用于构建和利用信标位置数据库的装置和方法

相关申请交叉引用

本申请要求2009年9月18日提交的美国申请第12/562,875号的权益， 特此为了所有目的通过引用并入其全部内容。

技术领域

本发明一般涉及定位无线电子设备的位置。更具体地，本发明涉及构建 和利用信标位置数据库用于建筑物内的客户端设备位置的发现的技术。

背景技术

快速增长的对基于位置的服务的兴趣已经增大了对比以往更精确的定位 系统的需要。全球定位系统（GPS）已经成为用于确定在地球上任何地方人 和目标的位置的实际上的标准。然而，GPS有一个主要的限制：弱信号不传 播进入建筑物内。因此，期望开发允许建筑物内的设备位置发现的技术。

发明内容

一种支持建筑物内的客户端设备位置发现的方法包括将建筑物位置坐标 归结于（ascribe）建筑物内的信标。建筑物位置坐标被转换为物理位置坐标。 用支持位置分辨的至少一个附加参数扩充物理位置坐标。客户端设备与位于 建筑物内的访问信标通信。还访问特征化访问信标的物理位置的信标位置数 据库。基于访问信标的物理位置计算客户端设备的物理位置。

附图说明

结合以下连同附图进行的详细描述将更充分地理解本发明，其中

图1图示根据本发明实施例配置的系统。

图2图示与本发明实施例相关联的处理操作。

图3图示与建筑物的楼层平面图相关联的信标位置信息。

图4图示根据本发明实施例的信标位置信息的规格化。

图5图示根据本发明实施例的根据正北方位的信标位置信息的规格化。

遍及附图的若干视图，同样的参考数字指代对应的部分。

具体实施方式

图1图示根据本发明实施例配置的系统100。系统100包括至少一个无 线客户端设备102（图示为客户端设备1021到102N）和至少一个服务器 104（图示为服务器1041到104N），其根据无线协议通信。该系统还包括 一组信标1061到106N，其支持根据无线协议的无线通信。每个信标是以 指定无线电频率发送连续的或周期的无线电信号的发送器。例如，在Wi-Fi （使用IEEE 802.11a/b/g/n规范的无线局域网）领域，术语信标指来自无线接 入点的具体数据传输，其携带服务集标识（SSID）、信道编号和安全协议。该 传输不包含另一Wi-Fi设备的链路层地址，所以其可以由任何客户端接收。

每个客户端设备102包括标准组件，诸如中央处理单元110，其经由总 线114与输入/输出设备112通信。输入/输出设备112可以包括键盘和显示器。 无线接口电路116也连接到总线114以支持无线通信。存储器120也连接到 总线114。存储器120包括支持与本发明相关联的操作的可执行指令。例如， 存储器120存储支持无线通信操作的通信模块122。存储器120还存储位置 计算模块124，该模块执行允许客户端设备发现其在建筑物内的位置的操作。

服务器104也包括标准组件，诸如经由总线162连接到输入/输出设备164 的中央处理单元160。网络接口电路166也连接到总线162。网络接口电路 166支持与有线或无线设备的联网通信。服务器104还包括连接到总线162 的存储器170。存储器170存储实现本发明的操作的可执行指令。在一实施 例中，存储器170存储建筑物信息建模（BIM）工具。BIM工具生成和管理 建筑物数据。典型地，BIM工具使用三维、实时、动态建筑物建模软件来提 高建筑物设计和建造的生产率。BIM工具特征化建筑物几何形状、空间关系、 地理信息、以及建筑物组件的数量和特性。根据本发明，补充BIM工具以包 括信标位置信息。在一实施例中，信标位置计算模块174补充BIM工具。信 标位置计算模块174包括计算位于建筑物内的信标的物理位置的可执行指 令。换句话说，从与BIM工具相关联的建造文件或模型提取信标的建筑物位 置坐标。这些坐标随后由信标位置计算模块转换为物理位置坐标（例如，全 球定位坐标）。这得到特征化信标位置的信标数据库176。信标数据库176还 可以包括支持客户端位置分辨的附加信息，如下所讨论的。

存储器170还存储支持与无线客户端102通信的通信模块178。在一实 施例中，存储器170还存储客户端位置计算模块180，其用于计算建筑物内 的客户端设备的位置。客户端位置计算模块180依赖于客户端设备提供的信 标信息。客户端位置计算模块180可以利用比客户端设备上可用的更复杂的 定位计算。客户端位置随后可以传回到客户端设备。此外，客户端位置计算 模块180可以用于填充（populate）客户端位置数据库182。该数据库跟踪建 筑物内客户端设备的位置。

图2图示与本发明实施例相关联的处理操作。最初，建筑物位置坐标被 归结于信标200。优选地，BIM工具172用于提供对于信标的建筑物位置坐 标。可替代地，可以构建单独的数据库以存储该信息。建筑物位置坐标随后 转换为物理位置坐标202。可以使用多种转换技术。在本发明的一实施例中， 将极坐标规格化为正北方位。转换还可以包括将全球定位系统（GPS）坐标 归结于每个信标。优选用支持位置分辨的至少一个附加参数扩充物理位置坐 标，如下面讨论的。

客户端设备102随后与信标通信206。例如，图1的客户端设备1021 可以与位于建筑物内的信标1061到106N通信。还访问信标数据库208。 信标数据库176的版本可以在客户端设备中。可替代地，按照需要，来自信 标数据库176的相关信息可以从服务器1041传递到客户端设备1021。然 后计算设备位置210。典型地，客户端设备1021将使用位置计算模块124 计算其位置。特别地，位置计算模块124依赖于邻近信标的物理位置来计算 其位置。可替代地，客户端可以传递关于邻近信标的信息到服务器104，该 服务器计算客户端设备的位置，随后将位置信息传递到客户端设备。该方法 的优点是其均衡了服务器的计算能力。因此，更复杂或动态的位置计算可以 用于确定位置。例如，计算可以考虑建筑物内的建造材料，或者使用建筑物 信息模型中存储的先进的无线热图。服务器104可以随着其计算客户端位置， 维护客户端位置数据库182。可替代地，通过使每个客户端设备周期地报告 其位置，可以维护客户端位置数据库182。客户端位置数据库182支持基于 位置的服务。因此，例如，商业街中的客户端设备可以接收关于该商业街中 商店的减价信息。

参考具体示例更全面地理解本发明的操作。建筑物内无线信标的位置用 BIM工具指定。典型的BIM工具允许用户将可计算信息附接到表示建筑物和 建筑物内包含的对象的表面、边缘和体积。

图3示出BIM工具定义的楼层平面图300。拖拽工具允许定位楼层平面 图300上的信标302。结果，自动向信标分配建筑物位置坐标。考虑以下具 有三个信标（AP1、AP2和AP3）和关联坐标的示例。

建筑物位置坐标随后转换为物理位置坐标。在一实施例中，通过使用极 矢量便利转换。如图4所示，通过距原点的距离和与垂直面的角度定义信标 位置。这导致以下信息。

随后关于正北方位确定物理方位，如图5所示。然后用于该地点的参考 全球定位系统（GPS）坐标用作原点(0,0)。在该示例中，GPS坐标是(37.8038630, -122.2718963)。使用正北和投射北（project north）之间的计算差别，调整方 位角以便它们朝向正北。在该示例中，要求63.5°的角调整。这导致以下更新 数据。

现在从极矢量和基准坐标(lat1,lon1)计算信标的GPS坐标。这导致以下数 据。

每个信标具有唯一的标识符。例如，在Wi-Fi接入点的情况下，唯一标 识符是其MAC地址。唯一标识符增加到信标数据库176。这可以导致以下表。

信标范围内的客户端设备可以查询数据库并且检索信标的精确坐标。与 信号强度耦合的该信息允许设备计算其到GPS坐标的距离。例如，用来自至 少两个其他信标的信息，设备可以计算其位置。例如，客户端设备中的感测 无线电检测和测量来自附近信标的信号。在Wi-Fi接入点的情况下，信标的 无线电的MAC地址用于唯一地识别检测到的无线电信号，因为自动广播该 信息作为Wi-Fi规范的一部分。其他类型的位置信标可以在唯一的频率上广 播，或者广播对该信标唯一的其他信息。

一旦已经唯一地识别信号，并且已经测量这些信号的强度，就从信标数 据库176检索作为该信号来源的位置信标的位置。在一实施例中，信标数据 库176是客户端设备上的文本文件，该文件的每一行由信标的标识符、其维 度、其经度和其高度构成。定位程序随后可以在该文本文件中搜索唯一的标 识符，并且检索信标的GPS坐标。可替代地，可以经由因特网访问该数据库， 并且客户端设备可以远程连接到该数据库以便检索信息。

用至少三个位置信标的测量信号强度和GPS坐标，客户端设备可以计算 其自身的位置。首先，估计到每个信标的距离。这可以以许多的方式实现。 一种方法是使用自由空间路径损失（free space path loss）等式：

FSPL(dB)=20log₁₀(d)+20log₁₀(f)+92.44 其中d是以米为单位的距离，f是以兆赫兹为单位的信号频率，并且损失(FSPL) 是信标的输出功率与接收功率的比率。这不考虑发送器或接收器中的天线增 益，也不考虑由于障碍物的额外损失。更精确的方法是使用链路预算计算（link  budget calculation）。链路预算是在电信系统中从发送器经过介质到接收器的 所有增益和损失的总计。链路预算考虑由于传播、天线增益和各种损失的发 送信号的衰减。简单的链路预算等式为：

接收功率（dBm）=发送功率（dBm）+增益（dB）－损失（dB）

另一更精确的方法依赖于实验室测试，以便对于每个类型的信标确定用 于作为信号强度的函数的距离的正确等式。最终，用距每个信标的近似距离， 设备可以使用三边测量（trilateration）计算其位置。三边测量是用于确定给出 三个球体的中心和半径的三个球面的交叉点的方法。通过采用用于三个球体 的公式和将其设置为彼此相等，可以得到用于三维三边测量问题的解的数学 推导。

可以补充信标数据库176以包括支持位置分辨的附加参数。该信息可以 包括信标制造商、信标模型编号、信标天线设计参数和信标功率输出参数。 下表图示具有扩充信息的信标数据库。

以上表可以包括其他信息，诸如实验确定的距离函数。例如，每一行可 以包括定义接收功率(dBm)＝f_x(d)的列。

可以使用各种技术开发该信息。例如，如果用于具体信标的天线设计是 高度定向而不是全向，则在更精确的位置计算中可以考虑该信息。

本发明的实施例涉及具有计算机可读存储介质的计算机存储产品，该计 算机可读存储介质上具有用于执行各种计算机实现操作的计算机代码。介质 和计算机代码可以是为了本发明的目的专门设计和构造的介质和代码，或可 以属于总所周知的种类并且对计算机软件领域的技术人员可用。计算机可读 介质的示例包括但不限于：磁介质，诸如硬盘、软盘和磁带；光介质，诸如 CD-ROM、DVD和全息设备；磁光介质；和专门配置为存储和执行程序代码 的硬件设备，诸如专用集成电路（“ASIC”）、可编程逻辑器件（“PLD”）和 ROM与RAM器件。计算机代码的示例包括诸如由编译器产生的机器代码， 以及包含使用解释器由计算机执行的高级代码的文件。例如，本发明的实施 例可以使用通用编程语言、C++或其他面向对象或非面向对象编程 语言和开发工具来实现。本发明的另一实施例可以以硬连线电路代替机器可 执行软件指令或与机器可执行软件指令结合来实现。

为了说明的目的，上述描述使用特定术语提供本发明的透彻理解。然而， 为了实施本发明不要求具体细节对本领域的技术人员是显而易见的。因此， 为了说明和描述的目的提供上述本发明具体实施例的描述。它们不意图穷举 或将本发明限制为公开的精确形式；显然，鉴于以上教导许多修改和变化是 可能的。选择和描述各实施例以便最佳地说明本发明的原理及其实际应用， 从而按照适于预期的特定使用，本发明的原理及其实际应用使本领域的其他 技术人员能够最佳地利用本发明和具有各种变化的各种实施例。意图是以下 权利要求和其等价物定义本发明的范围。