其他相关的信息进行编码，加密，并注入微星基站，在微星基站工作时，会将写入的信息会以电文的形式广播给用户终端设备。对于面积较大的室内定位场景，需要布设的微星基站较多，此时微星基站编号需要特殊处理，避免基站编号重复。受电文编码长度研制，微星基站编号所占比特数有限。在布设微星基站较多的场景需要使用基站编号复用来实现大规模基站协同工作。布设时需使用空间拓扑分析保证编号相同的两个微星基站不在同一个工作区域。

3)逐个安装微星基站到指定位置，并且启动微星基站。安装过程中，应保证微星基站安装的空间位置与步骤2)中注入的信息保持一一对应。启动微星基站后，应检查微星基站的信号是否工作正常，播发的电文内容是否正确。

用户终端定位部分是在系统投入运营期间通过接收微星基站信号，解析电文内容，实时计算用户设备当前位置。用户端设备可以是智能手机，手环等可穿戴设备，也可以是具有蓝牙通信和计算能力的传感器。无论哪种硬件平台，都应预装本系统包含的微星基站定位服务软件。用户终端定位部分也包括三个步骤：

4)用户终端开启蓝牙接收功能，并且开启微星基站定位服务。开启蓝牙接收功能，用户设备能够扫描获得微星基站发射的信号，开启微星基站定位服务，该服务会自动获取收到的微星基站信息，并且解调电文内容。

5)在用户终端运行的微星基站定位服务能够实时获取各个微星基站发射的信号强度(rssi)，并且解调出电文中包含的微星基站位置和其他相关信息，通过合适的信号处理与滤波方法从收到的信号中提取稳定、可靠的几何距离信息，并且使用几何法确定用户设备的位置。用户到微星基站的几何距离，可以用泰勒级数展开，表达为：

式中ρ0是用户设备都微星基站的近似几何距离，ε是非线性误差；[xi,yi,zi]是第i个微星基站的坐标，[dx,dy,dz]是用户坐标的增量。忽略掉上式的非线性误差项，上式可以表达为：

考虑到多个微星基站的情况，该线性化系统可表示为：

e(y)≈ax；

该线性化系统的最小二乘解为

其中是估计得到用户坐标增量,p是权阵。在求得坐标增量以后，更新近似坐标，并重新计算坐标增量，直到计算得到的坐标增量足够小。首次定位时用户近似坐标未知，此时可以使用某一个基站坐标加一个随机偏移量的方式设置初始坐标。最小二乘法通常仅被用于初始化滤波器，后续的导航定位计算通常使用扩展的卡尔曼滤波(ekf)。对于大部分室内定位场景，ekf可以使用随机游走模型模拟用户设备坐标移动状态，扩展的卡尔曼滤波模型可以表示为如下形式：

时间更新：

qk是历元k的过程噪声矩阵，该矩阵可根据用户设备的运动速度调整。

kk是历元k的滤波增益矩阵,rk是观测值方差协方差矩阵，滤波完成后即得更新后的用户设备位置信息。

6)运行在用户终端上的微星基站定位服务计算得到的坐标通过系统api或者其他方式，提供给其他应用程序，配合室内地图，本系统可以实现室内导航，定位，跟踪，轨迹显示，监控等功能。其中实现监控和跟踪功能需要用户设备将定位结果通过一定的数据通信方式，如wi-fi,蓝牙，蜂窝网络等将定位结果回传至中心服务器，实现定位，导航，监控等应用功能。

本发明实施例提供的基于单个或多个蓝牙发射单元的微星基站定位系统中，每个微星基站由单个或多个同时工作的蓝牙发射器和若干个蓝牙接收器构成，利用两个或两个以上的微星基站作为定位信号源，向用户终端播发微星基站的位置和相关信息，用户终端通过解析电文信息和测量到微星基站的距离实现实时定位功能。

定位系统具备开机即得的功能，跟室外gnss定位过程有相似之处，但是使用的测距技术不同。用户定位时不需要预先知道定位环境的任何信息(如指纹库等)，即可直接对接室外gnss定位系统，实现智能终端的室内外无缝定位。

微星基站向用户终端传递用于定位的电文信息，电文内容包括但不限于微星基站的标识码、坐标、楼层、房间号，信号传播参数、工作模式等。

向用户终端传递的微星基站坐标信息，其坐标系统包括全球坐标系统坐标如wgs84坐标，cgcs2000坐标，也包括独立坐标系坐标，室内坐标系坐标，加密后坐标系坐标等。

用户终端只需扫描到蓝牙信号即可获得用于定位的信息，而不需要配对链接。

用户终端可通过接收到同一微星基站的多个蓝牙发射器的信号强度值(rssi)，通过数据处理策略获得高精度，高可靠的距离测量值。

用户终端的定位工作模式包括，但不限于获取空间三维坐标，水平面二维坐标，垂直面二维坐标，一维坐标，里程信息，楼层信息，房间号等。

用户终端具有扫描多个蓝牙设备的能力和测量数据计算处理的能力，包括但不限于智能手机，手环，追踪器等可穿戴设备，以及嵌入式模块，智能机器人，设备传感器等工业传感器设备。

由两个或两个以上的微星基站组成的定位系统，具备自动组网功能，微星基站间具备信号自动校准和通信功能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。