CN104931987A - 高尔夫终端设备球场导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种高尔夫终端设备球场导航方法，包括：步骤S1、训练步骤；建立一个坐标点与WIFI信号强度向量的映射关系，从而建立一个指纹库radio map训练阶段中，通过脚本采集不同位置的信号并发送到服务端；采集后对每个指纹特征采用AP的RSSI均值以此建立指纹数据库；步骤S2、定位步骤；根据设定的匹配算法，将接收到的AP的RSSI向量与数据库中的值进行匹配，找到一个最合适的值返回坐标；对客户端采集到的AP的信号强度值作为一个向量然后与指纹数据库中的数据计算余弦相似性；此方法将导航终端设备精准的定位到球场的每一个地方，为高尔夫人提供了准确位置及相关信息。本发明可提高导航的精确度及处理速度。

Description

高尔夫终端设备球场导航方法

技术领域

本发明属于球场导航技术领域，涉及一种导航方法，尤其涉及一种高尔夫终端设备球场导航方法。

背景技术

随着高内高尔夫运动迅速发展和高尔夫人口的爆炸式增长，催生了提高高尔夫球场管理水平和服务水平的强烈需求，一些高尔夫辅助系统营运而生。其中导航功能是辅助系统的一部分。

现有的导航功能依托GPS实现，但现有导航系统的精确度不高；同时，由于高尔夫球场上部分区域是有坡度的，现有导航系统无法体现坡道上与平面的高度信息。

有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的导航方法，以便克服现有导航系统的上述缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种高尔夫终端设备球场导航方法，可提高导航的精确度。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种高尔夫终端设备球场导航方法，所述导航方法包括：获取终端设备在地图上的位置，采用基于指纹数据库及余弦相似性的定位方法；具体包括：

步骤S1、训练步骤；

建立一个坐标点与WIFI信号强度向量的映射关系，从而建立一个指纹库radio map训练阶段中，通过脚本采集不同位置的信号并发送到服务端；

通过脚本在每个位置上每隔设定时间采集一次数据，总共采集若干次数据，并将数据上传到服务器上；

采集后，对每个指纹特征采用AP的RSSI均值，即

$V=(\stackrel{\‾}{S_{AP1}},\stackrel{\‾}{S_{AP2}},\stackrel{\‾}{S_{AP3}}\mathrm{...}\stackrel{\‾}{S_{APn}})---\left(8\right)$

即对同一个AP采集的多次数据取平均值，以此建立指纹数据库；

步骤S2、定位步骤；

根据设定的匹配算法，将接收到的AP的RSSI向量与数据库中的值进行匹配，找到一个最合适的值返回坐标；采用余弦相似性来进行匹配；

余弦相似性是通过测量两个向量内积空间的夹角的余弦值来判定两个向量之间的相似程度；余弦值越接近1，其夹角越接近0，表示两个向量越相似；

两个向量间的余弦值可以根据欧几里得点积和量级公式推导:

A·B＝||A||||B||cos(θ)   (9)

由式(9)以及理论，得出:

$similarity=\cos \left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{A\·B}{\left|\right|A\left|\right|\left|\right|B\left|\right|}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{A}_j\×B_i}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left(A_j\right)}^2}\×\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left(B_i\right)}^2}}---\left(10\right);$

对客户端采集到的AP的信号强度值作为一个向量然后与指纹数据库中的数据计算余弦相似性，得到的值越接近1，代表越相似；

通过以上的测绘方法结合WIFI定位原理，实现了高尔夫球场导航系统；此方法将导航终端设备精准的定位到球场的每一个地方，为高尔夫人提供了准确位置及相关信息。

作为本发明的一种优选方案，所述导航方法中，采用三角定位法获取点的坐标，具体包括：

假设在X(x,y)点能够获取到n个AP信号AP1(x1,y2),AP2(x2,y2),AP3(x3,y3)…APn(xn,yn)建立如下模型:

$\{\begin{array}{c}\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}=d_1\\ \sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2}=d2\\ \mathrm{......}\\ \sqrt{{(x-x_n)}^2+{(y-y_n)}^2}=d_n\end{array}---\left(6\right)$

由式(6)得出线性方程组:

AX＝B   (7)；

式(7)通过解线性方程组求得X点的坐标。

作为本发明的一种优选方案，所述导航方法中，将采用三角定位法获取点的坐标，与基于指纹数据库及余弦相似性定位方法获取点的坐标进行比对，如果结果在设定阈值内，认为定位成功，否则重新定位。

作为本发明的一种优选方案，所述导航方法包括高尔夫球场导航地图测量方法，测量方法利用地图测量系统实现，测量系统包括基准站接收机、至少一台流动站接收机以及用于数据传输的电台；

所述测量方法包括：

在RTK作业模式下将一些必要的数据输入GPS控制手簿，输入的数据包括基准站的坐标、高程、坐标系转换参数、水准面拟合参数；

所述基准站接收机架设在已知点上，平面坐标或高程已知，点位位于测区中间；流动站接收机依次设置在待测点上观测；

基准站接收机与流动站接收机保持同时跟踪至少4颗以上的卫星，基准站接收机不断地对可见卫星进行观测，将接收到的卫星信号通过电台发送给流动站接收机；基准站接收机通过连接的电台将测站坐标、伪距观测值、载波相位观测值、卫星跟踪状态和接收机工作状态发送给流动站接收机；

流动站接收机将采集到的GPS观测数据和基准站接收机发送来的信号传输到控制手簿，组成差分观测值，进行实时差分及平差处理，实时得出本站的坐标、高程及其观测精度信息；

求解平面转换参数，至少要联测两个平面坐标点，求解高程转换参数则需要联测三个高程点；

联测尽可能多的已知点，转换参数的求得通过如下两种方法中的一种：①充分利用已有的GPS控制网资料，将多个已知点的地心坐标与相应的当地坐标输入电子手簿中，基准站接收机架设在已知点上实地虚拟联测，解算出转换参数；②基准站架设在已知点或未知点上，流动站接收机依次测量各已知点的地心坐标，将各已知点所对应的当地坐标系的平面坐标和高程输入手簿中进行点校正，淘汰校正残差比较大的已知点，从而解算出两坐标系之间的转换参数；

利用RTK快速定位和实时得到坐标结果的特点，进行地形的碎部测量来代替常规的数字测图；以1台GPS基准站，另一台或几台移动的GPS接收机分别开始进行碎部点测量；地形点的测量在数据采集的功能下进行，或者根据现场地形的实际情况进行测量设定，在测量T台、球道、果岭、沙坑、湖泊、球车道、障碍物时设定按距离进行采集，距离人为设定；在匀速运动测量的过程中，设定按时间采集，时间间隔也通过人为设定；采集完将数据格式转换为“点号，东坐标，北坐标，高程”的形式，保存到硬盘，使用测绘软件经过成图处理，生成数字化地形图；

在作业中采用RTK测量模式的优势，准确快速地建立图根控制点，在图根控制点上由全站仪配合电子手簿进行碎部点的数据采集。

本发明的有益效果在于：本发明提出的高尔夫终端设备球场导航方法，可提高导航的精确度及处理速度。

附图说明

图1为本发明高尔夫球场地图导航系统的组成示意图。

图2为本发明高尔夫球场动态RTK测量方法的流程图。

图3为三角定位的示意图。

图4为一个AP热点信号的示意图。

图5为两个AP热点信号交叉的示意图。

图6为两个AP热点信号相离的示意图。

图7为三个AP热点信号交叉的示意图。

图8为三个AP热点信号相离的示意图。

图9为不同时间采集的WIFI信号强度的示意图。

图10为余弦相似性的示意图。

图11为本发明导航方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例一

请参阅图1、图11，本发明揭示了一种高尔夫终端设备球场导航方法，所述导航方法包括：获取终端设备在地图上的位置，采用基于指纹数据库及余弦相似性的定位方法；具体包括：

【步骤S1】训练步骤；

建立一个坐标点与WIFI信号强度向量的映射关系，从而建立一个指纹库radio map训练阶段中，通过脚本采集不同位置的信号并发送到服务端；

通过脚本在每个位置上每隔设定时间采集一次数据，总共采集若干次数据，并将数据上传到服务器上；

采集后，对每个指纹特征采用AP的RSSI均值，即

$V=(\stackrel{\‾}{S_{AP1}},\stackrel{\‾}{S_{AP2}},\stackrel{\‾}{S_{AP3}}\mathrm{...}\stackrel{\‾}{S_{APn}})---\left(8\right)$

即对同一个AP采集的多次数据取平均值，以此建立指纹数据库；

【步骤S2】定位步骤；

根据设定的匹配算法，将接收到的AP的RSSI向量与数据库中的值进行匹配，找到一个最合适的值返回坐标；采用余弦相似性来进行匹配；

余弦相似性是通过测量两个向量内积空间的夹角的余弦值来判定两个向量之间的相似程度；余弦值越接近1，其夹角越接近0，表示两个向量越相似；

两个向量间的余弦值可以根据欧几里得点积和量级公式推导:

A·B＝||A||||B||cos(θ)   (9)

由式(9)以及理论，得出:

$similarity=\cos \left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{A\·B}{\left|\right|A\left|\right|\left|\right|B\left|\right|}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{A}_j\×B_i}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left(A_j\right)}^2}\×\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left(B_i\right)}^2}}---\left(10\right);$

对客户端采集到的AP的信号强度值作为一个向量然后与指纹数据库中的数据计算余弦相似性，得到的值越接近1，代表越相似；

通过以上的测绘方法结合WIFI定位原理，实现了高尔夫球场导航系统；此方法将导航终端设备精准的定位到球场的每一个地方，为高尔夫人提供了准确位置及相关信息。

此外，所述导航方法中，采用三角定位法获取点的坐标，具体包括：

假设在X(x,y)点能够获取到n个AP信号AP1(x1,y2),AP2(x2,y2),AP3(x3,y3)…APn(xn,yn)建立如下模型:

$\{\begin{array}{c}\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}=d_1\\ \sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2}=d2\\ \mathrm{......}\\ \sqrt{{(x-x_n)}^2+{(y-y_n)}^2}=d_n\end{array}---\left(6\right)$

由式(6)得出线性方程组:

AX＝B   (7)；

式(7)通过解线性方程组求得X点的坐标。

本实施例中，所述导航方法中，将采用三角定位法获取点的坐标，与基于指纹数据库及余弦相似性定位方法获取点的坐标进行比对，如果结果在设定阈值内，认为定位成功，否则重新定位。

此外，所述导航方法包括高尔夫球场导航地图测量方法，测量方法利用地图测量系统实现，测量系统包括基准站接收机、至少一台流动站接收机以及用于数据传输的电台。所述测量方法包括：

在RTK作业模式下将一些必要的数据输入GPS控制手簿，输入的数据包括基准站的坐标、高程、坐标系转换参数、水准面拟合参数；

所述基准站接收机架设在已知点上，平面坐标或高程已知，点位位于测区中间；流动站接收机依次设置在待测点上观测；

基准站接收机与流动站接收机保持同时跟踪至少4颗以上的卫星，基准站接收机不断地对可见卫星进行观测，将接收到的卫星信号通过电台发送给流动站接收机；基准站接收机通过连接的电台将测站坐标、伪距观测值、载波相位观测值、卫星跟踪状态和接收机工作状态发送给流动站接收机；

流动站接收机将采集到的GPS观测数据和基准站接收机发送来的信号传输到控制手簿，组成差分观测值，进行实时差分及平差处理，实时得出本站的坐标、高程及其观测精度信息；

求解平面转换参数，至少要联测两个平面坐标点，求解高程转换参数则需要联测三个高程点；

联测尽可能多的已知点，转换参数的求得通过如下两种方法中的一种：①充分利用已有的GPS控制网资料，将多个已知点的地心坐标与相应的当地坐标输入电子手簿中，基准站接收机架设在已知点上实地虚拟联测，解算出转换参数；②基准站架设在已知点或未知点上，流动站接收机依次测量各已知点的地心坐标，将各已知点所对应的当地坐标系的平面坐标和高程输入手簿中进行点校正，淘汰校正残差比较大的已知点，从而解算出两坐标系之间的转换参数；

利用RTK快速定位和实时得到坐标结果的特点，进行地形的碎部测量来代替常规的数字测图；以1台GPS基准站，另一台或几台移动的GPS接收机分别开始进行碎部点测量；地形点的测量在数据采集的功能下进行，或者根据现场地形的实际情况进行测量设定，在测量T台、球道、果岭、沙坑、湖泊、球车道、障碍物时设定按距离进行采集，距离人为设定；在匀速运动测量的过程中，设定按时间采集，时间间隔也通过人为设定；采集完将数据格式转换为“点号，东坐标，北坐标，高程”的形式，保存到硬盘，使用测绘软件经过成图处理，生成数字化地形图；

在作业中采用RTK测量模式的优势，准确快速地建立图根控制点，在图根控制点上由全站仪配合电子手簿进行碎部点的数据采集。

实施例二

本实施例中，高尔夫球场导航地图测绘采用GPS-RTK技术，GPS即为全球定位系统的简称，它是一套利用美国GPS卫星导航系统进行全天候、全方位的测量定位设备。根据GPS提供的坐标或坐标演变量精度和方式的不同可以分为毫米级，厘米级，静态，动态后处理，RTK(实时动态)，RTD(实时差分)等几种设备分类和测量方式，RTK技术又称载波相位动态实时差分技术，其实时动态定位技术效率高，可以在作业现场提供经过检验的测量成果，能够在满足精度的前提下，摆脱后处理的负担和外业返工的困扰。

本发明RTK定位方法中，由1台基准站接收机和1台或多台流动站接收机以及用于数据传输的电台组成，在RTK作业模式下将一些必要的数据输入GPS控制手簿，如基准站的坐标、高程、坐标系转换参数、水准面拟合参数等；流动站接收机在若干个待测点上设置。基准站与流动站保持同时跟踪至少4颗以上的卫星，基准站不断地对可见卫星进行观测，将接收到的卫星信号通过电台发送给流动站接收机，流动站接收机将采集到的GPS观测数据和基准站发送来的信号传输到控制手簿，组成差分观测值，进行实时差分及平差处理，实时得出本站的坐标和高程。

基准站架设在已知点(平面坐标或高程已知)上，点位可以位于测区中间，视野开阔，周围无高大的树木、楼房等建筑物影响，远离强电磁波发射源和大面积的水面，如果事先没有确定地心坐标(WGS-84)与当地坐标系的转换参数，也可以将基准站架设在符合上述条件的未知点上。流动站依次设置在待测点上观测。基准站和流动站同时接收卫星信号。基准站通过连接的电台将测站坐标、伪距观测值、载波相位观测值、卫星跟踪状态和接收机工作状态发送给流动站，流动站接收该信息后与卫星信息进行实时差分平差处理，实时得到流动站的三维坐标及其观测精度信息。系统的显著特点是GPS测量技术与数据传输技术组合而成，其数据传输由无线数据链完成，数据链采用UHF频段，具有可靠、稳定和抗干扰能力的优点。

求解平面转换参数，至少要联测两个平面坐标点，求解高程转换参数则需要联测三个高程点。为了提高地心坐标系与当地坐标系数学模型的拟合程度，进而提高待测点的精度，通常要联测尽可能多的已知点，转换参数的求得通常有两种方法：①充分利用已有的GPS控制网资料，将多个已知点的地心坐标与相应的当地坐标输入电子手簿中，基准站架设在已知点上实地虚拟联测，解算出转换参数；②基准站架设在已知点或未知点上，流动站依次测量各已知点的地心坐标，将各已知点所对应的当地坐标系的平面坐标和高程输入手簿中进行点校正，淘汰校正残差比较大的已知点，从而解算出两坐标系之间的转换参数。

测量高尔夫球场导航地图

在某高尔夫球场5平方公里1:500地形测量中，由于地形复杂树林密集，通视困难，采用RTK的技术优势进行测量较为方便。此次测量以高尔夫球场为主，基准站设置在测区的中部、地势较高的地方，符合基准站的架设条件，与已知点的距离在2.0～3.0km之间。联测三个以上GPS点和三个以上水准点，采用两台双频GPS接收机实时动态测量模式，流动站用支撑杆竖直。布点时为了方便测图使用和便于RTK测量等因素，尽量避开高压线、高大建筑物及高密树林等因素对RTK测量的影响。实在无法回避的地方，采用增加观测时间、增加观测次数的方法以提高观测精度。由于GPS并不需要点间通视，不必为通视的原因而搬好几次站，大大减少了测量时间。流动站仅需一次完成，所以减少了人力、财力。

RTK控制测量时，首先用已知控制点建立投影的局部归化参数，仪器将直接记录坐标和高程，查看解算后每个控制点的水平残差和垂直残差。本次测量解算出两坐标系之间的转换参数，水平残差最大为±2.5cm，垂直残差最大为±0.6cm。为了提高待测点的观测精度，将天线设置在对点器上，观测时间大于20秒，采用不同的时间段进行两次观测取平均值；机内精度指标预设为点位中误差±1.5cm，高程中误差±2.0cm；观测中，取平面和高程中误差均小于±1.0cm时进行记录。

RTK点两次观测值坐标较差最大值为±2.8cm，最小值为0.3cm。考虑到两次观测采用了同一基准站，观测条件基本相同，可以将其视为同精度双观测值的情况，进而求得观测值中误差和平均值中误差。观测值中误差为±0.9cm，平均值中误差为±0.6cm(±0.9/√2)。这说明RTK技术能满足《城市测量规范》中最弱点的点位中误差(相对于起算点)不大于±5cm的要求。

同时，本发明采用常规手段对RTK控制点进行了四等水准测量。平差后，每公里高差中误差为±4.2mm，最弱点高程中误差为±6.5mm。在进行RTK平面控制测量的同时，我们也利用RTK技术进行了高程测量。两次RTK高程测量的成果高程较差最大为-4.7cm，最小为0cm.观测值中误差为±1.4cm，平均值中误差为±1.0cm。

四等水准测量与RTK高程测量成果较差高程较差最大为-4.8cm，最小为-0.1cm，高程较差中误差为±2.3cm。

如果四等水准网高程中误差取±2.0cm，RTK高程测量的中误差采用其预设精度±2.0cm，则利用误差传播定律可以得到高程较差理论中误差为±2.8cm，高程较差允许误差为±5.6cm。可见求得的高程较差中误差小于高程较差理论中误差。

根据实际经验，由RTK测量的高程计算出的相邻高差受相邻点间的长度影响较小，高差精度主要与四等水准测段长度有关。利用高差较差参照不同精度双观测值情况计算出高差较差单位(每公里)中误差为±1.89cm。

如果RTK高程测量的中误差采用其预设精度±2.0cm，四等水准高差中误差取±1.0cm，得高差较差理论单位中误差为±3.0cm。显然，计算的高差较差单位中误差小于高差较差理论单位中误差，证明RTK高程测量能够满足《城市测量规范》对四等水准网的精度要求。

RTK在数字测图中的应用

利用RTK快速定位和实时得到坐标结果的特点，可以进行地形的碎部测量来代替常规的数字测图。以1台GPS基准站，另一台或几台移动的GPS接收机分别开始进行碎部点测量。地形点的测量可以在数据采集的功能下进行，也可以根据现场地形的实际情况进行测量设定，在测量T台，球道、果岭、沙坑、湖泊、球车道、障碍物等可以设定按距离进行采集，距离可以人为设定；在匀速运动测量的过程中，可以设定按时间采集，时间间隔也可人为设定。采集完将数据格式转换为“点号，东坐标，北坐标，高程”形式，保存到硬盘，使用Cass软件经过成图处理，生成数字化地形图。

地形点的采集可以单人作业，在球场内较为开阔的区域进行数据采集，发现RTK的采点速度相当快，由于初始化速度快(小于30s)，并且在线运动过程中不失锁，每个碎部点采集时间不超过2s(含点位代码输人)，因此，采点速度几乎等于走路的速度，可以充分发挥RTK快速高精度定位的优势。

也可以在作业中采用RTK测量模式的优势，准确快速地建立图根控制点，在图根控制点上由全站仪配合电子手簿进行碎部点的数据采集。该法不像常规图根导线测量那么烦琐，受地形的限制，也不用支仪器设站，从而减少了因多次设站带来的测量累计误差，提高了全站仪碎部点采点的点位绝对精度，使地形测量方便快捷，大大提高了地形测量的工作效率。在地形图、地籍图等的测量应用中，均取得了很好的效果。

高尔夫球场动态RTK测量的流程如图2所示。

高尔夫终端利用WIFI定位原理，实现球场导航

高尔夫终端定位采用了两种定位方法，通过三角定位法和指纹数据匹配定位法来提高导航的准确度。

三角定位法

三角定位原理非常简单，GPS系统采用的基本原理也是三角定位法。即三点可以确定一个点。该方法分为两个阶段:

基于RSSI的测距

该方法的理论基础是:无线电信号强度随着传播距离的增加而衰减1，无线电传播距离与信号强度的关系。在大量实践的基础上可以得出，接收信号强度log-normal(对数-常态)分布模型，可以通过信号在传播过程中的衰减计算出传播距离。

RSSI_d＝P_t-Pl(d)   (1)

其中Pl(d)为在距离d位置接收到的信号功率(单位dBm),Pl(d0)为距离为参考距离d0位置接收到的信号功率，一般取1m。n为信号衰减因子,X_o为均值为0的高斯随机变量。接收端的信号强度:

RSSI_d＝P_t-Pl(d)   (2)

基于实际情况及室内环境的因素，一般通过(1),(2)式进一步将RSSI定位模型简化为如下公式:

RSSI_d＝A-10nlgd   (3)

通过对(3)式演化，我们得到了通过RSSI值算出距离的公式:

由公式(4)，我们可以根据信号强度RSSI计算出距离d。通过距离d可以简单计算出一个范围。

定位

通过上面的测距，就可以测得三个不同位置的AP的RSSI，然后通过无线传输损耗模型计算出对应的距离d，然后以这三个位置为圆心，以d为半径画圆，所得三个圆的交点即为要求的坐标点；如图3所示。

已知A(x1,y1)到D(x,y)的距离为d1,B(x2,y2)到D的距离为d2,C(x3,y3)到D的距离为d3，我们可以得出:

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}=d_1\\ \sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2}=d2\\ \sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2}=d_3\end{array}\right.---\left(5\right)$

由公式(5)，我们可以推导出点D的坐标(x,y)。

然而上面只是一种理想的模型，在实际情况中，不可能这么理想，可能会遇到以下各种情况:

a)、只有一个AP热点信号，如图4所示；

b)、有两个AP热点信号时，两个圆可能交叉，如图5所示；两个圆可能相离，如图6所示。

c)、三个AP热点信号时，三个圆可能交叉，如图7所示；三个圆可能相离，如图8所示。

d)、以及其他更加复杂的情况等。

通过对以上分析，假设我们在X(x,y)点能够获取到n个AP信号AP1(x1,y2),AP2(x2,y2),AP3(x3,y3)…APn(xn,yn)建立如下模型:

$\{\begin{array}{c}\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}=d_1\\ \sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2}=d2\\ \mathrm{......}\\ \sqrt{{(x-x_n)}^2+{(y-y_n)}^2}=d_n\end{array}---\left(6\right)$

由式(6)可以得出线性方程组:

AX＝B   (7)

式(7)通过解线性方程组就可以求得X点的坐标。

在通过RSSI测距的实践中，由于室内环境部署复杂，信号干扰大，通过这种方法得到的结果经常偏差较大。于是，我们又采用了下面的算法。

基于指纹数据库及余弦相似性的定位算法

由于室内环境复杂，Wifi信号具有很强的时变性，如图9所示。

图9中是不同时间采集到的同一AP的WIFI信号强度，由图中可以看出，WIFI的信号强度随着时间，以及环境的不同，在时刻变化着，所以，无线信号衰减模型难以准确的表现出距离与信号强度的关系。而基于指纹数据库的匹配定位方法就具有很好的鲁棒性。

指纹数据匹配算法主要也有两个阶段:

训练阶段

训练阶段主要是建立一个坐标点与WIFI信号强度向量的映射关系，从而建立一个指纹库(radio map)训练阶段中，我们通过脚本采集不同位置的信号并发送到服务端。

通过脚本在每个位置上每隔5s采集一次数据，总共采集100次数据，并将数据上传到服务器上。

采集后，我们对每个指纹特征采用AP的RSSI均值，即

$V=(\stackrel{\‾}{S_{AP1}},\stackrel{\‾}{S_{AP2}},\stackrel{\‾}{S_{AP3}}\mathrm{...}\stackrel{\‾}{S_{APn}})---\left(8\right)$

即对同一个AP采集的多次数据取平均值，以此建立指纹数据库。

定位阶段

定位阶段的主要工作是根据一定的匹配算法，将接收到的AP的RSSI向量与数据库中的值进行匹配，找到一个最合适的值返回坐标。常用得匹配算法有NN,KNN,神经网络等，经过综合考虑，我们决定采用余弦相似性来进行匹配。

余弦相似性是通过测量两个向量内积空间的夹角的余弦值来判定两个向量之间的相似程度。余弦值越接近1，其夹角越接近0，表示两个向量越相似。如图10所示。

两个向量间的余弦值可以根据欧几里得点积和量级公式推导:

A·B＝||A||||B||cos(θ)   (9)

由式(9)以及理论，可以得出:

$similarity=\cos \left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{A\·B}{\left|\right|A\left|\right|\left|\right|B\left|\right|}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{A}_j\×B_i}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left(A_j\right)}^2}\×\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left(B_i\right)}^2}}---\left(10\right)$

以上理论基础，对客户端采集到的AP的信号强度值作为一个向量然后与指纹数据库中的数据计算余弦相似性，得到的值越接近1，代表越相似。

通过以上的测绘方法结合WIFI定位原理，实现了我们所开发的高尔夫球场导航系统。此方法是我们的终端设备精准的定位到球场的每一个地方，为高尔夫人提供了准确位置及相关信息。

综上所述，本发明提出的高尔夫终端设备球场导航方法，可提高导航的精确度及处理速度。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (4)

1.一种高尔夫终端设备球场导航方法，其特征在于，所述导航方法包括：获取终端设备在地图上的位置，采用基于指纹数据库及余弦相似性的定位方法；具体包括：

步骤S1、训练步骤；

建立一个坐标点与WIFI信号强度向量的映射关系，从而建立一个指纹库radio map训练阶段中，通过脚本采集不同位置的信号并发送到服务端；

通过脚本在每个位置上每隔设定时间采集一次数据，总共采集若干次数据，并将数据上传到服务器上；

采集后，对每个指纹特征采用AP的RSSI均值，即

$V=(\stackrel{\‾}{S_{AP1}},\stackrel{\‾}{S_{AP2}},\stackrel{\‾}{S_{AP3}}\mathrm{...}\stackrel{\‾}{S_{APn}})---\left(8\right)$

即对同一个AP采集的多次数据取平均值，以此建立指纹数据库；

步骤S2、定位步骤；

根据设定的匹配算法，将接收到的AP的RSSI向量与数据库中的值进行匹配，找到一个最合适的值返回坐标；采用余弦相似性来进行匹配；

余弦相似性是通过测量两个向量内积空间的夹角的余弦值来判定两个向量之间的相似程度；余弦值越接近1，其夹角越接近0，表示两个向量越相似；

两个向量间的余弦值可以根据欧几里得点积和量级公式推导:

$A\·B-\left|\right|A\left|\right|\left|\right|B\left|\right|\cos \left(\mathrm{\θ}\right)---\left(9\right)$

由式(9)以及理论，得出:

$similarity=cso\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{A\·B}{\left|\right|A\left|\right|\left|\right|B\left|\right|}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{A}_1\×B_1}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left(A_1\right)}^2}\×\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left(B_1\right)}^2}}---\left(10\right);$

对客户端采集到的AP的信号强度值作为一个向量然后与指纹数据库中的数据计算余弦相似性，得到的值越接近1，代表越相似；

通过以上的测绘方法结合WIFI定位原理，实现了高尔夫球场导航系统；此方法将导航终端设备精准的定位到球场的每一个地方，为高尔夫人提供了准确位置及相关信息。

2.根据权利要求1所述的高尔夫终端设备球场导航方法，其特征在于：

所述导航方法中，采用三角定位法获取点的坐标，具体包括：

假设在X(x,y)点能够获取到n个AP信号AP1(x1,y2),AP2(x2,y2),AP3(x3,y3)…APn(xn,yn)建立如下模型:

$\{\begin{array}{c}\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}-d_1\\ \sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2}-d_2\\ \mathrm{......}\\ \sqrt{{(x-x_n)}^2+{(y-y_n)}^2}=d_n\end{array}---\left(6\right)$

由式(6)得出线性方程组:

AX＝B   (7)；

式(7)通过解线性方程组求得X点的坐标。

3.根据权利要求2所述的高尔夫终端设备球场导航方法，其特征在于：

所述导航方法中，将采用三角定位法获取点的坐标，与基于指纹数据库及余弦相似性定位方法获取点的坐标进行比对，如果结果在设定阈值内，认为定位成功，否则重新定位。

4.根据权利要求1所述的高尔夫终端设备球场导航方法，其特征在于：

所述导航方法包括高尔夫球场导航地图测量方法，测量方法利用地图测量系统实现，测量系统包括基准站接收机、至少一台流动站接收机以及用于数据传输的电台；

所述测量方法包括：

在RTK作业模式下将一些必要的数据输入GPS控制手簿，输入的数据包括基准站的坐标、高程、坐标系转换参数、水准面拟合参数；

所述基准站接收机架设在已知点上，平面坐标或高程已知，点位位于测区中间；流动站接收机依次设置在待测点上观测；

基准站接收机与流动站接收机保持同时跟踪至少4颗以上的卫星，基准站接收机不断地对可见卫星进行观测，将接收到的卫星信号通过电台发送给流动站接收机；基准站接收机通过连接的电台将测站坐标、伪距观测值、载波相位观测值、卫星跟踪状态和接收机工作状态发送给流动站接收机；

流动站接收机将采集到的GPS观测数据和基准站接收机发送来的信号传输到控制手簿，组成差分观测值，进行实时差分及平差处理，实时得出本站的坐标、高程及其观测精度信息；

求解平面转换参数，至少要联测两个平面坐标点，求解高程转换参数则需要联测三个高程点；

联测尽可能多的已知点，转换参数的求得通过如下两种方法中的一种：①充分利用已有的GPS控制网资料，将多个已知点的地心坐标与相应的当地坐标输入电子手簿中，基准站接收机架设在已知点上实地虚拟联测，解算出转换参数；②基准站架设在已知点或未知点上，流动站接收机依次测量各已知点的地心坐标，将各已知点所对应的当地坐标系的平面坐标和高程输入手簿中进行点校正，淘汰校正残差比较大的已知点，从而解算出两坐标系之间的转换参数；

利用RTK快速定位和实时得到坐标结果的特点，进行地形的碎部测量来代替常规的数字测图；以1台GPS基准站，另一台或几台移动的GPS接收机分别开始进行碎部点测量；地形点的测量在数据采集的功能下进行，或者根据现场地形的实际情况进行测量设定，在测量T台、球道、果岭、沙坑、湖泊、球车道、障碍物时设定按距离进行采集，距离人为设定；在匀速运动测量的过程中，设定按时间采集，时间间隔也通过人为设定；采集完将数据格式转换为“点号，东坐标，北坐标，高程”的形式，保存到硬盘，使用测绘软件经过成图处理，生成数字化地形图；

在作业中采用RTK测量模式的优势，准确快速地建立图根控制点，在图根控制点上由全站仪配合电子手簿进行碎部点的数据采集。