CN105004340A - 结合惯性导航技术和指纹定位技术的定位误差修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明所提供的一种结合惯性导航技术和指纹定位技术的定位误差修正方法，包括步骤：A、确定一基准位置；B、在移动过程中，基于惯性导航方法间隔创建定位路标，并记录所创建的定位路标信息，包括所在空间的坐标、无线信号集合以及相对于所述基准位置行进距离的惯性导航误差；C、根据实时测量的无线信号集合判断与已记录的一定位路标匹配时，基于该成功匹配的定位路标的坐标校准修正当前惯性导航技术所确定的坐标。由上，在现场定位误差较小的时候采集指纹作为路标，其后通过指纹匹配，用户再次经过该路标点时，用先前误差较小位置坐标对当前位置坐标的进行校准，缩小误差估计范围，达到提高定位精度的目的。

Description

结合惯性导航技术和指纹定位技术的定位误差修正方法

技术领域

本发明涉及室内定位技术领域，特别涉及一种结合惯性导航技术和指纹定位技术的定位误差修正方法。

背景技术

卫星定位信号由于建筑物的屏蔽效应难以在室内有效接收，而常规的三边法，到达时延法(TOA，Time of Arrival)和到达角度法(AOA，Arrival of Angle)等在复杂的室内环境下也都无法获得满意的精度。为了满足室内定位的市场需求，目前采用的较先进的技术手段包括惯性导航技术和无线信号指纹方法，其各自也都有其局限性。

惯性导航技术利用日益普及的惯性测量单元(IMU，InertialMeasurement Unit)获得运动物体的惯性变化值后应用盲区推估工作原理得到其运动参数。即对物体的运动变化(姿态，加速度，方向等)进行时间积分得到其运动轨迹，从而获得位置信息。其实施方法是由位置传感器在空间3个正交方向(x，y，z)上采集3方向加速度变量，根据加速度合成矢量推估出当前的运动方向和速度。该方法不需要外部卫星和其它信标，所以不受环境的限制。

盲区推估工作原理的原理是，测出加速度矢量a，其相对上一时刻位置(x0,y0)的位置变化为距离矢量Δd，即，P＝P0+Δd＝P0+∫a·t·dt，其中P为当前位置，P0为上一时刻的初始位置，a为矢量加速度，可以是时间的函数，Δd为经过t时刻后的积分矢量距离。

另一种较多应用的室内定位技术是无线网络信号指纹法。其原理是利用无线信号在室内环境下的不均匀分布，应用手机接收到无线信号场强值特征(指纹)和预先测得的位置场强分布(指纹地图)匹配，从而推导出待定位目标的位置。由于无线信号的广泛存在，特别是移动网络和WIFI接入点的普及应用，在大多数室内环境下基本都可以应用这种方法实现定位。

图1所示为现有基于无线网络信号指纹方法进行室内定位的原理示意图，以楼宇平面图为例，将其划分为A～X等28个网格，然后在每个网格内设置无线信号采集点，即无线网络信号指纹采集点，测量一组源于不同信号源的表示信号强度的电平向量集合{RSSI_i}，i∈(1，k)将每个网格及其对应的接收电平向量存储为无线网络信号指纹数据库。当移动设备测量到一组信号{rssi_i}，i∈(1，k)，依据无线网络信号的ID标识(例如MAC地址或CELL ID信息)等将当移动设备所测量的无线网络信号与每个网格内设置无线信号采集点所采集的无线网络信号一一对应匹配，计算电平距离i表示不同网格，取值为A，…，X；k表示无线网络信号的数量。取min(d_e)，即测试值和指纹数据库距离最小的值，即最佳指纹匹配所对应的网格为移动设备所在位置。

惯性导航技术的主要局限在于其定位误差的不断累积，从其工作原理可知，每一个新的位置都是基于上一次的推估结果得到的。上一次推估产生的误差将不断的传递给其后的推估运算，结果是误差随行进距离不断增加，即定位误差是从其起点算起的行进距离的随机函数。一般商用惯导装置的累积误差为距离的5％以上。在楼宇内如果行进距离超过100米，定位精度严重下降而不具有应用价值了。如图2所示，图中实线表示用户实际的行走路线，虚线表示采用惯性导航技术显示出的行走路线，可见误差明显。

显而易见，距离推估起点的距离越近，其误差就越小。当携带定位装置的用户在楼宇内经过较长距离后又回到早先经过的位置点时，其误差累积将大大增加。如果用先期记录的位置来校准此其后的累积误差，就可以大大减少误差范围。提高惯性导航的定位精度。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于，提供一种结合惯性导航技术和指纹定位技术的定位误差修正方法，包括步骤：

A、确定一基准位置；

B、在移动过程中，基于惯性导航方法间隔创建定位路标，并记录所创建的定位路标信息，包括所在空间的坐标、无线信号集合定位误差e₀；

C、根据实时测量的无线信号集合判断与在先创建的一定位路标匹配时，基于该匹配的定位路标的坐标修正当前通过惯性导航方法确定的坐标。

由上，在现场定位误差较小的时候采集指纹作为路标，其后通过指纹匹配，用户再次经过该路标点时，用早期误差较小的位置坐标对当前位置坐标的进行校准，缩小误差估计范围，达到提高定位精度的目的。

可选的，步骤B所述基于惯性导航方法间隔创建定位路标的步骤包括：

判断基于惯性导航方法确定的当前坐标与在先已创建的各个定位路标的坐标的空间距离均大于阈值时，且

根据当前测量的无线信号集合判断与在先已创建的各个定位路标的电平距离均大于阈值时，将当前位置设置为一定位路标。

由上，仅当基于惯性导航所创建的定位路标在空间坐标判别系统以及无线信号集合判别系统下均具有唯一性时，才可将其列为一真正的定位路标，以此避免与在先创建的定位路标相混淆。

可选的，步骤B所述基于惯性导航方法间隔创建定位路标还包括：

基于惯性导航方法判断移动轨迹发生改变时，在改变时所对应的位置创建一定位路标。

可选的，所述判断移动轨迹发生改变包括：

判断转向角度大于一预设值。

由上，将用户的特殊移动轨迹与定位路标相结合，实质为将具有确定性的位置作为定位路标，例如在实际线路中，当存在左、右转向移动时，说明存在拐角等特殊路段。又或者，存在连续U型移动时，说明正在上楼梯。相比于前述间隔一定空间距离以及无线信号差异而创建定位路标，选择具有确定性的位置作为定位路标采用更具有代表性，修正位置的准确性相对更高。

可选的，步骤B所述基于惯性导航方法间隔创建定位路标还包括：

经过兴趣点时手动触发创建一定位路标。

可选的，步骤C所述基于该匹配的定位路标的坐标修正当前通过惯性导航方法确定的坐标包括：

以该匹配的定位路标的坐标以及惯性导航误差作为当前位置的坐标以及惯性导航误差。

由上，在现场定位误差较小的时候采集指纹作为路标，其后通过指纹匹配，用户再次经过该路标点时，用误差较小位置坐标对当前位置坐标的进行校准，缩小误差估计范围，提高定位精度。

可选的，步骤C所述基于该匹配的定位路标的坐标修正当前通过惯性导航方法确定的坐标包括：

根据惯性导航误差获得与惯性导航误差成反比的权重系数f；

依据以下公式计算修正当前位置的坐标：

依据以下公式计算修正后当前位置的坐标：

(x_i’,y_i’)＝[(x₀,y₀)+(x_i,y_i)e_o ²/e_i ²)]/(1+e_o ²/e_i ²)；

式中(x₀,y₀)表示已匹配的定位路标的坐标；(x_i,y_i)表示通过惯性导航方法确定的当前位置的坐标；(x_i’,y_i’)表示修正后的当前位置坐标；e_o表示已匹配的定位路标的误差值；e_i表示通过惯性导航方法确定的当前位置的误差。

更正修正后的当前位置的惯性导航误差；所述修正后的当前位置的惯性导航误差表示为：

由上，当用户多次路过在先建立定位路标的位置时，便可依据每一次的不同权重进行修正定位路标信息，显然，路过的次数越多，定位路标信息的精确度便会越高。

可选的，还包括：

依据修正以后的当前位置的坐标相对于所述基准位置的行进距离计算修正以后的当前位置的惯性导航误差；

将所匹配的定位路标信息更新为修正以后的当前位置的相关信息，包括替换为修正以后的当前位置所在空间的坐标(x_i’,y_i’)、当前位置测量的无线信号集合以及修正以后的当前位置的惯性导航误差e_i’。

附图说明

图1为现有基于无线网络信号指纹方法进行室内定位技术的原理示意图；

图2为采用惯性导航技术进行定位所造成的误差示意图；

图3为本发明的流程示意图；

图4为惯性导航机制原理示意图；

图5为建立定位路标网的流程示意图；

图6为采用加权算术平均数模型进行位置修正的原理示意图；

图7为实现本发明方法的装置的原理示意图。

具体实施方式

为克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种结合惯性导航技术和指纹定位技术的定位误差修正方法，在室内基于惯性导航技术的定位中引入了自主校准的机制，以对惯性导航所累积的误差进行修正，从而保证定位精度。

如图3所示为本发明的流程图，包括以下步骤：

S10：确定基准位置。

当用户持移动终端由室外进入到室内以后，需要以一有可靠精度的基准位置作为初始位置(x₀，y₀，z₀)。所述基准位置可设置于室内的门口，通过设置RFID获得位置信息。或者，由于从室外进入室内会导致卫星定位信号(GPS)的大幅衰减，因此也可基于进入室内之前的未经衰减的卫星定位信号所对应的位置作为基准位置。

本实施例中所述的移动终端包括如智能手机在内的可接收到无线网络信号以及具有实现惯性导航功能的装置。

无线网络信号包括但不限于：移动、联通以及电信等运营商的2G/3G/4G网络信号；WLAN网络信号；蓝牙无线信号；NFC或RFID等射频信号。

S20：在移动终端的移动中，建立定位路标网。

用户持移动终端在室内移动时，其移动到不同位置，移动终端均会测量一组源于不同无线信号源的表示信号强度的电平向量集合{RSSI_i}，即无线指纹，i表示所接收到不同无线信号的种类，i∈(1，k)。基于此，移动终端沿用户在室内的移动路径建立定位路标网，如图4所示，建立定位路标网包括以下子步骤：

子步骤S201：移动中，确定当前位置的坐标。

本子步骤中，依据移动终端自身的惯性导航模块获取当前位置的坐标(x_n，y_n，z_n)，该坐标是基于初始位置(x₀，y₀，z₀)而言的相对位置。图5所示为惯性导航机制的原理示意图，依据陀螺仪、加速度计和磁力计等设备，在移动终端水平摆放时，检测正东为+X轴方向，并且，通过航向角、俯仰角以及横滚角的检测，即可确定移动轨迹，检测位置及坐标。子步骤S202：计算当前坐标与在先已确定的各定位路标的坐标间的空间距离。

采用下列公式分别计算当前采集的坐标位置与在先已确定的各个定位路标间的各个空间距离d_i，式中(x_n，y_n，z_n)表示当前位置的坐标，(x_m，y_m，z_m)表示在先已确定的某定位路标的坐标，i表示在先以确定的定位路标的个数。

需要说明的是，当建立第一个定位路标时，在先已确定的定位路标即为步骤S10中基准位置。

由此，可确定当出前位置与在先确定的各定位路标间的各空间距离。

子步骤S203：判断所计算出的各空间距离均大于预设距离时(预设距离可设置为10米)，进入子步骤S204，否则返回步骤S201。

子步骤S204：获取当前位置的电平向量集合，即当前位置的无线指纹集合。

假设步骤S201中所述当前位置所接收到的电平向量集合{rssi_i}，i∈(1，k)。

子步骤S205：计算与在先已确定的各个定位路标间的电平距离。

依据无线网络信号的ID标识，将移动终端测量到集合{rssi_i}与在先各定位路标对应的电平向量集合{RSSIj_i}_，j＝0,1,2…n依次进行计算。其中RSSI0_i表示在先以确定的基准位置所接收到的电平向量集合，RSSI1_i表示在先已确定的第一个定位路标位置所接收到的电平向量集合，以此类推，不再赘述。具体计算过程可参考背景技术中无线指纹的最佳匹配技术。

较佳的，在进行计算前，还可对当前位置所接收到的电平向量集合{rssi_i}中的i值与各定位路标对应的电平向量集合{RSSIj_i}中的i值进行比较，仅当两集合的i值相同时，再计算两集合的电平距离，由此可以减少计算量。

子步骤S206：根据子步骤S205中所计算出的电平距离判断是否与某一定位路标匹配，若是进入步骤S30，否则进入子步骤S207。

预先设置有电平距离阈值，当子步骤S205中所计算出的某一电平距离小于所设置的电平距离阈值时，认为匹配，即认为当前位置与该电平距离对应的定位路标是同一位置，进入步骤S30；否则，认为用户来到了一个新的位置，该位置在惯性导航系统和无线信号系统中都具有唯一性，进入子步骤S207。若在匹配中有多个定位路标匹配，则可以选择电平距离最小的定位路标作为所认定的相同位置。

S207：将步骤S201所确定的当前位置设置为一个新的定位路标。

由于在惯性导航系统中，误差伴随着行走而增加，因此每一次定位路标的建立均伴随着新的误差，惯性导航误差记为σ＝σ₀+l×e％，其中σ₀为初始误差，l为行进距离，e％表示随着行进距离增加产生的误差增量，例如e％＝5％时，表示每行进100米，定位误差增加5米。

当步骤S201所确定的当前位置在惯性导航系统和无线信号系统中都具有唯一性时，即可将该当前位置建立为定位路标，记录该位置所采集到的电平向量集合{RSSI_i}，i∈(1，k)，即{rssi_i}，以及该位置相对于基准位置的行进距离的惯性导航误差。

步骤S20所建立的各定位路标均是用户在室内行进过程中，移动终端依据自动检测的电平向量集合{RSSI_i}以及移动轨迹变化自行建立，所建立的各个定位路标形成室内定位路标网。

上述步骤S20建立定位路标网是依据用户的空间行进距离为设定依据，例如水平方向或者垂直方向(上下楼)，每间隔10米建立一个定位路标。

另外，还可以用户的移动轨迹为设定依据。用户在行进过程中，移动终端自身的惯性导航模块会实时检测用户的移动轨迹，当判断出路线进行左、右转向，或者非直线(曲线)移动时，当判断出转向角度大于一预设值时，将转向点设置为定位路标。即，在实际室内线路中，当存在左、右转向移动时，说明存在拐角等特殊路段。又或者，存在连续U型移动时，说明正在上楼梯。因此，将该特殊路段作为定位路标。总之，将用户的特殊移动轨迹与定位路标相结合，实质为将室内具有确定性的位置作为定位路标，相比于前述自动上传位置，计算电平距离，选择具有确定性的位置作为定位路标采用更具有代表性，准确性相对更高。

再有，用户可将室内的卫生间、电梯间、ATM机、自动贩卖机等等特殊位置或装置设定为兴趣点，手动的，将兴趣点建立为定位路标。

所建立的定位路标可存储于移动终端内部，也可上传至后台服务器。

S30：根据所述匹配出的定位路标，对惯性导航当前的定位进行误差的修正。

当在上述子步骤S203中判断结果为匹配时，表示用户再次路过了在先建立的定位路标，由于惯性导航带来的累计误差，因此，随用户移动距离的增加，其当前在惯性导航系统中的累计误差可能已经很大。本步骤即为对在惯性导航系统中的累计误差进行修正。

简单的，直接将所匹配的定位路标的坐标(x_m，y_m)作为当前位置的坐标，并且，以该定位路标的误差作为现有误差，即可修正因惯性导航带来的误差累计。由此用先期记录的定位路标来校准其后的累积误差，可以大大减少误差范围，提高惯性导航的定位精度。

更进一步的，还可采用加权算术平均数模型对惯性导航造成的定位误差进行修正。图6所示为修正原理示意图，图中A点表示在先建立定位路标位置，其坐标为(x_m，y_m)，半径表示建立该定位路标时的误差值；B点表示判断用户再次路过A点(即与A点匹配)时的惯性导航所计算的当前位置，其坐标为(x_n，y_n)，同样，半径表示其误差值；再次路过A点时，由于惯性导航产生的误差累计，因此B点半径大于A点半径。A’点表示进行修正以后的位置，具体修正方法如下：

依据采用以下公式，计算A’点坐标

(x_n’,y_n’)＝[(x_m,y_m)+(x_n,y_n)e_o ²/e_i ²)]/(1+e_o ²/e_i ²)；

式中(x_n’,y_n’)表示修正以后当前位置A’点的坐标，e_o表示已匹配的定位路标A点的误差值；e_i表示通过惯性导航方法确定的当前位置B点的误差。

进一步的，依据A点误差和B点误差修正A’点的误差值，具体的，更正修正后的当前位置的惯性导航误差；所述修正后的当前位置的惯性导航误差表示为：

将先建立定位路标A点的信息替换为A’点的信息，包括替换为A’点的坐标(x_n’，y_n’)、A’点的惯性导航误差、以及A’点测量的{rssi_i}，即同时完成定位路标A的更新。

通过本发明方法，当用户多次路过在先建立定位路标的位置时，便可依据每一次的不同权重进行修正定位路标信息，显然，路过的次数越多，定位路标信息的精确度便会越高。

本发明采用上述方法，无需在室内加装任何位置采集装置或无线指纹点库，在行进过程中便可进行定位路标的建立，当再次路过在先建立的定位路标时，即可消除由于惯性导航所累积的误差，提高定位精度。并且，还可以灵活建立定位路标的位置，从而使得路标匹配运算量少，适合在智能手机等运算和内存资源受限的装置上运行。更优的，使用场所不受限制，尤其适用于公共场所定位，如商厦，办公楼，医院，学校等，无需对一整座楼宇划分网格，预先测试，建立庞大指纹数据库，大大节省了资源。

相应的，图7还示出了基于室内惯性导航技术的定位误差修正方法的实现装置的原理示意图，包括：

无线信号电平测量单元，用于检测室内不同的无线信号集合，其内部包括：WLAN网络信号测量模块、2G/3G/4G网络信号测量模块和射频信号测量模块。

惯性导航单元，用于检测用户的移动轨迹及坐标，其内部包括：陀螺仪、加速度计、磁力计。

主控单元，其内部包括：数据采集模块，分别与无线信号电平测量单元和惯性导航单元连接，用于接收室内不同的无线信号集合以及用户的移动轨迹及坐标；

位置误差修正模块，与所述数据采集模块连接，用于建立定位路标，以及修正由于惯性导航所累积的误差；

定位路标记录模块，与所述位置误差修正模块连接，用于记录所建立的定位路标；

显示控制模块，与所述位置误差修正模块连接，用于将定位路标以及用户轨迹进行图形化处理。

触摸显示单元，用于显示将定位路标以及用户轨迹，其内部包括：

触控按键；

室内位置显示、定位路标显示；

显示设置模块，用于设置触摸显示单元的显示亮度，对比度等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。总之，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种结合惯性导航技术和指纹定位技术的定位误差修正方法，其特征在于，包括步骤：

A、确定一基准位置；

B、在移动过程中，基于惯性导航技术间隔创建定位路标，并记录所创建的定位路标信息，包括所在空间的坐标、无线信号集合以及相对于所述基准位置行进距离的误差；

C、根据实时测量的无线信号集合判断与在先创建的一定位路标匹配时，基于该匹配的定位路标的坐标修正当前通过惯性导航方法确定的坐标。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B所述基于惯性导航方法间隔创建定位路标的步骤包括：

判断基于惯性导航方法确定的当前坐标与在先已创建的各个定位路标的坐标的空间距离均大于阈值时，且

根据当前测量的无线信号集合判断与在先已创建并记录的各个定位路标的电平距离均大于阈值时，将当前位置设置为一定位路标。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤B所述基于惯性导航方法间隔创建定位路标还包括：

基于惯性导航方法判断移动轨迹发生改变时，在改变时所对应的位置创建一定位路标。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述判断移动轨迹发生改变包括：

判断转向角度大于一预设值。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤B所述基于惯性导航方法间隔创建定位路标还包括：

经过某兴趣点时手动触发创建一定位路标。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤C所述基于该匹配的定位路标的坐标修正当前通过惯性导航方法确定的坐标包括：

以该匹配的定位路标的坐标以及惯性导航误差作为当前位置的坐标以及惯性导航误差。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤C所述基于该匹配的定位路标的坐标修正当前通过惯性导航方法确定的坐标包括：

依据以下公式计算修正后当前位置的坐标：

(x_i’,y_i’)＝[(x₀,y₀)+(x_i,y_i)e_o ²/e_i ²)]/(1+e_o ²/e_i ²)；

式中(x₀,y₀)表示已匹配的定位路标的坐标；(x_i,y_i)表示通过惯性导航方法确定的当前位置的坐标；(x_i’,y_i’)表示修正后的当前位置坐标；e_o表示已匹配的定位路标的误差值；e_i表示通过惯性导航方法确定的当前位置的误差。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：更正修正后的当前位置的惯性导航误差；所述修正后的当前位置的惯性导航误差表示为： $e_i^{,}=e_0/\sqrt{(1+e_0^2/e_i^2)}.$

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：

将所匹配的定位路标信息更新为修正以后的当前位置的相关信息，包括替换为修正以后的当前位置所在空间的坐标(x_i’,y_i’)、当前位置测量的无线信号集合以及所述修正以后的当前位置的惯性导航误差e_i’。