專利名稱:一種移動定位方法及系統(tǒng)的制作方法
背景技術(shù):
本發(fā)明涉及一種定位系統(tǒng),尤其涉及一種移動定位方法及系統(tǒng)。
全球定位系統(tǒng)(GPS,Global Positioning System)被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航和定位。通常,全球定位系統(tǒng)(GPS)的定位位置是基于大地坐標(biāo)系統(tǒng)。
圖1是大地坐標(biāo)系統(tǒng)的示意圖。大地坐標(biāo)系統(tǒng)是以參考橢球面為基準(zhǔn)的坐標(biāo)系統(tǒng),在大地坐標(biāo)系統(tǒng)中,通常點P的位置用大地經(jīng)度φ、大地緯度λ和大地高度h表示,但當(dāng)點P正好在參考橢球面上時,點P的位置可僅用大地經(jīng)度φ、大地緯度λ表示。其中點P的大地經(jīng)度φ是經(jīng)過點P的大地子午面與起始子午面之間的夾角,大地緯度λ是經(jīng)過點P的法線與赤道之間的夾角,大地高度h是點P沿法線到參考橢球面的距離。
除了大地坐標(biāo)系統(tǒng)以外,還存在許多以不同參考物為基準(zhǔn)的坐標(biāo)系統(tǒng),例如地心地固(ECEF,Earth-Centered Earth-Fix)坐標(biāo)系統(tǒng)等。
圖2是地心地固(ECEF)坐標(biāo)系統(tǒng)的示意圖。地心地固(ECEF)坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)原點(0,0,0)位于地球的質(zhì)心,Z軸指向BIH1984.0定義的的協(xié)議地球極方向,X軸指向BIH1984.0的啟始子午面和赤道的交點,Y軸與X軸和Z軸構(gòu)成右手系。點P的位置(X,Y,Z)以點P分別到X軸、Y軸、Z軸的距離來表示。
雖然GPS廣泛應(yīng)用于定位,但是由于GPS信號經(jīng)常被地形和地面上的物體所屏蔽,因此GPS接收機在某些區(qū)域內(nèi),特別是在封閉的城市區(qū)域如高層建筑內(nèi),或森林中,不能準(zhǔn)確地接收信號,甚至不能接收來自衛(wèi)星的信號。
除了GPS還有許多技術(shù)以精確定位為目標(biāo),例如利用移動網(wǎng)絡(luò)補充GPS來定位,或小范圍內(nèi)在一個人身上放一個計步器計算步行距離來定位等。但這些技術(shù)都存在著不同程度的缺陷,利用移動網(wǎng)絡(luò)補充GPS來定位,就受到了移動網(wǎng)絡(luò)的限制,在沒有移動網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域或移動網(wǎng)絡(luò)中信號接收不良的區(qū)域內(nèi),就無法進行精確定位。同樣,采用計步器來定位也受到了它自身所設(shè)定的步行距離的限制。
在所有的定位系統(tǒng)中,要對定位目標(biāo)進行精確定位,就需要獲取定位目標(biāo)的三維運動信息,因此定位目標(biāo)的三維運動信息的獲取在定位系統(tǒng)中就是一個重要的問題。
在中國申請?zhí)枮?2144248.7(申請日2002年9月28日,發(fā)明人杜永剛、涂嘉文、馮雷、邵曉凌)和02159784.7(申請日2002年12月26日,發(fā)明人邵曉凌、涂嘉文、馮雷)的專利申請中先后揭示了一種三維手寫識別的方法及系統(tǒng)(在此以插入的方式加入上述兩個專利申請所披露的內(nèi)容)。這是一種新的三維信息獲取方法及系統(tǒng)。該系統(tǒng)追蹤用戶在三維空間中的手寫輸入,產(chǎn)生相應(yīng)的三維運動數(shù)據(jù),構(gòu)造三維運動軌跡,進而將三維運動軌跡投影到一個二維平面上以產(chǎn)生相應(yīng)的用于手寫識別的二維圖像。該系統(tǒng)還可將追蹤三維運動數(shù)據(jù)或三維運動軌跡通過無線傳輸如藍(lán)牙或有線連接發(fā)送給例如PDA、筆記本電腦、移動電話等終端。
由于上述定位系統(tǒng)中都存在不同程度的缺陷,因此需要一種新的移動定位方法及系統(tǒng)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是上述發(fā)明專利的一種新的應(yīng)用,提供一種移動定位方法及系統(tǒng)。該方法和系統(tǒng)能夠補充GPS,或在傳統(tǒng)GPS接收機不能接收和測量來自GPS衛(wèi)星的信號的區(qū)域內(nèi),進行精確定位。
本發(fā)明提供了一種移動體的定位方法,首先確定一個移動體的初始點的三維信息,該三維信息是基于一個可辨別坐標(biāo)系統(tǒng);其次探測所述移動體的三維運動,并產(chǎn)生相應(yīng)的三維運動信息;最后將所述三維運動信息轉(zhuǎn)換為符合所述可辨別坐標(biāo)系統(tǒng)的信息。
其中,該可辨別坐標(biāo)系統(tǒng)為大地坐標(biāo)系統(tǒng),且該三維運動信息是基于另一個坐標(biāo)系統(tǒng),還需檢測所述可辨別坐標(biāo)系統(tǒng)與另一個坐標(biāo)系統(tǒng)之間的差異。該差異可通過檢測所述可辨別坐標(biāo)系統(tǒng)與另一個坐標(biāo)系統(tǒng)之間的方向角來確定。
本發(fā)明通過確定一個初始點,并利用三維運動跟蹤技術(shù),對移動體進行精確定位。本發(fā)明可以結(jié)合GPS進行精確定位,或在無法利用GPS的情況下,如在無法接收GPS信號的區(qū)域內(nèi),特別是在高層建筑物內(nèi)或森林中,進行精確定位。
通過參照結(jié)合附圖所進行的如下描述和權(quán)利要求,本發(fā)明的其它目的和成就將是顯而易見的,并對本發(fā)明也會有更為全面的理解。
本發(fā)明通過實例的方式,參照附圖進行詳盡的解釋,其中圖1是大地坐標(biāo)系統(tǒng)的示意圖;圖2是地心地固(ECEF)坐標(biāo)系統(tǒng)的示意圖;圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的移動定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖;圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的移動定位方法的流程圖;圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的移動體的三維運動信息的產(chǎn)生過程的流程圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的移動定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。系統(tǒng)300包括一個初始點確定設(shè)備310,一個三維移動跟蹤設(shè)備320以及一個數(shù)據(jù)處理設(shè)備330。
初始點確定設(shè)備310用于確定一個移動體的初始點的三維信息,該三維信息是基于一個可辨別坐標(biāo)系統(tǒng),例如GPS系統(tǒng)所使用的大地坐標(biāo)系統(tǒng)。初始點確定設(shè)備310可以是一個GPS接收機,也可以是一個輸入設(shè)備。當(dāng)該初始點確定設(shè)備310是一個GPS接收機時,該GPS接收機用于測量移動體的初始點的三維信息,且獲得的三維信息是基于大地坐標(biāo)系統(tǒng);當(dāng)初始點確定設(shè)備310是一個輸入設(shè)備時,該輸入設(shè)備用于人工輸入記錄在圖紙上的預(yù)測量獲得的移動體的初始點的三維信息,該三維信息基于一個可辨別坐標(biāo)系統(tǒng),這個可辨別坐標(biāo)系統(tǒng)可以是大地坐標(biāo)系統(tǒng),也可以是地心地固(ECEF)坐標(biāo)系統(tǒng)。
三維移動跟蹤設(shè)備320包括一個三維運動檢測設(shè)備322,該三維運動檢測設(shè)備322用于探測一個移動體的三維運動,并產(chǎn)生相應(yīng)的三維運動原始信息,該原始信息基于一個坐標(biāo)系統(tǒng)。該坐標(biāo)系統(tǒng)是該三維運動檢測設(shè)備322本身所具有的一個坐標(biāo)系統(tǒng)。三維運動檢測設(shè)備322可以是一個三維運動檢測傳感器時,產(chǎn)生的三維運動信息基于傳感器坐標(biāo)系統(tǒng)。三維運動檢測設(shè)備322還可以是能完成相同或類似功能的其他設(shè)備時,則產(chǎn)生的三維運動信息也可以基于其他類型的坐標(biāo)系統(tǒng)。該三維運動信息產(chǎn)生過程詳見下面圖5所述。
三維移動跟蹤設(shè)備320還包括一個坐標(biāo)系統(tǒng)差異檢測設(shè)備324,該坐標(biāo)系統(tǒng)差異檢測設(shè)備324用于檢測一個可辨別坐標(biāo)系統(tǒng)與該原始信息基于的一個坐標(biāo)系統(tǒng)之間的差異。該差異可通過檢測該可辨別坐標(biāo)系統(tǒng)與該原始信息基于的一個坐標(biāo)系統(tǒng)之間的方向角來確定。該坐標(biāo)系統(tǒng)差異檢測設(shè)備324可以是一個方向傳感器。
數(shù)據(jù)處理設(shè)備330用于將該三維運動信息轉(zhuǎn)換為符合該可辨別坐標(biāo)系統(tǒng)的信息。該轉(zhuǎn)換過程詳見下面圖4所述。
移動定位系統(tǒng)300還包括一個存儲器340。該存儲器340分別與初始點確定設(shè)備310、三維移動跟蹤設(shè)備320以及數(shù)據(jù)處理設(shè)備330連接在一起,用于存儲信息。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的移動定位方法的流程圖。
首先,獲取移動體的初始點在大地坐標(biāo)系統(tǒng)中的三維信息(步驟S410)。
該三維信息是初始點在一個可辨別坐標(biāo)系統(tǒng),如大地坐標(biāo)系統(tǒng),中的三維位置,即初始點的大地經(jīng)度φ、大地緯度λ和大地高度h。該初始點的三維位置可以通過記錄在圖紙上的預(yù)測量數(shù)據(jù)來確定,也可以通過GPS接收機測量獲得的數(shù)據(jù)來確定。
其次,將該大地坐標(biāo)中的信息轉(zhuǎn)換成地心地固(ECEF)坐標(biāo)中的信息(步驟S420)。兩坐標(biāo)間的信息轉(zhuǎn)換可以通過下述坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式(1)來實現(xiàn)。
X=(N+h)cosφcosλY=(N+h)cosφsinλ(1)Z=[N(1-e2)+h]sinφ其中φ,λ,h表示大地坐標(biāo)系統(tǒng)中的精度、緯度和高度,X,Y,Z表示地心地固(ECEF)坐標(biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo),N=a/1-e2sin2φ]]>表示大地坐標(biāo)系統(tǒng)中主垂線上的曲率半徑,且e2=2f-f2表示離心率平方,f=a-ba]]>表示扁率,a表示大地坐標(biāo)系統(tǒng)中的赤道半徑(半-主地球旋轉(zhuǎn)軸),b表示大地坐標(biāo)系統(tǒng)中的極地半徑(半-次地球旋轉(zhuǎn)軸)。
再次,獲取移動體所使用的坐標(biāo)系統(tǒng)的信息(步驟S430)。
由于移動定位系統(tǒng)300采用三維運動檢測傳感器來檢測移動體的三維運動,并產(chǎn)生響應(yīng)該三維運動的信息,因此,移動體所用的坐標(biāo)系統(tǒng)是基于三維運動檢測傳感器本身所具有的坐標(biāo)系統(tǒng),即傳感器坐標(biāo)系統(tǒng)(通常所說的右手笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng))。該傳感器坐標(biāo)系統(tǒng)在移動體的運動過程中相對于移動體的初始點所使用的坐標(biāo)系統(tǒng)是不斷變化的,因此,可采用移動體在初始點時的坐標(biāo)系統(tǒng)作為其在整個運動過程中的坐標(biāo)系統(tǒng),所產(chǎn)生的三維運動的信息是基于該坐標(biāo)系統(tǒng)。
接著,確定移動體所使用的坐標(biāo)系統(tǒng)與地心地固(ECEF)坐標(biāo)系統(tǒng)之間的差異(步驟S440)。
該差異可以通過檢測移動體所使用的坐標(biāo)系統(tǒng),即傳感器在移動體處于初始點時的坐標(biāo)系統(tǒng),與地心地固(ECEF)坐標(biāo)系統(tǒng)之間的方向角來確定。為了獲取該方向角,我們采用了一個方向傳感器,用于測量該方向傳感器附著的平臺的方向,即滾動角、傾斜角和方位角。
由于方向傳感器是利用磁強計來測量地心地固(ECEF)坐標(biāo)系統(tǒng)與傳感器坐標(biāo)系統(tǒng)之間的方向角,而方向傳感器中的北部在大地坐標(biāo)系統(tǒng)中是磁北大于真北。因此,必須補償由真北和磁北之間的地球磁場引起的偏差。這個偏差可以在從現(xiàn)有的列有區(qū)域偏差的圖表中獲得。
然后,檢測移動體的三維運動,獲取產(chǎn)生響應(yīng)該三維運動的信息(步驟S450)。
可以通過三維運動檢測傳感器來檢測移動體的三維運動,并產(chǎn)生響應(yīng)該三維運動的信息。該三維運動信息可以是移動體的三維移動軌跡。由于三維運動檢測傳感器檢測獲得移動體的三維加速度信息,因此移動體的移動軌跡可以通過下述公式(2)來獲得。
d=v0t+12at2---(2)]]>其中,a表示加速度,t表示時間間隔,d表示移動體的移動軌跡,v0表示初速度。這樣,通過下述公式(3),可以獲得移動體在傳感器坐標(biāo)系統(tǒng)中的任何測量點的位置Xi=Σn=0i(vntn+12*antn2)]]>Yi=Σn=0i(vntn+12*antn2)---(3)]]>Zi=Σn=0i(vntn+12*antn2)]]>其中,Xi,Yi,Zi表示傳感器坐標(biāo)系統(tǒng)中的移動體的三維移動距離,tn表示采樣間隔,an表示采樣時間(tn-1,tn)之間的三維加速度信息,vn=vn-1+ant表示采樣時刻tn的速度。
隨后,將該獲得的三維運動信息轉(zhuǎn)換成地心地固(ECEF)坐標(biāo)系統(tǒng)中的三維運動信息(步驟S460)。
由于該獲得的三維運動信息是基于傳感器坐標(biāo)系統(tǒng),因此,需要將其轉(zhuǎn)換成地心地固(ECEF)坐標(biāo)系統(tǒng)。兩坐標(biāo)間的信息轉(zhuǎn)換可以通過下述坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式(4)來實現(xiàn)
XEi=l1Xi+l2Yi+l3ZiYEi=m1Xi+m2Yi+m3Zi(4)ZEi=n1Xi+n2Yi+n3Zi其中,XEi,YEi,ZEi是地心地固(ECEF)坐標(biāo)系統(tǒng)中的移動體的三維移動軌跡,且l1=cosθYcosθZ-cosθXsinθYsinθZl2=-cosθYsinθZ-cosθXsinθYcosθZl3=sinθYsinθZm1=cosθYsinθZ+cosθXcosθYsinθZm2=-sinθYsinθZ+cosθXcosθYcosθZm3=-sinθXcosθYn1=sinθXsinθZn2=sinθXcosθZn3=cosθXθX,θY,θZ表示地心地固(ECEF)坐標(biāo)系統(tǒng)與傳感器坐標(biāo)系統(tǒng)之間的方向角。
之后,確定移動體在地心地固(ECEF)坐標(biāo)系統(tǒng)中的當(dāng)前位置(步驟S470)。
移動體在地心地固(ECEF)坐標(biāo)系統(tǒng)中的當(dāng)前的三維位置可以通過下述公式(5)獲得XE=X0+XEiYE=Y(jié)0+YEi(5)ZE=Z0+ZEi其中,XE,YE,ZE表示移動體在地心地固(ECEF)坐標(biāo)系統(tǒng)中的當(dāng)前的三維位置,X0,Y0,Z0表示移動體在地心地固(ECEF)坐標(biāo)系統(tǒng)中的初始點的三維位置,XEi,YEi,ZEi表示移動體在地心地固(ECEF)坐標(biāo)系統(tǒng)中的三維移動軌跡。
最后,將移動體在地心地固(ECEF)坐標(biāo)系統(tǒng)中的當(dāng)前位置轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系統(tǒng)中(步驟S480)。兩坐標(biāo)系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換方程如下述公式(6)所示φ=atan(Z+e′2bsin3θp-e2acos3θ)]]>λ=atan2(Y,X) (6)h=pcos(φ)-N(φ)]]>其中φ,λ,h表示大地坐標(biāo)中的緯度、經(jīng)度和高度,X,Y,Z表示地心地固(ECEF)坐標(biāo),且中間變量p=X2+Y2,]]>中間變量e′2=a2-b2b2,N(φ)=a/1-e2sin2φ]]>表示大地坐標(biāo)系統(tǒng)中的主垂線上的曲率半徑,e2=2f-f2是離心率平方,f=a-ba]]>是扁率,a是大地坐標(biāo)系統(tǒng)中的赤道半徑(半-主地球旋轉(zhuǎn)軸),b是大地坐標(biāo)系統(tǒng)中的極地半徑(半-次地球旋轉(zhuǎn)軸)。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的移動體的三維運動信息的產(chǎn)生過程的流程圖。該三維運動信息是移動體的三維移動軌跡。首先獲取移動體的三維加速度信息(步驟S510),接著根據(jù)該移動體的三維加速度信息計算其各個點的三維坐標(biāo)(步驟S520),然后根據(jù)各個點的三維坐標(biāo)描繪該移動體的三維移動軌跡(步驟S530)。
雖然經(jīng)過對本發(fā)明結(jié)合具體實施例進行描述,對于在本技術(shù)領(lǐng)域熟練的人士,根據(jù)上文的敘述作出的許多替代、修改與變化將是顯而易見的。因此,當(dāng)這樣的替代、修改和變化落入附后的權(quán)利要求的精神和范圍之內(nèi)時,應(yīng)該被包括在本發(fā)明中。
權(quán)利要求
1.一種移動體的定位方法,包括步驟a、確定一個移動體的初始點的三維信息,該三維信息是基于一個可辨別坐標(biāo)系統(tǒng);b、探測所述移動體的三維運動,并產(chǎn)生相應(yīng)的三維運動信息;c、將所述三維運動信息轉(zhuǎn)換為符合所述可辨別坐標(biāo)系統(tǒng)的信息。
2.如權(quán)利要求1所述的方法,其中所述可辨別坐標(biāo)系統(tǒng)為大地坐標(biāo)系統(tǒng)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法,其中所述的三維運動信息是基于另一個坐標(biāo)系統(tǒng),還包括步驟檢測所述可辨別坐標(biāo)系統(tǒng)與所述另一個坐標(biāo)系統(tǒng)之間的差異。
4.如權(quán)利要求3所述的方法,其中所述差異可通過檢測所述可辨別坐標(biāo)系統(tǒng)與所述另一個坐標(biāo)系統(tǒng)之間的方向角來確定。
5.如權(quán)利要求4所述的方法,還包括步驟補償由所述方向角檢測所產(chǎn)生的真北和磁北之間的地球磁場的偏差。
6.一種移動定位系統(tǒng),包括一個初始點確定設(shè)備,用于確定一個移動體的初始點的三維信息,該三維信息是基于一個可辨別坐標(biāo)系統(tǒng);一個三維移動跟蹤設(shè)備,用于探測所述移動體的三維運動,并產(chǎn)生相應(yīng)的三維運動信息;一個數(shù)據(jù)處理設(shè)備,用于將所述三維運動信息轉(zhuǎn)換為符合所述可辨別坐標(biāo)系統(tǒng)的信息。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng),其中所述可辨別坐標(biāo)系統(tǒng)為大地坐標(biāo)系統(tǒng)。
8.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng),所述初始點確定設(shè)備是一個GPS接收機,用于測量所述移動體的初始點的三維信息,該三維信息基于大地坐標(biāo)系統(tǒng)。
9.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng),還包括一個存儲器,用于存儲信息。
10.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng),其中所述的三維運動信息是基于另一個坐標(biāo)系統(tǒng),所述三維移動跟蹤設(shè)備還用于檢測所述可辨別坐標(biāo)系統(tǒng)與所述另一個坐標(biāo)系統(tǒng)之間的差異。
11.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng),其中所述差異可通過檢測所述可辨別坐標(biāo)系統(tǒng)與所述另一個坐標(biāo)系統(tǒng)之間的方向角來確定。
12.一種三維移動跟蹤設(shè)備,包括一個三維運動檢測設(shè)備,用于探測一個移動體的三維運動,并產(chǎn)生相應(yīng)的三維運動原始信息,該原始信息基于一個坐標(biāo)系統(tǒng);一個坐標(biāo)系統(tǒng)差異檢測設(shè)備,用于檢測一個可辨別坐標(biāo)系統(tǒng)與所述一個坐標(biāo)系統(tǒng)之間的差異;其中,該原始信息和該差異用于提供該移動體在該可辨別坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置。
13.如權(quán)利要求12所述的設(shè)備,其中所述可辨別坐標(biāo)系統(tǒng)為大地坐標(biāo)系統(tǒng)。
14.如權(quán)利要求12所述的設(shè)備,所述三維運動檢測設(shè)備包括一個三維運動檢測傳感器。
15.如權(quán)利要求12所述的設(shè)備,所述坐標(biāo)系統(tǒng)差異檢測設(shè)備包括一個方向傳感器,用于檢測所述可辨別坐標(biāo)系統(tǒng)與所述一個坐標(biāo)系統(tǒng)之間的方向角。
全文摘要
本發(fā)明提供一種移動定位方法及系統(tǒng)。該方法和系統(tǒng)首先確定一個移動體的初始點的三維信息,該三維信息是基于一個可辨別坐標(biāo)系統(tǒng),該可辨別坐標(biāo)系統(tǒng)為大地坐標(biāo)系統(tǒng);其次探測所述移動體的三維運動,并產(chǎn)生相應(yīng)的三維運動信息;最后將該三維運動信息轉(zhuǎn)換為符合所述可辨別坐標(biāo)系統(tǒng)的信息。本發(fā)明可以結(jié)合GPS進行精確定位,或在無法利用GPS的情況下,如在無法接收GPS信號的區(qū)域內(nèi),特別是在高層建筑物內(nèi)或森林中,進行精確定位。
文檔編號G01S19/49GK1635337SQ20031012452
公開日2005年7月6日 申請日期2003年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月30日
發(fā)明者涂嘉文, 田建波 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司