CN103281777A

CN103281777A - 一种基于WiFi的差分定位方法

Info

Publication number: CN103281777A
Application number: CN2013101485772A
Authority: CN
Inventors: 陈奇; 王志鹏; 荣光普
Original assignee: ZHEJIANG SUCCESS SOFTWARE DEVELOPMENT Co Ltd; Zhejiang University ZJU
Current assignee: ZHEJIANG SUCCESS SOFTWARE DEVELOPMENT Co Ltd; Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-04-25
Filing date: 2013-04-25
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2033-04-25
Also published as: CN103281777B

Abstract

本发明公开了一种基于WiFi的差分定位方法，该方法包括部署基站，特征点信号采集、基准机信号采集、发送定位请求、差分定位计算、返回定位信息等步骤。本发明提供的基于WiFi的差分定位方法，解决了GPS在室内和大楼街道间定位的局限性及传统的指纹匹配方法中无线路由器信号强度不稳定，在一个固定位置接收到的信号强度随时间变化无明显规律，定位误差大的缺陷，提高了定位的准确性及效率。

Description

一种基于WiFi的差分定位方法

技术领域

本发明属于通信领域，尤其涉及一种基于WiFi的差分定位方法。

背景技术

目前最为普遍的定位方法是“全球卫星定位系统(GPS)”，但是GPS有着应用的局限性，用户需要凭借手持接收器或者在移动设备上安装接收器接收卫星信号，接收器从卫星获得信号后进行计算来确定位置。在空旷的场地上，接收器能够畅通无阻地接受到卫星发出的信号，但是如果有高山、建筑或者隧道挡在接收器和卫星之间，GPS的接收效果就会很差。因此，GPS在沙漠、空旷的乡间和海面能提供良好的定位及导航效果，但是如果是在高层建筑、大型商场里或者高楼大厦之间定位效果就会不尽人意。而且GPS设备比较昂贵，多放在交通工具上起导航作用，不便于携带，且适用人群狭窄。

而WiFi将会解决这一问题，WiFi网络会像GPS卫星一样发出信号，电脑或者移动终端的WiFi设备搜索信号连接到WiFi网络。这个搜索过程和GPS接收器搜索卫星信号并无区别。不过，装有WiFi设备的电脑或者移动终端不用像GPS接收器那样仰著头、接收空中的信号，它搜索的是地面上、建筑里、咖啡馆里面的WiFi信号。在城市的犄角旮旯，不论是户内还是户外，在GPS接收效果不佳的地方，WiFi都有用武之地，且WiFi设备种类形式很多，比如PSP，手机等，体积小便于携带，所提供的服务种类多且贴近人们的生活，便于普及。

目前存在的基于WiFi的定位方法大都采用指纹匹配的方法，但是因为无线路由器信号强度随温度湿度影响明显，信号强度不稳定，在一个固定位置接收到的信号强度随时间变化无明显规律，对比移动终端在工作日和周末采集到的同一个路由器信号波动图，由于人员流动造成室内温度和湿度变化，对路由器信号强度的影响严重，其后果就是，如果我们上午采集室内位置的特征信息，下午移动终端发送定位请求，服务端用指纹匹配的方法，定位效果会非常差，实验证明，定位精度误差近10米。

发明内容

本发明的目的在于针对目前GPS定位在室内和大楼街道间定位的局限性及特征值匹配定位精度不高的缺陷，提供一种基于WiFi的差分定位方法，以提高定位的准确性及效率。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于WiFi的差分定位方法，该方法在差分定位系统上实现，差分定位系统包括服务端和客户端，服务端包括服务器和数据库，数据库与服务器相连，客户端包括移动终端和基准机，移动终端和基准机均通过HTTP协议与服务端通信；其特征在于，该方法包括如下步骤：

（1）基站部署：合理部署接入的至少三个无线路由器作为基站，记录路由器的位置；

（2）特征点信号采集：确定待定位区域的特征点，在每个特征点上通过移动终端采集信号，并向服务端提交无线信号特征信息，服务端从特征信息中筛选出信号强度最大的路由器作为主路由器，将每个特征点的特征点位置、主路由器物理地址和特征信息存储在服务端数据库中；所述特征点是将移动终端放置于一个位置点上进行信号采集，将所有接收到的无线路由器的信号强度信息上传到服务器；所述特征信息是移动终端在特征点采集到的信号强度信息，特征信息包括接收到的每个无线路由器的物理地址与来自它们的WiFi信号强度；

（3）基准机信号采集：特征点信号采集完毕后，把特征信息中包含无线路由器数量最多的特征点作为基准位，在基准位上放置基准机，基准机每隔一定时间，向服务端上传基准位的实时特征信息；

（4）发送定位请求：移动终端发送定位请求，同时上传所处位置的特征信息到服务器，服务器接收来自移动终端的特征信息；

（5）差分定位计算，获得特征点位置：服务端获取基准机上传的最新特征信息，根据移动终端发来的特征信息，选择信号强度最好的三个路由器进行差分计算，从而获得特征点位置；

（6）服务端将定位信息返回给移动终端。

本发明的有益效果是：本发明提供的基于WiFi的差分定位方法，解决了GPS在室内和大楼街道间定位的局限性，采用差分定位的思想，解决了传统的指纹匹配方法中无线路由器信号强度随温度湿度影响明显，信号强度不稳定，在一个固定位置接收到的信号强度随时间变化无明显规律，定位误差大的缺陷，提高了定位的准确性及效率。

附图说明

图1是基于WiFi的差分定位方法实现流程示意图；

图2是基于WiFi的差分定位方法系统框。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

本发明基于WiFi的差分定位方法在图1所示的差分定位系统上实现，差分定位系统包括服务端和客户端，服务端主要负责响应移动终端的定位请求和差分定位的计算，客户端主要负责采集部署AP的无线信号强度，并向服务端提交无线信号特征信息。客户端和服务端通信采用标准的HTTP协议。

服务端：本系统所需服务端包括服务器和数据库。服务器用来响应移动终端的定位请求及进行差分定位的计算，数据库用来存储移动终端采集的AP的无线信号特征信息。

客户端：本系统所需客户端包括移动终端和基准机，移动终端和基准机均可以由手机、笔记本等移动设备来实现，要求配有WiFi设备，能够连接到WiFi网络。移动终端和基准机均通过HTTP协议与服务端通信。

本发明基于WiFi的差分定位方法根据移动终端接收来自不少于3个的无线路由器的信号强度信息，将信号强度信息发送到服务端后，服务端参考基准机实时采集的无线路由器的信号强度，计算出路由器实时波动值后，确定移动终端所处位置。如图2所示，该方法包括如下步骤：

步骤1：基站部署。合理部署接入的至少三个无线路由器作为基站，记录路由器的位置；

所述合理部署指影响移动终端接收到的无线信号强度主要因素有路由器本身的功率、与信号接受点之间的距离、与信号接受点之间的障碍。选择合适的位置部署路由器，选择功率稳定且信号覆盖率高的无线路由器，减少与信号接收点之间的障碍，从而使与信号接受点之间的距离，成为唯一主要影响接收无限信号强度的因素，提高定位的准确性。比如在室内定位时可以将基站安装在室内墙角高处，使位置信息覆盖整个室内，选择高处可以减少与接收终端的障碍物。

所述至少三个无线路由器指空间一点可由来自三个不同场源的场强值唯一标识，所以参考节点至少三个。

步骤2：特征点信号采集。确定待定位区域的特征点，在每个特征点上通过移动终端采集信号，并向服务端提交无线信号特征信息，服务端从特征信息中筛选出信号强度最大的路由器作为主路由器，将每个特征点的特征点位置、主路由器物理地址和特征信息存储在服务端数据库中；

所述特征点指将移动终端放置于一个位置点上进行信号采集，将所有接收到的无线路由器的信号强度信息上传到服务器；特征点之间的间距取决于定位的精度，当要求定位精度较高时，减小特征点之间的间距值，增加特征点的数量，当要求定位精度不高的时候，可适当增加特征点之间的间距，减少特征点的数量，从而减少建立特征点特征信息数据库的时间。

所述特征信息指移动终端在特征点采集到的信号强度信息，特征信息包括接收到的每个无线路由器的物理地址与来自它们的WiFi信号强度。

例如：第i个基站标记为AP_i，其信号强度为RSSI_i，对于N个基站覆盖的任一特征点LOC_j，接收到的信号可记为LOC_j（RSSI₁,RSSI₂.…RSSI_N）,假设在RSSI₁,RSSI₂…RSSI_N中，RSSI_x值最大，1≤x≤N，则AP_x为主路由器，将特征点位置，AP_x路由器物理地址与RSSI₁,RSSI₂…RSSI_N的值及相对无线路由器的物理地址存储在数据库中，成为一个特征点的完整待匹配信息，将所有特征点进行如上所述的信息采集，则形成完整的待匹配数据库。

步骤3：基准机信号采集。特征点信号采集完毕后，把特征信息中包含无线路由器数量最多的特征点作为基准位，在基准位上放置基准机，基准机每隔一定时间，向服务端上传基准位的实时特征信息；

例如：特征点k包含的无线路由器数量最多,则接收到的信号可记为LOC_k（RSSI₁,RSSI₂.…RSSI_M），其中M≤N，设定每隔1分钟进行一次信号采集，将采集的实时特征信息上传到数据库。

本发明所述基准位的确定不限于把特征信息中包含无线路由器数量最多的特征点作为基准位还包含人为考虑其他因素选取的基准位，而且当待定位区域面积较大时，基准位不限于只有一个，也可以在待定位区域中选择多个基准位。

步骤4：发送定位请求。移动终端发送定位请求，同时上传所处位置的特征信息到服务器，服务器接收来自移动终端的特征信息；

步骤5：差分定位计算，获得特征点位置。服务端获取基准机上传的最新特征信息，根据移动终端发来的特征信息，选择信号强度最好的三个路由器进行差分计算；

差分定位算法基本原理是：无线路由器信号强度不稳定，随温度湿度影响明显，在人活动的主要时间段内，路由器信号强度波动明显，通过计算不同时刻基准位信号强度波动大小，将波动值加入到匹配算法中，去除信号波动对定位精确性的影响，提高定位精度。

所述匹配算法指：服务器根据接收到来自移动终端的特征信息，与数据库中的特征信息进行匹配，选择信号强度前三位的三个路由器参与计算，相同物理地址的信号强度做差，平方后求和，所得值最小的一组特征信息即为匹配特征信息，匹配特征信息对应的特征点位置即为所求位置。例如：假设请求特征信息中信号强度（RSSI′）最大的无线路由器的物理地址为MAC1，信号强度第二及第三的无线路由器的物理地址分别为MAC2、MAC3，匹配时先从数据库中筛选主路由器物理地址为MAC1的特征信息，存储在数据库中的信号强度假设RSSI，计算(RSSI_MAC1-RSSI'_MAC1)²+(RSSI_MAC2-RSSI'_MAC2) ²+(RSSI_MAC3-RSSI'_MAC3)²，所得值最小的一组特征信息即为匹配特征信息，匹配特征信息对应的特征点位置即为所求位置。

该步骤具体为：

5.1确定信号强度最强的三个路由器。根据移动终端发送的特征信息，确定信号强度最好的三个路由器参与后续计算。

5.2计算三个路由器的波动值RSSI^波：服务端在接收移动终端发送特征信息的同时，获取基准机上传的最新特征信息，计算波动值RSSI^波。

假设这三个路由器的物理地址依次为MAC1、MAC2、MAC3，基准机上传的信号强度为RSSI^N，服务端数据库存储的信号强度为RSSI，在基准位置上可计算波动值为：

RSSI^波 _MAC1=RSSI^N _MAC1-RSSI_MAC1;

RSSI^波 _MAC2=RSSI^N _MAC2-RSSI_MAC2；

RSSI^波 _MAC3=RSSI^N _MAC3-RSSI_MAC3.

5.3进行差分计算。

假设移动终端发送的特征信息中信号强度为RSSI′，应用以下公式进行差分计算得到差分值：

W=a(RSSI_MAC1-RSSI′_MAC1-RSSI^波 _MAC1)²+b(RSSI_MAC2-RSSI′_MAC2-RSSI^波 _MAC2)²+

c(RSSI_MAC3-RSSI′_MAC3-RSSI^波 _MAC3)²

式中，a、b、c为三个路由器的权值。

可以假定三个路由器参与定位的权值均为1，但是在实际应用中，由于主路由器在定位中的特殊地位，可以针对性的设定权值，增加主路由器在定位中的比重。例如，设定主路由器权值为2，其他路由器权值为1，则差分计算公式如下：

W=2(RSSI_MAC1-RSSI'_MAC1-RSSI^波 _MAC1）²+（RSSI_MAC2-RSSI'_MAC2-RSSI^波 _MAC2)²

+（RSSI_MAC3-RSSI'_MAC3-RSSI^波 _MAC3)²

路由器信号强度的波动值也可以参与权值的设定，例如设定权值与波动值成反比关系，即信号不稳定的路由器，参与定位运算的比重减小，这些都是基于差分定位的基础上，进一步采用设定权值等方法增加定位准确性。

5.4步骤5.3中获得的差分值中，最小的差分值对应的一组特征信息即为匹配特征信息，根据匹配特征信息，由服务器数据库中得到特征点位置，实现定位。

步骤6：服务器将定位信息返回给移动终端。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种基于WiFi的差分定位方法，该方法在差分定位系统上实现，差分定位系统包括服务端和客户端，服务端包括服务器和数据库，数据库与服务器相连，客户端包括移动终端和基准机，移动终端和基准机均通过HTTP协议与服务端通信；其特征在于，该方法包括如下步骤：

（6）服务端将定位信息返回给移动终端。

2.根据权利要求1所述基于WiFi的差分定位方法，其特征在于，所述步骤5通过以下子步骤来实现：

（5.1）确定信号强度最强的三个路由器：根据移动终端发送的特征信息，确定信号强度最好的三个路由器参与后续计算；

（5.2）计算三个路由器的波动值RSSI^波：服务端在接收移动终端发送的特征信息的同时，获取基准机上传的最新特征信息，计算波动值RSSI^波；三个路由器的物理地址依次为MAC1、MAC2、MAC3，基准机上传的信号强度为RSSI^N，服务端数据库存储的信号强度为RSSI，在基准位置上可计算波动值为：

RSSI^波 _MAC1=RSSI^N _MAC1-RSSI_MAC1,

RSSI^波 _MAC2=RSSI^N _MAC2-RSSI_MAC2，

RSSI^波 _MAC3=RSSI^N _MAC3-RSSI_MAC3；

（5.3）进行差分计算：移动终端发送的特征信息信号强度为RSSI′，应用以下公式进行差分计算得到差分值：

c(RSSI_MAC3-RSSI′_MAC3-RSSI^波 _MAC3)²

式中，a、b、c为三个路由器的权值；

（5.4）步骤5.3中获得的差分值中，最小的差分值对应的一组特征信息即为匹配特征信息，根据匹配特征信息，由服务器数据库中得到特征点位置，实现定位。