CN106162555B - 室内定位方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种室内定位方法及系统，其中室内定位方法包括：初步测距、定位范围和距离修正后精确定位，其中以信号损耗估计误差最小的墙体组合为参数修正测距信息以计算得到精确室内定位坐标。采用了该发明中的室内定位方法及系统，充分利用了室内环境中建筑结构固定且唯一的信息，依据建筑结构和墙体不同的建筑材料对信号的衰减不同，对测量得到的信号进行拟合，寻找各位置区域所对应的信号损耗估计误差最小的最优墙体组合，得到墙体干扰无线信号传播的时延信息，以此对距离测量值进行校正，改善了室内环境下由于各种墙体间的阻隔导致已有定位算法精度不高的问题，本方法复杂度适中，能够得到室内复杂环境下更为精确的定位结果。

Description

室内定位方法及系统
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及无线传感网络的定位，具体是指一种室内定位方法及系统。
背景技术
随着现代生活方式的改变，室内定位的应用越来越多，监狱、消防、医院里的定位应用尤其广泛。由于室内定位面临着复杂的传播环境，房间结构的不同、建筑材料的差异都会对信号的传播产生影响，信号的穿墙、绕射、折射传播会导致非视距NLOS误差，因此一般的直接定位方法都不太适用。
传统定位方法是先估计移动站和基站之间的距离，然后通过一些基于几何测量的算法实现位置信息的估计，因此，距离估计是定位算法的基础。如，在到达时间法(Time ofArrival，TOA)测量中，信号节点之间的距离是通过测量信号传播时间与信号传播速度的乘积获得的；到达时间差法(Time Difference of Arrival，TDOA)测量中，不同信号节点之间的距离差通过测量信号到达多个接收节点的时间差来获得；接收信号强度测量则依据信号的传播损耗模型推导出信号节点直接的距离。上述传统定位方法虽然具有算法简单，容易实现，对系统硬件要求较低等特点，但由于对距离的估计容易受到多径效应，非视距环境的信号衰减和特殊环境等因素的影响，信号的传播很难以模型的方式给出准确的预测，距离估计有较大误差，导致了位置信息的估计不准确，复杂环境下的非视距(Non Line ofSight，NLOS)传播是造成TOA及TDOA测距误差的主要原因。一般此类方法仅能适用于室外的定位环境，在室内的定位精度将大大降低。
通常，在室内定位方法中，有基于建筑物规则结构信息的室内定位方法，该方法是利用惯性传感器实现初步定位，然后利用建筑结构内的先沿方向进行校正，然后采用重采样得到修正的轨迹。也有一种室内定位方法，采用建立信号数据库的方法，实现对终端进行建筑物室内水平定位、室内垂直定位以及室内定位与户外GPS定位之间的无缝切换。有针对室内超宽带穿墙定位中的NLOS误差消除的方法，该方法建立了信号的穿墙传播模型，基于该模型减小NLOS误差，能够有效减小误差并提高对目标的定位精度，为实际系统的布设提供了理论依据。有基于脉冲超宽带IR-UWB定位系统距离误差建模及性能研究，结合IR-UWB信号穿墙传播几何结构，理论推导了穿墙额外传播时延导致的几何距离误差限。基于雷达探测技术的穿墙定位方法中，利用两接收通道下的目标距离和得到目标虚拟位置，基于已知的墙体参数求得该虚拟目标的虚拟距离和，以此校正实际距离，完成目标定位。也有穿墙定位中采用超宽带穿墙雷达实现的，利用多通道天线测量参数估计针对未知墙体参数情况下对目标物体进行位置估计。
但是以上的一些方法存在一些弊端：1、采用了惯性传感器的室内定位方法需要确定室内运动目标的初始位置及初始方向等信息，具有局限性。2、指纹定位需要进行大量的信号强度检测并进行存库，可移植性不强，且复杂的室内环境会使定位精度并不高。3、在对墙体引起的NLOS误差分析中，只针对了单一墙体对信号的时延影响，精度较差。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种能够充分利用墙体结构实现高精度定位的室内定位方法及系统。
为了实现上述目的，本发明的一个发明目的是提供一种室内定位方法：
所述室内定位方法包括：初步测距、定位范围和距离修正后精确定位，其中以信号损耗估计误差最小的墙体组合为参数修正测距信息以计算得到精确室内定位坐标。
优选的，信号损耗估计误差最小的墙体组合通过同一定位信号所发射的无线信号墙体衰减系数获得，组合信息至少包括墙体材质、数量和厚度等信息，其中墙体衰减系数为根据无线电信号在通过不同的墙体组合时产生的能量衰减值。
优选的，定位方法包括：
s1：布设完全覆盖待测室内环境的足够数目基站；
s2：测量移动台与基站之间的距离，确定移动台的初步位置及移动台可能存在的位置区域；
s3：对移动台可能存在的位置区域进行分区，同一区域内经过墙体的信号损耗程度相同；
s4：选择信号损耗估计误差最小的墙体组合对移动台与基站之间的距离进行修正更新，获得移动台与基站间精确的距离及定位坐标；
s5：当移动台移动时，重复步骤s2至s5。
更优选的，移动台位置区域的确定方法为：
通过定位算法对移动台初次定位，得到初始坐标，以初始坐标为位置区域中心，对移动台进行误差统计分析，以分析结果的值为半边长或半径，绘制移动台的位置区域；或者，收集不同基站接收的位置信息，确定移动台的位置区域，确定方法如最大似然法等。
进一步优选的，测量移动台与基站之间距离的方法包括：
飞行时差测距法、到达时间法、到达时间差法、接收信号强度指示法、到达角度法或方向角法。
更优选的，分区具体过程为：
s31：对室内墙体结构系数及墙体节点建立墙体结构矩阵，结构矩阵A为其中aij＝attibi为结构系数；bi为墙体厚度；atti为能量衰减常数；
s32：遍历所有墙体交点，找寻属于移动台的位置区域内的墙体交点，根据结构矩阵确定对应墙体交点的墙体结构系数、墙体厚度及墙体类型，利用墙体分割移动台的位置区域，得到若干子区域；
s33：某一基站与移动台确定一个区域，遍历墙体交点，找寻该区域内的墙体交点，根据此墙体交点继续划分移动台位置范围区域，得到若干划分后的区域，划分后的每一块区域对应着该区域的移动台到该基站间信号损耗程度相同的墙体组合类型；
s34：遍历所有基站，得到最终切割的移动台位置区域得到的区域划分图。
进一步优选的，基站与移动台的区域确定方法为：
在移动台位置区域范围内找一个点，可以为质心、几何中心，也可以是定位初始点，以该点与基站之间的连线为对角线，确定一矩形区域，遍历墙体交点，找寻该区域内的墙体交点，根据此墙体交点继续划分移动台位置范围区域，得到若干划分后的区域，划分后的每一块区域对应着该区域的移动台到该基站间信号损耗程度相同的墙体组合类型；或者，
在移动台位置区域范围内找一个点，可以为质心、几何中心，也可以是定位初始点，以该点与基站之间的连线中点为圆心，确定一直径大于连线值的圆形区域，圆心在连线上，圆形区域可覆盖基站与移动台，遍历墙体交点，找寻该区域内的墙体交点，根据此墙体交点继续划分移动台位置范围区域，得到若干划分后的区域，划分后的每一块区域对应着该区域的移动台到该基站间信号损耗程度相同的墙体组合类型。
更优选的，信号损耗估计误差最小的墙体组合z的计算方法如下：
其中为传播损耗；m为基站的数量；为DP(Direct Path)下到达接收天线的距离，d0为参考位置与发送天线的距离，是DP(Direct Path)在接收天线处的接收能量(dBm)；是DP(Direct Path)在参考位置处的接收能量(dBm)。
更优选的，根据经典路径损耗模型，估计的传播损耗与墙体组合损耗进行比较，估计误差最小的墙体组合为最优墙体组合。
进一步优选的，移动台与基站之间的距离信息的修正过程具体为：
s41：首先计算墙体结构系数、墙体厚度产生的墙体附加时延，乘以光速，得到修正的距离值，利用修正的距离值对已经观测到的距离进行修正；
s42：根据更新后的距离，通过基于测距的定位算法对移动台位置进行二次求解，得到更为精确的位置坐标。
作为一种优选的实施方式，附加时延Δτ的计算方法如下：
其中bw表示墙体w的厚度，εw是墙体w的介电常数，w是墙体数量，τ表示LOS(Line ofSight)下的无线定位参数值，τ′表示NLOS(Non Line of Sight)下的无线定位参数值，Δτ表示附加时延。
进一步的，定位算法选自：
三边定位法、三角质心法、最小二乘法、CHAN算法、半定松弛SDP算法、SOCP(Second-order Cone Programming)、欧氏距离阵定位算法或广义信赖域子问题GTRS(Generalized Trust Region Subproblem)算法。
本发明的另一目的是提供一种采用室内定位方法的室内定位系统，包括：基站以及移动台；
移动台包含通信模块及测距模块，主要定时向基站发送无线信号，其中通信模块用于进行呼叫、位置上报等功能；测距模块用于发射或接收可穿过不同墙体组合的测距信号；
基站包含通信模块及信息处理模块，负责与移动台的通信及位置解算，通过接收移动台发射的带有特定距离信息的无线信号，并将距离信息上传至定位服务器，同时用于与移动台之间进行信息传递，多个基站布设在可完全覆盖待测室内环境处。
优选的，移动台为用户终端设备，移动台位置不固定。
更优选的，基站位置固定，根据室内墙体结构的不同，定位同一楼层的二维坐标则基站数量至少为3个，三维坐标则基站的数量至少为4个。
采用了该发明中的室内定位方法及系统，首先采用定位算法求解移动台的初步位置，并估计出位置区域，充分利用了室内环境中建筑结构固定且唯一的信息，依据不同建筑结构对信号的衰减不同，以及测量得到的信号衰减的能量，得到不同区域的点到基站间穿过的墙体数量及类型，找寻各个位置区域所对应的最优墙体组合，然后利用不同的建筑结构对信号的衰减的不同可以得到不同的时延信息，得到墙体干扰时延信息，以此对距离测量值进行校正，利用此时延信息更新原始测量距离，并再次采用定位算法求解移动台位置，克服了NLOS环境复杂情况下定位精度严重受干扰的问题，并解决了室内环境下由于各种墙体间的阻隔导致普通定位算法精度不高的问题。本方法复杂度适中，能够得到室内复杂环境下更为精确的定位结果，本方法可适用于各类型的室内定位方法，在取得初步位置信息后，采用本发明的定位方法的位置精度均优于各类型的室内定位方法。
附图说明
图1为本发明的室内定位方法流程图；
图2为本发明的室内定位方法在NLOS情形下的信号穿墙传播结构示意图；
图3为本发明的室内定位方法的室内建筑结构中定位系统示例图；
图4为本发明的室内定位方法的移动台的区域切割示例图；
图5为本发明的室内定位方法的移动台的子区域示例图；
图6为本发明的室内定位方法的仿真结果图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
如图2所示，室内定位由于墙体的阻隔，在NLOS情形下的信号穿墙传播结构会发生变化，其中穿过墙体后的信号损耗由于墙体结构和种类的不同各不相同。因此在本发明中，在室内环境一定的情况下，针对室内的某一点，可以将信号损耗相同的区域进行分区，根据不同的区域选择损耗最小的墙体组合作为最优墙体组合，对移动台的位置信息及距离信息进行修正，在不增加定位步骤的过程中，仅通过对数据的分析和处理，得到更新后的精确坐标，从而达到对室内移动台的准确定位。
如图3所示，本实施案例中，以一个室内环境的平面图区域(14m*8m)来描述，图中黑色粗实线表示着墙面，整个区域的四个角分别布设四个基站，基站通过TOA技术测量与移动台间的距离。
如图1流程图所示，本发明的一种室内定位方法及系统可按照如下步骤实现：
s1：采用广义信赖域子问题(GTRS)算法对移动台进行初步测距定位，得到初步位置坐标以此坐标为中心，以GTRS算法得到的均方根误差值为半边长，确定移动台的估计位置区域，如图3所示，方形范围即为移动台位置范围；
其中，定位的具体过程为：
通过TOA技术，得到移动台到四个基站之间的时间，则测量距离可由光速C与测量参数信号传播时间τi相乘得到：
di＝τi×C (1)
在此采用广义信赖域子问题(GTRS)算法对移动台位置进行初步定位，
其中p为移动台的坐标，qi为基站的坐标。
s2：对估计位置区域进行切割划分。
设移动台为a0(x0,y0)，墙体交点为Cn，基站为An，在移动台位置区域范围内，遍历所有墙体交点判断是否在移动台位置区域范围内，然后根据结构矩阵确定对应墙体交点的墙体，将墙体分割该区域；如图4所示，移动台a0的位置范围为S1，该区域内的墙体交点有C6，对应的墙体有C4-C6、C6-C9和C6-C7，切割区域S1，得到三个子区域r1、r2、r3；选取基站A1，基站A1与移动台a0之间可确定一个矩形区域S2，遍历所有墙体交点，在区域S2和S1内的有墙体交点C6，连接基站A1与交点C6作一条切割线，将墙体区域继续划分为r1、r2、r3、r4、r5五个区域；依次选取其他基站A2、A3、A4，找寻区域内的墙体交点，对应切割线，继续切割区域S1；如图5所示，为最终切割的子区域示例图，得到一系列切割后的子区域，经过区域切割以后，子区域内的点到对应基站Ai间穿过墙体的数量及总类的组合唯一，因而可以得到有限个墙体组合，整合起来，组成一个有限集。
s3：找寻最符合能量损耗条件的小区域，利用该区域对应的组合墙体的结构信息辅助更新，得到更新后的距离信息；
具体的，利用墙体组合更新测距信息的过程如下：
s3(a)：根据信号传播的经典路径损耗模型，遍历上一步得到墙体组合有限集，找到使得能量损耗Z最小的组合，即为最匹配的墙体组合。
其中，为传播过程中消耗的能量；为DP(Direct Path)下到达接收天线的距离，d0为参考位置与发送天线的距离，是DP(Direct Path)在接收天线处的接收能量；是DP(Direct Path)在参考位置处的接收能量。
s3(b)：利用上一步得到的墙体组合可以确定移动台到相应基站穿过墙体的数量及总类，从而可以利用公式(2)和公式(2)修正测量的距离。如下：
di′＝(τ′-Δτ)·C (5)
其中bw表示墙体w的厚度，εw是墙体w的介电常数，w是墙体数量，τ表示LOS(Line ofSight)下的TOA(Time of Arrival)值，τ′表示NLOS(Non Line of Sight)下的TOA(Time ofArrival)值，Δτ表示附加时延。
s4：根据更新后的距离信息，再次采用GTRS定位算法求解，得到修正后的位置坐标。
如图6所示的仿真测量结果，其中虚线为模拟分区，具体的仿真数据如下表：
实际坐标在方形区域内的数据
实际坐标不在方形区域内的数据
有上表及图6可以看出，当方形区域较大一点(取决于我们取的半径R)，使其整个区域能够覆盖到真实坐标的话，那么定位后的坐标会更靠近真实位置；当方形区域较小，定位后的误差会稍大，但也会比原方法的定位更为精确。总而言之，采用此方法后，能够使定位后的坐标更接近于真实坐标。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (15)

1.一种室内定位方法，其特征在于，所述室内定位方法包括：初步测距、定位范围和距离修正后精确定位，其中以信号损耗估计误差最小的墙体组合为参数修正测距信息以计算得到精确室内定位坐标，信号损耗估计误差最小的墙体组合信息通过同一定位信号所发射的无线信号墙体衰减系数获得，组合信息至少包括墙体材质、数量和厚度等信息，其中墙体衰减系数为根据无线电信号在通过不同的墙体组合时产生的能量衰减值；具体的定位方法包括：
s1：布设完全覆盖待测室内环境的足够数目基站；
s2：测量移动台与基站之间的距离，确定移动台的初步位置及移动台可能存在的位置区域；
s3：对移动台可能存在的位置区域进行分区，同一区域内经过墙体的信号损耗程度相同；
s4：选择信号损耗估计误差最小的墙体组合对移动台与基站之间的距离进行修正更新，获得移动台与基站间精确的距离及定位坐标；
s5：当移动台移动时，重复步骤s2至s5。
2.根据权利要求1所述的室内定位方法，其特征在于，测量移动台与基站之间距离的方法包括：
飞行时差测距法、到达时间法、到达时间差法、接收信号强度指示法、到达角度法或方向角法。
3.根据权利要求1所述的室内定位方法，其特征在于，移动台位置区域的确定方法为：
s31：通过观测到的信号，通过极大似然法确定移动台的位置区域；
s32：通过定位算法对移动台初次定位，得到初始坐标，以初始坐标为位置区域中心，对移动台进行误差统计，以统计结果的值为半边长或半径，绘制移动台的位置区域。
4.根据权利要求1所述的室内定位方法，其特征在于，分区具体过程为：
s33：对室内墙体结构系数及墙体节点建立墙体结构矩阵，结构矩阵包含为结构系数、墙体厚度及能量衰减值；
s34：遍历所有墙体交点，找寻属于移动台的位置区域内的墙体交点，根据结构矩阵确定对应墙体交点的墙体结构系数、墙体厚度及墙体类型，利用墙体分割移动台的位置区域，得到若干子区域；
s35：某一基站与移动台之间直射信号所覆盖的范围确定一个区域，遍历墙体交点，找寻该区域内的墙体交点，根据此墙体交点继续划分移动台位置范围区域，得到若干划分后的子区域；
s36：遍历所有基站，得到最终切割的移动台位置区域得到的区域划分图。
5.根据权利要求4所述的室内定位方法，其特征在于，基站与移动台之间信号直射路径所在的区域确定方法为：
在移动台位置区域范围内找一个点，以该点与基站之间的连线为对角线，确定一矩形区域，遍历墙体交点，找寻区域内的墙体交点，利用墙体交点与基站间的连线划分移动台位置范围区域，得到若干划分后的子区域。
6.根据权利要求4所述的室内定位方法，其特征在于，基站与移动台之间信号直射路径所在的区域确定方法为：
在移动台位置区域范围内找一个点，以该点与基站之间的连线中点为圆心，确定一直径大于连线值的圆形区域，圆心在连线上，圆形区域可覆盖基站与移动台，遍历墙体交点，找寻区域内的墙体交点，利用墙体交点与基站间的连线划分移动台位置范围区域，得到若干划分后的子区域。
7.根据权利要求5或6所述的室内定位方法，其特征在于，移动台位置区域范围内的点包括：质心、几何中心或定位初始点。
8.根据权利要求1所述的室内定位方法，其特征在于：信号损耗估计误差最小的墙体组合z的计算方法如下：
其中为传播损耗；m为基站的数量；为DP下到达接收天线的距离，d0为参考位置与发送天线的距离，是直射路径(DP)在接收天线处的接收能量；是直射路径(DP)在参考位置处的接收能量；bi为墙体厚度；atti为能量衰减常数。
9.根据权利要求8所述的室内定位方法，其特征在于：估计的传播损耗与墙体组合损耗进行比较，估计误差最小的墙体组合为最优墙体组合。
10.根据权利要求1所述的室内定位方法，其特征在于，移动台与基站之间的距离信息的修正过程具体为：
s41：首先计算墙体结构系数、墙体厚度产生的墙体附加时延，乘以光速，得到修正的距离值，利用修正的距离值对已经观测到的距离进行修正；
s42：根据更新后的距离，通过基于测距的定位算法对移动台位置坐标进行二次求解，得到更为精确的位置坐标。
11.根据权利要求10所述的室内定位方法，其特征在于，附加时延Δτ的计算方法如下：
其中bw表示墙体w的厚度，εw是墙体w的介电常数，w是墙体数量，τ表示LOS下的无线定位参数值，τ′表示NLOS下的无线定位参数值，Δτ表示附加时延；
附加时延的大小与墙体的厚度及介电常数有关，信号穿过组合内的墙体产生的附加时延等于组合内每个墙体产生时延的和。
12.根据权利要求10所述的室内定位方法，其特征在于，定位算法选自：
三边定位法、三角质心法、最小二乘法、CHAN算法、半定松弛SDP算法、SOCP、欧氏距离阵定位算法或广义信赖域子问题GTRS算法。
13.一种采用根据权利要求1～12任一项所述的室内定位方法的室内定位系统，其特征在于，室内定位系统包括：基站及移动台；
移动台包含通信模块及测距模块，主要定时向基站发送无线信号，其中通信模块用于进行呼叫、位置上报等功能；测距模块用于发射或接收可穿过不同墙体组合的测距信号；
基站包含通信模块及信息处理模块，负责与移动台的通信及位置解算，通过接收移动台发射的带有特定距离信息的无线信号，并将距离信息上传至定位服务器，同时用于与移动台之间进行信息传递，多个基站布设在可完全覆盖待测室内环境处。
14.根据权利要求13所述的室内定位系统，其特征在于：移动台为用户终端设备，移动台位置不固定。
15.根据权利要求13所述的室内定位系统，其特征在于：基站位置固定，定位同一楼层的二维坐标则基站数量至少为3个，三维坐标则基站的数量至少为4个。
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