CN105898863B - 一种基于toa的室内楼层定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于TOA的室内楼层定位方法，属于定位技术领域，通过控制AP的发射功率，能够根据定位AP所在的楼层号对待求MT所在的楼层位置进行预估计，然后对特定算法求得的MT楼层位置进行修正，实现了待求MT的楼层定位，所采用的定位AP少，降低了系统负担，节约了定位的成本，定位AP的布置简单快速，定位原理简单，且定位准确度高，不用考虑收发机增益的差异，降低了对收发机天线的物理要求，定位复杂度低，不用为待定位的多楼层建筑事先建立数据库，简化了定位的过程，可移植性高，可以和各种不同的平面定位方法相结合实现待定位目标的三维空间定位。

Description

一种基于TOA的室内楼层定位方法

技术领域

本发明属于定位技术领域，尤其是室内楼层的定位方法。

背景技术

现代生活中，人们的日常工作、休闲、娱乐等越来越多地集中于高层楼宇中，因此，楼层及其包含的信息逐渐受到人们的关注。当用户处于商业中心、车站等建筑结构复杂、人员密集的室内环境时，往往不能快速地确定自己所处的楼层位置，这时就希望通过定位应用获取相关楼层信息。近几年，室内平面定位技术日趋成熟，各种平面定位系统层出不穷。然而，在实际定位需求中，二维平面的室内定位技术往往无法满足用户的定位需求，这样的情况下，三维定位逐渐成为新的研究热点，而楼层定位对于未来生活中的三维定位将起到很大的作用，因为很多时候楼层信息比具体的高度信息更具有实用价值。

目前，国内外对于楼层定位方面所做的研究还不是很多。现如今的楼层定位方法大多是基于位置指纹库的，需要事先对特定的场景进行采样，建立比较完善的指纹库。该方法虽然能够达到一定的定位准确度，但是其前期准备工作耗费时间长，需要的定位节点(Access Point，AP)多，成本高，并且定位精度与所建指纹库数据的完善程度密切相关，还需定期更新指纹数据库，因此并不适合大范围推广应用

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种简单易实现的基于到达时间(TOA，Time Of Arrival)的室内楼层定位方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

步骤1：楼层定位AP布局

将楼层地板及天花板所在平面视为与水平面平行，对楼层AP的布局作如下假定：

在各楼层天花板的下表面上每间隔不超过20m固定布置一个AP，每个AP的坐标信息均为已知并存储于AP中；位于相邻两楼层天花板的两个AP作为一组参与定位的AP，二者水平距离不超过0.6m，即位于不同楼层的两个AP在同一水平面上的投影点间的距离不超过0.6m；

步骤2：AP功率控制

调节AP的发射功率，令其发出的无线信号能够覆盖AP所在楼层及其相邻的两个楼层，即保证位于任一楼层的MT它不仅能够检测到本楼层AP发出的无线信号，还能够检测到上一楼层以及下一楼层AP发出的无线信号；在满足上述条件的前提下，使得AP的发射功率尽可能小，以降低无线信号之间的相互干扰；

步骤3：TOA数据收集

待定位的MT接入到建筑内的无线网络后，接收来自所有AP的无线信号，选出其中信号强度最高即接受信号强度指示(RSSI，Received Signal Strength Indication)值之和最大的一组AP作为本次定位所用的AP(AP₀，AP₁)，并计算这组AP发出的无线信号到达MT所经历的时间(t₀，t₁)；

步骤4：楼层预估计

根据步骤3所选本次定位AP所在的楼层号对MT所在的楼层位置进行预估计，缩小MT的定位范围，具体包括以下两步：

1)确定AP₀、AP₁所在的楼层号分别为F₀、F₁，设F₁>F₀；

2)将MT所在的楼层号预估计为AP₀或AP₁所在的楼层号即F₀或F₁；

步骤5：MT竖直坐标的求解

根据AP0和AP1分别到MT的时间值t₀和t₁，建立球面方程，求得MT的竖直坐标；所属方程由空间中的欧式距离公式建立，方程如下：

以建筑物一楼的地板所在平面为xoy平面建立空间直角坐标系，其中，(x₀,y₀,z₀)为参与定位的AP₀的坐标，(x₁,y₁,z₁)为参与定位的AP₁的坐标，(x,y,z)为待求MT的坐标，l₀＝c×t₀为AP₀到MT的距离，l₁＝c×t₁为AP₁到MT的距离，其中c为光速；

公式(1)和公式(2)的求解过程如下：

若公式(1)和公式(2)刻画的两球面相切，则切点的z坐标即为待求MT的竖直坐标；

若公式(1)和公式(2)刻画的两球面相交，则其交线为一圆形，可分以下两种情况讨论：

1)当AP0，AP1水平面坐标相同时，圆形所在平面上任意一点的z坐标处处相等，故可用该平面上任意一点的z坐标作为待求MT的竖直坐标；

2)当AP₀，AP₁水平面坐标不同时，圆形所在平面上z坐标并不是处处相等，在两AP水平面坐标偏差ε≤0.6m的情况下用相交圆的圆心的z坐标代替待求MT的竖直坐标，其中

综合1)、2)所述，待求MT的竖直坐标z_⊥具体由下式确定：

步骤6：楼层判断

利用已求得的MT的竖直坐标并结合步骤4中的楼层预估计，最终判断出MT的楼层位置，具体判断方法为：

1)利用步骤5得到的MT的竖直坐标初步计算其所在的楼层号为F_M，计算方法如下：

设每层楼的高度即相邻两楼层地板间距为h，每层楼的夹层厚度即每一楼层的天花板到上一楼层的地板之间的距离为H；

①令q＝[z_⊥/h]，r＝z_⊥-q×h，其中[ ]为取整运算符；

②若r≤h-H/2，则F_M＝q+1，反之，F_M＝q+2；

2)若F_M＝F₀或者F_M＝F₁，则F_M即为MT所在的楼层号；

3)若F_M>F₁，则将F_M修正为F₁，F₁即为MT所在的楼层号；

4)若F_M<F₀，则将F_M修正为F₀，F₀即为MT所在的楼层号；

至此，可获得多楼层环境中MT的楼层定位。

本发明的有益效果是通过控制AP的发射功率，从而能够根据定位AP所在的楼层号对待求MT所在的楼层位置进行预估计，然后对特定算法求得的MT楼层位置进行修正，实现了待求MT的楼层定位，所采用的定位AP少，降低了系统负担，节约了定位的成本；定位AP的布置简单，快速；定位原理简单，且定位准确度高；不用考虑收发机增益的差异，降低了对收发机天线的物理要求；定位复杂度低，不用为待定位的多楼层建筑事先建立数据库，简化了定位的过程；可移植性高，可以和各种不同的平面定位方法相结合实现待定位目标的三维空间定位。

附图说明

图1是本发明提供的室内楼层定位方法流程图。

图2是两AP水平面坐标相同时定位示意图，其中MT(x，y，z)为移动终端坐标，AP1(x₁,y₁,z₁)为AP1的坐标，AP0(x₀,y₀,z₀)为AP0的坐标；

图3是两AP水平面坐标不同时定位示意图。

图4是楼层定位过程示意图，其中，h为每层楼的高度即相邻两楼层地板间距，H为每层楼的夹层厚度即每一楼层的天花板到上一楼层的地板之间的距离。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

多楼层建筑中我们主要关心移动终端(MT，Mobile Terminal)在第几楼层，所以如何采用较少的定位AP来确定MT的竖直坐标，进而确定其所在楼层是一个非常重要的问题，本发明提供了一种简单易实现的基于TOA的室内楼层定位方法。

步骤1：楼层定位节点(AP，Access Point)布局

针对现有的传统多楼层建筑的构造情况，将楼层地板及天花板所在平面视为与水平面平行，对楼层AP的布局作如下假定：

在各楼层天花板的下表面上每间隔不超过20m固定布置一个AP，每个AP的坐标信息均为已知并存储于AP中；位于相邻两楼层天花板的两个AP作为一组参与定位的AP，二者水平距离不超过0.6m，即位于不同楼层的两个AP在同一水平面上的投影点间的距离不超过0.6m；

步骤2：AP功率控制

由于AP发出的无线信号在穿透楼层时会有明显损耗，故可调节AP的发射功率，保证其发出的无线信号能够穿透一个楼层而被MT正常接收，即令AP发出的无线信号能够覆盖AP所在楼层及其相邻的两个楼层；在满足上述条件的前提下，使得AP的发射功率尽可能小，以降低无线信号之间的相互干扰；

步骤3：TOA数据收集

待定位的MT接入到建筑内的无线网络后，接收来自所有AP的无线信号，选出其中信号强度最高即接受信号强度指示RSSI值之和最大的一组AP作为本次定位所用的AP(AP₀，AP₁)，并计算这组AP发出的无线信号到达MT所经历的时间(t₀，t₁)；

步骤4：楼层预估计

根据定位AP所在的楼层号对MT所在的楼层位置进行预估，缩小MT的定位范围；具体包括以下两步：

1)确定AP₀、AP₁所在的楼层号分别为F₀、F₁，设F₁>F₀；

2)预估计MT所在的楼层号为F₀或F₁；

步骤5：MT竖直坐标的求解

根据AP₀和AP₁分别到MT的时间值t₀和t₁，建立球面方程，求得MT的竖直坐标；

所属方程由空间中的欧式距离公式建立，方程如下：

以第一楼层地板所在平面为xoy平面建立空间直角坐标系；其中，(x_i,y_i,z_i)分别为参与定位的AP_i(i＝0,1)的坐标，(x,y,z)为待求MT的坐标，l_i＝c×t_i(i＝0,1)，c为光速；

具体求解过程如下：

若两球面相切，则切点的z坐标即为待求MT的竖直坐标；若两球面相交，则其交线为一圆形，可分以下两种情况讨论：

1)当AP₀，AP₁水平面坐标相同时，如图2所示，圆形所在平面上任意一点的z坐标处处相等，故可用该平面上任意一点的z坐标作为待求MT的竖直坐标；

2)当AP₀，AP₁水平面坐标不同时，如图3所示，圆形所在平面上z坐标并不是处处相等，由于只是确定MT位于哪一楼层，对z的精度要求并不是很高，在两AP水平面坐标偏差ε较小的情况下可以用相交圆圆心的z坐标代替待求MT的竖直坐标；

综合1)、2)所述，待求MT的竖直坐标z_⊥具体由下式确定：

步骤6：楼层判断

利用已求得的MT的竖直坐标并结合楼层预估计，最终判断出MT的楼层位置；具体方法为：

1)利用MT的竖直坐标初步判断其所在的楼层号为F_M；

2)若F_M＝F₀或者F_M＝F₁，则F_M即为MT所在的楼层号；

3)若F_M>F₁，则将F_M修正为F₁，F₁即为MT所在的楼层号；

4)若F_M<F₀，则将F_M修正为F₀，F₀即为MT所在的楼层号；

以下实施实例中设定建筑物为4楼层商城，如图4所示，商城内每层楼的高度h＝5m；每层楼的夹层厚度H＝1.2m，各楼层H的值可随用户的需求而改变，待定位MT位于第3楼层即3F。

实施实例一：

实施实例一中，待定位MT所处的真实高度h₀＝11.3m。

步骤1.AP按步骤1布局，4个AP的坐标分别为AP₁(0，0，3.5)、AP₂(0.1，0.2，8.5)、AP₃(0.2，0.1，13.5)、AP₄(0.1，0.1，18.5)，只考虑每一楼层仅有一个AP的情况(每一楼层布置有多个AP时定位方法不变，不再额外论述)并且AP功率控制如步骤2所述；

步骤2.MT接入到商城内的无线网络后，接收到3个AP发出的无线信号，分别是AP₂，AP₃和AP₄，这3个AP可以构成两组定位AP：AP₂与AP₃以及AP₃与AP₄，其中，信号强度最高的一组AP为AP₂与AP₃；

步骤3.选择用AP₂与AP₃参与定位，并计算这组AP发出的无线信号到达MT所经历的时间t₂和t₃；

步骤4.通过两AP的坐标信息确定两AP分别位于2F和3F，进而预估MT位于2F或3F；

步骤5.计算AP₂、AP₃分别到MT的距离，建立相关球面方程，并由步骤5求解MT的竖直坐标，解得MT的竖直坐标为11.1；

步骤6.由MT的竖直坐标和每一层楼的高度易得q＝2，r＝1.1，因为r≤4.4，故初步计算出MT的楼层号F_M＝3F；将F_M与预估计的楼层号相比较，发现F_M恰好是预估计的楼层号中的一个，最终将MT定位到3F。

通过以上步骤实现了MT在多楼层建筑内的楼层定位。

实施实例二：

实施实例二中，待定位MT所处的真实高度h₀＝11.5m。

步骤1.AP按步骤1布局，4个AP的坐标分别为AP₁(0，0，3.5)、AP₂(0.1，0.4，8.5)、AP₃(0.1，0.2，13.5)、AP₄(0.2，0.2，18.5)，只考虑每一楼层仅有一个AP的情况(每一楼层布置有多个AP时定位方法不变，不再额外论述)并且AP功率控制如步骤2所述；

步骤2.MT接入到商城内的无线网络后，接收到3个AP发出的无线信号，分别是AP₂，AP₃和AP₄，这3个AP可以构成两组定位AP：AP₂与AP₃以及AP₃与AP₄，其中，信号强度最高的一组AP为AP₂与AP₃；

步骤3.选择用AP₂与AP₃参与定位，并计算这组AP发出的无线信号到达MT所经历的时间t₂和t₃；

步骤4.通过两AP的坐标信息确定两AP分别位于2F和3F，进而预估MT位于2F或3F；

步骤5.计算AP₃、AP₄分别到MT的距离，建立相关球面方程，并由步骤5求解MT的竖直坐标，解得MT的竖直坐标为15.1；

步骤6.由MT的竖直坐标和每一层楼的高度易得q＝3，r＝0.1，因为r≤4.4，故初步计算出MT的楼层号F_M＝4F；将F_M与预估计的楼层号相比较，发现F_M大于预估计的楼层号中最大的楼层号3F，将F_M修正为3F，最终将MT定位到3F。

通过以上步骤实现了MT在多楼层建筑内的楼层定位。

实施实例三：

实施实例三中，待定位MT所处的真实高度h₀＝10.8m。

步骤1.AP按步骤1布局，4个AP的坐标分别为AP₁(0，0，3.5)、AP₂(0.2，0.3，8.5)、AP₃(0.1，0.1，13.5)、AP₄(0.1，0.2，18.5)，只考虑每一楼层仅有一个AP的情况(每一楼层布置有多个AP时定位方法不变，不再额外论述)并且AP功率控制如步骤2所述；

步骤2.MT接入到商城内的无线网络后，接收到3个AP发出的无线信号，分别是AP₂，AP₃和AP₄，这3个AP可以构成两组定位AP：AP₂与AP₃以及AP₃与AP₄，其中，信号强度最高的一组AP为AP₃与AP₄；

步骤3.选择用AP₃与AP₄参与定位，并计算这组AP发出的无线信号到达MT所经历的时间t₃和t₄；

步骤4.通过两AP的坐标信息确定两AP分别位于3F和4F，进而预估MT位于3F或4F；

步骤5.计算AP₃、AP₄分别到MT的距离，建立相关球面方程，并由步骤5求解MT的竖直坐标，解得MT的竖直坐标为9.5；

步骤6.由MT的竖直坐标易知和每一层楼的高度易得q＝1，r＝4.5，因为r＞4.4，故初步计算出MT的楼层号F_M＝3F；将F_M与预估计的楼层号相比较，发现F_M恰好是预估计的楼层号中的一个，最终将MT定位到3F。

通过以上步骤实现了MT在多楼层建筑内的楼层定位。

对于MT位于其它楼层的情况，其具体实施方式与MT位于3F的情况类似，这里不再赘述。

Claims (1)

1.一种基于TOA的室内楼层定位方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1：楼层定位AP布局

将楼层地板及天花板所在平面视为与水平面平行，对楼层AP的布局作如下假定：

在各楼层天花板的下表面上每间隔不超过20m固定布置一个AP，每个AP的坐标信息均为已知并存储于AP中；位于相邻两楼层天花板的两个AP作为一组参与定位的AP，二者水平距离不超过0.6m，即位于不同楼层的两个AP在同一水平面上的投影点间的距离不超过0.6m；

步骤2：AP功率控制

调节AP的发射功率，令其发出的无线信号能够覆盖AP所在楼层及其相邻的两个楼层，即保证位于任一楼层的MT它不仅能够检测到本楼层AP发出的无线信号，还能够检测到上一楼层以及下一楼层AP发出的无线信号；在满足上述条件的前提下，使得AP的发射功率尽可能小，以降低无线信号之间的相互干扰；

步骤3：TOA数据收集

待定位的MT接入到建筑内的无线网络后，接收来自所有AP的无线信号，选出其中信号强度最高即接受信号强度指示(RSSI，Received Signal Strength Indication)值之和最大的一组AP作为本次定位所用的AP(AP₀，AP₁)，并计算这组AP发出的无线信号到达MT所经历的时间(t₀，t₁)；

步骤4：楼层预估计

根据步骤3所选本次定位AP所在的楼层号对MT所在的楼层位置进行预估计，缩小MT的定位范围，具体包括以下两步：

1)确定AP₀、AP₁所在的楼层号分别为F₀、F₁，设F₁>F₀；

2)将MT所在的楼层号预估计为AP₀或AP₁所在的楼层号即F₀或F₁；

步骤5：MT竖直坐标的求解

根据AP0和AP1分别到MT的时间值t₀和t₁，建立球面方程，求得MT的竖直坐标；所属方程由空间中的欧式距离公式建立，方程如下：

以建筑物一楼的地板所在平面为xoy平面建立空间直角坐标系，其中，(x₀,y₀,z₀)为参与定位的AP₀的坐标，(x₁,y₁,z₁)为参与定位的AP₁的坐标，(x,y,z)为待求MT的坐标，l₀＝c×t₀为AP₀到MT的距离，l₁＝c×t₁为AP₁到MT的距离，其中c为光速；

公式(1)和公式(2)的求解过程如下：

若公式(1)和公式(2)刻画的两球面相切，则切点的z坐标即为待求MT的竖直坐标；

若公式(1)和公式(2)刻画的两球面相交，则其交线为一圆形，可分以下两种情况讨论：

1)当AP0，AP1水平面坐标相同时，圆形所在平面上任意一点的z坐标处处相等，故可用该平面上任意一点的z坐标作为待求MT的竖直坐标；

2)当AP₀，AP₁水平面坐标不同时，圆形所在平面上z坐标并不是处处相等，在两AP水平面坐标偏差ε≤0.6m的情况下用相交圆的圆心的z坐标代替待求MT的竖直坐标，其中

综合1)、2)所述，待求MT的竖直坐标z_⊥具体由下式确定：

步骤6：楼层判断

利用已求得的MT的竖直坐标并结合步骤4中的楼层预估计，最终判断出MT的楼层位置，具体判断方法为：

1)利用步骤5得到的MT的竖直坐标初步计算其所在的楼层号为F_M，计算方法如下：

设每层楼的高度即相邻两楼层地板间距为h，每层楼的夹层厚度即每一楼层的天花板到上一楼层的地板之间的距离为H；

①令q＝[z_⊥/h]，r＝z_⊥-q×h，其中[]为取整运算符；

②若r≤h-H/2，则F_M＝q+1，反之，F_M＝q+2；

2)若F_M＝F₀或者F_M＝F₁，则F_M即为MT所在的楼层号；

3)若F_M>F₁，则将F_M修正为F₁，F₁即为MT所在的楼层号；

4)若F_M<F₀，则将F_M修正为F₀，F₀即为MT所在的楼层号；

至此，可获得多楼层环境中MT的楼层定位。