基于多源融合通信的定位方法及定位系统

技术领域

本申请涉及通信定位技术领域，特别是涉及一种基于多源融合通信的定位方法及定位系统。

背景技术

近年来，随着无线定位技术的不断成熟，基于位置的服务产业迎来了迅猛的发展，如智能城市建设、物联网应用以及工业监管等领域都对其产生了迫切的需求。其中，实时动态载波相位差分(RTK)定位技术，在测绘行业的多个领域得到了广泛应用。由于其在室外使用的便捷性和广泛的覆盖范围，特别适用于工业园区等室外环境，满足了实时高精度定位的需求。然而，由于建筑物对卫星信号的遮挡，RTK技术在室内环境下难以获得固定解，导致定位精度大幅下降。

相比之下，在室内定位领域，蓝牙定位技术以及超宽带(UWB)室内定位技术能够在复杂的室内环境中提供稳定的定位服务，弥补了RTK技术在室内应用的不足。其中蓝牙定位技术可以达到米级的定位精度，但无法满足高精度定位的需求；UWB定位技术在超过500MHz的大带宽信道上传输时间分辨率小于1纳秒(ns)的超窄脉冲，代替了传统定位技术使用的正弦信号载波，使其在对抗复杂环境多径效应时准确识别主路径，较大程度上克服了复杂的室内环境带来的影响，能够得到相较于其他几种技术更高的定位精度，而成为室内定位应用最广泛的技术；

然而相较于其他室内定位技术，UWB定位技术的硬件设备和系统部署成本可能更高，且由于UWB定位技术实现高精度定位需要结合实时性，导致无线发射频率高，进而使得同样时间内的耗电量增加，因此如何提高UWB设备的续航能力是当前需要解决的问题之一。

发明内容

基于此，有必要针对如何提高室内定位中UWB设备的续航能力的问题，提供一种基于多源融合通信的定位方法及定位系统。

本申请提供一种基于多源融合通信的定位方法，包括：

获取与目标对象所关联的原始位置数据，原始位置数据包括蓝牙位置数据、UWB位置数据以及RTK位置数据中的一种或多种；

对原始位置数据进行预处理；

至少根据目标对象所关联的RTK位置数据和蓝牙位置数据，判断目标对象是否进入室内区域；

若目标对象进入室内区域，则根据目标对象所关联的蓝牙位置数据，计算目标对象所处的估计位置区域；

至少根据估计位置区域的区域信息以及室内区域中UWB信标的设定坐标，选取至少3个目标UWB信标发射脉冲信号；

至少根据目标对象与目标UWB信标关联的UWB位置数据计算出目标对象的位置坐标。

进一步的，预处理包括滤波、去噪和校准中的一种或多种。

进一步的，至少根据目标对象所关联的RTK位置数据和蓝牙位置数据，判断目标对象是否进入室内区域，包括：

获取连续时间内目标对象所关联的RTK位置数据序列(R1,R2,…,Rn)和RTK信号质量指标序列(Q1,Q2,…,Qn)，其中Rt表示第t个时间点的RTK位置数据，Qt表示第t个时间点的RTK信号质量；

获取连续时间内目标对象所关联的蓝牙位置数据序列(B1,B2,…,Bn)和蓝牙信号质量指标序列(S1,S2,…,Sn)，其中，其中Bt表示第t个时间点的蓝牙位置数据，其中St表示第t个时间点的蓝牙信号质量；

判断Qt是否小于第一预设质量阈值，以及St是否大于第二预设质量阈值；

若Qt小于第一预设质量阈值且St大于第二预设质量阈值，则采用计数器累加一次；

判断计数器累计次数是否大于预设计数阈值；

若计数器累计次数是否大于预设计数阈值，则判定目标对象进入室内区域；

若Qt大于等于第一预设质量阈值且St大于第二预设质量阈值，则重置计数器为0；

若Qt大于等于第一预设质量阈值且St小于等于第二预设质量阈值，则表示目标对象未进入室内区域。

进一步的，若目标对象进入室内区域，则根据目标对象所关联的蓝牙位置数据，计算目标对象所处的估计位置区域，包括：

获取当前与目标对象通讯的若干蓝牙信标的ID、设定坐标以及对应的信号强度；

遍历所有与目标对象通讯的蓝牙信标，基于无线信号传播的理论将信号强度转换为距离信息；

将蓝牙信标的设定坐标以及距离信息创建特征向量；

将所有与目标对象通讯的蓝牙信标对应的特征向量输入至一个数据分析模型以使数据分析模型输出预设数量的代表蓝牙信标；

基于加权质心定位法，以代表蓝牙信标的设定坐标以及距离信息计算目标对象所处的估计位置区域；

其中，数据分析模型为K-means聚类模型。

进一步的，至少根据估计位置区域的区域信息以及室内区域中UWB信标的设定坐标，选取至少3个目标UWB信标发射脉冲信号，包括：

遍历室内区域中所有UWB信标的设定坐标，分别计算每个UWB信标与估计位置区域的空间距离；

比对所有UWB信标与估计位置区域的空间距离，选取至少三个空间距离最近的目标UWB信标发射脉冲信号。

进一步的，至少根据估计位置区域的区域信息以及室内区域中UWB信标的设定坐标，选取至少3个目标UWB信标发射脉冲信号，包括：

根据估计位置区域的区域信息，获取能够覆盖估计位置区域的预选UWB信标的ID和设定坐标；

根据预选UWB信标的ID获取预选UWB信标的历史定位数据，并基于历史定位数据解析出估计位置区域中若干区域点的信号强度；

将估计位置区域的区域信息、若干预选UWB信标的设定坐标以及对应的若干区域点的信号强度输入至一个信号预测模型，以使信号预测模型输出由至少3个目标UWB信标的ID所构成的序列表；

根据预设规则从序列表中选取3个目标UWB信标发射脉冲信号。

进一步的，根据预设规则从序列表中选取3个目标UWB信标发射脉冲信号，包括：

分别获取序列表中每个目标UWB信标的上电状态，以及剩余电量值；

根据序列表的优先级、目标UWB信标的上电状态，以及目标UWB信标剩余电量值计算综合权重值，综合权重值的计算公式如式1所示：

W

W

根据综合权重值选取3个目标UWB信标发射脉冲信号。

进一步的，基于多源融合通信的定位方法还包括：

基于目标对象的位置坐标判断目标对象是否超出预设权限区域；

若目标对象是否超出预设权限区域，则进一步判断超出时长是否大于第一预设时长；

若超出时长是否大于第一预设时长，则输出报警信号至指定人员或指定人员分组。

进一步的，基于多源融合通信的定位方法还包括：

若目标对象未超出预设权限区域，则进一步判断预设权限区域中的目标对象的数量是否超出预设数量阈值；

若预设权限区域中的目标对象的数量超出预设数量范围，则输出报警信号至指定人员或指定人员分组。

本申请还提供一种基于多源融合通信的定位系统，包括：

控制中心，用于执行前述的基于多源融合通信的定位方法；

标签设备，与目标对象绑定，标签设备包括蓝牙交互模块、UWB交互模块和RTK交互模块；

若干UWB信标，用于向标签设备发送UWB信号；

若干蓝牙信标，用于向标签设备发送蓝牙信号；

若干RTK基站，用于向标签设备发送差分信号；

通讯网关，蓝牙信标、UWB信标、RTK基站分别通过通讯网关与控制中心信号连接。

本申请涉及一种基于多源融合通信的定位方法及定位系统，其中方法首先通过目标对象所关联的RTK位置数据和蓝牙位置数据判断目标对象是否进入室内区域，若识别到目标对象进入室内区域，利用目标对象所关联的蓝牙位置数据进行粗定位，快速确定目标对象所处的估计位置区域。然后，基于估计位置区域与UWB信标的设定坐标选取至少3个目标UWB信标上电，与目标对象建立通讯以进行高精度定位，从而获得目标对象的精确的位置坐标。采用这样的定位方式，在不需要定位时，让UWB信标进入休眠状态，以节省能量。当需要定位时，再唤醒UWB信标进行定位操作，能够减少室内高精度定位时同时工作的UWB信标数量，进而降低室内区域中UWB信标的整体耗电，延长续航时间，从而实现定位精度和功耗的平衡，提高系统的整体性能。

附图说明

图1为本申请一实施例提供的基于多源融合通信的定位方法的流程示意图。

图2为本申请一实施例提供的基于多源融合通信的定位系统的结构示意图。

附图标记：

10、基于多源融合通信的定位系统；11、控制中心；12、标签设备；13、UWB信标；14、蓝牙信标；15、RTK基站；16、通讯网关。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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申请，并不用于限定本申请。

如图1所示，在本申请的一实施例中，基于多源融合通信的定位方法包括如下S100至S600：

S100，获取与目标对象所关联的原始位置数据，原始位置数据包括蓝牙位置数据、UWB位置数据以及RTK位置数据中的一种或多种。

可以理解，目标对象可以是人员、车辆、物资设备等，通过在目标对象上绑定标签设备，并在定位区域(如工业园区)内按照一定的布局规则部署若干UWB信标、蓝牙信标及RTK基站，通过标签设备与UWB信标、蓝牙信标及RTK基站的通讯，可以获得目标对象的蓝牙位置数据、UWB位置数据以及RTK位置数据。而且，标签设备、UWB信标、蓝牙信标及RTK基站通过通讯网关与控制中心建立通信，将目标对象的位置数据传输到控制中心。不仅可实现位置数据可视化，同时利用位置数据驱动各种业务应用，包括安全区域管控、在岗离岗管理、历史轨迹查询、电子点名、电子巡检、敏捷任务调度优化、摄像头联动监视录制、工时统计与考勤等功能。

具体而言，蓝牙位置数据包括蓝牙信标的设定坐标以及目标对象所绑定的标签设备至蓝牙信标的空间距离。

UWB位置数据包括UWB信标的设定坐标以及目标对象所绑定的标签设备至UWB信标的空间距离。

RTK位置数据包括RTK基站的设定坐标以及目标对象所绑定的标签设备至RTK基站的空间距离。

S200，对原始位置数据进行预处理。

具体而言，预处理包括滤波、去噪和校准中的一种或多种。

S300，至少根据目标对象所关联的RTK位置数据和蓝牙位置数据，判断目标对象是否进入室内区域。

具体而言，本申请的定位区域包括室外区域和室内区域。

S400，若目标对象进入室内区域，则根据目标对象所关联的蓝牙位置数据，计算目标对象所处的估计位置区域。

S500，至少根据估计位置区域的区域信息以及室内区域中UWB信标的设定坐标，选取至少3个目标UWB信标发射脉冲信号。

S600，至少根据目标对象与目标UWB信标关联的UWB位置数据计算出目标对象的位置坐标。

具体而言，通过计算可以获得目标对象到各个UWB信标的距离，再结合定位算法(如三边定位算法)和各个UWB信标的设定坐标，获得目标对象在室内区域的位置坐标。

在本实施例中，通过目标对象所关联的RTK位置数据和蓝牙位置数据判断目标对象是否进入室内区域，若识别到目标对象进入室内区域，利用目标对象所关联的蓝牙位置数据进行粗定位，快速确定目标对象所处的估计位置区域。然后，基于估计位置区域与UWB信标的设定坐标选取至少3个目标UWB信标上电，与目标对象建立通讯以进行高精度定位，从而获得目标对象的精确的位置坐标。采用这样的定位方式，在不需要定位时，让UWB信标进入休眠状态，以节省能量。当需要定位时，再唤醒UWB信标进行定位操作，能够减少室内高精度定位时同时工作的UWB信标数量，进而降低室内区域中UWB信标的整体耗电，延长续航时间，从而实现定位精度和功耗的平衡，提高系统的整体性能。

在本申请一实施例中，可以通过估计位置区域对目标对象的位置坐标进行验证，若目标对象的位置坐标在估计位置区域之内，则该位置坐标可以被采信，若目标对象的位置坐标超出估计位置区域，则需要重新计算目标对象的位置坐标。

RTK定位技术在室外使用方便，能覆盖工业园区的室外范围，满足室外环境实时高精度定位的需要，但是由于建筑对卫星信号有遮挡，RTK定位在室内环境无法得到固定解，定位精度低。当目标对象从室外区域转移至室内区域的过渡期间，需要准确判断目标对象是否进入室内区域以实现不同定位方式的切换，以满足高精度实时定位的需求。

在本申请的一实施例中，S300包括如下步骤：

S310，获取连续时间内目标对象所关联的RTK位置数据序列(R1,R2,…,Rn)和RTK信号质量指标序列(Q1,Q2,…,Qn)，其中Rt表示第t个时间点的RTK位置数据，Qt表示第t个时间点的RTK信号质量。

具体而言，RTK信号质量包括RTK信号强度。

S320，获取连续时间内目标对象所关联的蓝牙位置数据序列(B1,B2,…,Bn)和蓝牙信号质量指标序列(S1,S2,…,Sn)，其中，其中Bt表示第t个时间点的蓝牙位置数据，其中St表示第t个时间点的蓝牙信号质量。

具体而言，蓝牙信号质量包括蓝牙信号强度。

S330，判断Qt是否小于第一预设质量阈值，以及St是否大于第二预设质量阈值。

S340，若Qt小于第一预设质量阈值且St大于第二预设质量阈值，则采用计数器累加一次。

S350，判断计数器累计次数是否大于预设计数阈值。

S360，若计数器累计次数是否大于预设计数阈值，则判定目标对象进入室内区域。

可以理解，若是连续出现Qt小于第一预设质量阈值且St大于第二预设质量阈值的情况，表示目标对象连续向室内运动，此时需要切换定位，以蓝牙位置数据或/和UWB位置数据获得目标对象的位置坐标。

S370，若Qt大于等于第一预设质量阈值且St大于第二预设质量阈值，则重置计数器为0。

可以理解，以上情形可能是人员在室内和室外之间的过渡区域停留。

S380，若Qt大于等于第一预设质量阈值且St小于等于第二预设质量阈值，则表示目标对象未进入室内区域。

可以理解，以上情形表示目标对象未进入室内区域，此时无需切换定位，继续以RTK位置数据获得目标对象的位置坐标。

在本实施例中，通过对连续时间内的RTK信号质量和蓝牙信号质量与对应的预设质量阈值进行比较，以获得RTK信号和蓝牙信号的状态变换，并结合两者的增强或衰减判断目标对象的运动趋势。从而实现在目标对象从室外区域转移至室内区域的过渡期间，准确判断目标对象的位置以实现RTK定位向室内定位方式的切换，以满足高精度实时定位的需求。

由于蓝牙信号在传播过程中受到遮挡物的影响较大，尤其是金属结构和人体等障碍物，会导致信号衰减和干扰增加，这在一定程度上降低了蓝牙定位在遮挡环境中的定位精度和稳定性。而且，需要确保对目标对象进行定位的蓝牙信标在空间上分布均匀，以减小蓝牙信标所确定的估计位置区域与目前对象实际位置坐标的误差。

在本申请的一实施例中，S400包括如下步骤：

S410，获取当前与目标对象通讯的若干蓝牙信标的ID、设定坐标以及对应的信号强度。

S420，遍历所有与目标对象通讯的蓝牙信标，基于无线信号传播的理论将信号强度转换为距离信息。

S430，将蓝牙信标的设定坐标以及距离信息创建特征向量。

S440，将所有与目标对象通讯的蓝牙信标对应的特征向量输入至一个数据分析模型以使数据分析模型输出预设数量的代表蓝牙信标。

具体而言，数据分析模型为K-means聚类模型，预设数量大于等于3个。

其中数据分析模型的构建方法为：选择室内区域中具有代表性的测试区域，该区域应涵盖不同的环境条件(例如包含金属结构和墙体等遮挡环境，以及无遮挡的环境)和信号传播特性。利用标签设备在多个测试点收集与标签设备通讯的若干蓝牙信标的ID、设定坐标以及对应的信号强度，创建特征向量，并标定与测试点相匹配的预设数量的代表蓝牙信标，采用特征向量作为训练集的输入数据，预设数量的代表蓝牙信标作为训练集的输出数据，训练数据分析模型，模型输出的代表蓝牙信标的准确率可以根据标定的代表蓝牙信标作比对，根据比对结果对数据分析模型进行修正。

可以理解，代表蓝牙信标在空间上相对目标对象均匀分布，例如，以目标对象为中心建立平面坐标系，蓝牙信标至少同时分布于第一象限和第三象限，或者至少同时分布于第二象限和第四象限。

S450，基于加权质心定位法，以代表蓝牙信标的设定坐标以及距离信息计算目标对象所处的估计位置区域。

具体而言，估计位置区域可以是圆形区域、矩形区域或三角区域等中的一种。

在本实施例中，通过聚类分析的方式，可以有效筛除信号衰减和干扰较大的蓝牙信标的位置数据，提高了蓝牙定位在遮挡环境中的定位精度和稳定性。并且，通过聚类，确保所获取的代表蓝牙信标在空间上分布均匀，位置数据更加全面，从而减小蓝牙信标所确定的估计位置区域与目前对象实际位置坐标的误差。

由于室内区域中部署有多个UWB信标，若是所有UWB信标均发射信号与目标对象的标签设备通讯，造成UWB信标资源的浪费。

在本申请的一实施例中，S500包括如下步骤：

S511，遍历室内区域中所有UWB信标的设定坐标，分别计算每个UWB信标与估计位置区域的空间距离。

具体而言，UWB信标与估计位置区域的空间距离可以是UWB信标与估计位置区域中心点的距离或是UWB信标与估计位置区域的最接近边界的距离。

S512，比对所有UWB信标与估计位置区域的空间距离，选取至少三个空间距离最近的目标UWB信标发射脉冲信号。

在本实施例中，通过距离最短原则选取至少三个空间距离最近的目标UWB信标发射脉冲信号，减少了同时与目标对象通讯的UWB信标，避免UWB信标资源的浪费，进一步降低室内区域中UWB信标的整体耗电。

尽管UWB信号具有较强的穿透力，但在面对实体墙、钢板等遮挡物时，信号仍会受到较大影响，甚至可能导致定位失败。因此，目标UWB信标的选择不仅需要考虑到UWB信标相对估计位置区域的空间位置，同时也要考虑到信号衰减的影响。

在本申请的一实施例中，S500包括如下步骤：

S521，根据估计位置区域的区域信息，获取能够覆盖估计位置区域的预选UWB信标的ID和设定坐标。

具体而言，区域信息包括估计位置区域的中心点坐标及区域轮廓。

S522，根据预选UWB信标的ID获取预选UWB信标的历史定位数据，并基于历史定位数据解析出估计位置区域中若干区域点的信号强度。

具体而言，从历史定位数据获取由预选UWB信标所计算获得的历史轨迹点，该历史轨迹点位于估计位置区域内，获取预选UWB信标于该历史轨迹点的信号强度，并作为估计位置区域中的区域点。

S523，将估计位置区域的区域信息、若干预选UWB信标的设定坐标以及对应的若干区域点的信号强度输入至一个信号预测模型，以使信号预测模型输出由至少3个目标UWB信标的ID所构成的序列表。

其中信号预测模型的构建方法为：选择室内区域中具有代表性的测试区域，该区域应涵盖不同的环境条件(例如包含金属结构和墙体等遮挡环境，以及无遮挡的环境)和信号传播特性。利用标签设备在多个测试点模拟估计位置区域，收集预选UWB信标的ID和设定坐标以及对应的若干区域点的信号强度作为训练集的输入数据，目标UWB信标的ID所构成的序列表作为训练集的输出数据，训练信号预测模型，模型输出的序列表的准确率可以根据标定的序列表作比对，根据比对结果对信号预测模型进行修正。

S524，根据预设规则从序列表中选取3个目标UWB信标发射脉冲信号。

在本实施例中，通过综合预选UWB信标与估计位置区域的相对空间位置，以及预选UWB信标在估计位置区域中的信号强度，生成能够同时反映位置信息和信号衰减信息的序列表，从而按照序列表优先级选择的目标UWB信标能够显著提高本申请UWB室内定位的精度。

考虑到室内有多个目标对象存在时，一些UWB信标已和其他目标对象的标签设备通讯，处于已上电状态，若仅是以序列表的优先级选择目标UWB信标，则可能造成相同定位精度的情况下，同时上电工作的UWB信标数量增多，导致室内区域中UWB信标的整体耗电增加。

在本申请的一实施例中，S524包括如下步骤：

S524a，分别获取序列表中每个目标UWB信标的上电状态，以及剩余电量值。

具体而言，基于目标UWB信标与控制中心的通信，可以获取每个目标UWB信标的上电状态，以及剩余电量值。

S524b，根据序列表的优先级、目标UWB信标的上电状态，以及目标UWB信标剩余电量值计算综合权重值，综合权重值的计算公式如式1所示：

W

W

进一步的，序列表的优先级的权重系数w

S524c，根据综合权重值选取3个目标UWB信标发射脉冲信号。

在本实施例中，在目标UWB信标选取时，基于已获取的序列表，综合上电状态和剩余电量选择相应的目标UWB信标，满足最少上电数量原则的同时提高室内区域中各UWB信标的电量均衡性。

在本申请的一实施例中，基于多源融合通信的定位方法还包括如下步骤：

S710，基于目标对象的位置坐标判断目标对象是否超出预设权限区域。

S720，若目标对象是否超出预设权限区域，则进一步判断超出时长是否大于第一预设时长。

具体而言，预设权限区域的划定与目标对象的属性和权限相关。例如目标对象为车辆时，通过给进入工厂的车辆发放标签设备，并设置授权行驶区域，一旦超出授权范围则输出报警信号。目标对象为临时访客时，通过给临时访客发放标签设备，并设置允许通行区域，一旦访客超出允许通行区域，则输出报警信号。

S730，若超出时长是否大于第一预设时长，则输出报警信号至指定人员或指定人员分组。

可以理解，指定人员可以是目标对象或是监管人员，指定人员分组可以是目标对象所处的分组或是监管部门。

在本实施例中，通过为目标对象设定预设权限区域，并通过所获得的目标对象的位置坐标判断目标对象是否超出预设权限区域，实现目标对象的实时监控。并且，为避免出现误报警的情况，对超出预设权限区域的情况进一步设定超出时长判定。

在本申请的一实施例中，基于多源融合通信的定位方法还包括：

S740，若目标对象未超出预设权限区域，则进一步判断预设权限区域中的目标对象的数量是否超出预设数量阈值。

可以理解，该预设数量阈值可以是最大数量或是最小数量。

S750，若预设权限区域中的目标对象的数量超出预设数量范围，则输出报警信号至指定人员或指定人员分组。

采用这样的方案，实现指定区域的超员或者缺员报警，保障安全作业。

在本申请的一实施例中，基于多源融合通信的定位方法还包括：

S810，获取同一小组中所有目标对象的位置坐标；

S820，两两计算目标对象之间的距离；

S830，分别判断目标对象之间的距离是否大于最大允许距离；

S840，若目标对象之间的距离是否大于最大允许距离，则输出报警信号至指定人员或指定人员分组。

采用这样的方案，对小组内成员之间的距离进行监控，实现小组内成员的立组报警，保障安全作业。

在本申请的一实施例中，本申请还提供一种基于多源融合通信的定位系统10。

在本申请的一实施例中，基于多源融合通信的定位系统10包括：控制中心11，标签设备12，UWB信标13，蓝牙信标14、RTK基站15以及通讯网关16。

具体而言，控制中心11用于执行前述的基于多源融合通信的定位方法；标签设备12与目标对象绑定，标签设备12包括蓝牙交互模块、UWB交互模块和RTK交互模块；UWB信标13按一定的规则部署有多个，用于向标签设备12发送UWB信号；蓝牙信标14按一定的规则部署有多个，用于向标签设备12发送蓝牙信号；RTK基站15按一定的规则部署有多个，用于向标签设备12发送差分信号；蓝牙信标14、UWB信标13、RTK基站15分别通过通讯网关16与控制中心11信号连接。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，各方法步骤也并不做执行顺序的限制，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。