CN107318159A - 一种室内指纹定位方法 - Google Patents

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郑泽
郑学强
徐煜华
刘典雄
姚凯凌
任敬
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    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
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Abstract

本发明提出一种室内相对指纹定位方法，计算获得待测源的信号强度与每个参考点的信号强度之间的相对欧式距离，寻找出具有最短相对欧式距离的参考点，将所述具有最短相对欧式距离参考点的物理空间位置作为待测源的定位位置；即预先获取各个参考点的信号强息，并传给数据处理中心，存入数据库，定位时，根据待测源的信号强度在数据库中找到最匹配的参考点，并把该参考点的物理空间位置作为待测源的位置。本发明方法可以在发射源发射功率未知的情况下对待测源进行定位，且定位精度高。

Description

一种室内指纹定位方法
技术领域
本发明属于室内定位技术领域，具体涉及一种室内指纹定位方法。
背景技术
目前的定位技术分为室内定位和室外定位，室外定位如GPS，已经发展成熟，定位性能十分显著；相比之下，室内定位由于其存在遮蔽，所需应对的干扰较大，因而定位难度大幅度增大。
室内定位从定位对象的角度可以分为主动定位与被动定位。主动定位即设备自己定位自己，典型的主动定位应用是室内wifi定位，其中wifi热点是发射源，手机是待测源也是接收源，手机通过接收到的各个wifi热点的信号强度值来确定自己的位置，位置呈现在手机端；被动定位则相反，典型的被动定位应用场景是室内窃听器定位，其中窃听器是待测源也是发射源，定位系统的监测点是接收源，定位系统根据各个监测点测得的窃听器的信号强度来确定其大概位置，最后显示在定位系统的显示终端上。
室内被动定位从定位方法的角度又可以分为测距定位与指纹定位。测距定位的核心思想是通过技术手段得到发射源与接收源之间的绝对距离，然后根据这些绝对距离得到待测源的位置，如根据信号的传播时间来得到发射源与接收源之间的距离，例如根据到达时间(time of arrival，TOA)或者到达时间差(time difference of arrival，TDOA)等。根据发射源到接收源之间的信号强度衰减也可以得到两者之间的距离。然而测距定位需要发射源与接收源之间有直射路径，这个定位条件对室内环境的要求是比较苛刻的。而现实的复杂环境很难有那么理想条件，而且室内的多径效应、设备的实时性等都会影响定位精度。
指纹定位是根据预先存储在数据库中的待测区域内测量的一系列参考点的位置信息以及相应的信号强度信息来进行定位，其优点是不用考虑室内的复杂环境，通用性较强。指纹定位中最常见的方法是最短欧式距离匹配法，其原理是寻找信号强度空间中与待测源的信号强度位置最近的一个参考点，并认为参考点的物理空间位置就是待测源的位置。最短欧式距离匹配法的缺点是必须要知道发射源的发射功率，否则定位精度会降低。而在很多实际的定位场景中，发射源的发射功率一般是未知的，当待测源的发射功率与建立指纹数据库所用的发射源的功率不等时，最短欧式距离匹配准则会产生较大的误差，因此传统的由最短欧式距离匹配法所得到的定位结果并不准确。
发明内容
本发明的目的在于，基于传统的最短欧式距离匹配法提出一种室内相对指纹定位方法，该方法可以在发射源发射功率未知的情况下对待测源进行定位，且定位精度高。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种室内相对指纹定位方法，计算获得待测源的信号强度与每个参考点的信号强度之间的相对欧式距离，寻找出具有最短相对欧式距离的参考点，将所述具有最短相对欧式距离参考点的物理空间位置作为待测源的定位位置；所述相对欧式距离的计算方式如公式(1)所示，
公式(1)中，coL(i)为所述相对欧式距离，为各个监测点得到的待测源的信号强度，为每一个参考点的信号强度，CL(i)为待测源的信号强度与参考点的信号强度的差值，且为各个监测点得到的待测源的信号强度均值，为每一个参考点的信号强度的均值，Ls为待测源所在的物理空间位置，L(i)表示第i个参考点的物理空间位置，i＝1,2,3...I，I为参考点总数。
进一步，每一个参考点的物理空间位置L(i)及其对应的信号强度为先验的历史指纹信息并预先存储在数据库中。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于，本发明方法考虑到在待测源的发射功率与建立指纹数据库所用的发射源的功率不等时，即待测源的发射功率未知情况下，前先求取一个信号强度修正，将该修正值引入最短欧式距离匹配准则中，从而消除待测源的发射功率与建立指纹数据库所用的发射源的功率不等时引起的两者的信号强度空间的相对偏移，从而提高了定位精度。
附图说明
图1是本发明方法应用场景示意图。
图2是本发明方法应用系统示意图。
图3是本发明方法与现有技术性能对比图。
具体实施方式
容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明室内相对指纹定位方法的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。
假设在室内存在M个监测点，这M个监测点同时也是信号接收源，能够接收到发射源发射的信号。预先获取的各个参考点的信号强度信息存储在数据库中，其中xL(i),m表示在物理空间位置L(i)上第m个监测点测得的发射源的信号强度，m∈M；L(i)表示第i个参考点的物理空间位置，i＝1,2,3...I，I为参考点总数。这些参考点的信号强度是用一个发射功率为Pf的发射源，放在各个参考点的物理空间位置上预先测量获得的。如图1所示，在室内存在8个监测点，X表示指纹数据库中各个参考点的物理空间位置，根据先验的指纹历史信息，可以进行功率未知的信号采集定位。
最短欧式距离匹配法客观上要求待测源的发射功率Ps与采集指纹用的发射源Pf的发射功率相同，即Ps＝Pf。然而在许多定位场景中，比如说窃听器定位，发射源功率一般是未知的，很有可能Ps≠Pf。电磁波的自由空间损耗模型为Pd＝20logF+20logD+32.4，其中Pd为信号的空间损耗，单位为dB，F为信号的频率，单位为MHz，D为传播距离，单位为km。接收源接收到的信号强度Pr＝Pt-Pd，其中Pr表示接收源接收到的信号强度，Pt为发射源的发射功率，指纹采集时，Pt＝Pf，定位时，Pt＝Ps。
由上可知，若待测源所在的物理空间位置Ls与数据库中某个参考点的物理空间位置L(a)(a∈I)相同时，则待测源对应的信号强度信息与预先获得的参考点信号强度信息之间的差值为一个常数，即(共M个C)，其中差值C＝Ps-20logFs-Pf-20logFf。本发明就是借助上述特性进行相应的相对功率定位，预先获得指纹信息，即预先获取各个参考点的信号强度信息，并传给数据处理中心，存入数据库。定位时，根据待测源的信号强度信息，在数据库中找到最匹配的参考点，并把其物理空间位置认为是待测源的估计位置。具体过程为：
步骤一，假设各个监测点得到的待测源的信号强度信息为求其均值
步骤二，对存储在数据库中每一个参考点的信号强度求其均值并定义待测源的信号强度与参考点的信号强度的差值将该差值CL(i)作为计算待测源信号强度与相应参考点的信号强度之间的欧式距离的修正值；
步骤三，计算待测源的信号强度与每个参考点的信号强度之间的相对欧式距离，即计算待测源与各个参考点之间在信号强度空间中的相对坐标差设coL(i)＝[bL(i),1,bL(i),2,...,bL(i),m]，其中，bL(i),m表示的是在此算法下，在位置L(i)上的参考点，在第个监测点接收到的信号强度，与待测源之间的修正值。则相对欧式距离
传统的最短欧式距离匹配准则是于本发明相比相差一个修正值因此传统室内指纹定位方法没有前两步求的步骤，但实际场景中的待测源发射功率并非已知，因此本发明需先求取修正值，然后再进行定位。
步骤四，寻找相对欧式距离最短的参考点并把对应的参考点的物理空间位置L(eva)作为待测源的定位位置。
图3是使用传统最短欧式距离匹配准则与本发明方法定位误差的累积分布图，其中横坐标表示定位误差，单位是米，纵坐标表示累计的测试点的个数。本实验中，待测源的发射功率Ps比采集指纹用的发射源的发射功率Pf大30dB，所有数据基于实测。从图中的可以看出，本发明提出的方法的累积分布曲线在最短欧式距离匹配准则的累积分布曲线之上。其表明在同样的误差门限下，本发明提出的方法的定位准度覆盖区域大于最短欧式距离匹配职责。当待测源功率未知时，本发明方法无论在定位精度还是准度上均优于最短欧式距离匹配准则。

Claims (2)

1.一种室内相对指纹定位方法，其特征在于，计算获得待测源的信号强度与每个参考点的信号强度之间的相对欧式距离，寻找出具有最短相对欧式距离的参考点，将所述具有最短相对欧式距离参考点的物理空间位置作为待测源的定位位置；所述相对欧式距离的计算方式如公式(1)所示，
公式(1)中，coL(i)为所述相对欧式距离，为各个监测点得到的待测源的信号强度，为每一个参考点的信号强度，CL(i)为待测源的信号强度与参考点的信号强度的差值，且为各个监测点得到的待测源的信号强度均值，为每一个参考点的信号强度的均值，Ls为待测源所在的物理空间位置，L(i)表示第i个参考点的物理空间位置，i＝1,2,3...I，I为参考点总数。
2.如权利要求1所述室内相对指纹定位方法，其特征在于，每一个参考点的物理空间位置L(i)及其对应的信号强度为先验的历史指纹信息并预先存储在数据库中。
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