具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种警用定位设备，如图1所示，包括：卫星定位模块11、惯性定位模块21及处理器31，其中，卫星定位模块11用于根据卫星信号进行定位；惯性定位模块21用于根据卫星定位模块11的定位坐标及加速度信息、角速度旋转信息进行定位；处理器31用于执行以下步骤：获取卫星定位模块11检测的卫星信号强度；根据信号强度判断是否能正常接收卫星信号；如果不能正常接收卫星信号，获取最近一次根据卫星信号计算得到的导航坐标系的第一坐标及惯性定位模块21检测的当前第一加速度信息、第一角速度旋转信息；根据第一坐标、第一加速度信息及第一角速度信息得到导航坐标系的第二坐标；根据第二坐标进行定位。

具体地，卫星定位模块11采用的定位方式为全球卫星导航系统定位，全球卫星导航系统定位坐标是根据卫星信号进行实时计算的。一般是采用测码伪距观测值以及卫星导航电文中所给出的卫星广播星历及卫星钟差来进行单点定位。所谓测码伪距观测法是指利用卫星信号从卫星发射出发，一直被到用户终端接收的时间间隔来测量卫星到用户终端距离的一种测距方法，因为电磁波信号的速度固定为光速c，因此获取了时间间隔既可以计算出卫星至用户终端的距离，该段距离因为可能存在误差而称为伪距。利用四颗以上卫星到用户的伪距即可计算出用户终端在地球上的三维坐标信息。利用测码伪距单点定位可以轻易得出警用定位设备在导航坐标系下WGS－84坐标系的坐标位置信息。单纯的GNSS测码伪距观测值误差稳定在10m以下。

惯性定位模块21采用的定位方式为惯性导航系统(INS)定位，惯性导航系统定位坐标也是实时计算的，惯性导航系统工作原理图如图2所示，惯性导航系统实时根据卫星信号最近一次计算得到的第一坐标作为惯性导航系统定位的起始坐标，再根据惯性定位模块21检测到的当前的第一加速度信息、第一角速度旋转信息计算得到惯性导航系统定位坐标。其中，可以采用滤波算法消除计算过程中的误差，并对误差进行分析。同时，在能够根据卫星定位模块11进行定位的时候，实时引入GNSS定位结果对惯性导航系统定位坐标进行位置修正。

惯性导航定位的具体算法就是根据载体(警用定位设备)上所搭载的加速度计和陀螺仪所监测到的载体相对于某个惯性空间坐标系(载体坐标系)的角速度旋转信息和加速度信息，再通过解算常微分方程组，就得到载体在导航坐标系中的位置、速度、姿态和时间信息等。由于加速度测量计测量的是其敏感轴上的比力(沿载体坐标系的矢量)，因此如何在载体运动过程中，保证加速度计的输出为沿导航坐标系的矢量是实现准确导航定位的基础。要满足这一条件有2种途径：①利用陀螺稳定平台建立一个稳定的三维空间导航坐标系，也称平台式惯性导航系统；②通过不同坐标系之间的变换，解决加速度计输出的指向问题，即将加速度计和陀螺仪都直接固联在载体上，陀螺仪的输出角速度信息用来解算载体相对导航坐标系的姿态矩阵，经姿态矩阵将加速度计的输出变换至导航坐标系，这种方式也称捷联式惯性导航系统。本发明实施例中应用的的加速度计和陀螺仪都是固联在新型警用定位设备内部的MEMS捷联式惯导传感器，因此所采用的算法是捷联式的计算方式。

处理器31可以为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)。处理器31还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。

在本发明实施例中，警用定位设备工作原理图如图3和图4所示，具体为：当警员或警用车辆处在开阔空间，卫星信号不受遮挡时，若卫星信号强度满足定位精度要求，采用卫星定位模块11利用测码伪距的绝对定位方式对警员或警用车辆进行定位，若卫星信号强度较弱，不满足精度要求，则采用惯性定位模块21作为辅助定位，修正卫星定位结果，利用修正后卫星定位结果对警员或警用车辆进行定位；当警员或警用车辆行驶到隧道中，卫星信号丢失时，切换至惯性定位模块21作为主要定位系统进行工作，并将卫星信号丢失前的最后一个卫星定位坐标值作为惯性导航定位的起始坐标，利用惯性导航定位继续对警员或警用车辆进行定位，确保警员或警用车辆的位置信息保持在精准状态。同时，引入地理信息系统对警员或警用车辆的位置信息进行辅助修正，保证警员或警用车辆的位置始终保持在道路上，并将道路地理信息系统修正后的实时坐标结果代入下次的惯性导航定位运算中。

本发明实施例提供的警用定位设备，融合了全球卫星定位模块11和惯性定位模块21，利用这种新型的硬件组合方式组成了警用定位终端设备的硬件基础，并将卫星定位模块11的输出与惯性定位模块21的输出进行了紧组合，可以实现警用定位设备同时采用全球卫星定位和惯性导航定位进行定位，在卫星信号良好时，以卫星定位的结果作为输出的最终定位坐标，在卫星信号丢失时(例如在隧道中卫星信号被遮挡时)，采用卫星信号丢失时的位置坐标作为起点，结合惯性定位模块21检测的当前第一加速度信息、第一角速度旋转信息进行惯性导航计算，得到定位坐标，继续对警用定位设备进行定位，可以避免由于卫星信号的遮挡而导致定位的偏移，从而解决对于警用定位设备仅采用卫星导航定位方式进行定位，存在由于信号遮挡而导致定位偏移的问题。

本发明研制的警务定位设备采用的组合导航模块，可在跨江隧道、山体隧道和高架桥下实现精准定位，在交通勤务调度方面较之目前的警务定位系统能够起到很大提高，在长沙、武汉、上海等拥有众多跨江隧道的城市中应用前景十分广泛。

在可选的实施例中，警用定位设备还可以包括存储器32，其中处理器31和存储器32可以通过总线或者其他方式连接，图5中以通过总线连接为例。

存储器32作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如警用定位方法对应的程序指令/模块。处理器31通过运行存储在存储器32中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，即实现警用定位方法。

存储器32可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器31所创建的数据等。此外，存储器32可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器32可选包括相对于处理器31远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器31。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

上述的一个或者多个模块存储在存储器32中，当被处理器31执行时，执行警用定位方法。

在可选的实施例中，为了使得惯性定位模块21可以集成到警用定位设备中，惯性定位模块21包括：MEMS惯性加速度计及陀螺仪。MEMS惯性加速度计和陀螺仪的体积较小，便于嵌入警用定位设备中，如警务通PDA或对讲机等。且MEMS惯性加速度计和陀螺仪成本较低，从而集成了惯性定位模块21的警用定位设备的成本也较低，便于大规模生产和使用。

在可选的实施例中，卫星定位模块11包括：GNSS芯片。采用GNSS芯片作为卫星定位模块11，可以使得卫星定位模块11的体积小，而且GNSS芯片可以直接输出测码伪距坐标，当采用惯性导航时，可以直接获取测码伪距坐标带入计算，而不用对卫星定位模块11输出的数据再次进行处理。

在可选的实施例中，处理器还用于执行如下步骤：如果能正常接收信号，判断当前时刻之前的预设时段内计算出的坐标位置是否存在跳变和/或卫星数量的个数是否在第二预设阈值之间；如果当前时刻之前的预设时间段内计算出的坐标位置存在跳变和/或卫星数量的个数在第二预设阈值之间，判定卫星定位结果不准确；获取最近一次根据卫星信号解算得到的导航坐标系的第三坐标，及当前第二加速度信息、第二角速度旋转信息；根据第三坐标、第二加速度信息及第二角速度信息得到导航坐标系的第四坐标；根据第四坐标对卫星定位结果进行修正；根据修正后的卫星定位结果进行定位。具体地，预设时间段可以为1分钟、几分钟、几十分钟等，第二预设阈值可以为6－8。因为惯性导航系统也是实时在工作的，如果当前的全球卫星导航系统的定位结果不准确，可以采用惯性导航系统的定位对全球卫星导航系统的定位结果进行修正，使得对警员或警用车辆的定位更加准确。

在可选的实施例中，处理器还用于执行如下步骤：如果当前时刻之前的预设时间段内计算出的坐标位置不存在跳变和/或卫星数量的个数不在第二预设阈值之间，判定卫星定位结果准确；根据卫星定位结果进行定位。具体地，如果卫星信号良好，计算出的坐标位置连续，符合实际的警员或警用车辆的运动轨迹，或卫星数量超过了9个及以上，那么，此时，就以全球卫星定位系统的定位坐标进行定位。

在可选的实施例中，警用定位设备还包括：道路地理信息系统，当采用惯性定位模块21进行定位时，道路地理信息系统用于判断第二坐标是否位于道路上；如果第二坐标不位于道路上，将第二坐标调整为距离第二坐标最近的同向道路的中心点坐标。当采用卫星定位模块11进行定位时，道路地理信息系统还用于判断卫星定位结果是否位于道路上；如果卫星定位结果不位于道路上，将卫星定位结果调整为距离卫星定位结果最近的同向道路的中心点坐标。具体地，考虑到警员或警用车辆只是在道路上使用的应用场景，所以会把定位计算结果与道路地理信息系统结合，判断定位坐标是否在道路上。通过采用道路地理信息系统将定位坐标修正到道路上，可以使得对警员、警用车辆的定位更加切近实际。

本发明实施例还提供了一种警用定位方法，应用于如上述任意实施方式中的警用定位设备，如图6所示，包括：

S301.获取卫星定位模块11检测的卫星信号强度；具体地，可通过GNSS芯片直接输出卫星信号强度。

S302.根据信号强度判断是否能正常接收卫星信号；具体地，可以通过根据信号强度是否能计算出定位坐标或根据信号强度判断接收卫星的数目等来判断是否能正常接收卫星信号。如果能正常接收卫星信号，进入步骤S306。如果不能正常接收卫星信号，进入步骤S303。

S303.获取最近一次根据卫星信号计算得到的导航坐标系的第一坐标，及惯性定位模块21检测的当前第一加速度信息、第一角速度旋转信息；具体地，不能正常接收卫星信号，说明警用定位设备的卫星信号被遮挡，此时，应该切换为惯性导航系统进行定位。惯性导航系统定位坐标是实时计算的，惯性导航系统定位时需要根据卫星信号输出的最近一次根据卫星信号实时计算得到的第一坐标作为惯性导航系统定位的起始坐标，再根据惯性定位模块21检测到的当前的第一加速度信息、第一角速度旋转信息计算得到惯性导航系统定位坐标。

S304.根据第一坐标、第一加速度信息及第一角速度信息得到导航坐标系的第二坐标；具体地，加速度计测量得到的是载体坐标系的加速度值，而本发明实施例需要计算的是导航坐标系的坐标，因此需要将第一加速度信息转换成导航坐标系的加速度值。根据第一角速度信息可以得到载体坐标系相对导航坐标系的姿态矩阵，根据姿态矩阵可以将第一加速度信息转换成导航坐标系的加速度值，根据转换后的加速度值、起始坐标，就可以得到导航坐标系的第二坐标。

S305.根据第二坐标进行定位。

S306.根据卫星定位结果进行定位。

本发明实施例提供的警用定位方法，融合了卫星定位模块11和惯性定位模块21，利用这种新型的硬件组合方式组成了警用定位终端设备的硬件基础，并将卫星定位模块11的输出与惯性定位模块21的输出进行了紧组合，可以实现警用定位设备同时采用全球卫星定位和惯性导航定位进行定位，在卫星信号良好时，以卫星定位的结果作为输出的最终定位坐标，在卫星信号丢失时(例如在隧道中卫星信号被遮挡时)，采用卫星信号丢失时的位置坐标作为起点，结合惯性定位模块21检测的当前第一加速度信息、第一角速度旋转信息进行惯性导航计算，得到定位坐标，继续对警用定位设备进行定位，可以避免由于卫星信号的遮挡而导致定位的偏移，从而解决对于警用定位设备仅采用卫星导航定位方式进行定位，存在由于信号遮挡而导致定位偏移的问题。

在可选的实施例中，步骤S302中，根据信号强度判断是否能正常接收卫星信号，包括：根据信号强度判断是否能计算出坐标位置；如果不能计算出坐标位置信息，则不能正常接收卫星信号。如果能计算出坐标位置信息，则判定能正常接收卫星信号。具体地，如果GNSS芯片计算位置坐标失败，即GNSS芯片无法计算出位置坐标，这时候可以确定GNSS没法正常工作。这时判断GNSS信号被遮挡，警用定位设备进入了隧道。通过是否能计算出坐标位置来判断GNSS是否能正常接收卫星信号，比较直观。

和/或，根据卫星信号判断卫星数量是否小于或等于第一预设阈值；如果卫星数量小于或等于第一预设阈值，则不能正常接收卫星信号。如果卫星数量大于第一预设阈值，则能正常接收卫星信号。具体地，GNSS定位要求的最小卫星数量为4个，而且如果设备处在开阔地，是不可能只接收到这么少的卫星数目的，因此，可以设定第一预设阈值为4，如果接收到的数量少于5颗卫星，则考虑GNSS无法定位，即使给出了定位结果也是不可信的。

可选的实施例中，步骤S304中，根据第一坐标、第一加速度信息及第一角速度信息得到导航坐标系的第二坐标，包括：根据第一角速度信息计算得到四元数微分方程的四元数；根据四元数计算得到姿态矩阵；根据第一加速度信息、姿态矩阵计算得到导航坐标系的加速度值；根据第一坐标、加速度值计算得到导航坐标系的第二坐标。具体地，由于新型警用定位设备并不存在稳定的惯性平台，而且一般都是由用户随身携带的，所以必然的选择就是采用捷联式的惯性导航算法来进行导航定位工作。与平台式惯性导航系统相比较，姿态矩阵的解算相当于建立了“数学平台”。对于捷联式惯性导航系统，姿态矩阵的实时更新和导航解算算法是其关键。姿态矩阵的即时更新就是实时地给出姿态矩阵T的内容，而这要通过一定的算法来完成。进行姿态矩阵即时更新的算法很多。比较典型的方法有欧拉角法(三参数法)、四元数法(四参数法)以及方向余弦法(九参数法)。本实施例以四元数法为例进行说明。所谓四元数法，是指将载体坐标系相对导航坐标系的转动用四元数来表示。根据三轴陀螺仪实时输出的第一角速度信息可以用来解算四元数微分方程得到四元数微分方程的实时四元数，根据实时四元数可以求出实时的姿态矩阵，根据实时的姿态矩阵对实时的第一加速度信息进行坐标系转换，可以得到实时的导航坐标系的加速度值，从而得到载体的实时速度，根据载体实时的速度、第一坐标就可以计算得到载体的实时坐标，即第二坐标。

在可选的实施例中，第一角速度信息包括俯仰角、横滚角和航向角，通过以下公式计算得到四元数、姿态矩阵、加速度值及第二坐标：

其中，q₀、q₁、q₂、q₃为四元数，θ为俯仰角，γ为横滚角，Ψ为航向角，T为姿态矩阵，T_ij为姿态矩阵的元素，f_x、f_y、f_z为导航坐标系的加速度值，f_x ^b、f_y ^b、f_z ^b为载体坐标系的加速度值，即第一加速度信息，v_x0、v_y0为载体的初始速度，初始速度为最近一次导航坐标系统计算得到的载体的速度，x₀、y₀为载体的初始位置，即导航坐标系第一坐标，v_x、v_y为载体当前的速度，x、y为当前载体的位置，即导航坐标系第二坐标，t为时间。

在可选的实施例中，在步骤S305，根据第二坐标进行定位之前，警用定位方法还包括：判断第二坐标是否位于道路上；如果第二坐标不位于道路上，将第二坐标调整为距离第二坐标最近的同向道路的中心点坐标。如果第二坐标位于道路上，进入步骤S305，根据第二坐标进行定位。具体地，考虑到警员或警用车辆只是在道路上使用的应用场景，所以会把定位计算结果与道路地理信息系统结合，判断定位坐标是否在道路上。通过采用道路地理信息系统将定位坐标修正到道路上，可以使得对警员、警用车辆的定位更加切近实际。

在可选的实施例中，如果能正常接收信号，在步骤S306之前，警用定位方法还包括：判断当前时刻之前的预设时段内计算出的坐标位置是否存在跳变和/或卫星数量的个数是否在第二预设阈值之间；如果当前时刻之前的预设时间段内计算出的坐标位置存在跳变和/或卫星数量的个数在第二预设阈值之间，判定卫星定位结果不准确；获取最近一次根据卫星信号解算得到的导航坐标系的第三坐标，及当前第二加速度信息、第二角速度旋转信息；根据第三坐标、第二加速度信息及第二角速度信息得到导航坐标系的第四坐标；根据第四坐标对卫星定位结果进行修正；根据修正后的卫星定位结果进行定位。如果当前时刻之前的预设时间段内计算出的坐标位置不存在跳变和/或卫星数量的个数不在第二预设阈值之间，判定卫星定位结果准确；进入步骤S306，根据卫星定位结果进行定位。具体地，预设时间段可以为1分钟、几分钟、几十分钟等，第二预设阈值可以为6－8。因为惯性导航系统也是实时在工作的，如果当前的全球卫星导航系统的定位结果不准确，可以采用惯性导航系统的定位对全球卫星导航系统的定位结果进行修正，使得对警员或警用车辆的定位更加准确。

在可选的实施例中，在根据卫星定位结果进行定位之前，在步骤S306之前，警用定位方法还包括：判断卫星定位结果是否位于道路上；如果卫星定位结果不位于道路上，将卫星定位结果调整为距离第二坐标最近的同向道路的中心点坐标。具体地，考虑到警员或警用车辆只是在道路上使用的应用场景，所以会把定位计算结果与道路地理信息系统结合，判断定位坐标是否在道路上。通过采用道路地理信息系统将定位坐标修正到道路上，可以使得对警员、警用车辆的定位更加切近实际。

在可选的实施例中，判定卫星定位结果准确之后，警用定位方法还包括：获取最近一次根据卫星信号解算得到的导航坐标系的第四坐标，及当前第三加速度信息、第三角速度旋转信息；根据第四坐标、第三加速度信息及第三角速度信息得到导航坐标系的第五坐标；根据卫星定位结果对第五坐标进行修正。具体地，对于卫星定位结果准确时，是采用卫星定位的结果作为最终的定位坐标输出，但惯性导航系统同时也是实时在工作的，需要不断采用全球卫星导航系统的坐标带入惯性导航系统进行计算，对惯性导航系统的定位结果进行修正。这样，可以使得在卫星信号丢失时，采用惯性导航系统进行定位时，定位更加准确。

本发明实施例还提供了一种警用定位系统，包括：上述任意实施例中的警用定位设备；具体的对于警用定位设备的描述详见上述实施例中警用定位设备实施例中的描述，在此不再赘述。

后台定位系统，与警用定位设备连接，用于接收警用定位设备发送的定位信息并进行显示。具体地，为了便于对警员和/或警用车辆的管理、调度、考核等，可以设置一个后台定位系统，与所有的警用定位建立连接，接收警用定位设备发送的定位信息并显示，从而可以快速查看警员和/或警用车辆的位置。

本发明实施例提供的警用定位系统，融合了卫星定位模块11和惯性定位模块21，利用这种新型的硬件组合方式组成了警用定位终端设备的硬件基础，并将卫星定位模块11的输出与惯性定位模块21的输出进行了紧组合，可以实现警用定位设备同时采用全球卫星定位和惯性导航定位进行定位，在卫星信号良好时，以卫星定位的结果作为输出的最终定位坐标，在卫星信号丢失时(例如在隧道中卫星信号被遮挡时)，采用卫星信号丢失时的位置坐标作为起点，结合惯性定位模块21检测的当前第一加速度信息、第一角速度旋转信息进行惯性导航计算，得到定位坐标，继续对警用定位设备进行定位，可以避免由于卫星信号的遮挡而导致定位的偏移，从而解决对于警用定位设备仅采用卫星导航定位方式进行定位，存在由于信号遮挡而导致定位偏移的问题。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read－Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD)或固态硬盘(Solid－State Drive，SSD)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。