一种基于无线传感技术的移动定位装置 技术领域 本发明涉及移动定位服务系统， 尤其涉及综合利用 GPS 技术、 惯性导航技术、 无线 通信技术以及无线传感技术提供定位服务的系统。
背景技术 作为无线通信系统的特色业务之一， 定位服务作为移动增值业务的一个亮点受到 业界的普遍关注。目前， 北美、 欧洲和亚太地区的主要移动运营商都已开通了移动定位业 务。目前在移动定位服务中应用的定位技术主要有以下几种 ：
基于网络的源小区 (COO) 定位技术， 即基于 Cell ID 的定位技术， 它由网络侧获取 用户当前所在的基站 Cell 信息以获取用户当前位置， 其精度取决于移动基站的分布及覆 盖范围的大小 ；
基于到达时间 (TOA) 或到达时间差 (TDOA) 原理的三角测量技术， 如 CDMA 网络中 使用的 AFLT(Advanced Forward Link Trilateration) 定位技术， 在定位操作时， 手机 / 终 端同时监听多个基站的导频信息， 利用码片时延来确定到附近基站的距离， 最后用三角定 位法算出具体位置 ；
基于星基无线导航系统的辅助 GPS(A-GPS) 技术。传统 GPS 技术由于过于依赖终 端性能， 即将卫星扫描、 捕获、 伪距信号接收及定位运算等工作集于终端一身， 从而造成定 位灵敏度低及终端耗电量大等方面缺陷。 A-GPS 将终端的位置计算工作简化， 由网络侧的定 位服务器与终端相互配合完成定位工作， 将卫星扫描及定位运算等最为繁重的工作从终端 一侧转移到网络一侧的定位服务器完成。 提高了终端的定位精度、 灵敏度和冷启动速度、 降 低终端耗电。 具体地， A-GPS 技术利用一个由多个高灵敏度 GPS 接收机组成的广域 GPS 卫星 参考网络， 负责全天候监测覆盖区域上空所有 GPS 卫星的星历数据、 多普勒频移等定位所 需信息， 动态刷新存储于定位平台中的 GPS 卫星数据库 ( 卫星数据与地理位置对应关系 )。 终端只有在需要定位时才通过无线网络向定位平台通报大概位置 ( 属于哪个基站 )， 然后 通过定位平台获得 GPS 卫星信息， 从而大大缩短卫星捕获时间， 大幅度降低耗电。借助定位 服务器强大的运算能力， 可以采用复杂的定位算法以降低接收信号弱等不利因素的影响从 而提高定位精度和灵敏度 ；
GPSONE 技术是美国高通公司为基于位置的移动服务开发的定位技术。 它将无线辅 助 A-GPS 和 AFLT 三角定位法两种定位技术有机结合， 在 GPS 卫星信号和无线网络信号都无 法单独完成定位的情形下， GPSONE 系统会组合这两种信息源， 只要有一颗卫星和一个小区 站点就可以完成定位， 解决了传统 GPS 无法解决的问题， 实现较高精度、 高可用性和快速定 位， 改善了室内定位效果。在这两种定位技术均无法使用的环境中， GPSONE 会自动切换到 Cell ID 扇区定位方式， 确保定位成功率。
此外， 近年还出现一些利用短距离无线技术和三角测量技术实现的定位方案 RTLS， 如 WiFi 定位系统、 ZigBee 定位系统等， 他们工作机理都是通过部署多台定位基站， 然 后待定位的终端通过测量临近基站的信号强度并通过定位算法模型计算出位置坐标， 这些
技术方案只能用于小范围特别是室内区域的定位而且精度不高， 适用场合有限。
对于公共安全、 定位跟踪、 导航等移动定位服务， 基于 CELL ID 和基站无线测量的 定位技术虽然成功率高但是精度远远不能满足业务要求， 因此这类服务大多采用基于 GPS 的定位技术， 如 A-GPS 或 GPSONE。不过在实际应用中 GPS 技术的可用性存在很大问题， 比 如在城市环境 GPS 信号会受到很多高楼的阻挡、 定位终端周围建筑对 GPS 信号的反射会引 起测量误差、 许多需要定位服务的位置无法收到 GPS 信号 ( 如城市高架下的道路、 地下停车 场、 车站码头等室内环境等等 )。 为解决上述问题， 近年来一些新技术被引入定位服务领域， 如常见的车辆导航系统就采用 GPS 接收器加上航位推算 (Dead-Reckoning) 设备共同完成 导航功能， 常见的航位推算设备如陀螺仪、 加速度仪、 电子指南针以及车轮转动信号等， 它 们能测量车辆在相对短的时间内的位置变化， 而 GPS 接收器能够在确定的误差范围内测量 车辆的绝对位置。二者具有天然的互补性 ： 航位推算设备能够平均掉 GPS 接收器短时间内 的误差， GPS 接收器能够在长时间内对航位推算设备进行校准。用于航空航天领域的传统 航位推算设备精度高但是体积庞大且价格昂贵， 并不适用于一般的民用车辆导航。随着近 十几年来微机电系统 (MEMS) 工艺的进步， 采用 MEMS 工艺的微陀螺仪、 微加速仪器件的性能 得到了迅速的提高， MEMS 器件以其体积小、 成本低、 外围电路简单等优点为导航定位系统的 设计提供了新的选择。除了 GPS 接收器和航位推算设备， 车载导航仪还装载有一个数字化 的交通道路数据库——数字地图。 利用数字地图的信息和测量数据通过地图匹配能够很好 地确定待导航车辆的位置。设计良好的导航仪能够很好的整合来自 GPS 接收器和航位推算 设备的测量数据， 从而进一步做出很好的地图匹配。为了很好整合这些测量数据以达到满 意的导航效果， 业界常常采用卡尔曼滤波器 (Kalman filter) 来平衡当前测量和历史测量 数据， 以线性、 无偏、 最小方差为原则实现最优估计， 尽可能减少系统噪声从而提高定位精 度和可用性。
综上所述， 移动定位技术经过近年来的不断发展取得显著进步， 但是要满足优质 移动定位服务的要求， 尤其是对于一些诸如人员定位跟踪、 敏感或危险物品的定位追踪等 公共安全领域的应用， 目前市场提供所技术和产品尚有以下不足 ：
现有的定位产品尺寸较大且没有考虑隐蔽性设计， 难以满足上述应用的小型化、 微型化和隐蔽性需求 ；
现有的定位产品在低功耗设计上没有进行特别设计， 难以满足上述应用中采用电 池供电时的低功耗需求 ；
现有的定位产品和服务局限于获取定位信息、 通报定位信息或结合地理信息系统 (GIS) 和电子地图提供简单的历史轨迹记录功能， 缺少跟踪预警、 利用后台系统对大量定位 终端的统一管理、 利用后台系统的历史冗余信息提高定位精度和成功率等增值服务功能。
中国专利 CN2010101477791 针对以上问题提出了解决方案， 但是也带来了新的问 题， 该专利提出一种定位信标 LIU 用于校正移动至它附近的移动定位终端 LE 的定位信息和 航迹， 要取得良好的应用效果就需要根据应用场景在一些关键地点部署定位信标 LIU， 这会 带来较大的系统实施成本， 在很多场合也会遇到较大的实施困难。
如果在上述专利的基础上能够提供一种方便部署和低成本的定位信标， 就可以更 好地满足市场需求。发明内容 本发明提出一种移动定位装置 LE， 包括 ：
定位测量单元， 进一步包括 GPS 子单元和惯性测量子单元 IMU， 其中 GPS 子单元负 责接收 GPS 信号并解码输出定位结果至主控单元， 惯性测量单元子 IMU， 负责实时测量 LE 在三个坐标轴向的加速度和角速度， 据此计算出 LE 的运动姿态、 航向和航速并上报主控单 元；
无线传感单元， 存储 LE 的身份识别号 ID-1， 采用短距离无线通信技术自动搜索并 连接临近的无线传感节点 ；
无线通信单元， 负责接入通信网络， 根据主控单元的控制指令上报无线网络参数， 对于 CDMA 网络所述无线网络参数包括伪随机码相位偏置系数、 导频激活集、 导频候选集和 导频相邻集 ；
显示单元， 负责向用户提供使用界面， 以图文方式显示 LE 工作状态和用户使用菜 单， 所述工作状态包括 LE 接入的无线网络名称、 信号强度、 电池剩余电量 ；
输入输出单元， 负责向用户提供输入输出功能， 包括键盘、 耳麦、 外接电源和扩展 存储卡 ；
主控单元通过控制和数据接口连接其他功能单元， 完成各单元的初始化、 参数配 置、 工作状态监测控制， 处理定位测量单元上报的测量结果并通过无线通信单元向网络侧 上报， 同时通过无线通信单元接收并响应网络侧的管理指令。
所述 LE 接入的通信网络指能够提供广域覆盖的移动通信网络、 有线宽带网络、 无线宽带网络或者它们的组合， 所述移动通信网络包括 GSM 网络、 GPRS 网络、 EDGE 网络、 CDMA2000 1x 网络、 CDMA2000 EVDO 网络、 WCDMA 网络、 TD-SCDMA 网络以及基于上述移动网 络的演进网络。
优选的， 所述无线传感单元采用 ZigBee 无线技术， 配置成全功能设备 FFD。
优选的， 所述 LE 包括一个具备 GPS 定位功能的手机和一个扩展功能单元 ； 它们通 过手机的外部接口连接， 所述外部接口是 USB 接口、 或者蓝牙接口、 或者红外接口 ； 所述扩 展功能单元包括 ：
惯性测量 IMU 子单元， 负责实时测量 LE 扩展功能单元在三个坐标轴向的加速度和 角速度， 据此计算出 LE 扩展功能单元的运动姿态、 航向和航速并上报手机主控 CPU ；
无线传感子单元， 采用 ZigBee 短距离无线通信技术， 利用配置成全功能设备 FFD 的 ZigBee 模块存储 LE 的身份识别号 ID-1， 自动搜索并连接临近的无线传感节点 ；
接口子单元， 负责通过 USB 接口、 或者蓝牙接口、 或者红外接口实现扩展功能单元 和手机主控 CPU 的通信。
所述 LE 通过其无线传感单元连接临近的无线传感节点后， 在网络侧的指配下工 作于路由模式或网关模式 ； 作为路由节点的 LE 定时通过无线传感网络报告自身状态消息， 其中包括自身身份识别号 ID-1、 临近网络节点的信号强度及其节点 ID 信息 ； 作为网关节点 的 LE 通过通信网络定时上报下属无线传感网络的实时状态消息， 其中包括网络拓扑、 各节 点观察到的临近节点信号强度、 下属所有端节点上报的自身状态消息和此状态报告的对应 时间信息。
所述 LE 进行的定位测量和结果上报根据定位策略定时触发， 所述定位策略由预
先配置在 LE 中的一组参数确定并可远程在线修改， 定位策略包括 LE 需定时测量和上报的 定位参数、 定时测量的时间间隔和上报的时间间隔 ； 所述时间间隔是和 LE 即时运动速度相 关的一个动态变化量， 其变化规律是速度越高时间间隔越小 ； 在两次定位测量期间 LE 的定 位测量单元、 主控单元、 无线通信单元进入休眠状态并关断外围电路电源。
优选的， 所述 LE 的主控单元、 无线通信单元和 GPS 测量单元功能由美国高通公 司的 CDMA 终端芯片组实现， 所述 CDMA 终端芯片组包括主芯片 MSM6050、 射频接收芯片 RFL6000 和 RFR6000、 射频发射芯片 RFT6100 和电源管理芯片 PM6050 ； 所述 IMU 测量单元功 能由美国模拟器件公司的加速度传感器芯片 ADXL335 和陀螺仪芯片 ADXRS150 实现 ； 所述 LE 的无线传感单元功能由美国 TI 公司的 CC2431 芯片实现。
所述 LE 自动搜索并连接的临近无线传感节点具备和该 LE 匹配的无线传感网络参 数， 包括无线传感网络 ID、 加密方式、 密钥、 工作频率。
本发明装置部署方便， 可充分利用现有移动网络终端开展业务， 有利于开展多种 定位增值服务， 特别有利于开展那些对定位终端有低功耗、 隐蔽性要求的定位服务。
结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后， 本发明的其他特点和优点将变得更 加清楚。 附图说明
图 1 是本发明装置应用系统一个实施例的系统架构图 ； 图 2 是本发明装置 LE 一个实施例的功能框图 ； 图 3 是本发明装置应用系统中定位标识 LM 一个实施例的功能框图 ； 图 4 是本发明装置 LE 一个实施例的一种硬件实现方案 ； 图 5 是本发明装置 LE 一个实施例的另一种硬件实现方案 ； 图 6 是本发明装置应用系统一个实施例中 LE 在定位管理平台的注册流程示意图； 图 7 是本发明装置应用系统一个实施例中定位标识 LM 工作流程示意图 ；
图 8 是本发明装置应用系统一个实施例中定位管理平台处理 LE 上报信息的流程 示意图 ；
图 9 是通过无线参数估计 LE 大概位置的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
图 1 给出了本发明一个实施例的系统架构图， 其中多个定位终端 LE 通过无线链路 S103 接入通信网络 S101 并进而与定位管理平台 S102 建立通信连接， 定位管理平台 S102 采 集各 LE 上报的定位测量信息， 结合数据库中的终端历史轨迹信息和定位算法确定并记录 各 LE 当前的位置 ； 同时， 定位终端 LE 和定位标识 LM 通过短距离无线链路 S104 自动组成 网状无线传感网络， 其中处于网关位置的 LE 采集各节点的状态信息并上报定位管理平台 S102， 定位管理平台 S102 据此根据短距离无线定位 RTLS 技术计算获得 LM 的位置坐标， 进 一步的， 定位管理平台 S102 还可利用此无线传感网络的状态信息对其节点 LE 的定位信息 进行校正处理。另外， 定位管理平台 S102 还通过通信网络 S101 与经授权的第三方定位服务商 LBS 和定位服务用户 LUE 建立通信连接， 向 LBS 和 LUE 发布 LE 和 LM 的即时位置信息 和位置告警、 历史轨迹等增值服务信息。所述通信网络是指能够提供广域覆盖的移动通信 网络、 有线宽带网络、 无线宽带网络或者它们的组合， 这里为了表述清晰简洁， 仅以 CDMA 移 动通信网络为例来说明本发明的思想。如图 1 所示， 定位管理平台 S102 通过 S101 中的短 信网关、 分组数据服务节点 PDSN(Packet Data Serving Node) 和路由器与多个 LE、 LUE 和 LBS 建立通信连接。
定位管理平台 S102 在具体实施时采用分布式、 模块化的架构， 可视应用规模灵活 采用一台服务器或多台服务器群组构成。 其中包括信息采集发布单元、 数据处理单元、 数据 库单元和管理单元， 各单元的功能和连接关系如下 ：
信息采集发布单元负责基于 TCP/IP 协议或短信 SMS 完成定位管理平台 S102 和 LE、 LUE 以及 LBS 之间的通信， 完成它们之间交互消息的封装与拆封 ； 同时还负责从 LE 的上 报消息中提取 LM 的识别号、 LE 识别号、 定位测量信息和无线传感网络状态信息并转交给数 据处理单元 ； 另外， 信息采集发布单元还负责按照管理单元的指令向授权 LBS 和 LUE 发布 LE 位置信息。
数据库单元是多种逻辑数据库的综合， 包括终端管理数据库 TM_DB、 用户管理数据 库 CM_DB 及业务数据库 TF_DB。TM_DB 存储的终端管理数据包括所有 LE 的识别号、 LE 的常 规运动模式和当前运动模式、 LE 当前的姿态、 LE 的定位服务类别、 LE 配置的定位测量能力、 LE 通过短距离无线技术识别 LM 的有效距离， 以及 LM 的识别号、 LM 的常规运动模式和当前 运动模式等。CM_DB 存储的用户管理数据包括 LUE 和 LBS 的识别号、 鉴权认证信息、 授权服 务类别和等级等。TF_DB 存储的业务数据包括开展业务地区的数字地图、 地物地貌信息、 移 动基站规划信息、 LE 历次上报的定位测量信息、 LE 历史位置信息、 网关 LE 历次上报的无线 传感网络状态信息和 LM 历史位置信息等。
数据处理单元负责按照定位算法处理信息采集单元转交的 LE 定位测量数据， 结 合数据库单元记录的该 LE 历史运动轨迹、 前一时刻运动模式和运动姿态以及 LE 所在区域 的地理信息系统， 确定该 LE 当前位置坐标、 当前运动模式和运动姿态并记录结果。同时负 责处理信息采集单元转交的网关 LE 上报的无线传感网络状态信息， 首先对无线传感网络 内各节点 LE 的定位结果置信度进行评估计算， 将置信度高于标准值的 LE 作为校正源， 然后 结合短距离无线定位技术 RTLS 对各节点 LE 的位置坐标和相关航迹进行校正处理， 并进而 得到 LM 节点的位置坐标。
管理单元负责管理所有 LE、 LM 的注册、 接入认证、 工作状态监测统计、 升级维护以 及关联属性数据的更新， 还负责管理 LBS 和 LUE 的业务开通、 业务变更和业务使用记录。
图 2 给出了 LE 一个实施例的功能框图。其中，
定位测量单元包括 GPS 模块和惯性测量模块 IMU(Inertial Measurement Unit)， GPS 单元负责接收 GPS 信号并解码输出定位结果至主控单元。GPS 的输出信号遵循美国国 家航海电子协会 NMEA(National Marine Electronics Association) 制订的 NMEA-0183 协议规范， 其中包括 GPS 定位数据时间、 经度、 纬度、 所用到的卫星数、 高度、 观察到的 GNSS 卫星数量及其编号、 位置、 信噪比、 地面数率、 地面航向、 日期等信息。惯性测量单元 IMU(Inergial Measurement Unit) 中包括直角坐标系 X/Y/Z 三个方向上的加速度传感器和 角速度传感器， 负责实时测量 LE 在三个坐标轴向的加速度和角速度， 据此可计算出 LE 的运动姿态、 航向和航速并上报主控单元。
无线传感单元利用短距离无线技术如 ZigBee 技术自动探测周围的 LM 和其它 LE， 其中配置成全功能设备 FFD 的 ZigBee 模块存储 LE 的身份识别号 ID-1 并预先统一配置 ZigBee 网络参数， 如网络 ID、 节点 ID、 加密方式、 密钥、 工作模式等， 当 LE 接近同样配置了 ZigBee 模块的其它 LE 或 LM 时即可自动建立无线连接， 探测到临近 LE 或 LM 的身份识别号 及其信号强度。
无线通信单元负责通过接入通信网络 S101 从而和管理平台 S102 建立通信连接， 同时还可根据主控单元的控制指令上报一些无线网络参数， 对于 CDMA 网络所述无线网络 参数包括伪随机码相位偏置系数、 导频激活集、 导频候选集和导频相邻集， 这些参数在无线 通信模块接入 CDMA 网络时从网络侧获取。
显示单元采用液晶显示屏向用户提供使用界面， 以图文方式显示诸如无线网络名 称、 信号强度、 电池剩余电量等 LE 工作状态和用户使用菜单。
输入输出单元向用户提供键盘、 耳麦、 外接电源、 扩展存储卡等输入输出功能模 块。
主控单元通过控制和数据接口连接其他功能单元， 完成各单元的初始化、 参数配 置、 工作状态监测控制， 处理定位测量单元上报的测量结果并通过无线通信单元上报管理 平台 S102， 同时通过无线通信单元接收并响应管理平台 S102 的管理指令。 本领域的技术人员应该理解， 一个完整意义的 LE 还应该包括电源、 时钟、 存储等 通用的功能单元， 为了叙述简洁， 对于这些通用的功能单元不再一一描述， 图 2 中也略去没 有画出。在以下的 LM 实施例描述中也做同样处理。
图 3 给出了 LM 一个实施例的功能框图， 其中无线传感单元采用短距离无线通信技 术如 ZigBee， 配置成精简功能设备 RFD， 在探测到周围的无线传感网络节点时自动按照无 线传感网络协议作为端节点接入无线传感网络 ； 主控单元完成 LM 的初始化、 参数配置、 工 作状态监测控制， 通过本地配置端口预先配置并保存静态工作参数， 如身份识别号 ID-2 和 无线传感网络 ID、 节点 ID、 加密方式、 密钥、 工作模式等 ZigBee 网络参数， 通过无线传感单 元连接到无线传感网络并进而定时向上一级网络节点发送 “心跳” 消息， 其中包括自身身份 识别号 ID-2、 临近网络节点的信号强度及其节点 ID、 由自身剩余电量及本地告警等信息组 成的工作状态报告等等。 进一步地， 主控单元可以连接一个本地告警按钮， 当此按钮被按下 时， 主控单元立即向上一级网络节点发出 “告警” 消息， 其中包括自身身份识别号 ID-2、 临近 网络节点的信号强度及其节点 ID 等内容。
对于上述自动组网的无线传感网络， 其中的 LE 节点由定位管理平台在线指配为 网关节点或路由节点。作为路由节点的 LE 接入网络后定时向上一级网络节点发送 “心跳” 消息， 其中包括自身身份识别号 ID-1、 临近网络节点的信号强度及其节点 ID 等信息， 同时 路由节点 LE 还向上级节点转发下级节点发来的消息 ； 而作为网关节点的 LE 将采集到的该 无线传感网络的状态信息定时上报给定位管理平台， 所述无线传感网络的状态信息包括网 络的拓扑结构、 各节点观察到的临近节点信号强度、 下属所有端节点 LM 上报的 “心跳” 消息 和此状态报告的对应时间等信息。
图 4 进一步给出了 LE 的一种硬件实现方案， 该方案采用美国高通公司的 CDMA 终 端芯片解决方案实现主控单元和无线通信单元的功能， 同时通过主芯片的异步串行接口
UART 连接 ZigBee 模块实现无线传感单元功能， 连接加速度传感器实现 IMU 单元功能。如 图 4 所示， 天线 S401 接收的 CDMA 信号经双工器送入 RFL6000 进行低噪声放大处理， 然后经 声表面波滤波器 RxSAW 滤波后送入 RF 接收模块 RFR6000， RFR6000 将接收信号解调至模拟 基带后送入 CDMA 主芯片 MSM6050 的 Rx ADC 端口进行 AD 变换， 将模拟基带信号转换成数字 基带信号后再进行 CDMA 信号处理。天线 S402 接收的 GPS 卫星信号经过带通滤波后同样送 入 RF 接收模块 RFR6000， RFR6000 将接收信号解调至模拟基带后送入 MSM6050 的 Rx ADC 端 口进行 AD 变换， 将模拟基带信号转换成数字基带信号后再进一步进行 GPS 信号解码处理。 MSM6050 将需要发送的 CDMA 基带信号通过 Tx DAC 送入 RF 发送模块 RFT6100， 经变频调制 后进行滤波 TxSAW、 功率放大 PA 处理， 最后通过双工器将射频发送信号馈入天线 S401 发送 出去。电源管理芯片 PM6050 负责 LE 内部的电源和时钟管理， 包括电池管理， 如供电、 充电、 电量显示等 ； 电源电压升压降压转换 ； 背光照明管理 ； 提供各芯片工作电源 ； RF 接收、 发送 时钟管理、 系统休眠时钟管理等等。MSM6050 通过串行总线接口 SBI 连接 PM6050、 RFR6000 和 RFT6100， 实现对上述芯片的控制管理。MSM6050 内嵌有 ARM7 微处理器， 可作为定位终 端 LE 的主控单元使用。通过其并行数据总线、 地址总线和存储器管理端口连接 SDRAM 和 FLASH 作为 LE 的存储单元， 连接液晶显示屏 LCD 作为显示单元。LE 的输入按钮或键盘连接 至 MSM6050 的 GPIO 接口， 音频编解码器接口连接外围的音频电路， 可提供音频输入输出功 能。 用户识别模块 UIM(User Identity Model) 卡电路可直接连接至 MSM6050 的 UART 接口。 实现 IMU 功能的加速度传感器输出信号经模数转换后输入 MSM6050 的 GPIO 接口， 实现无线 传感功能的 ZigBee 模块则通过串口连接至 MSM6050 的 UART 接口。MEMS 传感器可选用美国 模拟器件公司 ANALOG DEVICES 的加速度传感器 ADXL335 和陀螺仪 ADXRS150， 可实现 X/Y/ Z 三个轴向的加速度测量和角速度测量。ZigBee 模块可选用美国 TI 公司的 CC2431 芯片实 现， CC2431 内嵌了 C8051 微处理器、 2.4GHz 符合 IEEE802.15.4 标准的射频收发信机、 128KB FLASH、 8KB RAM， 通过在 C8051 中装载 ZigBee 协议栈实现 ZigBeeFFD 设备功能。
同样， 选用美国 TI 公司的 CC2431 芯片再配以电源和时钟等外围电路就构成了 LM 的硬件实施方案， 其内嵌的 C8051 微处理器装载 ZigBee 协议栈实现 ZigBee 精简功能设备 RFD。
具体实现时， LE 还可以通过在带 GPS 定位功能的普通商业手机上外加一个功能扩 展单元来构成， 如图 5 所示。其中功能扩展单元实现惯性测量 IMU 和 ZigBee 功能， 通过手 机的 USB 接口或者蓝牙接口或者红外接口和手机主控 CPU 通信， 同时在手机中装载移动定 位应用客户端软件和针对功能扩展单元的驱动软件。当然， 此时 ZigBee 单元还需增加对外 接口模块用以实现 USB 接口或者蓝牙接口或者红外接口功能。
实际应用中， 定位标识 LM 安装在需要定位跟踪的车辆或物品上， 或者佩带在需要 定位跟踪的人员身上， 大多数情况下需要采用电池供电， 小型化、 低功耗设计显得尤为重 要。定位终端 LE 则配置给相关行业管理人员、 政府公务人员以及志愿者等等。当 LE 的数 量足够大时， 就可以随时随地将临近的 LE 和 LM 通过 ZigBee 自动组网并通过无线通信网络 连接到定位管理平台。 而定位管理平台则可以根据 LE 上报的信息对每一个活动的 LE 和 LM 进行定位运算和位置跟踪。
定位终端 LE 在安装新 UIM 卡后首次使用前需通过注册流程通过定位管理平台 S102 的鉴权认证， 获得合法性授权， 具体步骤如图 6 所示 ：S601 ： LE 加电启动 ；
S602 ： LE 检测是否为未注册状态， 如果为未注册状态则转到 S603， 否则结束该流 程， 转入登陆流程 ；
S603 ： LE 通过无线通信单元接入通信网络 S101， 进而和定位管理平台 S102 建立通 信连接 ；
S603 ： LE 发送注册请求到定位管理平台 S102， 其中包括终端编号和 UIM 卡信息 ；
S604 ： 定位管理平台 S102 对 LE 信息进行校验， 包括该定位终端编号是否符合规 则、 定位终端是否已经在平台登记、 是否已经注销， 如果校验出错， 结束注册流程 ；
S605 ： 定位管理平台 S102 对 UIM 卡信息进行校验， 包括 UIM 卡是否开通、 状态是否 可用， 如果校验出错， 结束注册流程 ；
S606 ： 定位管理平台 S102 对 UIM 卡和终端编号分别进行逻辑校验， 检查该 UIM 卡 是否已经和其它终端编号绑定， 或者该终端编号是否已经和其它 UIM 卡绑定， 如果存在上 述绑定关系则解除原先的绑定。
S607 ： 定位管理平台 S102 根据验证结果向 LE 返回注册结果， 下发接入密码， 并创 建终端编号与 UIM 卡的绑定关系 ； S608 ： 终端变更自身注册状态为已注册。
已经注册成功的定位终端 LE 在每次加电启动后还需要通过登陆流程验证终端和 UIM 卡的合法性， 确保终端能够正确地接入定位管理平台并顺利开展定位业务。
定位管理平台 S102 通过向已登陆的定位终端 LE 下发配置参数来控制 LE 的定位 策略。所述定位策略根据此 LE 申请的定位业务类别、 LE 的常规运动模式和 LE 的运算能力 等因素确定， 定位策略包括终端需定时测量和上报的定位参数、 定时测量和上报的时间间 隔、 在运动状态突变时如何相应改变定位策略等内容。 比如对于车载定位应用， 定位管理平 台 S102 预先记录了该车载定位终端所属车辆的正常行驶速度范围、 日常活动范围等信息， 根据这些信息并结合定位跟踪精度要求以及 LE 节电需求可定义该 LE 的定位策略如下 ： 当 IUM 测量的 LE 运动速率小于 1m/s 时， LE 每 10 秒进行一次 GPS 测量并上报结果， 每 100 毫 秒采样并记录一次 IUM 测量结果但累计 100 次结果后上报 ( 即每 10 秒上报一次 )， 每 10 分 钟上报一次无线网络参数 ； 当 IUM 测量的 LE 运动速率大于等于 15m/s 时， LE 每秒种进行一 次 GPS 测量并上报结果， 每 10 毫秒采样并记录一次 IUM 测量结果但累计 100 次结果后上报 ( 即每秒上报一次 )， 每 1 分钟上报一次无线网络参数 ； 当 IUM 测量的 LE 运动速率处于 1m/ s 至 15m/s 时， 按照运动速率由低到高逐步减少 LE 定位测量和上报的时间间隔。采用这种 定位策略， 在两次测量上报期间 LE 的相关模块如定位测量、 显示、 主控、 无线通信等可以采 取休眠、 关断外围电路电源等节电措施， 显著降低 LE 的平均功耗， 同时又保证定位管理平 台及时获取足够的定位信息， 保证对 LE 的定位和轨迹跟踪精度， 确保定位服务质量。
定位标识 LM 采用低功耗的 ZigBee 技术实现无线传感功能， 其工作流程如图 7 所 示：
1) 定时触发或者紧急按钮被按下触发进入工作状态 ；
2) 首先检查是否还在原先的无线传感网络中， 如果仍在原先的网络中， 则跳过下 一步骤 ；
3) 搜索周围的无线传感网络， 并按照预先设定的工作参数接入搜索到的无线传感
网络 ； 4) 向上级节点发送如前所述的 “心跳” 或 “告警” 消息， 报告自己的身份识别号、 检 测到的周围无线传感节点信号强度等信息 ；
5) 进入休眠状态， 直到下一次定时触发时刻或紧急按钮被按下后回到第一步。
处于同一区域的多个 LM 和 LE 按照无线传感网络协议自动协商组成网状网络， 其 中 LM 处于端节点位置， LE 处于路由节点或网关节点位置， 网关节点将通过无线通信模块定 时上报下属无线传感网络实时状态消息给定位管理平台。 所述无线传感网络实时状态消息 包括网络拓扑、 各节点观察到的临近节点信号强度、 下属所有端节点 LM 上报的 “心跳” 消息 和此状态报告的对应时间等信息。如果网关节点收到下属 LM 节点的 “告警” 消息， 则在第 一时间即刻转发给定位管理平台。定位管理平台据此根据短距离无线实时定位技术 RTLS 计算出相关 LM 相对与临近 LE 的方位， 并进而得到这些 LM 的位置坐标。同时， 定位管理平 台还可据此进一步校正高定位精度 LE 周围的 LE 之位置坐标。
定位终端 LE 也可以设置一个特定按钮用于紧急报警， 当此特定按钮被按下后即 进入告警状态， 此时 LE 立即向定位管理平台 S102 发送告警消息， 定位管理平台 S102 接收 到告警消息后可以在跟踪该 LE 的运动轨迹的同时向该 LE 发起语音呼叫， LE 对来自定位管 理平台 S102 的呼叫自动应答， 建立并保持此语音呼叫， 然后由定位管理平台 S102 监听并记 录从该 LE 传回的任何声音信息。显然， 这些来自定位终端 LE 现场的声音信息有助于对 LE 所处的紧急情况进行辨别和应急处理。
上述定位终端 LE 和定位管理平台之间的业务流程中使用的交互消息由预先定义 的承载在 SMS、 TCP 或 UDP 之上的应用层接口协议封装， 如图 8 所示。其中的 TCP 和 UDP 端 口号作为可配置参数， 可以预先配置或在线修改。 定位终端 LE 和定位管理平台 S102 通过解 析和响应来自对方的消息， 完成注册、 登陆鉴权、 参数配置、 定位信息上报和告警管理等功 能。需要说明的是， 以上仅以 LE 的注册流程详细说明了定位终端 LE 和定位管理平台 S102 之间的交互过程， 对于其它诸如登陆、 参数配置、 定位信息上报和告警等流程均可采用类似 机理， 在此不再一一赘述。
对于 LE 第 m 次上报的定位信息， 定位管理平台的处理流程如图 9 所示 ：
1) 定位信息采集单元接收来自 LE 的定时上报消息， 提取其中的定位信息， 包括 GPS 定位输出信息、 IMU 测量信息和无线网络参数 ；
2) 数据处理单元首先对定位信息进行预处理， 为下一步定位运算做准备 ：
A) 对于 GPS 定位输出信息 ( 定位时间、 经度、 纬度、 所用到的卫星数、 高度、 观察到 的 GNSS 卫星数量及其编号、 位置、 信噪比、 地面速率、 地面航向、 日期等信息 )， 需要对其进 行置信度评估， 具体做法如下 ： 定义 GPS 定位信息置信度 C_L， 它由 GPS 定位输出信息中的 卫星数量 N_S 和卫星信号信噪比 SNi， i ＝ 1， 2， ...n 按照下式计算得出，
式中 SN0 为该 LE 配置的 GPS 接收机正确解调信号所需的卫星信号信噪比阈值， 单 位为 dB， 该数值作为 LE 的属性参数预先存储在定位管理平台数据库单元。
B) 根据 IMU 测量数据计算出本次上报数据中所包含的各采样时刻的 LE 即时速度
矢量和航向。
C) 若本次上报信息中包含无线网络参数， 则根据其中的伪随机码相位偏置系数、 导频激活集、 导频候选集和导频相邻集数据通过检索数据库中预先存储的无线网络规划信 息确定 LE 当前的服务基站和相邻基站。
3) 根据第二步预处理所得数据， 进一步进行定位运算， 获得可靠的 LE 位置坐标。
A) 采用业界惯用的卡尔曼 (Kalman) 滤波结构对 GPS 定位数据进行最优估计 ；
B) 用 IMU 测量数据进行航位推算 (Dead-Reckoning)， 即根据各采样时间点的即时 速度和航向通过积分运算获得 LE 在本次上报周期内的航迹 ；
C) 由 LE 当前服务基站和相邻基站信息结合数字地图估计 LE 的大致位置 ； 例如图 9 所示的理想情况下， 通过检索数据库存储的 LE 相邻基站 S901、 S902 和 S903 的位置及覆 盖范围可判断出 LE 位于三个基站的共同覆盖区 S904 内 ； 当然实际的无线覆盖情况要复杂 得多， 但是仍然可以通过通常的无线网络规划方法获得基站接近实际情况的覆盖， 进而估 计 LE 的大致位置。所述无线网络规划方法包括根据基站周边区域的地形地貌特征建立电 波传播模型， 利用基站的无线参数 ( 如天线挂高、 发射功率、 接收灵敏度等 ) 以及周边区域 的数字地图采用电波传播模型计算基站周边区域的无线覆盖情况 ； D) 查询数据库确定 LE 的类型和当前的运动模式， 调取 LE 之前的运动姿态和轨迹 数据备用 ；
E) 查询数据库调取 LE 周围区域的数字地图备用 ；
F) 采用信息融合技术对上述 a)-e) 获得的定位信息进行综合处理， 以期获得全局 最优的定位估计， 包括如下措施 ：
i. 当 GPS 定位信息置信度 C_L ＜ C_L0 时， 舍弃 GPS 定位信息， 直接采用航位推算 结果， 同时启动航位推算导航计时器 T， 当 T ＞ T0 时， 发出系统告警 ； 否则采用 Kalman 滤波 技术对 a)、 b) 输出信息进行信息融合处理， 获得 LE 位置信息最优估计 ； 所述 C_L0 和 T0 为 定位管理平台预先设定的门限值， 并且可根据相应定位服务对精度的要求和实际使用效果 随时修改 ；
ii. 对于 i 获得的 LE 位置信息， 利用数字地图进行匹配运算， 即将 LE 当前的运 动模式、 之前的运动姿态、 轨迹数据、 航向变化及预期位置与附近的地图特征进行相关性比 较， 当 LE 的航迹变化和数字地图中矢量道路的变化相关时， 那么就可以利用数字地图中的 道路坐标信息进一步修正 LE 的当前位置和航迹， 特别是当 LE 沿道路运动至路口拐弯时， 地 图匹配算法可以很好地校正 LE 的位置坐标 ；
iii. 确认 LE 的位置信息和由 c) 获得的 LE 大致位置的一致性 ；
G) 输出定位结果后结束该流程， 包括将结果送到 IMU 航位推算单元进行反馈校 正， 以便将其随着时间积累的系统误差钳制在可容忍的范围 ； 更新数据库记录的 LE 历史运 动速度、 航迹和姿态。
定位管理平台接收到网关 LE 发来的无线传感网络状态消息后将进行以下处理 ：
1) 检查该无线传感网络中所有 LE 的定位状态， 比较它们的 GPS 定位信息置信度 C_L， 选择其中置信度 C_L ＞ C_L1 的 LE 作为该无线传感网络的位置校正源， 其中 C_L1 为定 位管理平台预先设定的门限值， 可根据相应定位服务对精度的要求和实际使用效果随时修 改；
2) 检索数据库调出校正源 LE 的属性数据， 包括其当前位置、 其无线传感单元能够 有效探测的距离和无线传感单元天线方向性参数等 ；
3) 根据网关 LE 上报的信息和校正源 LE 属性信息依次计算校正源 LE 临近的 LE 相 对于校正源 LE 的距离， 该计算可依据电波在自由空间的传播模型进行， 然后通过三角测量 技术得出临近 LE 在状态报告对应时间 ts 时刻的位置 ；
4) 检索数据库调出被校正 LE 最近的运动轨迹数据， 对状态报告对应时间 ts 时刻 的 LE 位置进行校正， 并重新基于其 IMU 历史数据通过航位推算更新 ts 时刻之后直到当前 的 LE 航迹， 将校正和计算结果更新至数据库 ；
5) 按照步骤 3) 相同的方法计算获得该无线传感网络中 LM 的位置坐标。
通过上述实施例的描述可以看出， 本发明系统的特点在于 ： 定位管理平台通过通 信网络连接多个定位终端 LE 并通过 LE 进而连接多个定位标识 LM ； LE 具备 GPS 定位测量 和 IMU 测量功能， 以及无线传感功能和通信功能 ； LM 具备无线传感功能 ； 优选的， 上述通信 功能基于移动通信网络和技术， 上述通信网络指移动通信网络， 如 GSM、 GPRS、 EDGE、 WCDMA、 TD-SCDMA、 CDMA2000 1x、 CDMA2000 EVDO 网络以及基于上述移动网络的演进网络。 LE 根据预 先定义的定位策略定时将定位测量数据上报定位管理平台， 由管理平台综合处理 GPS、 IMU 和无线网络数据并结合数字地图匹配技术获得 LE 位置的最优估计。 临近的 LE 和 LM 通过无 线传感单元自动组成网状无线传感网络， 网关 LE 定时将该网络的状态上报定位管理平台， 定位管理平台可根据网关 LE 上报的信息计算获得 LM 的位置坐标， 并且可以利用定位置信 度高的 LE 校正其它 LE 的位置坐标。 由此可见， LE 的定位计算工作主要在管理平台进行， LE 只负责 GPS 和 IMU 测量并上报测量数据， 这样就大大简化了 LE 的数据处理要求， 有利于降 低 LE 的功耗。进一步地， 可以根据 LE 运动状态动态定义不同的定位策略， 将 LE 定位测量、 上报的时间间隔和其运动速度关联起来， 运动速度升高则减少定位测量、 上报时间间隔， 反 之则增加定位测量、 上报时间间隔， 在两次定位测量、 上报期间 LE 可通过休眠、 关断外围电 路电源等措施节省功耗， 这样既保证了定位管理平台对 LE 的定位跟踪服务质量， 又尽可能 地减少 LE 的工作时间从而降低其平均功耗。而 LM 采用低功耗的 ZigBee 技术， 只需定时接 入临近的无线传感网络并上报相关消息， 大多数时候处于休眠状态， 因此可以将功耗降到 很低程度。
通过实施本发明装置可以向用户提供多种定位增值服务， 根据服务需求定位管理 平台可以针对相应的 LM 或 LE 组制定专门的服务策略， 例如定义 LM 或 LE 合法的活动范围、 正常的运动状态， 一旦管理平台监测到 LM 或 LE 的位置超出预设的正常范围或者其运动状 态超出正常范围即可向用户发出告警信息， 管理平台还可以根据 LM 或 LE 的航迹和当前状 态预测 LM 或 LE 是否有触发告警的趋势从而决定是否提前发出预警信息。
不脱离本发明的范围和构思， 上述定位终端装置可以做出多种改变和变形， 很多 变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。本发明的描述是为了示例而给出的， 并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。 选择和描述实施例是为了更好说明本发 明的原理和实际应用， 并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用 途的带有各种修改的各种实施例。本发明的范围由所附权利要求书确定。