一种移动定位方法及系统 技术背景
本发明涉及一种定位系统，尤其涉及一种移动定位方法及系统。
全球定位系统(GPS，Global Positioning System)被广泛应用于导航和定位。通常，全球定位系统(GPS)的定位位置是基于大地坐标系统。
图1是大地坐标系统的示意图。大地坐标系统是以参考椭球面为基准的坐标系统，在大地坐标系统中，通常点P的位置用大地经度φ、大地纬度λ和大地高度h表示，但当点P正好在参考椭球面上时，点P的位置可仅用大地经度φ、大地纬度λ表示。其中点P的大地经度φ是经过点P的大地子午面与起始子午面之间的夹角，大地纬度λ是经过点P的法线与赤道之间的夹角，大地高度h是点P沿法线到参考椭球面的距离。
除了大地坐标系统以外，还存在许多以不同参考物为基准的坐标系统，例如地心地固(ECEF，Earth-Centered Earth-Fix)坐标系统等。
图2是地心地固(ECEF)坐标系统的示意图。地心地固(ECEF)坐标系统的坐标原点(0，0，0)位于地球的质心，Z轴指向BIH1984.0定义的的协议地球极方向，X轴指向BIH1984.0的启始子午面和赤道的交点，Y轴与X轴和Z轴构成右手系。点P的位置(X，Y，Z)以点P分别到X轴、Y轴、Z轴的距离来表示。
虽然GPS广泛应用于定位，但是由于GPS信号经常被地形和地面上的物体所屏蔽，因此GPS接收机在某些区域内，特别是在封闭的城市区域如高层建筑内，或森林中，不能准确地接收信号，甚至不能接收来自卫星的信号。
除了GPS还有许多技术以精确定位为目标，例如利用移动网络补充GPS来定位，或小范围内在一个人身上放一个计步器计算步行距离来定位等。但这些技术都存在着不同程度的缺陷，利用移动网络补充GPS来定位，就受到了移动网络地限制，在没有移动网络的区域或移动网络中信号接收不良的区域内，就无法进行精确定位。同样，采用计步器来定位也受到了它自身所设定的步行距离的限制。
在所有的定位系统中，要对定位目标进行精确定位，就需要获取定位目标的三维运动信息，因此定位目标的三维运动信息的获取在定位系统中就是一个重要的问题。
在中国申请号为02144248.7(申请日：2002年9月28日，发明人：杜永刚、涂嘉文、冯雷、邵晓凌)和02159784.7(申请日：2002年12月26日，发明人：邵晓凌、涂嘉文、冯雷)的专利申请中先后揭示了一种三维手写识别的方法及系统(在此以插入的方式加入上述两个专利申请所披露的内容)。这是一种新的三维信息获取方法及系统。该系统追踪用户在三维空间中的手写输入，产生相应的三维运动数据，构造三维运动轨迹，进而将三维运动轨迹投影到一个二维平面上以产生相应的用于手写识别的二维图像。该系统还可将追踪三维运动数据或三维运动轨迹通过无线传输如蓝牙或有线连接发送给例如PDA、笔记本电脑、移动电话等终端。
由于上述定位系统中都存在不同程度的缺陷，因此需要一种新的移动定位方法及系统。
发明内容
本发明的目的之一是上述发明专利的一种新的应用，提供一种移动定位方法及系统。该方法和系统能够补充GPS，或在传统GPS接收机不能接收和测量来自GPS卫星的信号的区域内，进行精确定位。
本发明提供了一种移动体的定位方法，首先确定一个移动体的初始点的三维信息，该三维信息是基于一个可辨别坐标系统；其次探测所述移动体的三维运动，并产生相应的三维运动信息；最后将所述三维运动信息转换为符合所述可辨别坐标系统的信息。
其中，该可辨别坐标系统为大地坐标系统，且该三维运动信息是基于另一个坐标系统，还需检测所述可辨别坐标系统与另一个坐标系统之间的差异。该差异可通过检测所述可辨别坐标系统与另一个坐标系统之间的方向角来确定。
本发明通过确定一个初始点，并利用三维运动跟踪技术，对移动体进行精确定位。本发明可以结合GPS进行精确定位，或在无法利用GPS的情况下，如在无法接收GPS信号的区域内，特别是在高层建筑物内或森林中，进行精确定位。
通过参照结合附图所进行的如下描述和权利要求，本发明的其它目的和成就将是显而易见的，并对本发明也会有更为全面的理解。
附图说明
本发明通过实例的方式，参照附图进行详尽的解释，其中：
图1是大地坐标系统的示意图；
图2是地心地固(ECEF)坐标系统的示意图；
图3是根据本发明的一个实施例的移动定位系统的结构示意图；
图4是根据本发明的一个实施例的移动定位方法的流程图；
图5是根据本发明的一个实施例的移动体的三维运动信息的产生过程的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
图3是根据本发明的一个实施例的移动定位系统的结构示意图。系统300包括一个初始点确定设备310，一个三维移动跟踪设备320以及一个数据处理设备330。
初始点确定设备310用于确定一个移动体的初始点的三维信息，该三维信息是基于一个可辨别坐标系统，例如GPS系统所使用的大地坐标系统。初始点确定设备310可以是一个GPS接收机，也可以是一个输入设备。当该初始点确定设备310是一个GPS接收机时，该GPS接收机用于测量移动体的初始点的三维信息，且获得的三维信息是基于大地坐标系统；当初始点确定设备310是一个输入设备时，该输入设备用于人工输入记录在图纸上的预测量获得的移动体的初始点的三维信息，该三维信息基于一个可辨别坐标系统，这个可辨别坐标系统可以是大地坐标系统，也可以是地心地固(ECEF)坐标系统。
三维移动跟踪设备320包括一个三维运动检测设备322，该三维运动检测设备322用于探测一个移动体的三维运动，并产生相应的三维运动原始信息，该原始信息基于一个坐标系统。该坐标系统是该三维运动检测设备322本身所具有的一个坐标系统。三维运动检测设备322可以是一个三维运动检测传感器时，产生的三维运动信息基于传感器坐标系统。三维运动检测设备322还可以是能完成相同或类似功能的其他设备时，则产生的三维运动信息也可以基于其他类型的坐标系统。该三维运动信息产生过程详见下面图5所述。
三维移动跟踪设备320还包括一个坐标系统差异检测设备324，该坐标系统差异检测设备324用于检测一个可辨别坐标系统与该原始信息基于的一个坐标系统之间的差异。该差异可通过检测该可辨别坐标系统与该原始信息基于的一个坐标系统之间的方向角来确定。该坐标系统差异检测设备324可以是一个方向传感器。
数据处理设备330用于将该三维运动信息转换为符合该可辨别坐标系统的信息。该转换过程详见下面图4所述。
移动定位系统300还包括一个存储器340。该存储器340分别与初始点确定设备310、三维移动跟踪设备320以及数据处理设备330连接在一起，用于存储信息。
图4是根据本发明的一个实施例的移动定位方法的流程图。
首先，获取移动体的初始点在大地坐标系统中的三维信息(步骤S410)。
该三维信息是初始点在一个可辨别坐标系统，如大地坐标系统，中的三维位置，即初始点的大地经度φ、大地纬度λ和大地高度h。该初始点的三维位置可以通过记录在图纸上的预测量数据来确定，也可以通过GPS接收机测量获得的数据来确定。
其次，将该大地坐标中的信息转换成地心地固(ECEF)坐标中的信息(步骤S420)。两坐标间的信息转换可以通过下述坐标转换公式(1)来实现。
X＝(N+h)cosφcosλ
Y＝(N+h)cosφsinλ (1)
Z＝[N(1-e2)+h]sinφ
其中φ，λ，h表示大地坐标系统中的精度、纬度和高度，X，Y，Z表示地心地固(ECEF)坐标系统中的坐标，N=a/1-e2sin2φ]]>表示大地坐标系统中主垂线上的曲率半径，且e2＝2f-f2表示离心率平方，f=a-ba]]>表示扁率，a表示大地坐标系统中的赤道半径(半-主地球旋转轴)，b表示大地坐标系统中的极地半径(半-次地球旋转轴)。
再次，获取移动体所使用的坐标系统的信息(步骤S430)。
由于移动定位系统300采用三维运动检测传感器来检测移动体的三维运动，并产生响应该三维运动的信息，因此，移动体所用的坐标系统是基于三维运动检测传感器本身所具有的坐标系统，即传感器坐标系统(通常所说的右手笛卡尔坐标系统)。该传感器坐标系统在移动体的运动过程中相对于移动体的初始点所使用的坐标系统是不断变化的，因此，可采用移动体在初始点时的坐标系统作为其在整个运动过程中的坐标系统，所产生的三维运动的信息是基于该坐标系统。
接着，确定移动体所使用的坐标系统与地心地固(ECEF)坐标系统之间的差异(步骤S440)。
该差异可以通过检测移动体所使用的坐标系统，即传感器在移动体处于初始点时的坐标系统，与地心地固(ECEF)坐标系统之间的方向角来确定。为了获取该方向角，我们采用了一个方向传感器，用于测量该方向传感器附着的平台的方向，即滚动角、倾斜角和方位角。
由于方向传感器是利用磁强计来测量地心地固(ECEF)坐标系统与传感器坐标系统之间的方向角，而方向传感器中的北部在大地坐标系统中是磁北大于真北。因此，必须补偿由真北和磁北之间的地球磁场引起的偏差。这个偏差可以在从现有的列有区域偏差的图表中获得。
然后，检测移动体的三维运动，获取产生响应该三维运动的信息(步骤S450)。
可以通过三维运动检测传感器来检测移动体的三维运动，并产生响应该三维运动的信息。该三维运动信息可以是移动体的三维移动轨迹。由于三维运动检测传感器检测获得移动体的三维加速度信息，因此移动体的移动轨迹可以通过下述公式(2)来获得。
d=v0t+12at2---(2)]]>
其中，a表示加速度，t表示时间间隔，d表示移动体的移动轨迹，v0表示初速度。这样，通过下述公式(3)，可以获得移动体在传感器坐标系统中的任何测量点的位置：
Xi=Σn=0i(vntn+12*antn2)]]>
Yi=Σn=0i(vntn+12*antn2)---(3)]]>
Zi=Σn=0i(vntn+12*antn2)]]>
其中，Xi，Yi，Zi表示传感器坐标系统中的移动体的三维移动距离，tn表示采样间隔，an表示采样时间(tn-1，tn)之间的三维加速度信息，vn＝vn-1+ant表示采样时刻tn的速度。
随后，将该获得的三维运动信息转换成地心地固(ECEF)坐标系统中的三维运动信息(步骤S460)。
由于该获得的三维运动信息是基于传感器坐标系统，因此，需要将其转换成地心地固(ECEF)坐标系统。两坐标间的信息转换可以通过下述坐标转换公式(4)来实现：
XEi＝l1Xi+l2Yi+l3Zi
YEi＝m1Xi+m2Yi+m3Zi (4)
ZEi＝n1Xi+n2Yi+n3Zi
其中，XEi，YEi，ZEi是地心地固(ECEF)坐标系统中的移动体的三维移动轨迹，且
l1＝cosθYcosθZ-cosθXsinθYsinθZ
l2＝-cosθYsinθZ-cosθXsinθYcosθZ
l3＝sinθYsinθZ
m1＝cosθYsinθZ+cosθXcosθYsinθZ
m2＝-sinθYsinθZ+cosθXcosθYcosθZ
m3＝-sinθXcosθY
n1＝sinθXsinθZ
n2＝sinθXcosθZ
n3＝cosθX
θX，θY，θZ表示地心地固(ECEF)坐标系统与传感器坐标系统之间的方向角。
之后，确定移动体在地心地固(ECEF)坐标系统中的当前位置(步骤S470)。
移动体在地心地固(ECEF)坐标系统中的当前的三维位置可以通过下述公式(5)获得：
XE＝X0+XEi
YE＝Y0+YEi (5)
ZE＝Z0+ZEi
其中，XE，YE，ZE表示移动体在地心地固(ECEF)坐标系统中的当前的三维位置，X0，Y0，Z0表示移动体在地心地固(ECEF)坐标系统中的初始点的三维位置，XEi，YEi，ZEi表示移动体在地心地固(ECEF)坐标系统中的三维移动轨迹。
最后，将移动体在地心地固(ECEF)坐标系统中的当前位置转换到大地坐标系统中(步骤S480)。两坐标系统间的转换方程如下述公式(6)所示：
φ=atan(Z+e′2bsin3θp-e2acos3θ)]]>
λ＝atan2(Y，X) (6)
h=pcos(φ)-N(φ)]]>
其中φ，λ，h表示大地坐标中的纬度、经度和高度，X，Y，Z表示地心地固(ECEF)坐标，且中间变量p=X2+Y2,]]>中间变量e′2=a2-b2b2,N(φ)=a/1-e2sin2φ]]>表示大地坐标系统中的主垂线上的曲率半径，e2＝2f-f2是离心率平方，f=a-ba]]>是扁率，a是大地坐标系统中的赤道半径(半-主地球旋转轴)，b是大地坐标系统中的极地半径(半-次地球旋转轴)。
图5是根据本发明的一个实施例的移动体的三维运动信息的产生过程的流程图。该三维运动信息是移动体的三维移动轨迹。首先获取移动体的三维加速度信息(步骤S510)，接着根据该移动体的三维加速度信息计算其各个点的三维坐标(步骤S520)，然后根据各个点的三维坐标描绘该移动体的三维移动轨迹(步骤S530)。
虽然经过对本发明结合具体实施例进行描述，对于在本技术领域熟练的人士，根据上文的叙述作出的许多替代、修改与变化将是显而易见的。因此，当这样的替代、修改和变化落入附后的权利要求的精神和范围之内时，应该被包括在本发明中。