CN105444755A - 基于空间杂波信号的室内定位方法 - Google Patents

Abstract

基于空间杂波信号的室内定位方法，由定位点空间杂波信号、空间杂波信号与位置信息关联数据库、室内定位解算模块、移动终端组成，其特征在于：所述的空间杂波信号为用户处于当前位置时，智能手机及其他移动终端能接收到现有的可量化信号；所述的空间杂波信号与位置信息关联数据库由室内空间位置坐标、室内空间布局及路径信息、室内空间杂波信号分布信息或空间杂波信号源位置及辐射强度信息组成；所述的室内定位解算模块安装在移动终端，用于接收当前空间杂波信号，从中过滤出定位点空间杂波信号，分析计算出当前用户室内位置坐标；所述的移动终端设置有室内定位解算模块和接收当前空间杂波信号功能；不需要信标设备布设，降低室内定位覆盖成本。

Description

基于空间杂波信号的室内定位方法

技术领域

本发明涉及室内定位领域，尤其涉及一种基于空间杂波信号的室内定位方法。

背景技术

随着社会的发展与城市化进程的推进，城市大型单体建筑迅速增多，大型建筑室内空间面积大、布局复杂，室内定位及导航需求快速增加。近年来，室内定位技术取得了一定进步。室内定位技术主要通过无线电波、超声波、特定波长的光源等信号的空间分布规律，将空间信号与地理位置信息关联，进而确定出目标位置。目前常用室内定位技术主要有：基于wifi网络的室内定位技术、依托蓝牙信标或iBeacon协议蓝牙信标的室内定位技术，基于RFID的室内定位，以及基于Wi-Fi的RFID定位方案等类似组合方案；以及不需要布设设备的基于运营商基站信号的室内定位方法，基于地磁的室内定位方法。但现有技术硬件设备布设造成成本高，或只分析某一种信号造成精度差。

硬件设备布设信标设备的室内定位方法：需要在目标区域预先人工布设wifi网络、蓝牙基站(或iBeacon)、声音信号源、光源等作为信标的技术方法，为了保证定位精度，需要布设较高密度的信标并对信标位置进行精细规划，耗费大量的信号源设备成本、布设人工成本以及时间成本，导致推广和覆盖成本高昂，且推广极其缓慢；分析单一信号的室内定位方法：比如单一采用蓝牙信号或地磁信号等，可供用来定位的信号差异化特性不明显，容易造成定位精度不高、定位灵敏度低等特点，通常通过增加信标的方法解决，但同时也增加了设备成本。

发明内容

为了解决上述问题，本发明公开了一种基于空间杂波信号的室内定位方法，它由定位点空间杂波信号、空间杂波信号与位置信息关联数据库、室内定位解算模块、移动终端组成。所述的室内定位解算模块安装在移动终端，用于接收当前空间杂波信号，从中过滤出定位点空间杂波信号，利用定位点空间杂波信号与数据库信息对比，室内定位解算模块分析计算出当前用户室内位置坐标。不需要信标设备布设和依赖单一种类信号，降低室内定位覆盖成本，提高室内定位精度和灵敏度、产品覆盖速度和推广速度，丰富了可供分析的不同空间位置信号差异化特征。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

基于空间杂波信号的室内定位方法由定位点空间杂波信号、空间杂波信号与位置信息关联数据库、室内定位解算模块、移动终端组成，其特征在于：所述的空间杂波信号为用户处于当前位置时，智能手机及其他移动终端能接收到现有的可量化信号，由现有的GPS信号、运营商3G/4G/5G信号、wifi信号、蓝牙信号、地磁信号的单一信号或多种信号组合；所述的空间杂波信号与位置信息关联数据库由室内空间位置坐标、室内空间布局及路径信息、室内空间杂波信号分布信息或空间杂波信号源位置及辐射强度信息组成，该数据库存储有初始预置数据，也可具备数据学习能力随着存储数据量的提升改善数据精准度和信息量；所述的室内定位解算模块安装在移动终端，用于接收当前空间杂波信号，从中过滤出定位点空间杂波信号，利用定位点空间杂波信号与数据库信息对比，室内定位解算模块分析计算出当前用户室内位置坐标；所述的移动终端设置有室内定位解算模块和接收当前空间杂波信号功能，也能同时存放定位点空间杂波信号与位置信息关联数据库，能更新数据库信息。

其中，所述的数据库能存放在单独服务器中，也能存放在移动终端中，供室内定位解算模块访问。

其中，所述的室内定位解算模块，能作为独立的智能移动终端程序形式，也能做为多种智能移动终端程序的功能模块形式。

其中，所述的室内定位解算模块同样适用于布设信标设备的室内定位方法。

其中，所述的定位点空间杂波信号为杂波信号的多种可量化特征，不局限于信号强度。

本发明的有益效果：

1.本发明的数据库能存放在单独服务器中，也能存放在移动终端中，供室内定位解算模块访问，给用户使用和数据库的扩展提供更多选择方式。

2.本发明借助目标区域现有空间各类杂波信号，不需要信标设备布设，明显降低了室内定位覆盖成本，极大提高了覆盖速度和推广速度。

3.本发明不依赖单一种类信号或信标，丰富了可供分析的不同空间位置信号差异化特征，明显提高了室内定位精度和灵敏度。

附图说明

图1.为基于空间杂波信号的室内定位方法实施例示意图；

图2.为基于空间杂波信号的室内定位方法实施例详细流程示意图；

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案以及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明做进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以对发明的解释，并不用于限定所述求的权利要求。

见实施例图1和图2所示，基于空间杂波信号的室内定位方法由定位点空间杂波信号、空间杂波信号与位置信息关联数据库、室内定位解算模块、移动终端组成。其特征在于：所述的空间杂波信号为用户处于当前位置时，智能手机及其他移动终端能接收到现有的可量化信号，由现有的GPS信号、运营商3G/4G/5G信号、wifi信号、蓝牙信号、地磁信号的单一信号或多种信号组合；所述的空间杂波信号与位置信息关联数据库由室内空间位置坐标、室内空间布局及路径信息、室内空间杂波信号分布信息或空间杂波信号源位置及辐射强度信息组成，该数据库存储有初始预置数据，也可具备数据学习能力随着存储数据量的提升改善数据精准度和信息量；所述的室内定位解算模块安装在移动终端，用于接收当前空间杂波信号，从中过滤出定位点空间杂波信号，利用定位点空间杂波信号与数据库信息对比，室内定位解算模块分析计算出当前用户室内位置坐标；所述的移动终端设置有室内定位解算模块和接收当前空间杂波信号功能，也能同时存放定位点空间杂波信号与位置信息关联数据库，能更新数据库信息。

优选地，在图中的数据库能存放在单独服务器中，也能存放在移动终端中，供室内定位解算模块访问。

优选地，在图中的室内定位解算模块，能作为独立的智能移动终端程序形式，也能做为多种智能移动终端程序的功能模块形式。

优选地，在图中的室内定位解算模块同样适用于布设信标设备的室内定位方法。

优选地，在图中的定位点空间杂波信号为杂波信号的多种可量化特征，不局限于信号强度。

基于空间杂波信号的室内定位的详细流程为：

步骤1：使用移动终端设备采集室内空间不同位置处的空间杂波信号列表，并记录对应的位置坐标，即每个坐标点对应一个空间杂波信号列表；

步骤2：建立室内空间位置与空间杂波信号关联数据库，数据库至少应包含下述两类数据的一类或全部：A类数据.空间位置坐标及对应的空间杂波信号列表(见图2中方法一)；B类数据.空间不同杂波信号源位置坐标及辐射强度，(见图2中方法二)。

步骤3：用户使用智能手机等移动终端请求进行室内定位时，由移动终端接收当前位置处空间杂波信号；

步骤4：室内定位解算模块接收并整理移动终端获取的当前位置处空间杂波信号列表；

方法1：

步骤5-1：读取数据库空间位置杂波信号数据列表，即读取数据库中A类数据，包括空间位置坐标及该坐标对应的空间杂波信号列表；

步骤6-1：找出数据库与当前位置处空间杂波信号列表相似度最高的空间杂波信号列表对应的空间位置坐标；计算两个空间杂波信号列表相似度的方法可以是MAC地址重合度、强度相似度等评价指标，也可以是其他计算相似度的方法或改进方法；该步骤将得出一个或多个最相似位置坐标；

步骤7-1：对步骤6-1计算得出的一个或多个最相似位置坐标作加权平均计算；该步骤得出最相似位置坐标的加权平均值；计算加权平均值使用的权重系数依据具体选取的加权平均算法而定；

步骤8-1：获得当前位置坐标：将步骤7-1所得最相似位置坐标的加权平均值作为当前位置坐标。

方法2：

步骤5-2：读取数据库空间位置杂波信号源位置及辐射强度列表，即读取数据库中B类数据，包括室内空间各位置出收到的信号源标识、坐标、强度列表；

步骤6-2：使用当前各杂波信号强度及数据库所存相应信号源位置和辐射强度，估算各杂波信号对应的当前位置与信号源位置的距离；此步骤得到使用当前位置各杂波信号估算出的当前位置与信号源位置的距离列表；当前位置与各信号源位置的距离计算可以使用无线信号空间传播衰减公式；

步骤7-2：使用信号源位置与步骤6-2所得距离列表，用最小二乘法计算出距各信号源距离与步骤6-2所得距离列表偏差最小位置坐标，记为最小距离偏差坐标；

步骤8-2：获得当前位置坐标：将步骤7-2所得最小距离偏差坐标作为当前位置坐标。

A类数据：

假设选取的信号量化指标为信号强度RSSI、信号强度60s时间内采样均方差σ(也可以为其它信号量化指标)，第i处采样点坐标为(x_i，y_i)，i＝1，…，n，第i处采样点杂波信号数量为m；记第i处采样点杂波信号矩阵为Ai(3，m)，则采样点i处第k个信号的量化值向量即为矩阵A_i的第k行向量a_i，k：

a_i，k＝(MAC_k，RSSI_k，σ_k)_i(k＝1，…，m)(1)

A类数据结构如下表所示。

B类数据

假设选取的信号源量化指标为辐射强度RSSIO、辐射强度60s时间内采样均方差σ₀(也可以为其它信号量化指标)，第i处信号源坐标为(x_o，i，y_o，i)，i＝1，…，n，n为信号源总数；记信号源信息矩阵为B(3，n)，则第i处信号源信息向量即为矩阵B的第i行向量b_i：

b_i＝(MAC_i，RSSIO_i，σ_o，i，x_o，i，y_o，i)(i＝1，…，n)(2)

B类数据结构如下表所示：

方法一具体实施步骤：(见图2中方法一)

本步骤为对方法一步骤5-1至步骤8-1具体实施方法的详细描述。

1.记当前目标位置(x_p，y_p)，将移动终端接收到的当前位置空间杂波信号列表按照信号强度由大到小排序生成矩阵P，接收到的杂波信号数为m。

则第k个杂波信号：

其中：MAC_k为第k个信号的MAC地址；

RSSI_k为第k个信号的信号强度；

2.读取关联数据库中A类数据，按照式(1)格式生成第i个采样点杂波信息矩阵Ai(3，L)，其中L为第i个采样点杂波信号总数；

3.记MAC地址层重合度为RM，计算当前位置空间杂波矩阵P中第k个信号的MAC地址层重合度RM_k：

其中，MAC_i，j为第i处采集点L个杂波信号中第j个信号的MAC地址；

4.记RSSI信号强度层重合度为RR，计算当前位置空间杂波矩阵P中第k个信号的RSSI信号强度层重合度RR_k：

其中，

计算式(5)中，RSSI_k为当前位置空间杂波矩阵P中第k个信号的强度值；

RSSI_i，j为第i处采集点L个杂波信号中第j个信号的强度值；

5.计算当前位置空间杂波矩阵P与数据库与第i个采样点杂波信息矩阵Ai(3，L)的分层相似度RPA_i，由下式计算可得。

6.选取分层相似度RPAi最大的3个采样点，按照相似度由大到小顺序存入相似点坐标矩阵PC(2，3)。即

7.计算相似点坐标矩阵PC中3组坐标的欧氏空间平均值，作为当前位置坐标(x_p，y_p)。

以分层相似度RPAi最大的采样点坐标(x_max，1，y_max，1)为基准点，首先用式(8)计算3组相似点坐标的权重系数(θ₁，θ₂，θ₃)：

其中，d_s＝d₂+d₃；

根据(8)所得结果，用下式计算当前位置坐标(x_p，y_p)。

方法二具体实施步骤：(见图2中方法二)

本步骤为对方法二步骤5-2至步骤8-2之具体实施方法的详细描述。

1.记当前目标位置(x_p，y_p)，将移动终端接收到的当前位置空间杂波信号列表按照信号强度由大到小排序生成矩阵P，接收到的杂波信号数为m。

则第k个杂波信号：

其中：MAC_k为第k个信号的MAC地址；

RSSI_k为第k个信号的信号强度；

2.读取关联数据库中B类数据：按照式(2)格式，读取杂波信号源信息矩阵B(3，n)中(n为杂波信号源总数)，MAC地址与当前位置空间杂波信号矩阵P中MACk相同的信号源数据，将矩阵P扩充为m×6矩阵

其中p_k为矩阵P行向量，b_k为杂波信号源中MAC地址与p_k信号MAC地址相同的矩阵B行向量。

3.使用无线信号空间传播衰减公式，计算当前位置与各杂波信号源之间的距离。矩阵中第k个信号源与当前位置的距离dk由下式计算：

其中，fk为第k个信号源的信号频率，单位为MHz；

4.用最小二乘法计算出距各信号源距离与式(11)所得距离列表偏差最小位置坐标，即为最小距离偏差坐标，将该坐标作为当前目标位置坐标(x_p，y_p)的近似值。

当前目标点与各杂波信号源距离等式为：

从上式第一行起，分别减去最后一行，并整理得：

即：

AX＝b(13)

其中，

使用最小二乘法得：

式(14)所得结果近似作为当前位置坐标(x_p，y_p)。

尽管上述图文已经描述了本发明的优选实施例的说明，但本领域内的技术人员一旦得知了本创造性地概念，则可以对这些实施例做另外的变更和修改，所以，所附的权力要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的思想和范围，这样，尚若对本发明的这些修改和变形属于本发明权力要求及其等同技术范围之内，则本发明意图包含这些改动和变形在内。

Claims (5)

1.基于空间杂波信号的室内定位方法，由定位点空间杂波信号、空间杂波信号与位置信息关联数据库、室内定位解算模块、移动终端组成，其特征在于：所述的空间杂波信号为用户处于当前位置时，智能手机及其他移动终端能接收到现有的可量化信号，由现有的GPS信号、运营商3G/4G/5G信号、wifi信号、蓝牙信号、地磁信号的单一信号或多种信号组合；所述的空间杂波信号与位置信息关联数据库由室内空间位置坐标、室内空间布局及路径信息、室内空间杂波信号分布信息或空间杂波信号源位置及辐射强度信息组成，空间杂波信号与位置信息关联数据库存储有初始预置数据，也可具备数据学习能力随着存储数据量的提升改善数据精准度和信息量；所述的室内定位解算模块安装在移动终端，用于接收当前空间杂波信号，从中过滤出定位点空间杂波信号，利用定位点空间杂波信号与数据库信息对比，室内定位解算模块分析计算出当前用户室内位置坐标；所述的移动终端设置有室内定位解算模块和接收当前空间杂波信号功能，也能同时存放定位点空间杂波信号与位置信息关联数据库，能更新数据库信息。

2.如权利要求1所述的基于空间杂波信号的室内定位方法，其特征在于：所述的空间杂波信号与位置信息关联数据库能存放在单独服务器中，也能存放在移动终端中，供室内定位解算模块访问。

3.如权利要求1所述的基于空间杂波信号的室内定位方法，其特征在于：所述的室内定位解算模块，能作为独立的智能移动终端程序形式，也能做为多种智能移动终端程序的功能模块形式。

4.如权利要求1所述的基于空间杂波信号的室内定位方法，其特征在于：所述的室内定位解算模块同样适用于布设信标设备的室内定位方法。

5.如权利要求1所述的基于空间杂波信号的室内定位方法，其特征在于：所述的定位点空间杂波信号为杂波信号的多种可量化特征，不局限于信号强度。