CN102638761B - 一种wifi定位方法及其定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种WIFI定位方法及其定位系统，其包括以下步骤：(1)设置一WIFI定位系统，其包括接入点、动态标签、移动单元、中心服务器和数据库；(2)生成参照系各个AP信号点图，存入数据库DB；(3)生成参照系新加入TAG信号点图，存入数据库DB；(4)在移动单元MU处，对参照系各个参考点的信号SS进行采样；(5)根据采样信号的历史数据，进行迭代平滑滤波；(6)在中心服务器LOC处，取得采集信号各个参考点的信号点图；(7)根据最优化算法，获取采样点的几何位置；(8)在移动单元MU处，完成运动目标的卡曼滤波；(9)在中心服务器LOC空闲时刻，完成TAG位置的进化更新。本发明能提高整个定位系统的定位精度，达到兼顾数据传输效率，定位可靠性。本发明可以广泛应用于无线定位领域中。

Description

一种WIFI定位方法及其定位系统

技术领域

本发明涉及一种无线定位方法及定位系统，特别是关于一种适用于对机器人移动定位及其他对定位精度要求较高场合中的WIFI定位方法及其定位系统。

背景技术

目前，WIFI是一种无线数据通信方法，已经获得广泛应用。WIFI定位也伴随数据通信网络而出现。在WIFI网络中，利用接入点的位置固定作为参照，根据收发设备间信号强度等信息，可以确定移动设备的位置。WIFI定位特别适合于室内定位，而GPS定位则适合于室外定位，两种方法有力组合，扩大了无线定位技术的应用范围。但是，一般的WIFI定位系统存在着精度偏低的问题，主要原因有以下几点：1、由于接入点的数量是按照通信的要求来部署的，若按照定位的要求来看，接入点部署密度偏低。2、对定位过程的历史数据没有充分利用，对定位信息的动态变化没有充分考虑。3、室内信号的传输受到的影响因素较多，定位算法对室内信号的处理不够完善。因此，WIFI定位无法用于诸如机器人移动定位等精度要求更高的场合。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种定位精度较高，能适用于各种高精度场合的WIFI定位方法及其定位系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种WIFI定位方法，其包括以下步骤：(1)设置一WIFI定位系统，其包括三个以上接入点、一个以上动态标签、若干移动单元、一个中心服务器和一个数据库，其中一个接入点具有数据传输功能；(2)在移动单元周边设置三个以上接入点作为基准参考点，将各接入点的位置坐标信息作为参考点信息预先存入中心服务器内，在中心服务器内生成参照系三个接入点的信号点图，并存入数据库等待定位计算时读取；(3)与所述步骤(2)同步，动态加入动态标签作为基准参考点，在中心服务器内生成各接入点与新加入动态标签的信号点图，并存入数据库等待定位计算时读取；(4)定位时，移动单元接收各接入点和动态标签的信号强度，确定各参考点与移动单元之间的距离；(5)在移动单元处，对接收到的各参考点信号强度采用迭代平滑滤波算法进行滤波，将提高精度的各参考点信号强度经过具有数据传输功能的接入点传输至中心服务器，同时向中心服务器发送定位请求；(6)在中心服务器处，根据各参考点信号强度对应的MAC地址在数据库中查找信号点图的相关数据表项，用于移动单元位置坐标计算；(7)在中心服务器处，根据所述步骤(6)中获得的数据表项，利用最优化算法得到最优定位点，并采用大数与小数分离的方法获取移动单元的几何位置；(8)中心服务器将得到的最优定位结果返回至移动单元，并在移动单元处对定位结果进行卡曼滤波，消除移动单元的随机跳动；(9)移动单元获得精确定位后，在中心服务器空闲时，将移动单元作为参考点来校准动态标签的位置，完成动态标签位置的进化更新。

所述步骤(6)中，在所述数据库中查找信号点图的相关数据表项方法为：所述数据库中没有对应数据表项的信号强度被忽略，信号幅度太小的信号强度也被忽略；由有效信号找到的信号点图的数据表项，用于所述移动单元位置计算；所述有效信号的个数大于三个。

所述步骤(7)中，所述最优化算法为：使用所述信号点图阵列减去相应的参考点信号强度，获得所述移动单元在信号空间里到各网格点的距离，得到多个信号强度差值的平方和，即为所述移动单元到各网格点的综合距离，该综合距离最小的网格点，即为要计算的最优定位点。

所述步骤(7)中，所述大数与小数分离的方法为：使用网格最佳逼近，确定位置的大数部分；使用多点插值拟合，确定位置的小数部分，由于同时找到四个最邻近点，采用线性插值或更高次拟合方法来获得小数部分，将大数部分加上小数部分，求得最终的所述移动单元几何位置。

所述步骤(9)中，所述动态标签位置的进化更新方法为：所述中心服务器保存所述动态标签到不同位置所述移动单元的强度信号，根据所述中心服务器内已知移动单元信号的分布模型，采用最小二乘拟合算法，求出动态标签的几何位置；随着时间增加，所述移动单元位置数据增多，所述动态标签的位置精度得到进化；所述分布模型为：

$\mathrm{RSS}=\frac{K}{{\left({x-x}_{\mathrm{TAG}}\right)}^2+{(y-y_{\mathrm{TAG}})}^2},$

式中，K为常数，与所述接入点的发射功率及移动单元的接收灵敏度相关；x为信号点图的横坐标，y为信号点图的纵坐标，x_TAG为待求解动态标签的横坐标，y_TAG为待求解动态标签的纵坐标。

一种实现上述定位方法的WIFI定位系统，其特征在于：它包括三个以上无线网络的接入点、若干需要定位的移动单元、一个以上的动态标签、一中心服务器和一数据库，各所述接入点和各动态标签均为基准参考点，各所述移动单元为待定位点；仅有一个所述接入点用于数据传输；各所述接入点和动态标签分别按照预设的位置坐标信息设置在所述移动单元周边，各所述接入点和动态标签的位置坐标信息作为参考点信息预先存入所述中心服务器内，由预置在所述中心服务器内的分布模型将各参考点位置信息进行计算处理，得到用于确定所述移动单元位置几何坐标系的信号点图；所述中心服务器再将信号点图传输至所述数据库内，以备所述移动单元定位计算调用；各所述接入点和动态标签均向所述移动单元发送信号强度，所述移动单元将接收到的信号强度经过一个具有数据传输功能的所述接入点无线传输至所述中心服务器内，并向所述中心服务器发送定位服务请求；所述中心服务器将接收到的各所述接入点和动态标签的信号强度，与所述数据库内的信号点图进行对比，得到所述移动单元的定位坐标信息，并由所述中心服务器和具有数据传输功能的接入点返回至所述移动单元完成动态定位。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用动态加入动态标签，动态标签作为辅助参考点的初始定位不需要太高，随着使用时间的逐渐增加，通过移动单元的精确定位结果及相应的分布模型，实现对动态标签位置精度的进化，进而提高了整个定位系统的定位精度。2、本发明采用动态标签作为辅助参考点，其可以根据使用的需求随时增加或去除动态标签，这样不仅能方便部署参考点，而且可以合理分配空间频率资源，达到兼顾数据传输效率，保证定位精度，有效使用资源等多重效果。3、本发明在中心服务器中确定移动单元位置时，利用最优化算法在信号点图中得到最优定位点，并采用大数与小数分离的方法获取移动单元的几何位置，保证了定位的可靠性。4、本发明在移动单元向中心服务器发送信号强度时，在移动单元处对接收到的各参考点信号强度采用迭代平滑滤波算法，可以减小信号时域上的波动，抵消掉随机因素的影响，提高信号强度的精度。5、本发明在中心服务器向移动单元发送定位结果时，在移动单元处对定位结果采用卡曼滤波，抵消掉大部分随机跳动信号，进一步提高定位结果的准确性。本发明可以广泛应用于无线定位领域中。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

具体实施方式

本发明通过按需部署、动态进化方式，实现对定位精度的提高。下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供的基于WIFI数据通信的WIFI定位系统，采用集中处理方式，其包括三个以上无线网络的接入点AP、若干需要定位的移动单元MU、一个以上的动态标签TAG、一中心服务器LOC和一数据库DB，各接入点AP和各动态标签TAG均为基准参考点，各移动单元MU为待定位点。其中，仅有一个接入点AP用于数据传输。下面以三个接入点AP、一个移动单元MU和一个动态标签TAG为例。

三个接入点AP和动态标签TAG分别按照预设的位置坐标信息设置在移动单元MU的周边，并且各接入点AP和动态标签TAG的位置坐标信息作为参考点信息已预先存入中心服务器LOC内，由预置在中心服务器LOC内的分布模型将各参考点位置信息进行计算处理，得到用于确定移动单元MU位置几何坐标系的信号点图；中心服务器LOC再将信号点图传输至数据库DB内，以备移动单元MU定位计算调用。三个接入点AP和动态标签TAG均向移动单元MU发送信号强度，移动单元MU将接收到的信号强度经过一个具有数据传输功能的接入点AP无线传输至中心服务器LOC内，并向中心服务器LOC发送定位服务请求；中心服务器LOC将接收到的各接入点AP和动态标签TAG的信号强度，与数据库DB内的信号点图进行对比，得到移动单元MU的定位坐标信息，并由中心服务器LOC和具有数据传输功能的接入点AP返回至移动单元MU，完成动态定位。

上述实施例中，中心服务器LOC通过HTTP协议提供位置服务。

上述实施例中，本发明采用动态标签TAG可以提高定位精度，动态标签TAG是简化功能的接入点AP，只是定时地发送Beacon(无线信标)同步信号，其只具有定位功能，并不具备数据通信功能。根据不同精度需求，可以布置不同密度的动态标签TAG。动态标签TAG本身的位置精度，也可以随网络使用时间，得到进一步提高。

上述实施例中，各移动单元MU是移动目标，接入点AP和移动单元MU是WIFI数据通信网络的基本单元，移动单元MU作为客户端，通过接入点AP接入Internet网络，获得定位系统提供的网络服务，确定其动态位置。

下面以四个参考点为例，对本发明的WIFI定位方法作进一步介绍，其包括以下步骤：

1)在移动单元MU周边设置三个接入点AP作为基准参考点，将各接入点AP的位置坐标信息作为参考点信息预先存入中心服务器LOC内，根据现有技术中制作信号点图(Radio Map)的方法，在中心服务器LOC内生成参照系三个接入点AP信号点图，并存入数据库DB等待定位计算时读取。

由于各接入点AP是本发明WIFI定位系统的基准参考点，采用的定位基础数据是各接入点AP形成的信号点图，信号点图的生成方法为：将整个定位区域按每平方米划分成等间距网格，在每个网格中心，取得各个接入点AP的信号强度数值，以MAC地址作为ID来区分不同的接入点AP，每个接入点AP的信号强度数据组成二维数组，多个接入点AP经信号强度分布模型叠合成三维数组，即信号点图。信号强度分布模型RSS如下：

$\mathrm{RSS}=\frac{K}{{\left({x-x}_{\mathrm{AP}}\right)}^2+{(y-y_{\mathrm{AP}})}^2},$

式中，K为常数，与接入点AP的发射功率及移动单元MU的接收灵敏度相关；x为待求解信号点图的横坐标，y为待求解信号点图的纵坐标，x_AP为接入点AP的横坐标，y_AP为接入点AP的纵坐标。

其中，在特殊定位区域采用实时测绘方法生成信号点图。在实时测绘方法生成信号点图时，采用二维空间滤波方法，根据相邻点的数据抵消测量信号的波动误差，则含有接入点AP识别信息、位置信息的信号强度阵列即为信号点图，将信号点图存储在数据库DB中，等待定位计算时读取。

2)与步骤1)同步，动态加入动态标签TAG作为基准参考点，在中心服务器LOC内，生成各接入点AP与新加入动态标签TAG的信号点图，并存入数据库DB等待定位计算时读取；动态标签TAG和接入点AP的作用相同，两者使用同样的数据格式，动态标签TAG起初的位置坐标为粗略值。其中，动态加入动态标签TAG是指在定位过程中加入动态标签TAG。

动态标签TAG是本发明WIFI定位系统的辅助参考点，为补充接入点AP的稀少而引入定位用的动态标签TAG，动态标签TAG就是WIFI网络内只会发送Beacon信号的网络节点，结构较简单。在定位方面，动态标签TAG和接入点AP的作用完全一样；在通信方面，动态标签TAG和接入点AP两者完全不同，动态标签TAG没有通信功能。由于动态标签TAG没有数据通信功能，因此成本比较低廉。

参考点部署的越密，定位精度就会越高。接入点AP是定位的基准参考点，要求准确的位置坐标。而动态标签TAG是辅助参考点，不需要准确的位置坐标。尽管动态标签TAG的初始位置精度要求不高，但是本发明采用的动态标签TAG位置精度会随移动单元MU定位使用次数的增多而提高。

3)定位时，移动单元MU接收各接入点AP和动态标签TAG的Beacon信号强度(以下简称信号强度)，以确定各参考点与移动单元MU之间的距离。

移动单元MU是本发明WIFI定位系统需要确定位置的节点，而各接入点AP和动态标签TAG参考点的位置是事先已知的。跟据移动单元MU上的接收器与各参考点上的发送器之间的信号强度，确定移动单元MU与各参考点之间的距离，从而确定移动单元MU的坐标位置。

4)在移动单元MU处，对接收到的各参考点信号强度采用现有技术中的迭代平滑滤波算法进行滤波，将提高精度的各参考点信号强度经过具有数据传输功能的接入点AP传输至中心服务器LOC，同时向中心服务器LOC发送定位请求。

由于移动单元MU接收到的信号强度是微波段的电磁波信号，容易受到空气扰动、环境变动，以及移动单元MU接收器、各参考点发送器工作状态的影响，表现出很大的波动性。因此，直接采用移动单元MU接收到的信号强度来计算位置，计算定位结果会有很大差异。本发明采用迭代平滑滤波算法，可以减小信号时域上的波动，抵消掉随机因素的影响，而且迭代平滑滤波算法与普通均值算法相比，使用内存少，计算量小，平滑效果并不差。

5)在中心服务器LOC处，根据各参考点信号强度对应的MAC地址在数据库DB中查找信号点图的相关数据表项，用于移动单元MU位置坐标计算。

由于从移动单元MU传输至中心服务器LOC的信号强度有许多个，因此本发明在数据库DB中查找信号点图的相关数据表项方法为：数据库DB中没有对应数据表项的信号强度被忽略，信号幅度太小的信号强度也被忽略；由有效信号找到的信号点图的数据表项，用于移动单元MU位置计算。其中，有效信号的个数应大于三个，信号个数越多，计算所得的位置数据便越可靠。

6)在中心服务器LOC处，根据步骤5)中获得的数据表项，利用最优化算法得到最优定位点，并采用大数与小数分离的方法获取待定位点(即移动单元MU)的几何位置；

本发明采用的最优化算法如下：由于从数据库DB内信号点图中找到的数据表项是各参考点在网格各点处的强度信号，一个参考点的强度点图可以排成一列，多个参考点的强度点图排成阵列。使用信号点图阵列减去相应的参考点信号强度，获得移动单元MU在信号空间里到各网格点的距离，进而得到多个信号强度差值的平方和，即为移动单元MU到各网格点的综合距离。综合距离最小的网格点，便是要计算的最优定位点。由于网格点间距太大，采用大数与小数分离的方法，将大数部分加上小数部分，求得最终的移动单元MU的几何位置(即定位结果)。

大数与小数分离的方法为：使用网格最佳逼近，确定位置的大数部分；使用多点插值拟合，确定位置的小数部分，由于可以同时找到四个最邻近点，本发明采用线性插值或更高次拟合方法来获得小数部分。

7)中心服务器LOC将得到的最优定位结果返回至移动单元MU，并在移动单元MU处对定位结果进行卡曼滤波，消除移动单元MU的随机跳动。

由于待定位的移动单元MU会受到其采集的信号强度、参考点信号点图和中心服务器LOC内计算过程等原因的影响，会造成定位点表现出随机跳动。在待定位点处根据现有技术中的运动模型进行卡曼滤波，可以抵消掉大部分随机跳动。这种方式的滤波在静止不动、匀速运动和匀加速运动等条件下，卡曼滤波能够达到很好的动态跟踪性能。

8)移动单元MU获得精确定位后，在中心服务器LOC空闲时，将移动单元MU作为参考点来校准动态标签TAG的位置，完成动态标签TAG位置的进化更新。

准确的动态标签TAG位置，是精确定位的必要保证。由于动态标签TAG是按需加入、按需撤消，动态标签TAG本身的定位精度不够高。这一点可以通过动态TAG位置精度进化算法得到改善。由于移动单元MU数据点的位置非常多，随机误差具有相互抵消的作用，动态标签TAG的最终定位可以很准确。则动态标签TAG位置的进化更新方法为：

中心服务器LOC保存动态标签TAG到不同位置移动单元MU的强度信号，根据中心服务器LOC内已知移动单元MU信号的分布模型，采用现有技术中的最小二乘拟合算法，求出动态标签TAG的几何位置；随着时间增加，移动单元MU位置数据不断增多，动态标签TAG的位置精度就可以得到进化。此时，该分布模型为：

$\mathrm{RSS}=\frac{K}{{\left({x-x}_{\mathrm{TAG}}\right)}^2+{(y-y_{\mathrm{TAG}})}^2},$

式中，K为常数，与动态标签TAG的发射功率及移动单元MU的接收灵敏度相关；x为信号点图的横坐标，y为信号点图的纵坐标，x_TAG为待求解动态标签TAG的横坐标，y_TAG为待求解动态标签TAG的纵坐标。

综上所述，本发明的WIFI定位方法通过以上八个步骤完成定位，其中每次定位必须进行的核心步骤有五步，其它步骤用于定位系统的维护。步骤1)和步骤2)用于准备各接入点AP和各动态标签TAG的基础数据，是系统启动时所进行的准备操作，仅运行一次，对每次具体的定位服务，无须运行。步骤8)用于提高动态标签TAG自身的位置精度，仅在系统空闲时运行，对每次具体的定位服务，也无须运行。对于单次的定位服务，从步骤3)到步骤7)需要完成一次操作，其中，步骤3)、4)和步骤7)在移动单元MU上运行，分别用于信号采集、信号滤波和位置滤波；而步骤5)和步骤6)在中心服务器LOC上运行，分别用于取得基础数据和位置计算。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的连接和结构都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件的连接和结构进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种WIFI定位方法，其包括以下步骤：

（1）设置一WIFI定位系统，其包括三个以上接入点、一个以上动态标签、若干移动单元、一个中心服务器和一个数据库，其中一个接入点具有数据传输功能；

（2）在移动单元周边设置三个以上接入点作为基准参考点，将各接入点的位置坐标信息作为参考点信息预先存入中心服务器内，在中心服务器内生成参照系三个接入点的信号点图，并存入数据库等待定位计算时读取；

（3）与所述步骤（2）同步，动态加入动态标签作为基准参考点，在中心服务器内生成各接入点与新加入动态标签的信号点图，并存入数据库等待定位计算时读取；

（4）定位时，移动单元接收各接入点和动态标签的信号强度，确定各参考点与移动单元之间的距离；

（5）在移动单元处，对接收到的各参考点信号强度采用迭代平滑滤波算法进行滤波，将提高精度的各参考点信号强度经过具有数据传输功能的接入点传输至中心服务器，同时向中心服务器发送定位请求；

（6）在中心服务器处，根据各参考点信号强度对应的MAC地址在数据库中查找信号点图的相关数据表项，用于移动单元位置坐标计算；

（7）在中心服务器处，根据所述步骤（6）中获得的数据表项，利用最优化算法得到最优定位点，并采用大数与小数分离的方法获取移动单元的几何位置；所述大数与小数分离的方法为：使用网格最佳逼近，确定位置的大数部分；使用多点插值拟合，确定位置的小数部分，由于同时找到四个最邻近点，采用线性插值或更高次拟合方法来获得小数部分，将大数部分加上小数部分，求得最终的所述移动单元几何位置；

（8）中心服务器将得到的最优定位结果返回至移动单元，并在移动单元处对定位结果进行卡曼滤波，消除移动单元的随机跳动；

（9）移动单元获得精确定位后，在中心服务器空闲时，将移动单元作为参考点来校准动态标签的位置，完成动态标签位置的进化更新。

2.如权利要求1所述的一种WIFI定位方法，其特征在于：所述步骤（6）中，在所述数据库中查找信号点图的相关数据表项方法为：所述数据库中没有对应数据表项的信号强度被忽略，信号幅度太小的信号强度也被忽略；由有效信号找到的信号点图的数据表项，用于所述移动单元位置计算；所述有效信号的个数大于三个。

3.如权利要求1所述的一种WIFI定位方法，其特征在于：所述步骤（7）中，所述最优化算法为：使用所述信号点图阵列减去相应的参考点信号强度，获得所述移动单元在信号空间里到各网格点的距离，得到多个信号强度差值的平方和，即为所述移动单元到各网格点的综合距离，该综合距离最小的网格点，即为要计算的最优定位点。

4.如权利要求2所述的一种WIFI定位方法，其特征在于：所述步骤（7）中，所述最优化算法为：使用所述信号点图阵列减去相应的参考点信号强度，获得所述移动单元在信号空间里到各网格点的距离，得到多个信号强度差值的平方和，即为所述移动单元到各网格点的综合距离，该综合距离最小的网格点，即为要计算的最优定位点。

5.如权利要求1～4任意一项所述的一种WIFI定位方法，其特征在于：所述步骤（9）中，所述动态标签位置的进化更新方法为：所述中心服务器保存所述动态标签到不同位置所述移动单元的强度信号，根据所述中心服务器内已知移动单元信号的分布模型，采用最小二乘拟合算法，求出动态标签的几何位置；随着时间增加，所述移动单元位置数据增多，所述动态标签的位置精度得到进化；所述分布模型为：

$\mathrm{RSS}=\frac{K}{{(x-x_{\mathrm{TAG}})}^2+{(y-y_{\mathrm{TAG}})}^2},$

式中，K为常数，与所述接入点的发射功率及移动单元的接收灵敏度相关；x为信号点图的横坐标，y为信号点图的纵坐标，x_TAG为待求解动态标签的横坐标，y_TAG为待求解动态标签的纵坐标。

6.一种实现如权利要求1～5任意一项所述定位方法的WIFI定位系统，其特征在于：它包括三个以上无线网络的接入点、若干需要定位的移动单元、一个以上的动态标签、一中心服务器和一数据库，各所述接入点和各动态标签均为基准参考点，各所述移动单元为待定位点；仅有一个所述接入点用于数据传输；

各所述接入点和动态标签分别按照预设的位置坐标信息设置在所述移动单元周边，各所述接入点和动态标签的位置坐标信息作为参考点信息预先存入所述中心服务器内，由预置在所述中心服务器内的分布模型将各参考点位置信息进行计算处理，得到用于确定所述移动单元位置几何坐标系的信号点图；所述中心服务器再将信号点图传输至所述数据库内，以备所述移动单元定位计算调用；各所述接入点和动态标签均向所述移动单元发送信号强度，所述移动单元将接收到的信号强度经过一个具有数据传输功能的所述接入点无线传输至所述中心服务器内，并向所述中心服务器发送定位服务请求；所述中心服务器将接收到的各所述接入点和动态标签的信号强度，与所述数据库内的信号点图进行对比，得到所述移动单元的定位坐标信息，并由所述中心服务器和具有数据传输功能的接入点返回至所述移动单元完成动态定位；

所述移动单元的定位坐标信息具体获取方法为：在中心服务器LOC处，根据各参考点信号强度对应的MAC地址在数据库DB中查找信号点图的相关数据表项，用于移动单元MU位置坐标计算；在中心服务器LOC处，根据数据表项，利用最优化算法得到最优定位点，并采用大数与小数分离的方法获取待定位点的几何位置；其中，大数与小数分离的方法为：使用网格最佳逼近，确定位置的大数部分；使用多点插值拟合，确定位置的小数部分，由于同时找到四个最邻近点，采用线性插值或更高次拟合方法来获得小数部分，将大数部分加上小数部分，求得最终的所述移动单元几何位置。

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