CN105974454A

CN105974454A - 使用接入点信息来解决位置不明确性的系统和方法

Info

Publication number: CN105974454A
Application number: CN201610138355.6A
Authority: CN
Inventors: S.曾; F.白; P.U.穆达利奇
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-03-12
Filing date: 2016-03-11
Publication date: 2016-09-28
Anticipated expiration: 2036-03-11
Also published as: DE102016104547B4; DE102016104547A1; US9781569B2; US20160269867A1; CN105974454B

Abstract

本发明涉及使用接入点信息来解决位置不明确性的系统和方法。具体地，提供了一种定位方法，其包括从可由移动平台观察到的多个GPS卫星获取与所述移动平台相关联的全球定位系统位置数据。获取与所述移动平台和与所述移动平台通信的多个无线接入点相关联的一组无线距离测量值。所述方法还包括通过网络从通信地联接到所述移动平台的服务器接收与所述多个无线接入点相关联的无线位置数据。基于所述无线位置数据、所述无线距离测量值和所述GPS位置数据来确定所述移动平台的修正位置。

Description

使用接入点信息来解决位置不明确性的系统和方法

技术领域

本技术领域总体上涉及移动平台。本技术领域更具体地涉及在不明确性存在的情况下修正这种移动平台的位置数据的系统和方法。

背景技术

近年来已经看到的是，并入了无线网络功能（例如，WiFi）和全球定位系统（GPS）功能的移动平台的使用已经增多。这样的移动平台包括，例如，移动计算设备（比如膝上型计算机、平板计算机、智能电话等）和运输系统（比如汽车、公共汽车、摩托车、火车、海洋船舶、航空器、旋翼飞行器及类似物）。

在大多数情况下，当前的GPS系统能够迅速地提供高度精确的定位数据。然而，在非最佳条件下，GPS系统可能会提供不明确的数据——例如，当移动平台处在其可能无法观察到最佳数量的GPS卫星的位置中的情况下，比如峡谷、隧道、停车库等。

因此，期望提供用于在GPS定位数据不明确的情况下，确定移动平台相对于它的环境的位置的更加稳健的系统和方法。结合附图和前述的技术领域和背景技术，本发明额外期望的特征和特性根据随后的具体实施方式和所附权利要求将变得明显。

发明内容

根据一个实施例，定位方法包括从可由移动平台观察到的多个GPS卫星获取与所述移动平台相关联的GPS位置数据。接收与所述移动平台和与所述移动平台通信的多个无线接入点相关联的一组无线距离测量值（例如，经由渡越时间测量值）。通过网络从通信地联接到所述移动平台的服务器接收与所述多个无线接入点相关联的无线位置数据。所述移动平台的修正位置基于所述无线位置数据、所述无线距离测量值、和所述GPS位置数据被确定。

根据一个实施例，用于移动平台的定位模块包括处理器和存储器。所述存储器配置成存储软件指令，当由所述处理器执行时，所述软件指令使所述处理器执行：获取与所述移动平台和与所述移动平台通信的多个无线接入点相关联的一组无线距离测量值；通过网络从通信地联接到所述移动平台的服务器接收与所述多个无线接入点相关联的无线位置数据；以及基于所述无线位置数据、所述无线距离测量值、和所述GPS位置数据来确定所述移动平台的修正位置。

本发明还包括下述技术方案：

1. 一种定位方法，其包括：

从可由移动平台观察到的多个GPS卫星获取与所述移动平台相关联的GPS位置数据；

获取与所述移动平台和与所述移动平台通信的多个无线接入点相关联的一组无线距离测量值；

通过网络从通信地联接到所述移动平台的服务器接收与所述多个无线接入点相关联的无线位置数据；以及

基于所述无线位置数据、所述无线距离测量值和所述GPS位置数据来确定所述移动平台的修正位置。

2. 根据方案1所述的方法，其中，获取所述无线距离测量值包括：使用由所述无线接入点提供的WiFi渡越时间测量信息来确定从所述移动平台到所述多个无线接入点中的每一个的距离。

3. 根据方案1所述的方法，其中，当可由所述移动平台观察到的所述多个GPS卫星少于4个GPS卫星时，确定所述修正位置。

4. 根据方案1所述的方法，其中，所述移动平台是汽车。

5. 根据方案1所述的方法，其包括：基于所述移动平台的偏航速率和移速来确定所述修正位置。

6. 根据方案5所述的方法，进一步包括：基于所述无线位置数据、所述无线距离测量值和所述GPS位置数据来确定所述移动平台的修正的前进方向和速度。

7. 根据方案1所述的方法，其中，所述修正位置基于预测位置和与所述预测位置相关联的后验分布。

8. 一种用于移动平台的定位模块，所述定位模块包括：

处理器；

存储器，其配置成存储软件指令，当由所述处理器执行时，所述软件指令使所述处理器执行：

基于所述无线位置数据、所述无线距离测量值和GPS位置数据来确定所述移动平台的修正位置。

9. 根据方案8所述的定位模块，其中，使用由所述无线接入点提供的WiFi渡越时间测量信息来确定从所述移动平台到所述多个无线接入点中的每一个的距离。

10. 根据方案8所述的定位模块，其中，基于可由所述移动设备观察到的GPS卫星的数量来确定所述修正位置。

11. 根据方案8所述的定位模块，其中，所述定位模块配置成集成在运输系统中。

12. 根据方案8所述的定位模块，其中，所述软件指令进一步使所述处理器基于所述移动平台的偏航速率和移速来确定所述修正位置。

13. 根据方案12所述的定位模块，其中，所述软件指令进一步使所述处理器基于所述无线位置数据、所述无线距离测量值和所述GPS位置数据来确定所述移动平台的修正的前进方向和速度。

14. 根据方案8所述的定位模块，其中，所述修正位置基于预测位置和与所述预测位置相关联的后验分布。

15. 一种车辆，其包括：

网络接口，其通信地联接到远离所述车辆的服务器，所述服务器配置成提供与所述车辆通信的多个接入点相关联的无线位置数据；和

定位模块，其配置成：

获取与所述车辆和与所述车辆通信的多个无线接入点相关联的一组无线距离测量值；

从所述服务器接收所述无线位置数据；以及

基于所述无线位置数据、所述无线距离测量值和GPS位置数据来确定所述车辆的修正位置。

16. 根据方案15所述的车辆，其中，使用由所述无线接入点提供的WiFi渡越时间测量信息来确定所述无线距离测量值。

17. 根据方案15所述的车辆，其中，当可由所述车辆观察到的所述多个GPS卫星少于4个GPS卫星时，确定所述修正位置。

18. 根据方案15所述的车辆，其中，所述修正位置基于所述车辆的偏航速率和移速。

19. 根据方案15所述的车辆，其中，所述定位模块配置成基于所述无线位置数据、所述无线距离测量值和所述GPS位置数据来确定所述车辆的修正前进方向和速度。

20.根据方案15所述的车辆，其中，所述修正位置基于预测位置和与所述预测位置相关联的后验分布。

附图说明

下文中将结合下述附图来描述示例性实施例，其中，相同的附图标记指示相同的元件，并且其中：

图1是根据各种实施例的定位系统的概念框图；

图2是根据各种实施例的定位模块的概念框图;

图3是描绘了根据各种实施例的定位方法的流程图；以及

图4是描绘了根据各种实施例的位置预测方法的流程图。

具体实施方式

在此描述的主题总体上涉及使用可获得的关于在移动平台附近的无线网络的位置（比如WiFi接入点）的信息，修正或以其他方式减少GPS位置数据的不明确性（例如，在GPS卫星覆盖度不是最佳的情况下）的系统和方法。如在此所使用的那样，术语“移动平台”包括移动计算设备（比如膝上型计算机、平板计算机、智能电话等）和运输系统（比如汽车、公共汽车、摩托车、火车、海洋船舶、航空器、旋翼飞行器及类似物）。与各个接入点位置相关的数据存储在远程服务器上（例如，在“云”中），并在必要时被移动平台请求和接收。然后，与已知接入点AP的（一个或多个）位置相关的信息与所述GPS位置数据“融合”以达到对位置的更加精确的估计。

下述具体实施方式本质上仅仅是示例性的，并且其目的不在于限制应用和使用。另外，也没有打算通过在前述技术领域、背景技术、发明内容或者下述具体实施方式中所提出的任何明确的或暗示的理论来限制本发明。如在此使用的那样，术语“模块”指的是专用集成电路（ASIC）、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的（共享的、专用的或成组的）处理器和存储器、组合逻辑电路、和/或提供所描述功能的其他适合的部件。

在本文中，可以以功能和/或逻辑框部件和各种处理步骤的形式来描述本公开的实施例。应理解的是，这样的框部件可以通过被配置成执行指定功能的任何数量的硬件、软件和/或固件部件来实现。例如，本公开的实施例可以采用各种集成电路部件，例如，存储器元件、数字信号处理元件、逻辑元件、查找表或类似物，所述各种集成电路部件可以在一个或多个微处理器或其他控制设备的控制下实现各种功能。此外，本领域的技术人员将理解的是，本公开的实施例可以结合任何数量的移动平台来实施，并且在此所描述的移动平台仅仅是本公开的一个示例实施例。

为简洁起见，与信号处理、数据传输、发信号、控制、以及系统（以及系统的单独操作部件）的其它功能方面相关的常规技术可能未在此详细描述。另外，在包含在本文中的各个附图中示出的连接线意在表示各种元件之间的示例性功能关系和/或物理联接。应该指出的是，许多替代或额外的功能关系或物理连接可以存在于本公开的实施例中。

参照图1，定位系统100总体上包括与一个或多个无线接入点（”AP”）141和142通信（例如，处在所述一个或多个无线接入点的范围内）的移动平台160。这样的移动平台160包括，例如，移动计算设备（比如膝上型计算机、平板计算机、智能电话等）和运输系统（比如汽车、公共汽车、摩托车、火车、海洋船舶、航空器、旋翼飞行器和类似物）。虚线151和152分别指示了从移动平台160到AP 141和142的间距或“距离”。移动平台160还能够与一个或多个定位卫星（例如，GPS卫星）101、102、和103通信，并且使用一个或多个定位卫星101、102、和103来确定其相对于环境110的位置。虚线111、112和113分别指示了移动平台160到GPS卫星101、102、和103的间距（或“距离”）。移动平台160还被配置成通过网络190与后端服务器（或简称为“服务器”）192进行通信。

如在下面更加详细描述的那样，服务器192包括配置成存储与AP 141和142相关联的位置数据195的数据库194。该数据可采取各种形式，但是在一个实施例中，该数据包括AP（通过每个AP的唯一MAC地址索引）和在适当的坐标系（例如，ECEF坐标系）中这些AP的地理位置的列表。也就是说，在先验精确度且在精确度的一定可接受的范围内，服务器192知道AP 141和142在环境110内的位置。使用该数据，并结合其他可获得的信息，移动平台160内的定位融合模块（或简称为“模块”）170配置成：当从卫星101、102和103获得的位置数据不明确时（例如，当可由移动平台160观察到的这样的卫星少于4个时），确定移动平台170的“修正”位置。数据195可以以各种的方式来填充。例如，基于当多个移动平台经过AP 141和142并与其相互作用时与来自那些移动平台160的距离数据同时被接收的GPS数据，数据195可以随时间自适应地填充和改善。也就是说，数据195可以是来自多个移动平台160的 “众包”数据。

无线接入点141和142可以实施为任何形式的网络部件，所述网络部件配置成提供无线接入网络。根据一个实施例，AP 141和142实施为符合IEEE802.11家族标准（例如，“WiFi”）的接入点。在一个实施例中，无线接入点141和142实施为通常所谓的“下一代”WiFiAP，其包括如在IEEE802.11v标准中所提出的那样使用渡越时间（time-of-flight）技术确定距离测量值的能力。也就是说，移动平台160配置成基于信号在移动平台160与AP 141和142之间“回波”往复所需的时间来确定距离151和152。

通常，GPS卫星101-103广播微波信号，其允许在地球表面上或附近（在环境110中）的GPS接收器（例如，移动平台160）确定其位置以及同步时间值。GPS信号，如本领域中已知的那样，通常包括用来测量到各个卫星（101-103）的间距（111-113）的距离信号，以及各种导航消息。所述导航消息包括，例如，星历数据（用来计算每个卫星101-103在轨道中的位置）以及关于整个卫星星座的时间和状态的信息，即，“历书”。通常，这样的信息在此被共同称为“GPS位置数据”。在一个实施例中，提供了相对于地心地固（ECEF）坐标系的GPS位置数据，如在本领域中已知的那样。

尽管图1图示了3个卫星101-103，但是将理解的是，基于条件情况，移动平台160可以观察到更多或者更少数量的这样的卫星。虽然通常希望在任何时候都可以观察到至少四个GPS卫星（以提供适合精度的位置数据），但是在城市、峡谷环境和类似环境的情况下，常常是仅可观察到两个或三个卫星。在这种条件下，如上面所提及的那样，从卫星101-103获得的位置数据可能是不明确的。但是，在这种情况下，在移动平台160的范围内可能有许多AP（例如，在邻域内具有密集的接入点）。

现在参照图2并且结合图1，将描述根据示例性实施例的定位模块170的更加详细的框图。总体上，模块170包括处理器202（例如，微处理器、微控制器等）、存储器部件204（例如，RAM、ROM等）、以及存储部件206（例如，固态驱动器（SSD）、常规硬盘驱动器，或类似物）。处理器202配置成执行存储在存储器部件204中的软件指令，以提供在本文中描述的功能。通常，模块170总体上配置成基于各种输入来生成“修正的”（例如，更加精确的）位置数据215。

在例示的实施例中，模块170接收：对应于例如伪距数据、多普勒数据、载波相位信息的GPS位置数据211；和从卫星101-103获得的星历数据。模块170接收对应于移动平台160的各种动态特性（例如，速度、偏航速率（或偏航角速度）等）的数据210，所述移动平台160的各种动态特性可以由惯性测量单元（IMU）（未示出）或集成在移动平台160中的类似物确定。数据210还可以包括来自提供了例如视频、激光雷达、雷达的各种额外传感器设备的信号，以及包括与移动平台160相关联的超声波信号。

模块170还接收表征AP 141和142在环境110内的位置的无线位置数据（例如，存储在服务器192上的数据195）。最后，模块170接收相应地对应于从移动平台160到AP 141和142的距离151和152的距离数据（例如，经由渡越时间回波技术确定的距离数据）。

因此，在已经给出了根据一个实施例的定位系统100和定位融合模块170的概述的情况下，图3是描绘了根据各种实施例的定位方法300的流程图，并且在不丧失一般性的情况下，将结合在图1和图2中示出的实施例来描述图3。

首先，在302处，模块170从可由移动平台160观察到的GPS卫星101-103获取与移动平台160相关联的GPS位置数据211。这可以周期地执行，或仅在可由移动平台观察到的多个GPS卫星少于预定数量（例如，4个）的GPS卫星时执行。

接着，在304处，模块170获取（例如，经由渡越时间测量值）与移动平台160和与移动平台160通信的多个无线接入点（例如，141、142）相关联的一组无线距离测量值213。就这点而言，移动平台160与AP 141、142“通信”意味着该通信（例如，信标信号的接收、关联过程的开始）足以允许测量距离151和152。移动平台160不需要与AP 141、142严格地相关联。根据各种实施例，无线距离测量值（比如无线距离测量值213）经由如下所述的、在两个节点A和B（其可能分别地对应于，例如，移动平台160和无线接入点141）之间往复通信的渡越时间测量值来确定：令t0表示节点A发送包（即，数据包，如本领域中已知的那样）到节点B的时间（在节点A处测量），令t1表示节点B接收到来自节点A的所述包的时间（在节点B处测量），令t2表示节点B发送所述包到节点A的时间（在节点B处测量），并令t3表示节点A接收到来自节点B的所述包的时间（在节点A处测量）。然后渡越飞行被计算为：所述包的整个往返行程时间（t3-t0）减去节点B接收到和发送所述包之间的时间间隔（t2-t1）的差值的一半。也就是说，渡越时间=((t3-t0)–(t2-t1))/2。

接下来，在306处，移动平台160从服务器192接收与无线接入点141和142相关联的无线位置数据212。该数据可以采取各种形式，但是在一个实施例中该数据包括AP（通过每个AP的唯一MAC地址索引）和这些AP在适当的坐标系（例如，ECEF坐标系）中的地理位置的列表。数据213的接收可以是模块170基于由移动平台160确定的MAC地址向服务器192查询AP141和142的坐标的结果（数据195的子集）。数据195可被存储为任何方便的数据结构，并且可以包括各种其它信息，比如与在编队构成中的AP位置相关联的统计测量（例如，置信区间和协方差矩阵）。可以使用任何适合的数据结构和/或数据库来存储无线位置数据212。

数据195可以以各种方式来填充。例如，基于当多个移动平台160经过AP 141和142并与其相互作用时与来自那些移动平台的距离数据同时接收的GPS数据，数据195可以随时间自适应地填充和改善。也就是说，数据195可以是来自多个移动平台160的“众包”数据。然而，本公开并不限于此，并且本公开应用到利用如上所述的无线位置信息212的任何定位系统100，而不管数据195是如何生成的。

接着，在308处，模块170基于无线位置数据212、无线距离测量值213和GPS位置数据211来确定移动平台160的修正位置215。模块170还可使用动态数据210以进一步改善所述修正并且确定移动平台160的前进方向和/或速度。

可以以各种方式来实现对修正位置的确定，但是确定修正位置通常包括“融合”并整合由来自卫星101-103的（可能不明确的）信息和来自AP 141和142的可能更精确的数据给出的与移动平台160的位置相关的已知信息。例如，距离数据151和152与位置信息212在与GPS位置数据211一起求平均以确定修正位置215时，可以具有更重的权重。

因此，在已经给出了定位系统和相关方法的概述的情况下，现在将结合图4和图1来陈述对示例性方法的详细描述，在所述示例性方法中，位置融合模块170可以确定修正位置（移动平台160的修正前进方向和/或修正速度）。简要地说，下面的方程给出了基于估计理论的迭代算法。

首先，在402处，移动平台160的预测位置对应于在环境110内的x、y和z坐标（例如，在ECEF坐标系中）由给出。那么，包括GPS接收器时钟漂移T的移动平台160的未知位置p的方程如下：

其中X、Y和Z是位置p的坐标；X(s_i)、Y(s_i)和 Z(s_i)是第s_i个卫星（101、102等）的位置的坐标；X(w_k)、Y(w_k)和Z(w_k)是第w_k个WiFi AP（例如，141、142）的位置的坐标；ρ(s_i)和ρ(w_k)是移动平台160分别和第s_i个卫星及第w_k个WiFi AP之间的测量距离（例如，151、152）；以及c是真空中的光速。

对于卫星i=1,2,3（例如，对应于101-103）和WiFi APs141和142 k=a,b；v_i和v_k是随机噪声项。在的邻域中线性拟合测量方程（1）和（2）给出：

令

且

方程（1）可以近似为：

以及方程（2）可以近似为：

。

另外，方程（5）和（6）可以结合在一起并且被表示为矩阵形式的方程：

。

以矩阵运算的形式书写方程（7）给出：

其中v是随机噪声项。在不丧失一般性的情况下，可以假设v是带有单位协方差矩阵的零均值。如果v是零均值高斯分布，或者，那么可在方程两边均乘以R的逆的柯列斯基（Cholesky）因子以获得带有单位协方差矩阵的测量方程。

假定预测位置是高斯分布，或者以信息阵列的形式：（在先），其中在406处，可以构建矩阵并且应用QR分解以使得上三角矩阵可以写为。在408处，因此可以提供带有后验分布的修正位置（对应于在图2中的215）。

假定移动平台动态方程，其中，是在时间t时的在先修正位置，v是移动平台速度向量，w是带有零均值和单位协方差的高斯噪声向量，以及是在时间时预测的移动平台位置。上述非线性动态方程可在的邻域内被线性化（在410）为。

在412处构建矩阵，并且应用QR分解，可获得上三角矩阵。那么，在时间时，预测位置是带有的分布的。现在，预测（在先）分布已经为在新的测量值到达时得出后验分布做好了准备（例如，对应于图3的302-304）。

尽管已经在前述具体实施方式中提出了至少一个示例性实施例，但是应理解的是，存在大量的变体。还应理解的是，一个示例性实施例或多个示例性实施例仅仅是示例，并不打算以任何方式限制本公开的范围、适用性或配置。相反，前述具体实施方式将为本领域的技术人员提供用于实施所述一个示例性实施例或多个示例性实施例的方便的路线图。应理解的是，在不偏离如在所附权利要求和它们的法律等同物中所陈述的本发明的范围情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

Claims

1.一种定位方法，其包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其中，获取所述无线距离测量值包括：使用由所述无线接入点提供的WiFi渡越时间测量信息来确定从所述移动平台到所述多个无线接入点中的每一个的距离。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，当可由所述移动平台观察到的所述多个GPS卫星少于4个GPS卫星时，确定所述修正位置。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述移动平台是汽车。

5.根据权利要求1所述的方法，其包括：基于所述移动平台的偏航速率和移速来确定所述修正位置。

6.根据权利要求5所述的方法，进一步包括：基于所述无线位置数据、所述无线距离测量值和所述GPS位置数据来确定所述移动平台的修正的前进方向和速度。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述修正位置基于预测位置和与所述预测位置相关联的后验分布。

8.一种用于移动平台的定位模块，所述定位模块包括：

处理器；

9.根据权利要求8所述的定位模块，其中，使用由所述无线接入点提供的WiFi渡越时间测量信息来确定从所述移动平台到所述多个无线接入点中的每一个的距离。

10.一种车辆，其包括：

定位模块，其配置成：

从所述服务器接收所述无线位置数据；以及