本發(fā)明涉及一種定位技術(shù)，尤其涉及智能手機(jī)和移動(dòng)終端室內(nèi)外無(wú)縫定位系統(tǒng)及其方法。

背景技術(shù)：

衛(wèi)星導(dǎo)航給智能手機(jī)和移動(dòng)終端提供室外定位服務(wù)，極大方便了人類(lèi)的出行、旅游、測(cè)量、農(nóng)業(yè)、建筑。獨(dú)立的消費(fèi)級(jí)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)一般可以達(dá)到10米的精度。Everett Wang等最近開(kāi)發(fā)的嵌入在移動(dòng)網(wǎng)的差分技術(shù)可以消除衛(wèi)星導(dǎo)航的測(cè)量偏差把定位精度提高到亞米級(jí)，擴(kuò)展了智能手機(jī)和移動(dòng)終端的定位應(yīng)用范圍。

然而，導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)不能穿透建筑物達(dá)到室內(nèi)。因此衛(wèi)星導(dǎo)航在室內(nèi)基本上不能使用。由于人類(lèi)和智能機(jī)器很多活動(dòng)是在室內(nèi)進(jìn)行，室內(nèi)定位也非常重要。目前智能手機(jī)和移動(dòng)終端室內(nèi)定位有多種方法。蘋(píng)果推廣的ibeacon是利用藍(lán)牙無(wú)線電方法可以達(dá)到亞米級(jí)的室內(nèi)定位，但它需要較多的藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)。超寬帶(UWB)更可以達(dá)到厘米級(jí)的定位精度。但它造價(jià)很高，而且不能支持智能手機(jī)。

絕大部分智能手機(jī)和移動(dòng)終端都帶有WiFi通訊模塊。WiFi定位也被目前大多數(shù)系統(tǒng)使用。目前商用WiFi定位是利用接受信號(hào)強(qiáng)度指標(biāo)(RSSI)方法和三角形定位算法。本方法的精度在數(shù)十米到亞米級(jí)的精度。亞米級(jí)的WiFi定位通常需要多WiFi節(jié)點(diǎn)和強(qiáng)度指紋技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)亞米級(jí)的WiFi定位，工程師需要花費(fèi)精力仔細(xì)測(cè)量定位區(qū)域的WiFi強(qiáng)度，建立強(qiáng)度和位置之間對(duì)應(yīng)指紋庫(kù)。智能手機(jī)和移動(dòng)終端測(cè)量到WiFi節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度以后，發(fā)送該信息給WiFi指紋庫(kù)服務(wù)器后臺(tái)，匹配出智能手機(jī)的位置。該方法需要的安裝較多的WiFi節(jié)點(diǎn)(所有的位置需要三個(gè)以上的WiFi節(jié)點(diǎn)覆蓋)，還需要合同服務(wù)。安裝和維護(hù)成本較高。

在高架橋、建筑物附近導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)常會(huì)被遮擋和反射，使得衛(wèi)星導(dǎo)航不能單獨(dú)定位。如果接收機(jī)只能收到三顆或者更少的有效衛(wèi)星信號(hào)，它就不能實(shí)現(xiàn)三維定位。同樣地，當(dāng)智能手機(jī)只能收到三個(gè)或者更少的WiFi天線元的飛行時(shí)間測(cè)量，也不能實(shí)現(xiàn)三維定位。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)衛(wèi)星-WiFi飛行時(shí)間組合導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)定位。如果智能手機(jī)可以接受到兩顆有效衛(wèi)星信號(hào)，和兩個(gè)WiFi天線元的飛行時(shí)間測(cè)量，組合導(dǎo)航可以實(shí)現(xiàn)三維定位，計(jì)算出智能手機(jī)的位置。

通常智能手機(jī)和移動(dòng)終端也配備MEMS慣性測(cè)量傳感器。它不僅可以測(cè)量智能手機(jī)的加速度和角速度，還可以實(shí)現(xiàn)慣性導(dǎo)航。慣性導(dǎo)航可以在沒(méi)有任何外界輸入導(dǎo)航定位信號(hào)的情況下(無(wú)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)、無(wú)WiFi導(dǎo)航信號(hào)、無(wú)藍(lán)牙定位信號(hào))，推測(cè)出智能手機(jī)的位置，提高智能手機(jī)和移動(dòng)終端的定位可靠性。但是慣性導(dǎo)航需要一個(gè)正確的初始位置才能推測(cè)目前位置，而且由于慣性傳感器積累誤差，定位誤差會(huì)隨時(shí)間快速增長(zhǎng)，最終完全失效。

此外，目前智能手機(jī)組合衛(wèi)星定位、WiFi接受信號(hào)強(qiáng)度指標(biāo)(RSSI)定位、慣性導(dǎo)航定位，能實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)外無(wú)縫定位，但該方法精度在室外達(dá)到10米級(jí)，室內(nèi)達(dá)到幾十米精度，誤差比較大。

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)在組合衛(wèi)星導(dǎo)航和衛(wèi)星差分導(dǎo)航，提高室外定位精度。利用WiFi跳頻和頻帶拼接方法，測(cè)量飛行時(shí)間，替代WiFi接收信號(hào)強(qiáng)度指標(biāo)方法，提高室內(nèi)定位精度，本發(fā)明提出一種智能手機(jī)和移動(dòng)終端室內(nèi)外無(wú)縫定位系統(tǒng)及其方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣的，一種智能手機(jī)和移動(dòng)終端室內(nèi)外無(wú)縫定位系統(tǒng)，包括

至少一種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；

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)；

衛(wèi)星定位參考基站，所述衛(wèi)星定位參考基站包括偽距離差分修正模塊；和智能手機(jī)以及移動(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、WiFi信號(hào)接收處理模塊、慣性測(cè)量單元和衛(wèi)星-慣性-WiFi飛行時(shí)間緊耦合定位軟件卡；

其中每個(gè)MIMO天線元通過(guò)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)備的衛(wèi)星-慣性-WiFi飛行時(shí)間緊耦合定位軟件根據(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)、WIFi信號(hào)接收處理模塊獲得的MIMO天線元測(cè)量數(shù)據(jù)、MIMO天線元地心地坐標(biāo)、慣性測(cè)量單元測(cè)得的慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)和通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接收的偽距離差分修正數(shù)據(jù)，求解出所述移動(dòng)設(shè)備的位置。

進(jìn)一步地，所述衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為GPS系統(tǒng)、GLONASS系統(tǒng)、BDS系統(tǒng)或伽利略系統(tǒng)。

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(guò)預(yù)設(shè)方式或定標(biāo)方式設(shè)定的。

進(jìn)一步地，所述偽距離差分修正數(shù)據(jù)包括電離層和對(duì)流層延遲誤差、衛(wèi)星軌道偏差和衛(wèi)星種差的修正數(shù)據(jù)。

本發(fā)明還提供一種智能手機(jī)和移動(dòng)終端室內(nèi)外無(wú)縫定位方法，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)和衛(wèi)星定位參考基站發(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，衛(wèi)星定位參考基站將偽距離差分修正數(shù)據(jù)發(fā)送到移動(dòng)設(shè)備，所述移動(dòng)設(shè)備根據(jù)衛(wèi)星測(cè)量數(shù)據(jù)、MIMO天線元測(cè)量數(shù)據(jù)、偽距離差分修正數(shù)據(jù)和MIMO天線元地心地坐標(biāo)，求解出所述移動(dòng)設(shè)備的位置。

本發(fā)明也可以用于沒(méi)有差分參考站的情況下工作。

本發(fā)明的有益效果在于，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明緊密組合衛(wèi)星-WIFI和慣性導(dǎo)航，能實(shí)現(xiàn)無(wú)任何定位信號(hào)下的定位，極大地提高移動(dòng)設(shè)備的定位精度和可靠性，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外高精度無(wú)縫覆蓋且同樣適用于帶衛(wèi)星、慣性、WiFi定位的無(wú)人機(jī)和機(jī)器人的室內(nèi)室外無(wú)縫高精度導(dǎo)航和定位。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一種智能手機(jī)和移動(dòng)終端高精度室內(nèi)外無(wú)縫組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是智能手機(jī)和有些移動(dòng)終端的硬件模塊圖。

圖3是本發(fā)明的移動(dòng)設(shè)備的定位功能方框圖。

圖4是本發(fā)明一種智能手機(jī)和移動(dòng)終端室內(nèi)外無(wú)縫定位方法流程圖。

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?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)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(jiàn)圖1，本發(fā)明一種智能手機(jī)和移動(dòng)終端室內(nèi)外無(wú)縫定位系統(tǒng)，包括

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(衛(wèi)星)；WiFi接入點(diǎn)(WiFi路由器接入點(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，并存儲(chǔ)有每個(gè)MIMO天線元的地心地固坐標(biāo)；衛(wèi)星定位參考基站(GNSS參考站)，所述衛(wèi)星定位參考基站包括偽距離差分修正模塊；和智能手機(jī)，所述智能手機(jī)包括衛(wèi)星信號(hào)接收處理模塊、WiFi信號(hào)接收處理模塊、慣性測(cè)量單元和衛(wèi)星-慣性-WiFi飛行時(shí)間緊耦合定位軟件；其中導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)量和WiFi接入點(diǎn)的MIMO天線元數(shù)量之和一般不小于4，每個(gè)MIMO天線元通過(guò)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)備的衛(wèi)星-慣性-WiFi飛行時(shí)間緊耦合定位軟件根據(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)、WIFi信號(hào)接收處理模塊獲得的MIMO天線元測(cè)量數(shù)據(jù)、MIMO天線元地心地坐標(biāo)、慣性測(cè)量單元測(cè)得的慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)和通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(差分GNSS服務(wù)器)接收的偽距離差分修正數(shù)據(jù)，求解出所述移動(dòng)設(shè)備的位置。

請(qǐng)參見(jiàn)圖2，現(xiàn)有的智能手機(jī)和有些移動(dòng)終端的硬件模塊包括：中央處理器101，與所述中央處理器101相連的攝像頭102、NOR/NAND Flash內(nèi)存103、顯示屏及其顯示觸摸控制器104、USB接口105、Sim卡106、電池及電源管理系統(tǒng)107、藍(lán)牙模塊108、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通訊模塊109、WiFi通訊模塊110、衛(wèi)星導(dǎo)航模塊GNSS112及其天線111、慣性傳感器113、陀螺儀1131、加速度儀1132和磁場(chǎng)羅盤(pán)114.

請(qǐng)參見(jiàn)圖3，本發(fā)明提出的智能手機(jī)和移動(dòng)終端室內(nèi)外無(wú)縫定位系統(tǒng)利用衛(wèi)星導(dǎo)航模塊205輸出的原始測(cè)量數(shù)據(jù)，而不是用戶位置和速度信息、WiFi接入點(diǎn)202的MIMO天線元測(cè)量數(shù)據(jù)，而不是WiFi信號(hào)強(qiáng)度、以及慣性測(cè)量單元測(cè)量的多軸角速度和加速度信息，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模塊203獲得的偽距離差分修正數(shù)據(jù)，利用衛(wèi)星-慣性-WiFi飛行時(shí)間緊耦合定位軟件201計(jì)算出用戶的位置、速度和姿態(tài)角。本系統(tǒng)可以在衛(wèi)星數(shù)量少于4顆、WiFi接入點(diǎn)的MIMO天線元少于3個(gè)時(shí)，聯(lián)立衛(wèi)星和MIMO天線元測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算出用戶的位置。

移動(dòng)設(shè)備的衛(wèi)星導(dǎo)航模塊通常由衛(wèi)星接收天線、衛(wèi)星導(dǎo)航射頻芯片和數(shù)字基帶芯片構(gòu)成。衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)過(guò)衛(wèi)星接收天線接收受，再經(jīng)過(guò)射頻芯片的低噪聲放大器、混頻、下變頻、模數(shù)轉(zhuǎn)換后，以中頻數(shù)字信號(hào)輸入數(shù)字基帶進(jìn)行信號(hào)處理，計(jì)算出衛(wèi)星接收機(jī)的偽距離、多普勒頻移，甚至載波相位等測(cè)量值。嵌入在基帶芯片中的軟件再根據(jù)這些衛(wèi)星測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算出智能手機(jī)或者移動(dòng)終端的位置。在本發(fā)明中，我們提出的衛(wèi)星-慣性-差分-WiFi飛行時(shí)間緊耦合方法，不需要導(dǎo)航模塊輸出用戶位置，而使用衛(wèi)星接收機(jī)的原始數(shù)據(jù)測(cè)量。原始測(cè)量數(shù)據(jù)保護(hù)接收機(jī)測(cè)量到的衛(wèi)星到接收機(jī)的偽距離、衛(wèi)星的多普勒頻移和衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)。衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)包含衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星歷書(shū)、衛(wèi)星時(shí)鐘修正數(shù)據(jù)、電離層修正數(shù)據(jù)、衛(wèi)星的健康狀態(tài)等。

衛(wèi)星導(dǎo)航偽距離測(cè)量方程式可表示如下：

${\mathrm{\ρ}}_u^i=r_u^i+c({\mathrm{\δt}}_u-{\mathrm{\δt}}^i)+I_u^i+T_u^i+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\ρ},iu}---\left(1\right)$

上述公式中的分別表示移動(dòng)設(shè)備u和GNSS衛(wèi)星i之間的偽距離和幾何距離，xⁱ，yⁱ，zⁱ、是GNSS衛(wèi)星i在地心地固坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)，x_u，y_u，z_u是智能手機(jī)u在地心地固坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)，c是真空中的光速，δt_u是智能手機(jī)u的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的時(shí)鐘偏移，δtⁱ是導(dǎo)航衛(wèi)星i的時(shí)鐘偏移。分別是導(dǎo)航衛(wèi)星到智能手機(jī)的電離層和對(duì)流程延遲，ε是偽距離測(cè)量噪聲。方程(1)有四個(gè)未知數(shù)：x_u，y_u，z_u，δt_u，如果有衛(wèi)星接收機(jī)收到四顆以上的衛(wèi)星信號(hào)，就可以計(jì)算出智能手機(jī)位置和時(shí)間。由于電離層和對(duì)流程延遲不能?chē)?yán)格計(jì)算，單點(diǎn)定位精度通常在10米左右。

消費(fèi)級(jí)的衛(wèi)星定位接收機(jī)受電離層、對(duì)流層延遲誤差、衛(wèi)星軌道偏差、衛(wèi)星種差等誤差影響，只能到達(dá)10米的定位精度。衛(wèi)星定位參考基站可以測(cè)量出這些共同偏差，再通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)傳遞給移動(dòng)設(shè)備。這些偏差可以修正衛(wèi)星導(dǎo)航模塊的原始測(cè)量值，到達(dá)亞米級(jí)的定位精度。參考基站通常以RTCM國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)傳遞衛(wèi)星測(cè)量共同偏差。

衛(wèi)星導(dǎo)航差分修正通常是由衛(wèi)星導(dǎo)航參考基站產(chǎn)生的。差分基站的偽距離觀測(cè)方程和方程(1)類(lèi)似：

${\mathrm{\ρ}}_r^i=r_r^i+c({\mathrm{\δt}}_r-{\mathrm{\δt}}^i)+I_r^i+T_r^i+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\ρ},ir}---\left(2\right)$

其中分別表衛(wèi)星導(dǎo)航參考r和導(dǎo)航衛(wèi)星i之間的偽距離和幾何距離，xⁱ，yⁱ，zⁱ是導(dǎo)航衛(wèi)星i在地心地固坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)，x_r，y_r，z_r是導(dǎo)航衛(wèi)星參考站r在地心地固坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)，c是真空中的光速，δt_r是衛(wèi)星導(dǎo)航參考站r的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的時(shí)鐘偏移，δtⁱ是導(dǎo)航衛(wèi)星i的時(shí)鐘偏移，可以根據(jù)導(dǎo)航數(shù)據(jù)計(jì)算出來(lái)。分別是導(dǎo)航衛(wèi)星i到導(dǎo)航衛(wèi)星參考站的電離層和對(duì)流程延遲，ε是偽距離測(cè)量噪聲。衛(wèi)星導(dǎo)航參考基站通常是事先仔細(xì)測(cè)量了位置。所有x_r，y_r，z_r是已知的。方程(2)可以計(jì)算出電離層和對(duì)流程的延遲：

${\mathrm{\Δ\ρ}}_r^i=r_r^i-{\mathrm{\ρ}}_r^i=-c({\mathrm{\δt}}_r-{\mathrm{\δt}}^i)-I_r^i-T_r^i-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\ρ},ir}---\left(3\right)$

當(dāng)參考基站和移動(dòng)設(shè)備距離不遠(yuǎn)時(shí)(100公里以內(nèi))，參考基站和移動(dòng)設(shè)備有相同的電離層、對(duì)流程延遲：

$I_r^i=I_u^i$

$T_r^i=T_u^i---\left(4\right)$

根據(jù)方程(3)計(jì)算出來(lái)的偽距離修正、和它對(duì)時(shí)間的變化率再通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)或者移動(dòng)終端，就可以修正衛(wèi)星導(dǎo)航測(cè)量的偽距離。修正后的偽距離為：

${\mathrm{\ρ}}_{uc}^i={\mathrm{\ρ}}_u^i+{\mathrm{\Δ\ρ}}_r^i=r_u^i+{\mathrm{c\δt}}_{ur}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\ρ}c,iu}---\left(5\right)$

其中δt_ur＝δt_u-δt_r,ε_ρc，iu＝ε_ρ，iu-ε_ρ，ir分別為移動(dòng)設(shè)備-衛(wèi)星參考站種差和測(cè)量誤差。由方程(5)可見(jiàn)差分修正消掉了測(cè)量誤差最大的電離層和對(duì)流程延遲也消掉了導(dǎo)航衛(wèi)星鐘差δtⁱ。實(shí)際上偽距離差分可以消掉所有的衛(wèi)星導(dǎo)航測(cè)量公眾誤差，包含電離層、對(duì)流程延遲、導(dǎo)航衛(wèi)星星歷偏差、導(dǎo)航衛(wèi)星鐘差，實(shí)現(xiàn)亞米級(jí)定位。方程(5)結(jié)合載波差分，定位精度可以達(dá)到厘米級(jí)甚至毫米級(jí)。

衛(wèi)星-慣性-WiFi飛行時(shí)間緊耦合定位軟件組合以上四組傳感器數(shù)據(jù)，也就是衛(wèi)星測(cè)量數(shù)據(jù)、WIFi信號(hào)接收處理模塊獲得的MIMO天線元測(cè)量數(shù)據(jù)、MIMO天線元地心地坐標(biāo)、慣性測(cè)量單元測(cè)得的慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)和通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接收的偽距離差分修正數(shù)據(jù)，再利用緊耦合方案計(jì)算出用戶在室內(nèi)外的最可能的位置和速度，達(dá)到室內(nèi)外無(wú)縫高精度定位的目的。

移動(dòng)設(shè)備通常配備小型節(jié)能的MEMS慣性測(cè)量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)。多軸的加速度儀和陀螺器儀可以同時(shí)測(cè)量移動(dòng)設(shè)備在三維空間的加速度(包含重力加速度)矢量和角速度矢量。智能手機(jī)和移動(dòng)終端一般采用捷聯(lián)慣性導(dǎo)航方法。智能手機(jī)和移動(dòng)終端載體固定坐標(biāo)系里，慣性測(cè)量單元輸出加速度和角速度測(cè)量矢量通過(guò)這些觀測(cè)量，慣性編排方程可以計(jì)算出狀態(tài)(位置、速度、姿態(tài)角等)隨時(shí)間的變化

WiFi接入點(diǎn)不僅可以用來(lái)通訊，還可以用來(lái)定位。多模式的WiFi接入點(diǎn)通常覆蓋2.4G和5G頻段。通常WiFi接入點(diǎn)的物理層是不能通過(guò)軟件接口控制的。本發(fā)明利用特殊軟件工具，獲取WiFi物理層的通道狀態(tài)信息(channel state information，CSI)，實(shí)現(xiàn)跳頻(frequency hopping)和頻帶拼接(band stitch)的高精度飛行時(shí)間測(cè)量。再利用非平面MIMO天線元的WiFi節(jié)點(diǎn)測(cè)量值，實(shí)現(xiàn)單WiFi節(jié)點(diǎn)定位。WiFi飛行時(shí)間和WiFi節(jié)點(diǎn)MIMO天線元i到移動(dòng)設(shè)備r有下列幾何關(guān)系：

${\mathrm{\τ}}_r^i\·c=\sqrt{{(x^i-x_r)}^2+{(y^i-y_r)}^2+{(z^i-z_r)}^2}+{\mathrm{\ϵ}}_{tof,ir}---\left(6\right)$

其中xⁱ，yⁱ，zⁱ是WiFi節(jié)點(diǎn)天線的地心地固坐標(biāo)、x_r，y_r，z_r是移動(dòng)設(shè)備的地心地固坐標(biāo)、ε_tof，ir是測(cè)量誤差。在本發(fā)明中，我們?cè)谛l(wèi)星定位和WiFi定位采用同樣的坐標(biāo)系，這樣衛(wèi)星測(cè)距方程(5)和WiFi測(cè)距方程(6)就可以聯(lián)立使用。本方法在信號(hào)遮擋導(dǎo)致衛(wèi)星和WiFi都不能單獨(dú)定位的時(shí)候，還可以利用部分有效的衛(wèi)星測(cè)量和部分有效的WiFi測(cè)量實(shí)現(xiàn)聯(lián)合定位。本方法對(duì)無(wú)縫實(shí)現(xiàn)室內(nèi)室外定位有關(guān)鍵的意義。為了傳遞WiFi接入點(diǎn)的MIMO天線元位置，本發(fā)明提出將WiFi天線元的地心地固坐標(biāo)位置存儲(chǔ)于WiFi接入點(diǎn)中，當(dāng)移動(dòng)設(shè)備連接該WiFi接入點(diǎn)、發(fā)出定位要求時(shí)，WiFi接入點(diǎn)傳輸MIMO天線元的個(gè)數(shù)和它們的地心地固坐標(biāo)位置給智能手機(jī)，實(shí)現(xiàn)定位目的。

捷聯(lián)慣性導(dǎo)航從慣性測(cè)量單元輸出的加速度和角速度矢量，利用力學(xué)編排方程計(jì)算移動(dòng)用戶的位置和姿態(tài)角。地心地固坐標(biāo)系的機(jī)械編排方程有下列形式：

${\stackrel{\·}{\stackrel{\→}{v}}}_e^e=C_b^e{\stackrel{\→}{f}}^b-2{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}_{ie}^e\×{\stackrel{\→}{v}}_e^e+{\stackrel{\→}{g}}_l^e---\left(7\right)$

其中是地心地固坐標(biāo)系里手機(jī)和移動(dòng)終端的速度矢量，是方向余弦矩陣，轉(zhuǎn)換載體坐標(biāo)的比力矢量到地心地固坐標(biāo)系，分別是地心地固坐標(biāo)角速度和當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋芍悄苁謾C(jī)或者移動(dòng)終端的慣性測(cè)量單元獲得。方向余弦矩陣和載體(手機(jī))的空間姿態(tài)角(3個(gè)歐拉角)有關(guān)，可以利用4元素表達(dá)。

慣性測(cè)量單元的誤差會(huì)隨時(shí)間積累。以加速度誤差為例，假如不考慮別的誤差，定位誤差和加速度誤差有如下關(guān)系：

$\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{r}=\frac{1}{2}\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{a}\·t^2---\left(8\right)$

其中分別是定位誤差和加速度誤差矢量，定位誤差隨時(shí)間平方快速增長(zhǎng)。由此可見(jiàn)，很小的加速度誤差可以讓定位誤差快速積累，最終失去定位精度。

這個(gè)誤差積累問(wèn)題可以利用衛(wèi)星-慣性-WiFi飛行時(shí)間緊耦合定位軟件201和衛(wèi)星-WiFi測(cè)量解決。本發(fā)明提出的利用卡爾曼濾波器的慣性-衛(wèi)星-WiFi飛行時(shí)間緊耦合方案如下。系統(tǒng)狀態(tài)包含載體(智能手機(jī)和移動(dòng)終端)在地心地固坐標(biāo)系的位置偏差、速度偏差矢量、載體衛(wèi)星導(dǎo)航模塊306的鐘差和頻飄偏差、載體姿態(tài)角的四元素q偏差、載體慣性測(cè)量的零飄偏差矢量共n＝18維：

$\mathrm{\δ}\stackrel{\→}{x}={(\mathrm{\δ}\stackrel{\→}{r},\mathrm{\δ}\stackrel{\→}{v},\mathrm{\δ}t,\mathrm{\δ}f,\mathrm{\δ}\stackrel{\→}{q},\mathrm{\δ}{\stackrel{\→}{b}}_g,\mathrm{\δ}{\stackrel{\→}{b}}_{\mathrm{\ω}})}^T---\left(9\right)$

假設(shè)狀態(tài)方程(9)的分量為小量，對(duì)方程(7)進(jìn)行泰勒展開(kāi)可以得到擴(kuò)展卡爾曼濾波器離散的系統(tǒng)方程：

$\mathrm{\δ}\stackrel{\→}{x}{*}_{k+1}={\mathrm{\Θ}}_k\mathrm{\δ}{\stackrel{\→}{x}}_k+{\stackrel{\→}{w}}_k---\left(10\right)$

式中Θ_k為18x18維系統(tǒng)轉(zhuǎn)移矩陣、為過(guò)程誤差。誤差狀態(tài)的協(xié)方差代表了狀態(tài)誤差。它隨時(shí)間的變化為：

$P{*}_{k+1}={\mathrm{\Θ}}_k{P}_k{\mathrm{\Θ}}_k^T+Q_k---\left(11\right)$

方程(10-11)為預(yù)測(cè)方程，帶*表示測(cè)量前的狀態(tài)。衛(wèi)星偽距離、多普勒測(cè)量、或者帶差分修正的衛(wèi)星偽距離、多普勒測(cè)量，以及WiFi飛行時(shí)間測(cè)量可以用來(lái)修正慣性傳感器的漂移誤差和姿態(tài)誤差。測(cè)量方程為：

$\mathrm{\δ}\stackrel{\→}{z}=H\mathrm{\δ}\stackrel{\→}{x}+\stackrel{\→}{v}---\left(12\right)$

其中為觀測(cè)殘差，是實(shí)際值與預(yù)測(cè)值之間的差異，H,分別為觀測(cè)矩陣和觀測(cè)隨機(jī)誤差。測(cè)量可以降低系統(tǒng)狀態(tài)誤差：

$\mathrm{\δ}{\stackrel{\→}{x}}_{k+1}=\mathrm{\δ}\stackrel{\→}{x}{*}_{k+1}+K_k\mathrm{\δ}\stackrel{\→}{z}---\left(13\right)$

P_k+1＝(I-K_kH_k)P*_k+1 (14)

其中K_k為卡爾曼濾波器的增益。方程(13-14)為卡爾曼濾波器測(cè)量更新。由此可見(jiàn)，緊耦合的組合導(dǎo)航只要有一顆有效衛(wèi)星，就會(huì)提供兩個(gè)測(cè)量方程，(偽距離和多普勒)，也就會(huì)降低狀態(tài)誤差。而常用的松耦合方式，由于一顆衛(wèi)星不能定位，衛(wèi)星導(dǎo)航芯片就不可能有定位坐標(biāo)輸出，因而不能降低慣性導(dǎo)航的積累誤差。

請(qǐng)參見(jiàn)圖3，本發(fā)明一種智能手機(jī)和移動(dòng)終端高精度室內(nèi)外無(wú)縫組合導(dǎo)航定位方法包括步驟

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)和衛(wèi)星定位參考基站發(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，衛(wèi)星定位參考基站將偽距離差分修正數(shù)據(jù)發(fā)送到移動(dòng)設(shè)備，所述移動(dòng)設(shè)備根據(jù)衛(wèi)星測(cè)量數(shù)據(jù)、MIMO天線元測(cè)量數(shù)據(jù)、偽距離差分修正數(shù)據(jù)和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(lái)說(shuō)，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(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。