CN103513229A - 基于wifi信号的定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于WIFI信号的定位方法,在二维空间中设置n个锚节点N1,N2...Nn,所述n个锚节点为位置坐标(x1,y1),(x2,y2)...(xn,yn)固定且已知的无线AP,在二维空间中任意选取一点作为待定位节点Ne,所述待定位节点Ne的位置坐标(x,y)固定且未知,再在待定位节点Ne相邻位置选取m个点作为未知节点M1,M2...Mm,测量各个锚节点在待定位节点Ne的信号强度值RSSI1e,RSSI2e...RSSIne,测量各个锚节点在各个未知节点Ni的信号强度值RSSI11,RSSI12...RSSInm,这种基于WIFI信号的定位方法精简而高效,不仅定时耗时短,而且最终取得待定位节点的位置坐标是可靠而精确的。
Description
技术领域
本发明涉及定位技术领域,尤其涉及一种基于WIFI信号的定位方法,用在卫星信号遮挡严重的室内或者被密集建筑物遮挡的地方,。
背景技术
众所皆知,包括谷歌和百度室内导航地图主要是基于全球定位系统GPS和手机信号发射塔来实现导航,GPS虽然是迄今为止最为成功的定位系统,但每次GPS完成定位都需要捕获至少4颗在轨卫星的信号,初始化时间长,而且在一些室内和高楼密布的城区等地方,信号遮挡严重,可用性也受到严重制约。
WIFI是一种可以将个人电脑、手持设备(如PDA、手机)等终端以无线方式互相连接的技术,是基于IEEE802.11标准的无线网路。无线AP(无线访问节点),主要有路由交换接入一体设备和纯接入点设备,一体设备(路由器)执行接入和路由工作,纯接入设备只负责无线客户端的接入,纯接入设备通常作为无线网络扩展使用,与其他AP或者主AP连接,以扩大无线覆盖范围,而一体设备一般是无线网络的核心;WIFI在目前已经得到广泛的应用,一般在城镇,人口较密集的地区,趋向于在任何一处,打开手机或者PDA的无线网络搜索功能可以搜索到多个无线AP所发出的信号;在这种条件下,
WIFI定位成为国内外热门研究的热点,这一课题涉及普适计算(PervasiveComputing)、无线传感网(Wireless Sensor Network)、自组织网(Ad-HocNet·work)、智能机器人(Intelligent robotics)和泛在互联(UbiquitousNetwork)等诸多新兴研究领域的交叉,与物联网(Internet of Things)行业也有着密不可分的关系。
WIFI定位从依据的物理量划分,包括基于信号传播时间的TOA(Time of Arrival)、TDOA(Time—Difference Of Arrival)和RTOA(Round-Trip Of Arrival),基于信号传播方向角的AOA(Angle of Arrival)以及基于射频信号强度的
RSS(Radio Signal Strength)方法等;从定位使用的算法划分,主要包括接人点位置近似(Approximation)、三角定位(Triangulation)和场景分析(SceneAnalysis)等,其中场景分析的算法是目前室内无线定位研究的主流方向,因其中大多数算法是基于WIFI信号强度(RSS)与位置相关这一基本原理。
无线信号在空间的衰减与传播距离存在一定的函数关系。在仅考虑地面反射波的情况下,无线AP信号遵循对数正态传播衰减模型:
PL(d)=PL(dO)+10nlog(d)+Xσ
其中PL(d)表示与发射端距离为d处的AP信号强度,以dBm为单位计量,dO为一个固定基准距离,n为一个与传输介质有关的常数,Xσ表示一个高斯分布随机变量。由于包含温湿度在内的诸多因素都会改变介质参数n,此外,AP信号发射源的功率也不会维持恒定,在基准距离上的dO也会随时间变化;因此,即使估算出的模型参数再准确,求得的距离d任然存在较大的误差。
目前根据移动终端定位时的状态,对于RSSI信号处理可以分为静态动态两种,动态RSSI信号处理方法是针对实时/移动定位时信号处理时间过长、跟不上移动的速度、造成位置偏差,导致产生较大的定位误差,而提出的一种RSSI信号处理方法。该方法的优点是实时性好,但是准确度低,导致定位精度差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:为了解决目前利用无线AP的信号强度值来进行WIFI定位的方法具有误差大,准确度低,延迟较高的问题,本发明提供了一种基于WIFI信号的定位方法来解决上述问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种基于WIFI信号的定位方法,包括以下步骤:
(a)在二维空间中设置n个锚节点Ni,N2...Nn,所述n个锚节点为位置坐标(x1,y1),(X2,y2)...(xn,yn)固定且已知的无线AP,在二维空间中任意选取一点作为待定位节点Ne,所述待定位节点Ne的位置坐标(x,y)固定且未知,再在待定位节点Ne相邻位置选取m个点作为未知节点M1,M2...Mm,测量各个锚节点在待定位节点Ne的信号强度值RSSI1e,RSSI2e...RSSIne,测量各个锚节点在各个未知节点Ni的信号强度值RSSI11,RSSI12...RSSInm;
(b)通过公式
得到ωij为第i个锚节点在第j个未知节点的信号强度值相对于第i个锚节点在待定位节点的信号强度值的权重值;
(c)通过公式
(d)通过公式
得到RSSI′ie为经过修正加权滤波处理后的第i个锚节点在待定位节点信号强度值;
(e)通过公式
RSSI′ie=RSSIOi+10γlogdi+Xσ (4)
求得di为第i个锚节点与待定位节点之间的测量距离,式中,RSSIOi为第i个锚节点的基准距离dO的信号强度值,γ为传输介质常数,Xσ表示高斯变量随即分布;
(f)测量第a个锚节点与第b个锚节点之间的最小跳数为hopsab(a≠b,a=1,2...n,b=1,2...n),通过公式
得到Ca为第a个锚节点与其它锚节点之间平均跳距,再通过公式
得到cc为整个网络的平均跳距;
(g)第i个锚节点与待定位节点之间的修正距离为d′i,则存在关系:
d′i=di+ΔE(di) (7)
式中ΔE(di)表示误差,将ΔE(di)表示为di的一次函数,即:
ΔE(di)=Adi+B (8)
为使测量误差ΔE(di)最小,可知只需使其平方和最小即可,令:
分别对f(A,B)求关于变量A,B的偏导数,并求解可得ΔE(di);
(h)测量第i个锚节点与待定位节点之间的跳数为ki,则第i个锚节点与待定位节点之间的实际距离
di=cc*ki*(1+ΔE(di); (10)
(i)建立方程组:
最终解得待定位节点Ne的位置坐标(x,y)。
具体的,所述步骤(e)中的dO=1,Xσ=2。
具体的,使用n个路由器互联作为锚节点并与服务器连接,使用手持移动设备采集信号强度值,并上传至服务器,所述服务器对测得数据进行处理。
每个锚节点将含有位置坐标和初始化为0的跳数值的数据包利用矢量路由协议在网络中进行广播,接收到数据包的锚节点只保留同一锚节点含最小跳数的数据包,再将这一最小跳数加1继续向其它锚节点转发,从而获得任意二个锚节点之间的最小跳数hopsab。
一般信号强度值的采集频率为5Hz,而1秒内采集设备的位置改变不会太大,相邻节点的相关性不会受到环境影响而产生减小,因此未知节点的数量为5个,则步骤(c)中,
本发明的有益效果是,这种基于WIFI信号的定位方法主要分为信号采集、信号处理和最终定位三个主要步骤,信号强度值中由于设备或者环境等因素而产生突变的奇异值,信号处理中对奇异值进行了修正,帮助提高了后续的计算效率和准确度,对进行奇异值修正后的信号数据又采用加权滤波的方法进行处理,减小了测量误差;整个定位方法精简而高效,不仅定时耗时短,而且最终取得待定位节点的位置坐标是可靠而精确的。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明基于WIFI信号的定位方法的流程图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图,仅以示意方式说明本发明的基本结构,因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示,本发明提供了一种基于WIFI信号的定位方法,包括以下步骤:
(a)在二维空间中设置n个路由器互联作为n个锚节点N1,N2...Nn,并与服务器连接,所述n个锚节点为位置坐标(x1,y1),(x2,y2)...(xn,yn)固定且已知的无线AP,在二维空间中任意选取一点作为待定位节点Ne,所述待定位节点Ne的位置坐标(x,y)固定且未知,再在待定位节点Ne相邻位置选取m个点作为未知节点M1,M2...Mm,使用手持移动设备采集信号强度值,测量各个锚节点在待定位节点Ne的信号强度值RSSI1e,RSSI2e...RSSIne,测量各个锚节点在各个未知节点Ni的信号强度值RSSI11,RSSI12...RSSInm并上传至服务器,所述服务器对测得数据进行处理;
(b)通过公式
得到ωij为第i个锚节点在第j个未知节点的信号强度值相对于第i个锚节点在待定位节点的信号强度值的权重值;
(c)通过公式
(d)通过公式
得到RSSI′ie为经过修正加权滤波处理后的第i个锚节点在待定位节点信号强度值;
(e)通过公式
RSSI′ie=RSSIOi+10γlogdi+Xσ (4)
求得di为第i个锚节点与待定位节点之间的测量距离,式中,RSSIOi为第i个锚节点的基准距离为1的信号强度值,γ为传输介质常数,Xσ表示高斯变量随即分布,等于2;
(f)每个锚节点将含有位置坐标和初始化为0的跳数值的数据包利用矢量路由协议在网络中进行广播,接收到数据包的锚节点只保留同一锚节点含最小跳数的数据包,再将这一最小跳数加1继续向其它锚节点转发,从而得到第a个锚节点与第b个锚节点之间的最小跳数为hopsab(a≠b,a=1,2...n,b=1,2...n),通过公式
得到Ca为第a个锚节点与其它锚节点之间平均跳距,采用洪泛法将含有Ca值的数据包在整个网络中进行广播,每个未知节点在接收数据包时,仅保留一个,并丢弃之后收到的数据包。这样可以保证大多数未知节点从最近的锚节点接收到Ca值,再通过公式
得到cc为整个网络的平均跳距,并将其在网络中进行广播,未知节点接收cc,更新自身的数据表;
(g)第i个锚节点与待定位节点之间的修正距离为d′t,则存在关系:
d′t=di+ΔE(di) (7)
式中ΔE(di)表示误差,将ΔE(di)表示为di的一次函数,即:
ΔE(di)=Adi+B (8)
为使测量误差ΔE(di)最小,可知只需使其平方和最小即可,令:
分别对f(A,B)求关于变量A,B的偏导数,并求解可得ΔE(di);
(h)测量第i个锚节点与待定位节点之间的跳数为ki,则第i个锚节点与待定位节点之间的实际距离
di=cc*ki*(1+ΔE(di); (10)
(i)建立方程组:
最终解得待定位节点Ne的位置坐标(x,y)。
以上述依据本发明的理想实施例为启示,通过上述的说明内容,相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内,进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容,必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (5)
1.一种基于WIFI信号的定位方法,其特征在于:包括以下步骤:
(a)在二维空间中设置n个锚节点N1,N2...Nn,所述n个锚节点为位置坐标(x1,y1),(x2,y2)...(xn,yn)固定且已知的无线AP,在二维空间中任意选取一点作为待定位节点Ne,所述待定位节点Ne的位置坐标(x,y)固定且未知,再在待定位节点Ne相邻位置选取m个点作为未知节点M1,M2...Mm,测量各个锚节点在待定位节点Ne的信号强度值RSSI1e,RSSI2e...RSSIne,测量各个锚节点在各个未知节点Ni的信号强度值RSSI11,RSSI12...RSSInm;
(b)通过公式
得到ωij为第i个锚节点在第j个未知节点的信号强度值相对于第i个锚节点在待定位节点的信号强度值的权重值;
(c)通过公式
(d)通过公式
得到RSSI′ie为经过修正加权滤波处理后的第i个锚节点在待定位节点信号强度值;
(e)通过公式
RSSI′ie=RSSIOi+10γlogdi+Xσ (4)
求得di为第i个锚节点与待定位节点之间的测量距离,式中,RSSiOi为第i个锚节点的基准距离dO的信号强度值,γ为传输介质常数,Xσ表示高斯变量随即分布;
(f)测量第a个锚节点与第b个锚节点之间的最小跳数为hopsab(a≠b,a=1,2...n,b=1,2...n),通过公式
得到Ca为第a个锚节点与其它锚节点之间平均跳距,再通过公式
得到cc为整个网络的平均跳距;
(g)第i个锚节点与待定位节点之间的修正距离为d′i,则存在关系:
d′i=di+ΔE(di) (7)
式中ΔE(di)表示误差,将ΔE(di)表示为di的一次函数,即:
ΔE(di)=Adi+B (8)
为使测量误差AE(dz最小,可知只需使其平方和最小即可,令:
分别对f(A,B)求关于变量A,B的偏导数,并求解可得ΔE(di);
(h)测量第i个锚节点与待定位节点之间的跳数为ki,则第i个锚节点与待定位节点之间的实际距离
di=cc*ki*(1+ΔE(di); (10)
(i)建立方程组:
最终解得待定位节点Ne的位置坐标(x,y)。
2.如权利要求1所述的基于WIFI信号的定位方法,其特征在于:所述步骤(e)中的dO=1,Xσ=2。
3.如权利要求1所述的基于WIFI信号的定位方法,其特征在于:使用n个路由器互联作为锚节点并与服务器连接,使用手持移动设备采集信号强度值,并上传至服务器,所述服务器对测得数据进行处理。
4.如权利要求3所述的基于WIFI信号的定位方法,其特征在于:每个锚节点将含有位置坐标和初始化为0的跳数值的数据包利用矢量路由协议在网络中进行广播,从而获得任意二个锚节点之间的最小跳数hopsab。
5.如权利要求1所述的基于WIFI信号的定位方法,其特征在于:步骤(c)中,
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20140115 |