CN105828297A - 一种基于距离纠正乘性因子的室内定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明采用的一种基于距离纠正乘性因子的室内定位方法。该方法与普通的基于接收信号强度的定位方法相比，在计算未知节点位置时引入了距离纠正乘性因子，在获取接收信号强度时将出现次数最多的接收信号强度值作为一段时间内的接收信号强度，并且在引入距离纠正乘性因子前提下，应用基于最小均方误差准则的误差函数和网格法计算未知节点的位置。该方法有效地提高定位的精确度和稳定性，而且对环境的变化有更好的适应性，算法的复杂度也较低。

Description

一种基于距离纠正乘性因子的室内定位方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，特别涉及一种距离纠正乘性因子室内定位方法。

背景技术

定位技术在生活中应用广泛，而室内也有着广阔的前景：在商业广告领域，得到移动用户确定的定位信息后，商家可以给自己周边的用户推送临近商铺的广告信息；在监狱中，监管人员可以采用室内定位技术实时掌握狱内人员的行踪动态；仓库管理中，某类物品的位置也可以在添加信息交换装置后，让管理员更好地分配管理物品。

最常见的GPS定位无法用于室内定位，目前多采用基于无线传感器网络的室内定位方法。在这些方法中，基于测距的定位方法有：有基于信号到达角度(AOA)的定位方法，基于信号到达时刻(TOA)的定位方法，基于信号到达时间差(TDOA)的定位方法以及基于接收信号强度(RSSI)的定位方法。其中，基于接收信号强度(RSSI)的定位方法是其中最常见的。这是由于，现在的无线传感器节点都有获取接收信号的强度的能力，这也表示获取RSSI信息几乎不需要额外的硬件开销。其原理是信号在传播的过程中会发生衰减，表现为信号的强度会随着离发射源距离的增大而减小。

基于信号接收强度的定位方法的基本原理是根据移动终端测得的信号强度，推算出发射端和移动终端之间的距离。当有三个或三个以上的已知位置的发射端锚节点，理论上就能找出一个点，它到所有发射端的距离均满足测得的距离值，这个点就是移动终端的位置。用方程组表示为：

但是由于环境(主要有障碍物和多径效应)，天线方向，发射装置与接收装置的相对运动(多普勒效应)，导致测出的距离值并不准确。此外，信号强度的衰减系数在同一室内环境的不同时间段，也会有所变化，导致计算距离的误差。所以方程组中的方程等式实际上并不满足，所以求解方程组得出的位置误差较大。需要一种方法，可以得到更精确的距离值，并且可以在测得的距离不准确的前提下，提高定位的精准度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的缺陷，提供一种基于距离纠正乘性因子的室内定位方法，以改善测量信号接收强度的不稳定性，完善解算位置的方程和算法，最终提高室内定位的精准度。

本发明为解决上述技术问题采用一种基于距离纠正乘性因子的室内定位方法包括：

1.通过连续测距寻找信号强度出现次数最多的值作为获取到的信号强度值，以降低测距不稳定性。

RSSI值和通信距离有着函数关系，它的值随着距离的增加相对越变小。信号衰减采用对数距离衰减模型，公式如下：

$\mathrm{RSSI}\left(d\right)=\mathrm{RSSI}\left(d_0\right)-10\mathrm{nlg}\frac{d}{d_0}+\mathrm{\ζ}$

为了计算简便，将d₀取值为1，ζ取值为0，则可将公式简化为：

RSSI＝A-10nlgd

根据信号强度，估算出待测移动设备和AP之间的距离

设备接收到的接收信号强度并不稳定，直接将接收信号强度瞬时值转化成距离会有着较大的误差。本方法在较短时间内多次接收信号强度，比如一秒内连续接收20次信号强度，然后选择接收信号强度值出现次数最多的值转化成距离。

2.引入距离纠正因子，以提高定位计算的精确度和提高算法的适应性。

使用三边测量法得到的方程组：

一般方法会直接解算方程组，由于等式右边的距离值并不准确，直接计算上述给出的方程组，必然导致得到的位置不准确。引入距离纠正因子n，n是一个介于0到a之间的正数。根据实验数据，n一般小于2，本方法将n的最大值定为2。引入距离纠正乘性因子的算法复杂度低，完全满足实际需求。

3.基于最小均方误差准则，引入误差函数f(x，y)，以提高位置计算的精确度。

将n引入三边测量法得到的方程组，得到新的方程组：

基于最小均方误差准则，引入误差函数：f(x，y)

$f(x,y)={({\left({x-x}_1\right)}^2+{\left({y-y}_1\right)}^2-{\mathrm{nd}}_1^2)}^2+{({\left({x-x}_2\right)}^2+{\left({y-y}_2\right)}^2-{\mathrm{nd}}_2^2)}^2+{({\left({x-x}_3\right)}^2+{\left({y-y}_3\right)}^2-{\mathrm{nd}}_3^2)}^2$

当f(x，y)最小时，方程左右差值的平方和最小，而此时的位置(x，y)就是位置未知节点的位置。

4、使用网格法计算误差函数f(x，y)，以保证函数可以在指定范围内得到最小值。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

采用一种基于距离纠正乘性因子的室内定位方法通过引入距离纠正因子和基于距离纠正因子的误差函数，有效地提高定位的精确度；通过连续测距寻找信号强度最大值，改善测距的不稳定性；利用网格法求出待测移动设备位置，可以保证在待测区域得到所求值。

附图说明

图1是本发明定位方法流程示意图。

图2是网格法计算误差函数流程示意图。

图3是实地测试结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，对基于距离纠正乘性因子的室内定位方法进行实施，具体流程如下：

(1)获取信号强度并转换成距离。在一秒内连续接收20次信号强度，然后选择接收信号强度值出现次数最多的值。本方法至少需要获得设备到三个不同位置AP点的距离。

(2)引入距离纠正乘性因子n和误差函数f(x，y)。

(3)初始化数据，将距离纠正乘性因子n设为0.1，设零时参数z＝10000，x(0)＝0，y(0)＝0；

(4)将距离纠正乘性因子n代入误差函数f(x，y)，调用网格法计算误差函数。网格法计算误差函数流程如图2所示；

(5)先将n加0.1，然后判断距离纠正系数n，如果n小于预定值，则重复步骤(4)；如果n已经达到预定值，则输出此时的(x(0)，y(0))即为得到的位置未知节点的位置。

如图2所示，对上述主流程步骤(4)中网格法计算误差函数进行实施，具体流程如下：

(1)设网格点坐标(x，y)＝(0，0)，即第一个网格点坐标；

(2)将n和网格点坐标代入误差函数f(x，y)计算，如果f(x，y)＜z，则将x的值赋予x(0)，将y的值赋予y(0)，将f(x，y)的值赋予z；

(3)判断网格点(x，y)，如果未到最后一个网格点，则顺移到下一个网格点，然后重复步骤(2)；如果已经到达最后一个网格点，等待主流程对距离乘性因子n大小的判断；

使用不同的方法进行实地测试，验证了本方法提升定位精确度的效果。在办公室内，随意取一位置进行测试，该位置的真实坐标为：(1.45，4.3)。使用边长为0.1m的网格。距离纠正乘性因子的范围(0，2)，每次间隔0.1。测试数据如图3所示：直接解算未添加距离纠正乘性因子的方程组，得到的位置为(-0.1176，6.7662)，误差为2.93米；用网格法解算未添加距离纠正乘性因子的误差函数，得到的位置为(0.1，7.5)，误差为3.47米；用本发明方法得到的位置为(1.3，4.9)，误差为0.62米。可见，使用本发明方法可以非常有效地提高定位精确度。

Claims (5)

1.一种基于距离纠正乘性因子的室内定位方法，包括布在区域中AP(AccessPoint,即无线接入设备)和移动设备，所述移动设备获取所述AP点的接收信号强度，并转化为距离，其特征在于还包括误差函数f(x，y)和距离纠正乘性因子，将所述距离值和所述距离纠正乘性因子代入所述误差函数，求解所述误差函数最小值，f(x，y)最小时的位置(x，y)即待测设备所在位置。

2.如权利要求1所述的基于距离纠正乘性因子的室内定位方法，其特征在于在较短时间内多次接收信号强度，然后选择出现次数最多的信号作为获取到的接收信号强度值，以此降低测距的不稳定性。

3.如权利要求1所述的基于距离纠正乘性因子的室内定位方法，其特征在于所述AP点的个数至少为3个。

4.如权利要求1所述的基于距离纠正乘性因子的室内定位方法，其特征在于引入误差函数f(x，y)，f(x，y)基于最小均方误差准则，以提高位置计算的精确度。

5.如权利要求1所述的基于距离纠正乘性因子的室内定位方法，其特征在于计算误差函数f(x，y)时使用网格法，以保证函数可以在指定范围内得到最小值。