CN106324585A - 一种基于信号发射装置天线方向修正的定位方法和定位系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于信号发射装置天线方向修正的定位方法和定位系统，所述定位方法包括：一、将信号发射装置发射至待定位点处的信号处理成基本定位信息；二、采用信号衰减计算模型和基于传播模型的定位算法计算得到待定位点的初步定位位置；三、通过实测获得信号发射装置的衰减特性，所述衰减特性包括有若干等幅衰减信息，每个等幅衰减信息记录了同一衰减信号强度下角度与距离间的传播特性关系；四、根据衰减特性对初步定位位置进行修正，实现精确定位。本发明充分考虑了信号源传播天线的方向性，采用实测的天线辐射信号衰减模型代替理想的衰减模型，对现有定位结果进行修正，大大提高了定位精度，尤其适用于室内Wifi定位，具有广阔的市场应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及定位技术领域，具体涉及一种基于信号发射装置天线方向修正的定位方法，尤其适用于室内Wifi定位技术。
背景技术
随着通信技术的不断发展，人们对位置的需求越来越高，室内定位技术可以为用户提供精准的商场定位、导航、导购服务，为商场提供客流动线、顾客购物取向，室内位置服务市场规模巨大。目前，由于应用广泛、建设成本较低、定位精度较高，基于Wifi的室内定位方案比较普及。
现行的室内Wifi定位主要是基于RSSI值（接收的信号强度指示，用于反应接收到的辐射信号强度，可以通过接收到的信号强弱来测定信号点与接收点之间的距离）的定位技术，这种定位技术又分为基于位置指纹定位方法和基于传播模型定位方法。基于位置指纹定位方法布置复杂，需要进行大量RSSI值在不同位置的数据采集，无法获得广泛推广应用；基于传播模型的定位方法是通过监测测量点（待定位点）接收到信号点辐射信号的RSSI值，再结合室内信号衰减模型，来得出测量点到信号点之间的距离，通过得到测量点到多个位置已知的信号点距离最终计算出测量点的实际坐标，实现定位，但现有的这种基于传播模型定位技术都将信号点的传播天线假设为在各个方向上信号衰减模型都完全相同的理想天线，并基于这种理想天线的信号衰减模型计算确定定位位置，但实际上理想天线并不存在，即使是现有技术中的全向天线，其在各个方向上的信号衰减模型也并不完全相同，这导致了现有基于传播模型的定位技术的定位精度不高。
发明内容
本发明针对上述现有技术问题，创新的提出一种基于天线方向性修正的定位系统和定位方法，充分考虑了信号源传播天线的方向性，采用实测的天线辐射信号衰减模型代替理想的衰减模型，对现有定位结果进行修正，大大提高了定位精度，尤其适用于室内Wifi定位，具有广阔的市场应用前景。
本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：
一种基于信号发射装置天线方向修正的定位方法，包括以下步骤：
步骤一、将信号发射装置发射至待定位点处的信号处理成基本定位信息，所述基本定位信息包括：信号发射装置发射的信号到达待定位点处时的衰减信号强度、所述信号发射装置的信标信息和所述信号发射装置的标识信息；
步骤二、根据步骤一确定的基本定位信息，采用信号衰减计算模型和基于传播模型的定位算法计算得到待定位点的初步定位位置；
步骤三、通过实测获得信号发射装置的衰减特性，所述衰减特性包括有若干等幅衰减信息，每个等幅衰减信息记录了同一衰减信号强度下角度与距离间的传播特性关系，其中所述角度为与信号发射装置的天线摆置方向所成的角度，所述距离是指与信号发射装置所在位置之间的距离；
步骤四、根据步骤三确定的衰减特性对步骤二确定的初步定位位置进行修正，首先确定所述初步定位位置和信号发射装置所在位置之间的连线相对于该信号发射装置的天线摆置方向之间的夹角，然后根据该信号发射装置对应的基本定位信息中的衰减信号强度在该信号发射装置的衰减特性中查找获得与所述衰减信号强度对应的等幅衰减信息，接着根据所述夹角和所述等幅衰减信息中记录的角度与距离间的传播特性关系，得到到所述信号发射装置所在位置的修正距离；最后根据所述修正距离、所述夹角和所述信号发射装置所在位置得到对初步定位位置的修正位置，实现精确定位。
进一步的根据本发明所述的定位方法，其中步骤一中，所述基本定位信息中的衰减信号强度用RSSI表示，所述基本定位信息中的信标信息携带有信号发射装置的天线摆置方向，所述基本定位信息中的标识信息为信号发射装置的SSID，对应于每个信号发射装置的基本定位信息记录了RSSI、天线摆置方向和SSID间的对应关系。
进一步的根据本发明所述的定位方法，其中步骤二具体包括：（1）根据信号发射装置的原始发射信号强度和所述信号发射装置发射的信号到达待定位点处的衰减信号强度，采用信号衰减计算模型计算得到待定位点与信号发射装置所在位置之间的距离；（2）根据所述距离和所述信号发射装置所在位置采用基于传播模型的定位算法计算得到待定位点的初步定位位置。
进一步的根据本发明所述的定位方法，其中步骤二具体包括：（1）根据第一信号发射装置的原始发射信号强度和第一信号发射装置发射的信号在待定位点处的衰减信号强度，采用线性距离路径损耗模型、对数距离路径损耗模型或衰减因子模型中的任一种模型计算得到待定位点到第一信号发射装置所在位置之间的距离d1，根据第二信号发射装置的原始发射信号强度和第二信号发射装置发射的信号在待定位点处的衰减信号强度，采用线性距离路径损耗模型、对数距离路径损耗模型或衰减因子模型中的任一种模型计算得到待定位点到第二信号发射装置所在位置之间的距离d2，根据第三信号发射装置的原始发射信号强度和第三信号发射装置发射的信号在待定位点处的衰减信号强度，采用线性距离路径损耗模型、对数距离路径损耗模型或衰减因子模型中的任一种模型计算得到待定位点到第三信号发射装置所在位置之间的距离d3；（2）根据所述距离d1、d2、d3和第一信号发射装置所在位置坐标（x1，y1）、第二信号发射装置所在位置坐标（x2，y2）、第三信号发射装置所在位置坐标（x3，y3），采用三边测量法计算得到待定位点的初步定位位置坐标（x，y）：
。
进一步的根据本发明所述的定位方法，其中步骤三中，按照如下方式实测得到各个信号发射装置的衰减特性：（1）各信号发射装置以相同的原始发射信号强度向外辐射信号，各信号发射装置的天线摆置方向相对于规定坐标系固定设置；（2）对每个信号发射装置，以信号发射装置的天线摆置方向作为起始标定方向，然后自起始标定方向起按照固定的角度步长和距离步长测量并记录该信号发射装置周围各个位置处的辐射信号强度数据；（3）将测量记录数据进行处理得到若干等幅衰减信息，所述等幅衰减信息为等幅衰减数据记录表或等幅衰减线，记录了信号发射装置周围具有同一辐射信号强度的所有位置信息。
进一步的根据本发明所述的定位方法，其中步骤四具体包括：步骤（1）、确定所述初步定位位置和第一信号发射装置所在位置之间的连线相对于第一信号发射装置的天线摆置方向之间的夹角，所述第一信号发射装置的天线摆置方向来源于第一信号发射装置的基本定位信息的信标信息中；步骤（2）、根据第一信号发射装置对应的基本定位信息中的衰减信号强度在第一信号发射装置的衰减特性中查找获得与所述衰减信号强度对应的等幅衰减信息；步骤（3）、根据步骤（2）的等幅衰减信息获得与步骤（1）确定的所述夹角对应的衰减距离，所述衰减距离作为待定位点的修正位置到第一信号发射装置所在位置之间的修正距离；步骤（4）、根据所述修正距离、所述夹角和所述第一信号发射装置的所在位置确定待定位点的修正位置。
进一步的根据本发明所述的定位方法，其中步骤四还包括：步骤（5），对于其他信号发射装置，重复步骤（1）至步骤（4），得到多个修正位置，然后取多个修正位置的平均值，作为待定位点的最终定位位置。
一种基于信号发射装置天线方向修正的定位系统，包括：
基本定位信息处理单元，用于将信号发射装置发射至待定位点处的信号处理成基本定位信息，所述基本定位信息包括：信号发射装置发射的信号到达待定位点处时的衰减信号强度、所述信号发射装置的信标信息和所述信号发射装置的标识信息；
初步定位单元，根据基本定位信息处理单元确定的基本定位信息，采用信号衰减计算模型和基于传播模型的定位算法计算得到待定位点的初步定位位置；
方向性信息单元，存储有各信号发射装置的实测衰减特性，所述实测衰减特性包括有若干实测等幅衰减信息，每个实测等幅衰减信息记录了同一衰减信号强度下角度与距离间的传播特性关系，其中所述角度为与信号发射装置的天线摆置方向所成的角度，所述距离是指与信号发射装置所在位置之间的距离；
修正定位单元，根据方向性信息单元中存储的实测衰减特性对初步定位单元确定的初步定位位置进行修正，首先确定所述初步定位位置和信号发射装置所在位置之间的连线相对于该信号发射装置的天线摆置方向之间的夹角，然后根据该信号发射装置对应的基本定位信息中的衰减信号强度在方向性信息单元存储的该信号发射装置的衰减特性中查找获得与所述衰减信号强度对应的等幅衰减信息，接着根据所述夹角和所述等幅衰减信息中记录的角度与距离间的传播特性关系，得到到所述信号发射装置所在位置的修正距离；最后根据所述修正距离、所述夹角和所述信号发射装置所在位置得到对初步定位位置的修正位置，实现精确定位。
进一步的根据本发明所述的定位系统，其中：所述基本定位信息处理单元中记录有每个信号发射装置的基本定位信息，所述基本定位信息中的衰减信号强度用RSSI表示，所述基本定位信息中的信标信息携带了信号发射装置的天线摆置方向，所述基本定位信息中的标识信息为信号发射装置的SSID，每个信号发射装置的基本定位信息记录了RSSI、天线摆置方向和SSID间的对应关系。
进一步的根据本发明所述的定位系统，其中所述初步定位单元包括衰减模型模块21、定位算法模块22和SSID存储模块23；所述基本定位信息处理单元将信号发射装置的基本定位信息中的RSSI和SSID输出给所述衰减模型模块21，所述衰减模型模块21和定位算法模块22均连接于所述SSID存储模块23，所述SSID存储模块23中存储有各个信号发射装置的SSID、位置坐标和原始发射信号强度之间的对应关系；所述衰减模型模块21中预设有衰减计算模型，所述衰减计算模型能够基于两点的辐射信号强度计算出两点之间的距离；所述衰减模型模块21接收到基本定位信息处理单元发送的信号发射装置的基本定位信息中的RSSI和SSID后，在SSID储存模块23中查找得到所述SSID对应的该信号发射装置的原始发射信号强度，并根据所述原始发射信号强度和RSSI计算得到待定位点到所述信号发射装置的距离，然后将所述距离和SSID传输至所述定位算法模块22；所述定位算法模块22中预设有基于传播模型的定位算法，所述定位算法模块22根据衰减模型模块21传输的SSID在SSID储存模块23中查找得到与之对应的所述信号发射装置的位置坐标，并根据所述位置坐标和待定位点到所述信号发射装置的所述距离采用所述定位算法计算得到待定位点的初步定位位置坐标，并将得到的初步定位位置坐标输出至所述修正定位单元。
进一步的根据本发明所述的定位系统，其中：所述衰减模型模块21接收到基本定位信息处理单元发送的第一信号发射装置的基本定位信息中的RSSI1和SSID1后，在SSID储存模块23中查找得到第一信号发射装置的原始发射信号强度P1，并根据所述原始发射信号强度P1和RSSI1计算得到待定位点到第一信号发射装置的距离d1，然后将所述距离d1和SSID1传输至所述定位算法模块22；所述衰减模型模块21接收到基本定位信息处理单元发送的第二信号发射装置的基本定位信息中的RSSI2值和SSID2后，在SSID储存模块23中查找得到第二信号发射装置的原始发射信号强度P2，并根据所述原始发射信号强度P2和RSSI2计算得到待定位点到第二信号发射装置的距离d2，然后将所述距离d2和SSID2传输至所述定位算法模块22；所述衰减模型模块21接收到基本定位信息处理单元发送的第三信号发射装置的基本定位信息中的RSSI3和SSID3后，在SSID储存模块23中查找得到第三信号发射装置的原始发射信号强度P3，并根据所述原始发射信号强度P3和RSSI3计算得到待定位点到第三信号发射装置的距离d3，然后将所述距离d3和SSID3传输至所述定位算法模块22；所述定位算法模块22中预设有三边测量定位算法，所述定位算法模块22根据衰减模型模块21传输的SSID1、SSID2、SSID3在SSID储存模块23中分别查找得到第一信号发射装置的位置坐标（x1，y1）、第二信号发射装置的位置坐标（x2，y2）和第三信号发射装置的位置坐标（x3，y3），设待定位点的位置坐标为（x，y），根据三边几何关系：，得到待定位点的初步定位位置坐标（x，y）为：
。
进一步根据本发明所述的定位系统，其中：所述方向性信息单元14中存储有各个信号发射装置的SSID、位置坐标和实测衰减特性之间的对应关系，每个信号发射装置的实测衰减特性记录有RSSI和该RSSI下等幅衰减信息的对应关系；所述初步定位单元将其得到的初步定位位置坐标输出至所述修正定位单元13；所述基本定位信息处理单元将信号发射装置的基本定位信息中的RSSI、天线摆置方向和SSID输出给所述修正定位单元13；所述修正定位单元13接收到所述初步定位位置坐标后，在方向性信息单元14查找得到与基本定位信息处理单元提供的SSID对应的信号发射装置的位置坐标、以及与基本定位信息处理单元提供的SSID和RSSI对应的等幅衰减信息，接着确定所述初步定位位置坐标和信号发射装置的位置坐标之间的连线相对于所述信号发射装置的天线摆置方向之间的夹角，然后根据所述夹角和所述等幅衰减信息得到待定位点修正位置到所述信号发射装置的位置坐标间的修正距离，最后根据所述修正距离、所述夹角和所述信号发射装置的位置坐标确定待定位点的修正位置坐标，实现精确定位。
通过本发明的技术方案至少能够达到以下技术效果：
1）、相比于现有基于传播模型的定位方法，本发明充分考虑到了传播天线的方向性问题，采用实测的传播天线辐射信号衰减模型代替理想天线的辐射信号衰减模型，通过对初步定位得出的不准确位置信息加以修正，将定位坐标位置逐渐逼近到其真实位置，克服了现有技术中将实际天线近似为理想天线所带来的定位误差，大大提高了定位精度。
2）、相比于现有基于位置指纹定位方法，本发明不需要进行大量的RSSI值在不同位置的数据采集，降低了布置复杂程度；且本发明可以迅速应用到实际，对于天线在各个方向的等幅衰减数据，实际中可以由厂家直接给出，减少了大量测量的时间成本，使得本发明的技术方案实现起来非常容易。
附图说明
附图1是现有定位方法的定位误差示意图；
附图2是本发明所述定位系统的结构框图；
附图3是本发明所述定位系统中初步定位单元的结构框图；
附图4是基于理想天线的定位原理图；
附图5是天线的实测等幅衰减信息图；
附图6和附图7是本发明所述定位方法的原理示意图；
图中：
11-基本定位信息处理单元，12-初步定位单元，13-修正定位单元，14-方向性信息单元，21-衰减模型模块，22-定位算法模块，23-SSID存储模块。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案进行详细的描述，以使本领域技术人员能够更加清楚的理解本发明，但并不因此限制本发明的保护范围。
本发明提出一种基于天线方向性修正的定位系统和定位方法，首先说明本发明的技术出发点：现有的定位技术如附图1所示的，测量位置（也就是待定位点，为方便描述以下统一将待定位点表述为测量点）通过接收信号发射点（典型的信号发送点如无线访问接入点即AP，测量点接入AP后，可以接收AP发送的信号，AP的室内覆盖范围一般是30m～100m，属于常用的一种室内定位信号发射点）发射的信息，然后测量出接收的信号强度指示即RSSI值（该RSSI值反应了接收到的辐射信号强弱，而这种信号强弱与测量点和信号发射点之间的距离有关），然后通过室内信号传播衰减模型和定位算法计算出测量点的坐标，实现对测量点的定位。但是经实际验证现有的这种定位技术定位出的测量点坐标与其真实坐标之间存在着一定的误差，造成这种误差的主要原因是现有的定位技术都是将信号发射点的传播天线推定为是理想天线，这种理想天线是指在全部方向上辐射强度都完全相等的天线，即理想的无方向性天线，是一种理想的点源天线，它向各个方向辐射的强度都相等，进而基于这种理想天线的信号传播衰减模型的没有方向性，其信号能量衰减的等幅线是一个标准的圆。但实际中，理想天线并不存在，任何一个信号发射点（包括AP）的传播天线在全部方向上辐射强度并不完全相等，常见的如全向天线和定向天线，所述全向天线在水平方向图上表现为近似360°均匀辐射，但是全向天线也不视为理想天线，其也无法达到完全均匀辐射，定向天线其辐射能量的方向性就更强，而且在天线设计中，越接近理想的传播天线设计制造成本越高，实际也并不适用于大规模布置节点。因此现有的定位技术中普遍都没有考虑信号辐射点传播天线的方向性，导致其定位位置存在着较大的误差，本发明基于此提出一种充分考虑传播天线方向性的定位技术，在现有定位技术中创新的增加了天线方向性修正技术，大大提高了定位精度。
本发明基于测量点（也就是待定位点）的信号接收装置（优选的如手机等终端装置）同时接收到多个AP（即信号发射点，以下以AP为例说明本发明）发射的信息而对其进行定位，也就是说本发明所述的定位系统布置于若干AP所在的通信范围内。具体的本发明所述的基于天线方向性修正的定位系统如附图2所示的，包括基本定位信息处理单元11、初步定位单元12、修正定位单元13和方向性信息单元14。测量点的信号接收装置接收各个AP（优选的至少包括三个AP）发射的基本定位信息，并将接收到的基本定位信息发送给基本定位信息处理单元11进行处理。所述基本定位信息包括辐射传输信号、信标（beacon）和SSID信息，其中所述辐射传输信号为AP发射的辐射信号传输到达测量点时的信号，可为任意序列，用于反应测量点接收到的AP所发射辐射信号的强度，所述信标携带有对应AP的传播天线的摆置方向信息，所述SSID信息为服务集标识，用于反应对应AP的无线网络名称，也就是说不同的AP通过其对应的SSID来进行区分。所述基本定位信息处理单元11对测量点的信号接收装置传输来的基本定位信息进行处理，具体的将基本定位信息中的传输信号处理转换为RSSI值，所述RSSI值用于反应测量点接收到的AP发射的辐射信号强度。所述基本定位信息处理单元11优选的直接连接于测量点处的信号接收装置，如可将所述基本定位信息处理单元集成于手机终端，从而在手机终端接收到AP的传输信号后直接将其转换为代表信号幅值强度的RSSI值。所述基本定位信息处理单元11亦可设置于后台服务器中，这样测量点处的信号接收装置接收信号后将其发送至服务器进行处理，但是这种方式需要多次传输信号，对于大规模的用户定位可能造成信道拥堵，因此本发明优选的在用户终端设置基本定位信息处理单元。
所述基本定位信息处理单元11连接初步定位单元12和修正定位单元13，所述初步定位单元12和方向性信息单元14连接修正定位单元13。所述基本定位信息处理单元11将RSSI值和SSID信息传输给初步定位单元12进行初步定位，将RSSI值、信标和SSID信息传输给修正定位单元13进行天线摆置方向修正。所述初步定位单元12如附图3所示的，包括衰减模型模块21、定位算法模块22和SSID储存模块23，所述衰减模型模块21连接于所述定位算法模块22和SSID储存模块23，所述定位算法模块22连接于所述SSID储存模块23，所述SSID储存模块23存储有各个AP的SSID信息、位置坐标信息和原始辐射信号强度信息之间的对应关系，也就是说在初始化阶段，将所述定位系统所在范围内的每个AP的网络标识名称与其所在位置坐标、所发射辐射信号的原始幅值强度进行对应，并存储于SSID储存模块23中，在后续的精确定位过程中各个AP的名称、位置以及原始辐射信号强度不在发生变化。所述衰减模型模块21中预设有信号衰减计算模型，所述信号衰减计算模型能够基于原始信号强度和接收点信号强度计算出接收点所在位置与信源所在位置之间的距离，优选的所述信号衰减计算模型为线性距离路径损耗模型、对数距离路径损耗模型、衰减因子模型中的任意一种，其中所述线性距离路径损耗模型如下：
其中，L(d)为距离信号源AP为d的信号强度，α为线性回归系数，l0为与信号源的原始辐射信号强度相关的衡参数，该模型中α和l0需要测量大量实验数据获得，并且仅适用于小型的测试环境，对于障碍较多的复杂室内环境误差较高。
所述对数距离路径损耗模型如下：
其中，PL（d）代表距离信号源AP为d处的信号强度，γ为路径损耗系数，它表示了路径损耗与距离增长之比，依赖于具体传播环境，d0为参考距离，室内的环境下一般设d0为1米，PL(d0)为参考距离处d0的功率值（反应发射端的信源强度），d是接收端与发射端之间的距离，Xδ是满足N(μ, δ2)的正态随机变量，不同建筑物中γ、δ不同。
所述衰减因子模型如下：
其中，室内路径损耗等于自由空间损耗加上附加损耗因子，且随距离成指数增长，代表距离信号源AP为d处的信号强度，d0为参考距离，室内的环境下一般设d0为1米，为参考距离处d0的功率值（反应发射端的信源强度）,γSF表示同层路径损耗系数，d是接收端与发射端之间的距离，FAF为附加损耗因子；对于多层建筑物，衰减因子模型变型如下：
其中，α为信道衰减常数，d0为参考距离，其他参数含义同上。
本发明所述衰减模型模块21可基于上述三种模型中的任一种来计算得到测量点与AP之间的距离，在这三种模型中，只要知道某一信源的原始辐射信号强度和接收点所接受的辐射信号强度，就可以计算出信源与接收点之间的传输距离。具体的所述衰减模型模块21接收到基本定位信息处理单元11发送的RSSI值和SSID信息后，首先根据SSID信息在SSID储存模块23中查找得到该SSID信号所对应的AP的原始辐射信号强度，然后将代表测量点处信号幅值强度的RSSI值和原始辐射信号强度值带入上述任一种信号衰减计算模型，即可计算得到测量点与SSID对应的AP之间的距离d。然后所述衰减模型模块21将计算得到的距离d和其对应的所述SSID信号传输至所述的定位算法模块22，由所述定位算法模块22进行初步定位。
所述定位算法模块22根据衰减模型模块21计算得到的距离d以及各距离对应的AP点坐标来计算得到测量点的初步定位位置坐标。具体的所述定位算法模块22通过预设的基于传播模型的定位算法来计算出测量点的位置，所述基于传播模型的定位算法为：三边测量法、双曲线定位法、最小二乘法中的任一种，优选的所述定位算法为三边测量法：测量点接收到至少来自三个AP的基本定位信息，并通过衰减模型模块分别计算得到测量点到各个AP如AP1、AP2和AP3的距离d1、d2、d3，然后根据各距离对应的SSID在SSID储存模块23中查找得到各SSID对应的AP的坐标即AP1(x1,y1)、AP2(x2,y2)、AP3(x3,y3)，设测量点的初步定位坐标为(x,y)，根据三边几何关系可知（如附图4所示）:
通过计算，可以即可得知测量点的初步定位坐标(x,y)：
。
所述初步定位单元12初步定位后确定的测量点的位置坐标传输给所述修正定位单元13，同时所述基本定位信息处理单元11将初步定位时对应AP的信标、SSID以及测量点接收到的该AP的RSSI值传输给修正定位单元13，所述方向性信息单元14连接于所述修正定位单元13，所述修正定位单元13中设置有修正算法模块，经修正算法模块修正后的定位结果输出给管理服务器或者测量点处的信号接收装置。所述修正定位单元结合传播天线的方向性信息以及传播天线的初始摆置方向，对初步定位坐标进行修正，得到更为精确的定位信息。
首先说明本发明所采用的修正定位原理。由于初步定位时没有考虑传播天线的方向性，因此初步定位单元中衰减模型模块21的信号衰减计算模型计算的RSSI值等幅线为圆，初步定位的测量点位置坐标Q(x,y)为三个圆的交点，如附图4所示。本发明将天线方向性考虑到实际当中，通过对初步定位的修正，得到更为精确的位置信息。目的是将三个圆的交点修正到三个不规则图形交点，因为考虑到每个AP的传播天线为非理想天线，其在不同方向辐射的信号的衰减程度并不相同，也就是说其RSSI值的等幅线并非形成圆形，而是如附图5中实线所示的不规则图形。为说明简便，以下将AP传播天线辐射信号的等幅衰减图形视为近似的椭圆形，但本发明对天线传播模型没有要求，也并不将AP传播天线的等幅值图形局限于椭圆形。如图6所示，以AP1为例进行说明，图中的圆形是不考虑天线方向性时测量点处的RSSI值所在的等幅线，图中的椭圆形是考虑AP1传播天线方向性后测量点处的RSSI值所在的等幅线，两条等幅线的RSSI值大小是相同的，但对于同样大小的RSSI值，由于其等幅线图形不一致，使得基于不同的等幅线图形计算得到的测量点至信号源点即AP1所在位置的距离并不相同，如附图6中除圆形等幅线和椭圆形等幅线的交点位置以外，同样的RSSI值基于圆形等幅线和椭圆形等幅线至中心原点却具有不同的距离，如其中P点和Q点，虽然都具有相同的RSSI值，但是基于不同的等幅线图形两者到中心原点处的距离却不同。本发明正是要将按照理想的圆形等幅线初步定位的坐标修正到按照实际的椭圆形等幅线确定的精确坐标，下面详细描述这种修正过程。
首先所述的方向性信息单元14中存储有各个AP的SSID、坐标和其传播天线辐射信号的实测衰减特性之间的对应关系。各个AP的实测衰减特性包括各个辐射信号衰减值即RSSI值对应的实测等幅衰减信息，每个实测等幅衰减信息均记录了同一RSSI值下各个角度与距离的传播特性关系，也就是说每个实测等幅衰减信息记录了各角度下具有同一RSSI值的测量点位置与信源点AP位置之间的距离关系，这种实测等幅衰减信息通过实际测量得出，由于同种类型的天线传播模型相同，测量结果可定为标准使用。通过实际测量标定各实测等幅衰减信息来确定整个实测衰减特性，各天线的实测等幅衰减信息与天线的方向性有关，多数情况实测等幅衰减信息表现为关于传播天线摆置方向对称的封闭等幅线。具体的测量标定方法为：确定起始标定方向，一般以传播天线的实际摆置方向为起始标定方向，即为0度角，接着按照固定的角度步长和距离步长测量距离AP点各个位置处的辐射信号强度即RSSI值，其中AP的原始辐射信号强度与初步定位单元中SSID存储模块中存储的相同，优选的在传播天线具有对称辐射结构时，测量角度范围从0度到180度，每隔5度设置一个测量点，同时测量距离范围为AP的覆盖范围，一般为0-30米，优选每隔1米设置一个测量点，从而测得各个测量点处的RSSI值即信号衰减dB值，最后基于测量结果处理形成对应于各个RSSI值的实测等幅衰减信息。当传播天线不具有对称辐射结构时其测量角度范围从0度到360度。同一型号传播天线的辐射衰减特性基本相同，多次测量后可以得到较为准确的实测衰减特性，测量之后将数据绘制成图表并存储于方向性信息单元14中供修正使用。
所述修正定位单元13接收基本定位信息处理单元11提供的RSSI值、AP信标和SSID信息，同时接收初步定位单元12提供的初步定位坐标，且所述修正定位单元13从方向性信息单元14中根据SSID获取对应AP的坐标、根据RSSI值获取与其对应的实测等幅衰减信息。所述修正定位单元13获取各数据的具体过程为：初步定位单元21提供初步定位坐标，同时基本定位信息处理单元11提供在确定初步定位坐标时所用到的各AP（即AP1、AP2和AP3）对应的RSSI值、信标和SSID信息，修正定位单元根据基本定位信息处理单元11提供的AP的SSID和RSSI值在方向性信息单元14中查找得到与所述SSID对应的AP的坐标、该AP的与所述RSSI值对应的实测等幅衰减信息。修正定位单元13接收到各信息后，按照以下方式进行定位修正：
（1）首先如附图7所示的，修正定位单元13确定初步定位坐标Q (x,y)和AP1位置坐标(x1,y1)之间的连线与AP1的实测等幅衰减信息的起始标定方向M之间的夹角，具体确定过程为：
（1-1）首先提取初步定位单元12提供的初步定位坐标(x,y)，并在方向性信息单元14中查找得到AP1的位置坐标(x1,y1)，确定初步定位坐标(x,y)和AP1位置坐标(x1,y1)之间的连线与规定坐标系的X轴之间的夹角∠1；
（1-2）然后根据基本定位信息处理单元11提供的AP1信标提取AP1的传播天线的摆置方向角度，即其与规定坐标系的X轴之间的夹角∠2，该夹角∠2也就是AP1对应的等幅衰减信息的起始标定方向M与规定坐标系的X轴之间的夹角，因为如上所述的AP1等幅衰减信息的起始标定方向选择为其传播天线的实际摆置方向。本发明中各AP的信标中携带有其对应的传播天线的摆置方向信息，所述摆置方法信息通过以下两种途经获取：（1）在各AP中添加方向感应器，通过方向感应器获知传播天线摆置方向相对于规定坐标系的X轴之间的夹角，并将这种夹角加载于该AP的信标信息中；（2）在布置各AP时，提前按照规定好的方向设置其传播天线摆置方向，如可统一将各AP的传播天线的摆置方向布置为相对于规定坐标系的X轴成预定夹角或直接沿规定坐标系的X轴方向设置天线摆置方向，并将摆置方向夹角加载于该AP的信标信息中；
（1-3）根据夹角∠1和夹角∠2，如附图7所示的，确定初步定位坐标Q(x,y)和AP1位置坐标(x1,y1)之间的连线与AP1的等幅线数据的起始标定方向M之间的夹角∠3=∠1-∠2；
（1-4）在此需要说明的是本发明中的所述规定坐标系为提前选定的适用于所有AP的坐标确定、所有计算过程包括初步定位、各AP的天线摆置方向确定、各AP的等幅衰减数据测定等过程的统一的固定坐标系，在初始化阶段完成设置,包括x轴和y轴。测量定位范围内所有AP和数据处理都基于统一的规定坐标系能够很好的简化计算过程。
（2）确定了初步定位坐标Q(x,y)和AP1位置坐标(x1,y1)之间的连线与AP1的等幅衰减信息的起始标定方向M之间的夹角∠3后，然后修正定位单元13根据基本定位信息处理单元11提供的AP1的SSID和RSSI值从方向性信息单元14中查到得到AP1的与所述RSSI值对应的等幅衰减信息，如附图7所示的，然后根据初步定位坐标Q(x,y)和AP1位置坐标(x1,y1)之间的连线相对于等幅衰减信息的起始标定方向M之间的夹角∠3在等幅衰减信息中查找得到测量点的修正坐标A1与AP1坐标(x1,y1）之间的修正距离d1’，因为AP1的等幅衰减信息中记录了各角度下测量点与AP1坐标之间的距离，该角度即为与等幅衰减信息的起始标定方向M之间所成的夹角。进一步优选的，本发明所述的修正定位单元亦可基于图形关系确定所述距离，多数情况下所述等幅衰减信息为等幅线图形，如附图7所示的，其中的圆和椭圆分别是测量点接收到AP1的同一RSSI值的理想等幅线和实测等幅线，直接在图形中计算与椭圆形等幅线图形的起始标定方向M（对称轴）成夹角∠3的直线与椭圆形等幅线图形的交点A1到椭圆形等幅线图形的中心原点（AP1坐标）之间的距离，即可得到所述的修正距离d1’，然后再根据所述修正距离d1’、 AP1位置坐标(x1,y1)以及所确定的夹角∠1（初步定位坐标Q(x,y)和AP1位置坐标(x1,y1)间连线与规定坐标系X轴间所成夹角）来确定初步定位坐标的修正坐标(x’,y’)，该修正坐标即作为第一次修正后测量点的坐标A1(x1 ’,y1 ’)。通过第一次修正提升了定位的准确性。
（3）进一步的可采用多次修正的方式来提高定位修正精度，具体的对于AP2，重复上述步骤（1）和（2），基于AP2的实测等幅衰减信息对初步定位坐标(x,y)进行上述修正，得到第二次修正后测量点的修正坐标A2(x2 ’,y2 ’)；对于AP3，重复上述步骤（1）和（2），基于AP3的实测等幅衰减信息对初步定位坐标(x,y)进行上述修正，得到第三次修正后测量点的修正坐标A3(x3 ’,y3 ’)，最后为了最大程度地提高定位修正的准确性，选取三次修正结果的平均值，得出测量点修正定位坐标。修正后的定为坐标可发送到测量点处信号接收装置或者其他服务平台，作为一种定为信息。
上述多次修正中优先采用进行初步定位的AP1、AP2和AP3的实测等幅衰减信息进行三次坐标修正，为提高修正精度，亦可在此基础上再次基于其他AP节点（确定初步定位坐标未用到的其他AP）的实测等幅衰减信息采用上述方法对初步定位坐标进行修正，经过多次修正，将误差确定在可接受的范围内结束修正，完成精确定位。
本发明所述的基于天线方向性修正的定位系统中的基本定位信息处理单元11优选的布置于测量点位置，可与测量点处的信号接收装置集成在一起，其中的初步定位单元12、修正定位单元13和方向性信息单元14可同时布置在测量点或者AP节点处的服务器或其他服务管理位置，所述的基本定位信息处理单元11和初步定为单元12可通过无线通信连接。本发明所述定位系统中虽然包括了基本定位信息处理单元11、初步定位单元12、修正定位单元13和方向性信息单元14，但这只是为了方便技术方案的描述，并不因此为限，实际中可将其中的某些模块集成在一起，本发明保护的是这种定位修正思路。本发明的定位方案中，优选针对的是二维空间的定位，因为多数情况下，尤其是室内地位，待定位对象基本都是处于平面空间范围，但本发明并不局限于二维空间的定位。另外本发明的定位方案中，以无线访问接入点-AP作为位置提前获知的一种信号点，但是能够适用本发明方案的信号点并不局限于AP，任何能够产生可被测量点处信号接收装置接收的辐射信号的信号源都可以作为本发明所述的信号点，都可以作为本发明上述方案中AP的替代。
与现有定位技术相比，本发明的优点在于：
（1）相比于现有基于位置指纹定位方法，本发明不需要进行大量的RSSI值在不同位置的数据采集，降低了布置复杂程度；且本发明可以迅速应用到实际，对于天线在各个方向的等幅衰减数据，实际中可以由厂家直接给出，减少了大量测量的时间成本，使得本发明的技术方案实现起来非常容易。
（2）相比于其他基于传播模型的定位方法，本发明充分考虑到了天线的方向性，通过对初步定位得出的不准确位置信息加以修正，将定位坐标位置逐渐逼近到其真实位置，克服了现有技术中将实际天线近似为理想天线所带来的定位误差，大大提高了定位精度。
本发明不局限于上述实施方式，如上所述仅为本发明较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种基于信号发射装置天线方向修正的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将信号发射装置发射至待定位点处的信号处理成基本定位信息，所述基本定位信息包括：信号发射装置发射的信号到达待定位点处时的衰减信号强度、所述信号发射装置的信标信息和所述信号发射装置的标识信息；
步骤二、根据步骤一确定的基本定位信息，采用信号衰减计算模型和基于传播模型的定位算法计算得到待定位点的初步定位位置；
步骤三、通过实测获得信号发射装置的衰减特性，所述衰减特性包括有若干等幅衰减信息，每个等幅衰减信息记录了同一衰减信号强度下角度与距离间的传播特性关系，其中所述角度为与信号发射装置的天线摆置方向所成的角度，所述距离是指与信号发射装置所在位置之间的距离；
步骤四、根据步骤三确定的衰减特性对步骤二确定的初步定位位置进行修正，首先确定所述初步定位位置和信号发射装置所在位置之间的连线相对于该信号发射装置的天线摆置方向之间的夹角，然后根据该信号发射装置对应的基本定位信息中的衰减信号强度在该信号发射装置的衰减特性中查找获得与所述衰减信号强度对应的等幅衰减信息，接着根据所述夹角和所述等幅衰减信息中记录的角度与距离间的传播特性关系，得到到所述信号发射装置所在位置的修正距离；最后根据所述修正距离、所述夹角和所述信号发射装置所在位置得到对初步定位位置的修正位置，实现精确定位。
2.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，其中步骤一中，所述基本定位信息中的衰减信号强度用RSSI表示，所述基本定位信息中的信标信息携带有信号发射装置的天线摆置方向，所述基本定位信息中的标识信息为信号发射装置的SSID，对应于每个信号发射装置的基本定位信息记录了RSSI、天线摆置方向和SSID间的对应关系。
3.根据权利要求1或2所述的定位方法，其特征在于，其中步骤二具体包括：（1）根据信号发射装置的原始发射信号强度和所述信号发射装置发射的信号到达待定位点处的衰减信号强度，采用信号衰减计算模型计算得到待定位点与信号发射装置所在位置之间的距离；（2）根据所述距离和所述信号发射装置所在位置采用基于传播模型的定位算法计算得到待定位点的初步定位位置。
4.根据权利要求3所述的定位方法，其特征在于，其中步骤二具体包括：（1）根据第一信号发射装置的原始发射信号强度和第一信号发射装置发射的信号在待定位点处的衰减信号强度，采用线性距离路径损耗模型、对数距离路径损耗模型或衰减因子模型中的任一种模型计算得到待定位点到第一信号发射装置所在位置之间的距离d1，根据第二信号发射装置的原始发射信号强度和第二信号发射装置发射的信号在待定位点处的衰减信号强度，采用线性距离路径损耗模型、对数距离路径损耗模型或衰减因子模型中的任一种模型计算得到待定位点到第二信号发射装置所在位置之间的距离d2，根据第三信号发射装置的原始发射信号强度和第三信号发射装置发射的信号在待定位点处的衰减信号强度，采用线性距离路径损耗模型、对数距离路径损耗模型或衰减因子模型中的任一种模型计算得到待定位点到第三信号发射装置所在位置之间的距离d3；（2）根据所述距离d1、d2、d3和第一信号发射装置所在位置坐标（x1，y1）、第二信号发射装置所在位置坐标（x2，y2）、第三信号发射装置所在位置坐标（x3，y3），采用三边测量法计算得到待定位点的初步定位位置坐标（x，y）：
。
5.根据权利要求1-4任一项所述的定位方法，其特征在于，其中步骤三中，按照如下方式实测得到各个信号发射装置的衰减特性：（1）各信号发射装置以相同的原始发射信号强度向外辐射信号，各信号发射装置的天线摆置方向相对于规定坐标系固定设置；（2）对每个信号发射装置，以信号发射装置的天线摆置方向作为起始标定方向，然后自起始标定方向起按照固定的角度步长和距离步长测量并记录该信号发射装置周围各个位置处的辐射信号强度数据；（3）将测量记录数据进行处理得到若干等幅衰减信息，所述等幅衰减信息为等幅衰减数据记录表或等幅衰减线，记录了信号发射装置周围具有同一辐射信号强度的所有位置信息。
6.根据权利要求1-5任一项所述的定位方法，其特征在于，其中步骤四具体包括：步骤（1）、确定所述初步定位位置和第一信号发射装置所在位置之间的连线相对于第一信号发射装置的天线摆置方向之间的夹角，所述第一信号发射装置的天线摆置方向来源于第一信号发射装置的基本定位信息的信标信息中；步骤（2）、根据第一信号发射装置对应的基本定位信息中的衰减信号强度在第一信号发射装置的衰减特性中查找获得与所述衰减信号强度对应的等幅衰减信息；步骤（3）、根据步骤（2）的等幅衰减信息获得与步骤（1）确定的所述夹角对应的衰减距离，所述衰减距离作为待定位点的修正位置到第一信号发射装置所在位置之间的修正距离；步骤（4）、根据所述修正距离、所述夹角和所述第一信号发射装置的所在位置确定待定位点的修正位置。
7.根据权利要求6所述的定位方法，其特征在于，其中步骤四还包括：步骤（5），对于其他信号发射装置，重复步骤（1）至步骤（4），得到多个修正位置，然后取多个修正位置的平均值，作为待定位点的最终定位位置。
8.一种基于信号发射装置天线方向修正的定位系统，其特征在于：包括：
基本定位信息处理单元，用于将信号发射装置发射至待定位点处的信号处理成基本定位信息，所述基本定位信息包括：信号发射装置发射的信号到达待定位点处时的衰减信号强度、所述信号发射装置的信标信息和所述信号发射装置的标识信息；
初步定位单元，根据基本定位信息处理单元确定的基本定位信息，采用信号衰减计算模型和基于传播模型的定位算法计算得到待定位点的初步定位位置；
方向性信息单元，存储有各信号发射装置的实测衰减特性，所述实测衰减特性包括有若干实测等幅衰减信息，每个实测等幅衰减信息记录了同一衰减信号强度下角度与距离间的传播特性关系，其中所述角度为与信号发射装置的天线摆置方向所成的角度，所述距离是指与信号发射装置所在位置之间的距离；
修正定位单元，根据方向性信息单元中存储的实测衰减特性对初步定位单元确定的初步定位位置进行修正，首先确定所述初步定位位置和信号发射装置所在位置之间的连线相对于该信号发射装置的天线摆置方向之间的夹角，然后根据该信号发射装置对应的基本定位信息中的衰减信号强度在方向性信息单元存储的该信号发射装置的衰减特性中查找获得与所述衰减信号强度对应的等幅衰减信息，接着根据所述夹角和所述等幅衰减信息中记录的角度与距离间的传播特性关系，得到到所述信号发射装置所在位置的修正距离；最后根据所述修正距离、所述夹角和所述信号发射装置所在位置得到对初步定位位置的修正位置，实现精确定位。
9.根据权利要求8所述的定位系统，其特征在于：所述基本定位信息处理单元中记录有每个信号发射装置的基本定位信息，所述基本定位信息中的衰减信号强度用RSSI表示，所述基本定位信息中的信标信息携带了信号发射装置的天线摆置方向，所述基本定位信息中的标识信息为信号发射装置的SSID，每个信号发射装置的基本定位信息记录了RSSI、天线摆置方向和SSID间的对应关系。
10.根据权利要求9所述的定位系统，其特征在于：所述初步定位单元包括衰减模型模块（21）、定位算法模块（22）和SSID存储模块（23）；所述基本定位信息处理单元将信号发射装置的基本定位信息中的RSSI和SSID输出给所述衰减模型模块（21），所述衰减模型模块（21）和定位算法模块（22）均连接于所述SSID存储模块（23），所述SSID存储模块（23）中存储有各个信号发射装置的SSID、位置坐标和原始发射信号强度之间的对应关系；所述衰减模型模块（21）中预设有衰减计算模型，所述衰减计算模型能够基于两点的辐射信号强度计算出两点之间的距离；所述衰减模型模块（21）接收到基本定位信息处理单元发送的信号发射装置的基本定位信息中的RSSI和SSID后，在SSID储存模块（23）中查找得到所述SSID对应的该信号发射装置的原始发射信号强度，并根据所述原始发射信号强度和RSSI计算得到待定位点到所述信号发射装置的距离，然后将所述距离和SSID传输至所述定位算法模块（22）；所述定位算法模块（22）中预设有基于传播模型的定位算法，所述定位算法模块（22）根据衰减模型模块（21）传输的SSID在SSID储存模块（23）中查找得到与之对应的所述信号发射装置的位置坐标，并根据所述位置坐标和待定位点到所述信号发射装置的所述距离采用所述定位算法计算得到待定位点的初步定位位置坐标，并将得到的初步定位位置坐标输出至所述修正定位单元。
11.根据权利要求10所述的定位系统，其特征在于：所述衰减模型模块（21）接收到基本定位信息处理单元发送的第一信号发射装置的基本定位信息中的RSSI1和SSID1后，在SSID储存模块（23）中查找得到第一信号发射装置的原始发射信号强度P1，并根据所述原始发射信号强度P1和RSSI1计算得到待定位点到第一信号发射装置的距离d1，然后将所述距离d1和SSID1传输至所述定位算法模块（22）；所述衰减模型模块（21）接收到基本定位信息处理单元发送的第二信号发射装置的基本定位信息中的RSSI2值和SSID2后，在SSID储存模块（23）中查找得到第二信号发射装置的原始发射信号强度P2，并根据所述原始发射信号强度P2和RSSI2计算得到待定位点到第二信号发射装置的距离d2，然后将所述距离d2和SSID2传输至所述定位算法模块（22）；所述衰减模型模块（21）接收到基本定位信息处理单元发送的第三信号发射装置的基本定位信息中的RSSI3和SSID3后，在SSID储存模块（23）中查找得到第三信号发射装置的原始发射信号强度P3，并根据所述原始发射信号强度P3和RSSI3计算得到待定位点到第三信号发射装置的距离d3，然后将所述距离d3和SSID3传输至所述定位算法模块（22）；所述定位算法模块（22）中预设有三边测量定位算法，所述定位算法模块（22）根据衰减模型模块（21）传输的SSID1、SSID2、SSID3在SSID储存模块（23）中分别查找得到第一信号发射装置的位置坐标（x1，y1）、第二信号发射装置的位置坐标（x2，y2）和第三信号发射装置的位置坐标（x3，y3），设待定位点的位置坐标为（x，y），根据三边几何关系：，得到待定位点的初步定位位置坐标（x，y）为：
。
12.根据权利要求10或11所述的定位系统，其特征在于：所述方向性信息单元（14）中存储有各个信号发射装置的SSID、位置坐标和实测衰减特性之间的对应关系，每个信号发射装置的实测衰减特性记录有RSSI和该RSSI下等幅衰减信息的对应关系；所述初步定位单元将其得到的初步定位位置坐标输出至所述修正定位单元（13）；所述基本定位信息处理单元将信号发射装置的基本定位信息中的RSSI、天线摆置方向和SSID输出给所述修正定位单元（13）；所述修正定位单元（13）接收到所述初步定位位置坐标后，在方向性信息单元（14）查找得到与基本定位信息处理单元提供的SSID对应的信号发射装置的位置坐标、以及与基本定位信息处理单元提供的SSID和RSSI对应的等幅衰减信息，接着确定所述初步定位位置坐标和信号发射装置的位置坐标之间的连线相对于所述信号发射装置的天线摆置方向之间的夹角，然后根据所述夹角和所述等幅衰减信息得到待定位点修正位置到所述信号发射装置的位置坐标间的修正距离，最后根据所述修正距离、所述夹角和所述信号发射装置的位置坐标确定待定位点的修正位置坐标，实现精确定位。
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