室内外定位坐标参考框架转换方法技术

本发明专利技术公开了一种室内外定位坐标参考框架转换方法，包括：步骤一，选择坐标原点O，建立室内局域坐标系；步骤二，开展室内定位，存储历史定位点的室内局域坐标；步骤三，当用户从室内变为室外时，对于n个连续定位点，既通过室内定位获得局域坐标，又通过室外GNSS定位获得ECEF坐标，其中，n≥2；步骤四，建立坐标转换方程；步骤五，将坐标转换方程两两相减得到单差方程；步骤六，求解原点O的经纬度以及局域坐标系的真北偏差角θ；步骤七，计算原点O的ECEF坐标；步骤八，计算得到室内历史定位点的ECEF坐标。本发明专利技术能够准确校准用户室内真北方位角偏差，并通过单差方程简化求解过程，实现室内外一体化定位中的坐标快速转换。现室内外一体化定位中的坐标快速转换。现室内外一体化定位中的坐标快速转换。

【技术实现步骤摘要】
室内外定位坐标参考框架转换方法


[0001]本专利技术涉及室内定位(Indoor Positioning)、基于位置的服务(Location
‑
based Service,LBS)等领域，尤其涉及一种室内外定位坐标参考框架转换方法。

技术介绍

[0002]据统计，现代都市人群超过80％的时间在室内环境中度过，室内定位服务需求已变得日益广泛和重要。基于室内位置信息，我们可以在商场、停车场、图书馆、会议展厅、办公楼、医院、学校、博物馆等多类场景下，为普通大众及各类专业人员提供丰富多样的基于位置的服务(Location Based Service，LBS)，在提高社会生产力、促进经济发展的同时，保障人们财产与生命安全。随着技术发展和产业升级，导航定位技术及其相关位置信息服务已开始从室外向室内扩展，室内外无缝连续定位已成为未来重要发展方向。
[0003]然而，坐标和位置信息是在某一特定空间参考框架下的表达，为实现理想的室内外无缝、连续高精度定位与服务，建立科学合理的坐标参考框架系统是重要前提。
[0004]在室外，以GPS为代表的全球导航卫星系统(GlobalNavigation Satellite System,GNSS)是主要的室外定位手段，GNSS用户的定位和显示是在大地坐标系下进行的。具体地，该大地坐标系可以是地球椭球坐标系(由经度、纬度、大地高表示)，也可以是地心地固坐标系(Earth
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Centered Earth
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Fixed,ECEF)(由右手直角坐标系表示)。典型的ECEF坐标系有美国WGS
‑
84(World Geodetic System 1984)坐标系以及我国2000国家大地坐标系(China Geodetic Coordinate System 2000,CGCS2000)等。地球椭球坐标系和地心地固坐标系之间可以通过已知的地球椭球参数进行转换，不涉及未知参数，对用户使用而言是等价的。
[0005]在室内，由于GNSS信号受到遮挡和拒止，因此目前主要使用超宽带(Ultra
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Wide Band,UWB)、蓝牙(BlueTooth)、Wi
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Fi、惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)、视觉里程计(Visual Odometry,VO)、视觉惯性里程计(Visual
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Inertial Odometry,VIO)等技术进行定位。并且，由于难以使用GNSS定位建立大地坐标系，因此室内定位通常建立和使用基于东、北、天方向的局域坐标系。这种局域坐标系本质上属于大地测量学中的垂线站心直角坐标系，它通常选择某一位置作为坐标原点O(该坐标原点不需要具有特殊要求或意义)，以O点垂线方向为Z轴(指向天顶为正)，子午线方向为X轴(指向北为正)，Y轴与X、Z轴垂直(指向东为正)构成左手直角坐标系，如说明书附图1所示。
[0006]对于各自的单独定位而言，以上所述的室外环境下的大地坐标系以及室内环境下的局域坐标系都能分别满足各自的使用要求。然而，对于室内外一体化无缝定位而言，往往需要在室外、室内使用相同的坐标参考框架，从而便于地图显示、路径规划等操作。
[0007]当用户首次定位发生在室外、然后从室外进入至室内时，我们可以自然地将室外大地坐标系框架引入和延伸至室内，从而在室内直接采用大地坐标系进行定位，或建立室内局域坐标系与室外大地坐标系之间的转换关系。
[0008]当用户首次定位发生在室内时，我们可以首先采用局域坐标系进行定位。一旦用
户从室内进出至室外，即可同时获得室内局域坐标系与室外大地坐标系下的位置点信息，从而建立起室内外坐标系之间的联系。而这种一旦建立起这种联系，就可以进一步将此前室内定位过程中所有的历史位置点转换至大地坐标系下，从而构建出统一的空间位置参考基准。
[0009]然而，这种方法在实际使用中存在制约和困难。我们知道，为了建立准确的局域坐标系，需要得到用户相对于真北方向的方位角(又称航向角)。目前，只有磁力计、INS等少数技术手段能够在无法使用GNSS信号的室外环境中获得真北方位角。然而，其中磁力计精度较差，一般在几度至十几度左右，且易受金属、电磁等物体的影响；具有真北对准能力的INS设备则十分昂贵，价格从几万人民币到几百万人民币不等，无法在智能手机、可穿戴设备等用户终端中实现低成本、批量化应用。因此，当定位一开始就发生在室内中时，用户所建立的局域坐标系实际上是难以精确对准真北方向的，而是与真北方向之间存在某一固定偏差。若用户的导航定位活动一直在室内环境中进行(如采用以上上述的UWB、BlueTooth、Wi
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Fi、VO、VIO等技术手段)，则它通常不会对用户造成影响。然而，一旦用户从室外进出至室外、需要建立与室外大地坐标系之间的联系时，就会导致难以确定室内外坐标系之间的转换关系，或给转换结果带来显著误差，并最终影响用户定位性能和使用体验。

技术实现思路

[0010]有鉴于此，本专利技术实施例提出了一种室内外定位坐标参考框架转换方法，用于解决由于用户在室内环境中的真北方向未知所造成的无法与室外大地坐标系建立准确转换关系的问题。
[0011]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供一种室内外定位坐标参考框架转换方法，包括：
[0012]步骤一，选择室内某一位置点作为坐标原点O建立室内局域坐标系，记所述坐标原点O的地心地固坐标系坐标为(X
O
，Y
O
，Z
O
)、大地经纬度坐标为记所述局域坐标系的正北方向坐标轴相对于地球真北方向的偏差角为θ，
[0013]其中，所述局域坐标系以O点垂线方向为Z轴、指向天顶为正，子午线方向为X轴、指向北为正，Y轴与X、Z轴垂直、指向东为正，构成左手直角坐标系，
[0014]所述地心地固坐标系为美国WGS
‑
84坐标系或我国CGCS
‑
2000坐标系；
[0015]步骤二，在所述局域坐标系下开展室内定位，并存储历史定位点在所述室内局域坐标系下的坐标值；
[0016]步骤三，当用户定位环境从室内变化为室外时，对于n个连续定位点P
i
(i＝1，2，
…
n)，既使用室内定位技术获得其在所述局域坐标系下的坐标又使用室外GNSS定位技术获得其在所述地心地固坐标系下的坐标其中，n≥2；
[0017]步骤四，对于每个所述定位点P
i
，考虑所述局域坐标系的所述偏差角θ，建立以下形式的坐标转换方程：
[0018][0019]从而，共得到n个坐标转换方程；
[0020]步骤五，将所述步骤四中的所述坐标转换方程两两相减，得到n
‑
1个以下形式的单差方程：
[0021][0022]步骤六，联立所述步骤五中的所述单差方程，求解得到所述坐标原点O的所述经纬度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种室内外定位坐标参考框架转换方法，该方法包括：步骤一，选择室内某一位置点作为坐标原点O建立室内局域坐标系，记所述坐标原点O的地心地固坐标系坐标为(X
O
，Y
O
，Z
O
)、大地经纬度坐标为记所述局域坐标系的正北方向坐标轴相对于地球真北方向的偏差角为θ，其中，所述局域坐标系以O点垂线方向为Z轴、指向天顶为正，子午线方向为X轴、指向北为正，Y轴与X、Z轴垂直、指向东为正，构成左手直角坐标系，所述地心地固坐标系为美国WGS
‑
84坐标系、或我国CGCS2000坐标系、或我国BDCS坐标系；步骤二，在所述局域坐标系下开展室内定位，并存储历史定位点在所述室内局域坐标系下的坐标值；步骤三，当用户定位环境从室内变化为室外时，对于n个连续定位点P
i
(i＝1，8，
…
n)，既使用室内定位技术获得...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘成，李芳，相恒永，张杰，王冠群，
申请(专利权)人：刘成，
类型：发明
国别省市：