CN114745778B - 一种低功耗的室内外无缝切换的定位方法 - Google Patents

一种低功耗的室内外无缝切换的定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低功耗的室内外无缝切换的定位方法，定位终端以连续有效的蓝牙信标扫描记录为依据，进行室内和室外定位的切换，室内定位时蓝牙信标开启，室外定位时GNSS开启，以GNSS Ready状态作为室内和室外定位的中间态。本发明提出蓝牙信标广播频率自适应的方法，有效利用信标资源，降低蓝牙信标的功耗，增加信标使用寿命；提出基于次数阈值及精度阈值的室内外定位切换的先决条件，避免误切换；提出GNSS Ready状态作为室内外定位的中间态，保证切换期间始终有有效的定位数据；提出在室内外出入口和室外有遮挡的场景下布置较低密度信标的方法，提高室内外定位切换效率及准确度。

Description

一种低功耗的室内外无缝切换的定位方法
技术领域
本发明涉及无线通信网络，更具体地说，本发明是一种定位技术领域的低功耗的室内外无缝切换的定位方法。
背景技术
近年来室内外定位技术发展迅速且日趋成熟，理想情况下，只需要在任意场景中布置信标，即可实现室内定位方法，利用接收到的信号强度进行定位。常见的室内定位主要包括基于蓝牙、WIFI、红外线、超声波和UWB的定位方法，其中，蓝牙技术存在设备体积小的优势，随着蓝牙技术的发展，在功耗、传输距离、稳定性和安全性都得到大大提高，是最常用的信标的种类。
然而在实际实施过程中，由于外界环境造成的各种干扰，为了保证定位的精度，在场景中会有额外的蓝牙信标被布置，实际需要佩戴定位终端的人员数量和定位场景面积之间可能存在的不平衡，既导致了蓝牙信标的数量远大于定位终端和数据传输基站的总数，也导致了会有相当多的蓝牙信标周围实际没有需要定位的终端，硬件成本高、功耗高。
目前以美国的全球定位***(Global Positioning System，GPS)和中国的北斗导航***为代表的全球卫星导航***(Global Navigation Satellite System，GNSS)为人们提供了高精度，全天候的定位服务，但是在诸多室内环境下，由于水泥墙体等各种遮挡物的影响，卫星信号就会被严重衰弱而无法提供及时有效的定位服务，无法满足如今的定位需求。
中国专利文献CN201510790928.9公开了一种基于蓝牙技术的室内定位方法，该方法利用蓝牙信标来计算出终端的位置，该方法没能解决当周围没有需要定位的终端时，信标如何降低功耗的问题。
中国专利文献CN201710037606.6公布了一种降低定位终端功耗的室内外定位无缝切换的方法，能够及时追踪定位终端的室内外状态，却需要在室内与室外的进出口处额外布置室外定位结算模块，增加了实施的成本。
中国专利文献CN201911057185.9公布了一种基于NB-IOT的室内外定位的终端及定位技术，在室外开启GNSS模块为终端提供定位服务。该方法没能解决室外有遮挡场景下，卫星信号弱，室外定位服务精度降低的问题，且没有对室内外定位方式切换时由于外界干扰可能出现的启动慢的问题提出解决方案。
因此，如何提供一种能够在室内室外提供可靠定位服务的、低功耗的定位方式成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种低功耗的室内外无缝切换的定位方法，以解决当前现有的定位方法中硬件成本高、功耗高、易出现错误切换和定位不稳定等问题。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案，一种低功耗的室内外无缝切换的定位方法，所述方法中，定位终端以连续有效的蓝牙信标扫描记录为依据，进行室内和室外定位的切换，室内定位时蓝牙信标开启，室外定位时GNSS开启，以GNSS Ready状态作为室内和室外定位的中间态。
优选地，蓝牙信标广播频率为自适应，当蓝牙信标周围没有定位终端时以低频率进行广播，当信标周围存在定位终端时，以高频率广播。
优选地，所述GNSS Ready状态下，GNSS和蓝牙模块均开启；蓝牙模块和GNSS都是集成在定位终端上的模块。
优选地，所述方法包括以下步骤：
步骤1：定位终端扫描蓝牙信标；其中，定位终端即定位***中的待测节点；
步骤2：若扫描到蓝牙信标，则进行下一步，否则进行步骤5；
步骤3：定位终端发送扫描请求包，此定位终端扫描到的蓝牙信标开始高频率广播；
步骤4：进行室内定位，定位终端发送蓝牙信标数据至服务端；
步骤5：定位终端检查最近预设次数Nble连续扫到的蓝牙信标数量是否小于阈值；若是，则进行下一步，开始室内外定位方式切换，否则返回步骤1；
需要说明的是，本发明中N的下标用于区分使用蓝牙或卫星定位时的次数阈值，如Nble、Ngnss、Nready，其仅用于标识，如此处下标“ble”表示该参数用于定位终端开启蓝牙，检测是否需要执行室内定位方式切换至室外定位方式的场景下。
步骤6：打开GNSS，进入GNSS Ready状态，进行预处理；
步骤7：确认卫星定位的结果是否满足室外定位需求，若满足则关闭定位终端的蓝牙功能，并进行下一步，否则进行步骤10；
步骤8：进行室外定位，定位终端发送卫星定位数据至服务端；
步骤9：若定位终端最近几次获取的卫星定位状态为无效定位或有效卫星数目小于阈值，则打开定位终端的蓝牙功能，进入GNSS Ready状态，并返回步骤7，否则返回步骤8；其中，“无效定位”包括定位失败、无卫星参与定位；
步骤10：是否超过预先为GNSS Ready状态设置的超时时间，若是则进行步骤11，否则返回步骤7；
步骤11：检查最近几次扫描到的信标数目是否都大于阈值，若是则关闭GNSS模块，并进行步骤1，否则重新计时并进行步骤7。
优选地，所述步骤2和步骤3间，蓝牙信标的广播频率切换包括以下步骤：
步骤S1：蓝牙信标以低频率进行蓝牙广播；
步骤S2：蓝牙信标检查是否收到定位终端的扫描请求包，若是则进行步骤S3，否则进行步骤S1；
步骤S3：蓝牙信标切换频率至高频率进行蓝牙广播；
步骤S4：蓝牙信标检查在预设的超时时间内是否一直未收到定位终端的请求包，若是则进行步骤S1，否则进行步骤S3。
优选地，所述步骤6中，预处理为基于上一次关闭GNSS模块的时间清除GNSS记录的信息。
优选地，定位终端在GNSS Ready状态中，将扫描到的蓝牙信标数据发送至服务端，即GNSS Ready状态下依旧采用室内定位方法；GNSS Ready状态下，定位终端扫描到的蓝牙信标数量即使满足最近预设次数Nble连续扫到的蓝牙信标数量小于阈值(步骤5中的条件)，定位终端也不直接进行定位方式切换。
优选地，室内外过渡场景下，以Si为第i个室内外场景出入口周围需要蓝牙信标低密度覆盖的面积大小，
其中，li为第i个室内外场景出入口的大小，V为人行走的速度，Nble表示预设的室内定位方式向室外定位方式切换时所需的次数阈值，a为信标采样的周期，T为GNSS冷启动所需时间，m为室内外场景出入口的数量，i为1至m间的正整数；准确地说，室内外场景出入口的大小是指出入口的宽度。
由于卫星定位容易受到外界干扰，影响室内外定位切换时的速度和室外定位的精确度，故需要就以下两种情况对蓝牙信标的布置进行改进。
优选地，所述蓝牙信标以低密度设于室内和室外的过渡区域。
优选地，所述蓝牙信标以低密度设于室外有遮挡物的场所周围，有遮挡物的场所包括但不限于树荫下或天桥周围等。
由于蓝牙信标定位至少需要有3个信标才能够计算出，且以上两点中提及的场所只需要蓝牙信标辅助定位，所以需确保在上述场景下定位设备能扫到的信标数量在3至Nble间；借助这些辅助定位的信标，即可在卫星定位还没有获取经纬度信息或者卫星定位收到干扰的情况下，利用蓝牙信标实现定位。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)由于实际实施时，蓝牙信标与定位终端数量的不平衡，为了有效利用信标资源，降低蓝牙信标的功耗，增加信标使用寿命，本发明提出了蓝牙信标广播频率自适应的方法，当信标周围没有定位终端时以较低的频率进行广播，当信标周围存在定位终端时，以较高的频率广播；
(2)本发明提出基于次数阈值及精度阈值的室内外定位切换的先决条件，即只有连续多次获取的定位数据无效才会进行定位切换，避免误切换；
(3)本发明提出了GNSS Ready状态作为室内外定位的中间态，在此状态下GNSS与蓝牙皆开启，保证切换期间能够始终有有效的定位数据；
(4)为了提高室内外定位切换效率及准确度，本发明提出了在室内外出入口和室外有遮挡的场景下布置较低密度信标的方法，既免去安装多余的传感器，同时为GNSS启动期间能够有有效的定位数据上传至服务端提供设备支持。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图。
图2为本发明的GNSS模块复位流程示意图。
图3为本发明的蓝牙信标自适应广播流程示意图。
图4为本发明的室内外过渡场景下蓝牙信标布设示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合附图对本发明做进一步地说明。
图1为本实例提供的低功耗的室内外无缝切换的定位方法的流程示意图，如图1所示，一种低功耗的室内外无缝切换的定位方法，包括如下步骤：
步骤(1)：定位终端扫描信标；
步骤(2)：检查定位终端是否扫描到蓝牙信标，若是则转入步骤(3)，反之则转入步骤(5)；
步骤(3)：定位终端发送扫描请求包，蓝牙信标开始高频率广播；
步骤(4)：进行室内定位，定位终端发送蓝牙信标数据至服务端；
步骤(5)：定位终端检查最近几次扫到的信标数量是否小于阈值。只有连续Nble次扫到信标的数目小于Mble个才会开始进行室内定位方式至室外定位方式的切换，其中，Nble为次数阈值，Nble∈[3,6]。Mble为数量阈值，Mble≥3；下标ble表示该参数用于定位终端开启蓝牙，检测是否需要执行室内定位方式切换至室外定位方式的场景下。若是，则转入步骤(6)开始室内外定位方式切换，反之则转入步骤(1)。设置次数阈值和数量阈值是为了防止出现定位终端在室内进入了周围无蓝牙信标的死角而出现误切换的情况；
步骤(6)：开启GNSS，进入GNSS Ready状态，并根据上一次关闭GNSS模块的时间来清除GNSS记录的信息，避免过去的星历、历书等信息对GNSS模块正确搜星的干扰及影响启动时间的可能性。通过如下公式计算上一次关闭GNSS模块的时间：
Δt＝t1-t2；
其中，t2为上一次GNSS模块关闭的时刻，t1为本次打开GNSS模块的时刻，Δt为上一次关闭GNSS模块和本次打开GNSS模块的时间差。
GNSS模块复位流程如图2所示，若Δt＞4h或t2为零时刻，说明距离上次关闭GNSS模块超过4小时，或者此次为定位终端第一次开启GNSS模块，则通过清除星历、接收机位置、接收机时间和历书等方式复位GNSS模块，若4h＞Δt＞2h，说明距离上次关闭GNSS模块超过2小时但没有超过4小时，此时GNSS模块保存的历书等信息可能还是有效的，则只清除接收机的星历，若2h＞Δt，则不执行复位操作。
步骤(7)：检查卫星定位的结果是否满足室外定位需求，若卫星定位成功(获取定位数据)且当前扫描到的卫星载噪比最大值大于25，此时能扫到的信标数目小于3个，则关闭定位终端的蓝牙功能，并转入步骤(8)，反之，则转入步骤(10)。该步骤中要求的卫星载噪比最大值和信标数目均可根据实际测试经验重新配置；
步骤(8)：进行室外定位，定位终端发送卫星定位数据至服务端；
步骤(9)：定位终端检查最近几次获取的卫星定位状态是否为定位失败或有效卫星数目是否小于阈值；只有连续Ngnss次有效卫星数目小于Mgnss个或连续Ngnss次卫星定位状态为无效定位，才会开始室外定位方式至室内定位方式的切换，其中，Ngnss为次数阈值，Ngnss∈[3,6]，Mgnss为数量阈值，Mgnss≥4；下标gnss表示该参数用于定位终端开启GNSS模块，检测是否需要执行室外定位方式切换至室内定位方式的场景下，若是，则打开定位终端的蓝牙功能，进入GNSS Ready状态，并转入步骤(7)，反之则转入步骤(8)；设置次数阈值和数量阈值是为了避免出现定位终端在室外进入了周围有遮挡物的场景而出现误切换的情况；
步骤(10)：检查是否超过预先为GNSS Ready状态设置的超时时间Tready，若是，则说明终端的GNSS模块一直没能定位成功，转入步骤(11)，反之则转入步骤(7)；其中Tready∈[3,4]，单位为分钟。下标ready表示该参数用于GNSS Ready状态；
步骤(11)：检查最近几次扫描到的信标数目是否都大于阈值。只有连续Nready次扫到信标的数目大于Mready个才会开始室内外定位方式切换。其中，Nready为次数阈值，Nready∈[3,6]；Mready为数量阈值，Mready≥3。若满足上述条件，则说明在当前环境中蓝牙定位有效而卫星定位无效，应当采用室内定位的方法，故关闭GNSS模块，并转入步骤(1)，反之则重新计时并转入步骤(7)。该步骤为定位终端出现在即无信标可扫，又无卫星可搜的场景下如何迅速提供有效的定位数据提出了明确的方案，避免采用轮询策略时可能出现的无法快速响应的情况；
步骤(2)中所述的蓝牙信标采用广播频率自适应的方法流程如图3所示，包含如下步骤：
步骤S1：蓝牙信标以低频率(广播间隔为1000ms)进行蓝牙广播；
步骤S2：蓝牙信标检查是否收到定位终端的扫描请求包，若是则转入步骤3，反之则转入步骤S1；
步骤S3：蓝牙信标切换频率至高频率(广播间隔为200ms)进行蓝牙广播；
步骤S4：蓝牙信标检查在超时时间内是否一直未收到定位终端的请求包，若是则转到步骤S1，反之则转入步骤S3；
具体实施例中蓝牙信标没有收到扫描请求包时维持高频广播的超时时间由经验所得，预设为10分钟。
一旦扫描到蓝牙信标，定位终端就会切换扫描模式为“主动扫描”，即在接收完成信标的广播包后，立刻给信标发送一个扫描请求包。蓝牙信标在收到扫描请求包后，先通过MAC地址来确定收到的扫描请求来自于定位***内的定位终端，而非其他无关BLE Central后，再切换广播频率。若蓝牙信标在超时时间内一直没有收到定位终端的扫描请求包，则计数器超时后就会切换至低频率广播，实现蓝牙信标低功耗。
步骤(6)中所述的GNSS Ready状态为室内外定位方式切换的中间状态，在此状态下蓝牙模块和GNSS模块皆启用。
由图1可知，定位终端进入GNSS Ready状态的条件有2条：
条件1：进行室内定位方式至室外定位方式切换；
条件2：进行室外定位方式至室内定位方式切换；
满足任意条件，定位终端都会进入GNSS Ready状态。
当定位终端处于GNSS Ready状态时，GNSS模块处于开启状态，不断搜星以获取定位终端当前时刻的位置信息，蓝牙模块也同样处于开启状态，扫描周围信标并发送扫描请求包。定位终端在GNSS Ready状态中，会将扫描到的蓝牙信标数据发送至服务端，即GNSSReady状态下依旧采用室内定位方法。不同于室内定位状态的是，此时终端扫描到的蓝牙信标数量即使满足步骤(5)中条件，终端也不会再进行定位方式切换。同时有计数器记录GNSSReady状态的持续时间。
由图1可知，定位终端退出GNSS Ready状态的条件有2条：
条件1：卫星定位结果满足室外定位需求；
条件2：GNSS Ready状态持续时间超出预设的超时Tready，且最近几次扫描到的信标数量都大于阈值；
满足任意条件定位终端都会退出GNSS Ready状态，进入室内定位或室外定位状态。
GNSS Ready的提出可以解决GNSS启动需要一定时间和定位终端可能会频繁出入室内外带来的问题。倘若在等待GNSS启动的时间段内，直接采用室外定位，关闭室内定位，会导致没有有效的定位数据上传服务端。当定位终端设备频繁出入室内外时，重复开关GNSS模块会不可避免的增加等待GNSS启动的时间，影响定位效果。于室内定位和室外定位状态之间加入GNSS Ready状态后，当进行定位方式切换时，蓝牙模块和GNSS模块同步进行工作使得定位终端将扫到的蓝牙信标数据发送至服务端。虽然此时定位终端没有把获取的卫星定位数据发送至服务端，但GNSS模块一直在搜索卫星，以获取设备的位置信息，直到获取到有效的卫星定位数据就可以马上进行切换。
无论是由室内定位方式切换至室外定位方式，还是室外定位方式切换至室内定位方式，都需要先进入GNSS Ready状态，所以根据进入GNSS Ready状态的场景不同，可以配置不同的超时时间Tready，以减少GNSS模块和蓝牙模块都开启的时间，实现低功耗。若此时发生的是室内定位方式至室外定位方式的切换，可以根据一般情况下GNSS模块冷启动的时间配置超时时间一般为2-4分钟。若此时发生的是室外定位方式至室内定位方式的切换，可以设置稍短一些的超时时间/>为可能立刻返回室外场景的行为做准备。
卫星定位容易受到外界干扰，影响室内外定位切换时的速度和室外定位的精确度，需要对蓝牙信标的布置针对以下两点进行改进：
改进1：在室内外过渡场景下，蓝牙信标需要以较低的密度布置。
改进2：室外有树荫或天桥等遮挡物的场所，需要在周围以较低的密度布置蓝牙信标。
由于出入口区域不同，考虑对定位切换效果的影响和实际实施的成本，室内外过渡场景下，蓝牙信标需要低密度布置的面积大小与室内外场景出入口大小成线性增长关系。根据室内外场景出入口大小、定位方式切换所需阈值、采样信标的周期、人行走速度和一般情况下GNSS冷启动所需时间，对于室内外过渡场景下蓝牙信标低密度覆盖的面积进行估计，如公式：
其中，li为第i个室内外场景出入口的大小；V为人行走的速度；Nble表示预设的室内定位方式向室外定位方式切换时的次数阈值；a为信标采样的周期；T为一般情况下GNSS冷启动所需时间；Si为第i个室内外场景出入口周围需要蓝牙信标低密度覆盖的面积大小，m为室内外场景出入口的数量。
室内外过渡场景下蓝牙信标覆盖的面积如图4所示，图中阴影区域为按照估计公式所得的室内外过渡场景下蓝牙信标覆盖区域。由于蓝牙信标定位至少需要有3个信标才能够计算出，且以上两点中提及的场所只需要蓝牙信标辅助定位，所以需确保在上述场景下定位设备能扫到的信标数量在3至Nble间。借助这些辅助定位的信标，即可在卫星定位还没有获取经纬度信息或者卫星定位收到干扰的情况下，利用蓝牙信标实现定位。

Claims (6)

1.一种低功耗的室内外无缝切换的定位方法，其特征在于：所述方法中，定位终端以连续有效的蓝牙信标扫描记录为依据，进行室内和室外定位的切换，室内定位时蓝牙信标开启，室外定位时GNSS开启，以GNSS Ready状态作为室内和室外定位的中间态，GNSS Ready状态下，GNSS和蓝牙模块均开启；
方法包括以下步骤：
步骤1：定位终端扫描蓝牙信标；
步骤2：若扫描到蓝牙信标，则进行下一步，否则进行步骤5；蓝牙信标的广播频率切换包括以下步骤：
步骤S1：蓝牙信标以低频率进行蓝牙广播；
步骤S2：蓝牙信标检查是否收到定位终端的扫描请求包，若是则进行步骤S3，否则进行步骤S1；
步骤S3：蓝牙信标切换频率至高频率进行蓝牙广播；
步骤S4：蓝牙信标检查在预设的超时时间内是否一直未收到定位终端的请求包，若是则进行步骤S1，否则进行步骤S3；
步骤3：定位终端发送扫描请求包，此定位终端扫描到的蓝牙信标开始高频率广播；
步骤4：进行室内定位，定位终端发送蓝牙信标数据至服务端；
步骤5：定位终端检查最近预设次数Nble连续扫到的蓝牙信标数量是否小于阈值；若是，则进行下一步，开始室内外定位方式切换，否则返回步骤1；
步骤6：打开GNSS，进入GNSS Ready状态，进行预处理；
步骤7：确认卫星定位的结果是否满足室外定位需求，若满足则关闭定位终端的蓝牙功能，并进行下一步，否则进行步骤10；
步骤8：进行室外定位，定位终端发送卫星定位数据至服务端；
步骤9：若定位终端最近几次获取的卫星定位状态为无效定位或有效卫星数目小于阈值，则打开定位终端的蓝牙功能，进入GNSS Ready状态，并返回步骤7，否则返回步骤8；
步骤10：是否超过预先为GNSS Ready状态设置的超时时间，若是则进行步骤11，否则返回步骤7；
步骤11：检查最近几次扫描到的信标数目是否都大于阈值，若是则关闭GNSS模块，并进行步骤1，否则重新计时并进行步骤7；
室内外过渡场景下，以Si为第i个室内外场景出入口周围需要蓝牙信标低密度覆盖的面积大小，
其中，li为第i个室内外场景出入口的大小，V为人行走的速度，Nble表示预设的室内定位方式向室外定位方式切换时所需的次数阈值，a为信标采样的周期，T为GNSS冷启动所需时间，m为室内外场景出入口的数量，i为1至m间的正整数。
2.根据权利要求1所述的一种低功耗的室内外无缝切换的定位方法，其特征在于：蓝牙信标广播频率为自适应，当蓝牙信标周围没有定位终端时以低频率进行广播，当信标周围存在定位终端时，以高频率广播。
3.根据权利要求1所述的一种低功耗的室内外无缝切换的定位方法，其特征在于：所述步骤6中，预处理为基于上一次关闭GNSS模块的时间清除GNSS记录的信息。
4.根据权利要求1所述的一种低功耗的室内外无缝切换的定位方法，其特征在于：定位终端在GNSS Ready状态中，将扫描到的蓝牙信标数据发送至服务端；GNSS Ready状态下，即使定位终端检查最近预设次数Nble连续扫到的蓝牙信标数量小于阈值，定位终端也不直接进行定位方式切换。
5.根据权利要求1所述的一种低功耗的室内外无缝切换的定位方法，其特征在于：所述蓝牙信标以低密度设于室内和室外的过渡区域。
6.根据权利要求1所述的一种低功耗的室内外无缝切换的定位方法，其特征在于：所述蓝牙信标以低密度设于室外有遮挡物的场所周围。
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