CN107462867A - 一种无线定位的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了无线定位的方法和装置，涉及通信技术领域。该方法的一具体实施方式包括：在区域地图中部署定位设备作为定位基点，根据待定位设备与定位设备的物理关系生产区域地图的定位坐标；根据待检测点与所述定位基点的相对关系计算待检测点的待检测坐标；将所述待检测坐标与所述定位坐标进行匹配，选择匹配度最高的所述定位坐标所对应的实际坐标作为所述待检测点的实际坐标。该实施方式能够降低定位前期准备的成本，且降低定位时的计算难度。

Description

一种无线定位的方法和装置
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种无线定位的方法和装置。
背景技术
随着数据业务和多媒体业务的不断发展，人们对定位与导航的需求日益增加，尤其在复杂的室内环境，如机场大厅、展厅、仓库、超市、图书馆、地下停车场等环境中，常常需要确定移动终端或其持有者在室内的位置信息。
受限于卫星信号的穿透力，在室外定位中使用的卫星定位系统难以解决室内环境下的一些定位问题，因此室内定位技术需要依赖于具体环境中存在的信号源进行定位。现有的室内定位技术包括A-GPS定位技术、超声波定位技术、蓝牙技术、红外线技术、射频识别技术、超宽带技术、无线局域网络和光跟踪定位技术等。
以无限局域网络为例，大部分室内环境下都存在Wi-Fi，因此利用Wi-Fi进行定位无需额外部署硬件设备，是一个非常节省成本的方法。然而Wi-Fi并不是专门为定位而设计的，传统的基于时间和角度的定位方法并不适用于Wi-Fi。现有的通用Wi-Fi终端定位普遍采用指纹方式进行定位，在定位前需要通过现场勘测对环境的无线频谱特征进行采集。
在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：
现有的Wi-Fi定位技术中，当环境的无线频谱环境发生变化后，还需要重复现场勘测以保证定位精度，成本比较高；其它还有利用终端信号强度来计算距离、或利用信号传输时间差的方法，因计算难度大没办法在计算资源受限的嵌入式系统完成大规模实时定位计算。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种无线定位的方法和装置，能够降低定位前期准备的成本，且降低定位时的计算难度。
为实现上述目的，根据本发明实施例的一个方面，提供了一种无线定位的方法，包括：
根据地图点与定位基点的相对关系生成所述地图点的定位坐标；
建立所述地图点的实际坐标与定位坐标的对应关系；
根据待检测点与所述定位基点的相对关系计算待检测点的待检测坐标；
将所述待检测坐标与所述定位坐标进行匹配，选择匹配度最高的所述定位坐标所对应的实际坐标作为所述待检测点的实际坐标。
可选的，根据地图点与定位基点的相对关系生成所述地图点的定位坐标的步骤包括：
分别获取所述地图点到各所述定位基点的物理量；
将所述地图点与不同所述定位基点之间的相对物理量，或者相对物理量的函数计算结果，作为所述地图点的定位坐标的坐标变量，以生成所述地图点的定位坐标。
可选的，所述相对物理量包括所述地图点位置发出的无线信号被所述定位基点接收时的信号强度。
可选的，所述函数计算结果为将所述相对物理量进行指数计算或对数计算后的结果；优选的，所述函数计算结果为所述地图点位置与不同所述定位基点之间距离的比值。
可选的，建立所述地图点的实际坐标与定位坐标的对应关系的步骤包括：
根据所述地图点的定位坐标的各坐标变量建立坐标描述矩阵，将同一定位坐标的各坐标变量作为所述坐标描述矩阵的一行或者一列，以及将包含同一定位坐标的坐标变量的一行或者一列与所述地图点的实际坐标相对应。
为实现上述目的，根据本发明实施例的另一个方面，提供了一种无线定位的装置，包括：
定位坐标生成模块，用于根据地图点与定位基点的相对关系生成所述地图点的定位坐标；
坐标描述模块，用于建立所述地图点的实际坐标与定位坐标的对应关系；
待检测坐标生成模块，用于根据待检测点与所述定位基点的相对关系计算待检测点的待检测坐标；
定位模块，用于将所述待检测坐标与所述定位坐标进行匹配，选择匹配度最高的所述定位坐标所对应的实际坐标作为所述待检测点的实际坐标。
可选的，所述定位坐标生成模块还用于：
分别获取所述地图点到各所述定位基点的物理量；
将所述地图点与不同所述定位基点之间的相对物理量，或者相对物理量的函数计算结果，作为所述地图点的定位坐标的坐标变量，以生成所述地图点的定位坐标。
可选的，所述相对物理量包括所述地图点位置发出的无线信号被所述定位基点接收时的信号强度。
可选的，所述函数计算结果为将所述相对物理量进行指数计算或对数计算后的结果；优选的，所述函数计算结果为所述地图点位置与不同所述定位基点之间距离的比值。
可选的，所述坐标描述模块还用于：
根据所述地图点的定位坐标的各坐标变量建立坐标描述矩阵，将同一定位坐标的各坐标变量作为所述坐标描述矩阵的一行或者一列，以及将包含同一定位坐标的坐标变量的一行或者一列与所述地图点的实际坐标相对应。
上述发明中的一个实施例具有如下优点或有益效果：因为采用建立所述地图点的实际坐标与定位坐标的对应关系，将待检测点的待检测坐标与地图点的定位坐标比对，根据比对结果选择地图点的实际坐标作为待检测点的实际坐标的技术手段，所以克服了现有技术前期勘测的时间成本高、使用时因计算难度大而收到计算资源限制的技术问题，进而达到降低时间成本、减少计算资源消耗的技术效果。
上述的非惯用的可选方式所具有的进一步效果将在下文中结合具体实施方式加以说明。
附图说明
附图用于更好地理解本发明，不构成对本发明的不当限定。其中：
图1是根据本发明实施例的无线定位的方法的主要步骤的示意图；
图2是根据本发明实施例的无线定位的方法应用于二维场景时的示意图；
图3是根据本发明实施例的无线定位的方法应用于三维场景时的示意图；
图4是根据本发明实施例的无线定位的装置的主要模块的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的示范性实施例做出说明，其中包括本发明实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本发明的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
图1是根据本发明实施例的无线定位的方法的主要步骤的示意图。
如图1所示，根据本实施例提供的一种无线定位的方法，包括：
S10，根据地图点与定位基点的相对关系生成所述地图点的定位坐标。所述定位基点是指需要进行无线定位的区域中的定位设备所在的位置，例如Wi-Fi场景中探针所在的位置。
所述地图点是指在需要进行无线定位的区域中，根据实际空间位置确定的一些点，具体为待定位设备(例如Wi-Fi终端)可能出现的位置，例如所述地图点可以是通过将区域通过经纬向的标记线等分后，各标记线的交点；地图点在后续步骤中会用于与待检测点进行比对从而确定待检测点的位置，因此地图点的设置方式在一定程度上决定了定位精度。较佳的，所述地图点均匀设置，从而可以避免出现定位盲区，在区域内各处提供良好的比对基础。在一些可选的实施方式中，可以根据定位的精度要求来确定地图点的密度，例如可以通过提高地图点的密度以提高定位精确度。
地图点与定位基点的相对关系是指地图点与多个定位基点间的物理属性，如Wi-Fi定位中，终端与多个探针点间所观测到的相对信号强度关系，，或者可以用来描述所述空间相对位置关系的其他物理量。
S11，建立所述地图点的实际坐标与定位坐标的对应关系。地图点的实际坐标是指地图点在实际空间中的物理坐标，其维度可以根据定位需求进行确定。例如在二维定位场景中，需要确定用户在某一平面的位置，因此只需要二维坐标即可描述用户的实际位置，而在三维场景中(例如在多层的建筑物内)，则需要至少三维坐标才能够准确描述用户的位置。对于每一个地图点而言，其实际坐标与定位坐标都是唯一的，因此可以建立一一对应的关系。
为保证定位的精度，在一定区域内必须包含足够的定位基点，也就是需有足够的定位设备(如Wi-Fi场景下的探针)，当定位基点数量过少时，会影响定位的准确性；可通过增加定位基点来提高定位精度。在一些可选的实施方式中，所述定位坐标的维度不小于所述实际坐标的维度。若定位坐标的维度小于实际坐标的维度，则无法保证定位坐标与实际坐标的一一对应关系，会影响定位的精确度。为了提高定位的精确度，还可以通过增加定位基点数量等方式增加定位坐标的维度，以提高计算时的速度。
步骤S11通过描述区域地图上的所有点位(某一精度划分下)与定位基点间的关系，形成了一个定位坐标体系，利用定位基点对区域地图完成了坐标定义。
S12，根据待检测点与所述定位基点的相对关系计算待检测点的待检测坐标。待检测坐标的计算原理与地图点的定位坐标的计算原理相同。
S13，将所述待检测坐标与所述定位坐标进行匹配，选择匹配度最高的所述定位坐标所对应的实际坐标作为所述待检测点的实际坐标。在计算完毕待检测点的待检测坐标之后，通过将待检测坐标与各地图点的定位坐标进行比对，则与所述待检测坐标最为相似的定位坐标所对应的地图点即为全部地图点中与所述待检测点最为接近的地图点，选择该地图点的坐标作为所述待检测点的实际坐标即可获取待检测点在空间中的实际位置。上述坐标匹配的过程可以为：定位基点(例如Wi-Fi探针)检测到待检测设备(无线信号源)的无线信号时，根据待检测设备与定位基点的物理关系(如Wi-Fi场景下的信号强度关系)，可得出终端与每个定位基点的关系值列表；用该关系值列表与区域地图的定位坐标体系进行相似度匹配，最为接近的点就是终端所在的位置。
从上面所述可以看出，本实施例提供的方法因为采用建立所述地图点的实际坐标与定位坐标的对应关系，将待检测点的待检测坐标与地图点的定位坐标比对，根据比对结果选择地图点的实际坐标作为待检测点的实际坐标的技术手段，无需通过勘测建立场景中的无线频谱特征，也不需要对接收信号强度进行复杂的定位计算，只需要将直接得到的待检测坐标与定位坐标进行比对即可对待检测点进行定位，所以克服了现有技术前期勘测的时间成本高、使用时因计算难度大而收到计算资源限制的技术问题，进而达到降低时间成本、减少计算资源消耗的技术效果。
在一些可选的实施例中，步骤S10中，根据地图点与定位基点的相对关系生成所述地图点的定位坐标的步骤包括：
分别获取所述地图点到各所述定位基点的物理量；所述物理量包括所述地图点位置发出的无线信号被所述定位基点接收时的信号强度；
将所述地图点与不同所述定位基点之间的相对物理量，或者相对物理量的函数计算结果，作为所述地图点的定位坐标的坐标变量，以生成所述地图点的定位坐标。其中，所述相对物理量为所述地图点至不同所述定位基点的物理量的差值。
本实施例进一步说明了定位坐标的生成原理。本实施例并非直接根据无线信号的自由空间损耗关系计算各地图点的坐标，而是将地图点处发出的无线信号被不同定位基点接收到的信号强度做差值，这一差值与地图点到不同定位基点的距离之比存在一固定的函数关系。因此在计算地图点的定位坐标，或者计算待检测点的待检测坐标时，不需要再进行复杂的计算，只要获取各定位基点所接收到的地图点或待检测点处无线设备发出的无线信号强度，然后求取差值即可，大大降低了算力需求。
可选的，所述函数计算结果为将所述相对物理量进行指数计算或对数计算后的结果；优选的，所述函数计算结果为所述地图点位置与不同所述定位基点之间距离的比值。
在一些可选的实施例中，步骤S11中，建立所述地图点的实际坐标与定位坐标的对应关系的步骤包括：
根据所述地图点的定位坐标的各坐标变量建立坐标描述矩阵，将同一定位坐标的各坐标变量作为所述坐标描述矩阵的一行或者一列，以及将包含同一定位坐标的坐标变量的一行或者一列与所述地图点的实际坐标相对应。
本发明实施例提供的方法适用于各类无线通信场景中，特别适用于设置有无线接入点的无线通信场合，其采用的无线通信方式可以为Wi-Fi、Zigbee、蓝牙、BLE(BluetoothLow Energy，蓝牙低能耗技术)等。
本实施例通过建立坐标描述矩阵，可以方便地描述地图点的定位坐标，也便于计算待检测坐标与定位坐标的匹配程度。例如，可以通过矩阵运算计算待检测坐标与各定位坐标的距离(例如欧氏距离或者其他距离算法)，将与待检测坐标距离最近的定位坐标确定为与其匹配度最高的定位坐标。
为了对本发明提供的方法做进一步说明，下面提供一些本发明方法在实际实现定位功能时的实施例。
第一实施例，本发明在二维平面图中的坐标体系说明。
图2是根据本发明实施例的无线定位的方法应用于二维场景时的示意图。
如图3所示，已知地图的尺寸和定位基点A、B、C、D、E的位置，则可以用这些已知的基点来准确描述位置X的定位坐标，比如用X到不同基点距离的比来定义X的定位坐标为{(DAX/DBX)，(DAX/DCX)，(DAX/DDX)，(DAX/DEX)}，其中Dmn表示m、n两个位置间的距离，如DAX表示位置A和位置X之间的距离，DBX表示位置B和位置X之间的距离。根据一定的精度要求(如1米)对地图(图1中的虚线网格表示地图范围，网格线的交点表示地图点)的所有坐标点描述其坐标为式1的矩阵等式，等式左侧的矩阵元素表示地图点的实际坐标的坐标矩阵，如(0,0)，(0,1)，(0,2)等等，右侧矩阵的每一行是用定位基点对一个地图的确定点的坐标描述，即坐标描述矩阵，即地图点的定位坐标：
使用该坐标体系进行定位的实现方法：
以无线(含Wi-Fi)定位为例，说明如何用该坐标体系实现快速定位。根据无线信号的自由空间损耗关系，对于一个特定的无线终端(如图1中的X)发出的无线信号达到定位基点A、B、C、D、E时，因距离不一样，信号衰减强度也会不一样，两个定位基点看到的信号强度差值与距离比值间满足这样的函数关系：DAX/DBX＝f(△R(A-B))，对所有定位基点A、B、C、D、E的信号强度差值进行计算可得出一个距离比值的矩阵：
T＝{DAX/DBX,DAX/DCX,DAX/DDX,DAX/DEX}
可用矩阵T与地图点坐标描述矩阵的每一行进行距离计算(计算方法可用欧式距离或其他的算法)，矩阵距离最小的地图点即是无线终端所在的位置，从等式左侧获取到该地图点的实际坐标作为无线终端的坐标，即可完成对无线终端的定位。
第二实施例，本发明在三维空间图中的坐标体系说明。
图3是根据本发明实施例的无线定位的方法应用于三维场景时的示意图。
在如图3所示的三维空间中，在不同的截面(截面A、B、C)上部署了定位基点，如A、B、C、D、E、F等等。采用二维平面中对位置的坐标定义方法，描述三维空间内的坐标体系如式2：
式2等式左侧为地图点的实际坐标的坐标矩阵，等式右侧为地图点的定位坐标的坐标描述矩阵。
在三维空间中的定位方法与二维空间是完全一致的，其过程分为两步：第一步，通过定位基点采集的物理量的差分值(如无线信号强度等)得到一个地图点的坐标描述矩阵；第二步，根据坐标描述矩阵计算待检测点的待检测坐标与地图点的定位坐标的距离，以确定定位点的实际位置。
坐标描述矩阵的其他描述方法：
在以上的示例说明中，采用了距离比值的方法定义坐标描述矩阵，在无线定位中，完全可用信号强度差分值或其关系式来描述，如对位置X，可用信号强度差分值定义其位置坐标为{(RAX-RBX),(RAX-RCX),(RAX-RDX),(RAX-REX)}，RAX表示从位置X发射的无线信号到达A点的衰减，RBX表示从位置X发射的无线信号到达B点的衰减，以此类推；或者{f(RAX-RBX),f(RAX-RCX),f(RAX-RDX),f(RAX-REX)}，其中函数f表示一种关系式，如指数、对数。此时，对三维平面的所有坐标点可描述为如下：
除上述实施例中的方案外，本发明还具备以下特点：
对大地图定位的方案
解决大地图定位是方法非常简单，采用本发明的办法，可以将大地图拆解为小地图，通过为每个小地图建立坐标描述矩阵等式，即可降低总体计算量，提高定位速度。
对不同定位精度的定位
采用本发明的办法，可从两个方面来调整定位精度，一方面是地图点的坐标矩阵的最小精度，可采用不同精度的坐标矩阵，如果5米、1米或0.5米，其对应的仅仅是坐标矩阵的体积不同；另一方面是调整定位基点的数量，数量越多，则定位精度越高。
融合二维和三位定位
本发明对二维和三维的定义是完全相容的，计算方法完全一致，无需过多改变算法逻辑即可实现定位功能，易于实施。
对工程实现的要求
本发明对工程实现的要求很低，不需要进行复杂的数学计算即可完成符合精度要求的定位，其计算仅仅是有限矩阵内的距离计算，可在通用计算机上即可实现实时地、大范围的定位计算。
图4是根据本发明实施例的无线定位的装置的主要模块的示意图。
如图所示，根据本发明实施例提供的一种无线定位的装置400，包括：
定位坐标生成模块401，用于根据地图点与定位基点的相对关系生成所述地图点的定位坐标；
坐标描述模块402，用于建立所述地图点的实际坐标与定位坐标的对应关系；
待检测坐标生成模块403，用于根据待检测点与所述定位基点的相对关系计算待检测点的待检测坐标；
定位模块404，用于将所述待检测坐标与所述定位坐标进行匹配，选择匹配度最高的所述定位坐标所对应的实际坐标作为所述待检测点的实际坐标。
在一些可选的实施例中，所述定位坐标生成模块401还用于：
分别获取所述地图点到各所述定位基点的物理量；
将所述地图点与不同所述定位基点之间的相对物理量，或者相对物理量的函数计算结果，作为所述地图点的定位坐标的坐标变量，以生成所述地图点的定位坐标。
在一些可选的实施例中，所述相对物理量包括所述地图点位置发出的无线信号被所述定位基点接收时的信号强度。
在一些可选的实施例中，所述函数计算结果为将所述相对物理量进行指数计算或对数计算后的结果；优选的，所述函数计算结果为所述地图点位置与不同所述定位基点之间距离的比值。
在一些可选的实施例中，所述坐标描述模块402还用于：
根据所述地图点的定位坐标的各坐标变量建立坐标描述矩阵，将同一定位坐标的各坐标变量作为所述坐标描述矩阵的一行或者一列，以及将包含同一定位坐标的坐标变量的一行或者一列与所述地图点的实际坐标相对应。
从上面所述可以看出，本实施例提供的装置因为采用建立所述地图点的实际坐标与定位坐标的对应关系，将待检测点的待检测坐标与地图点的定位坐标比对，根据比对结果选择地图点的实际坐标作为待检测点的实际坐标的技术手段，无需通过勘测建立场景中的无线频谱特征，也不需要对接收信号强度进行复杂的定位计算，只需要将直接得到的待检测坐标与定位坐标进行比对即可对待检测点进行定位，所以克服了现有技术前期勘测的时间成本高、使用时因计算难度大而收到计算资源限制的技术问题，进而达到降低时间成本、减少计算资源消耗的技术效果。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无线定位的方法，其特征在于，包括：
根据地图点与定位基点的相对关系生成所述地图点的定位坐标；
建立所述地图点的实际坐标与定位坐标的对应关系；
根据待检测点与所述定位基点的相对关系计算待检测点的待检测坐标；
将所述待检测坐标与所述定位坐标进行匹配，选择匹配度最高的所述定位坐标所对应的实际坐标作为所述待检测点的实际坐标。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据地图点与定位基点的相对关系生成所述地图点的定位坐标的步骤包括：
分别获取所述地图点到各所述定位基点的物理量；
将所述地图点与不同所述定位基点之间的相对物理量，或者相对物理量的函数计算结果，作为所述地图点的定位坐标的坐标变量，以生成所述地图点的定位坐标。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述相对物理量包括所述地图点位置发出的无线信号被所述定位基点接收时的信号强度。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述函数计算结果为将所述相对物理量进行指数计算或对数计算后的结果；优选的，所述函数计算结果为所述地图点位置与不同所述定位基点之间距离的比值。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立所述地图点的实际坐标与定位坐标的对应关系的步骤包括：
根据所述地图点的定位坐标的各坐标变量建立坐标描述矩阵，将同一定位坐标的各坐标变量作为所述坐标描述矩阵的一行或者一列，以及将包含同一定位坐标的坐标变量的一行或者一列与所述地图点的实际坐标相对应。
6.一种无线定位的装置，其特征在于，包括：
定位坐标生成模块，用于根据地图点与定位基点的相对关系生成所述地图点的定位坐标；
坐标描述模块，用于建立所述地图点的实际坐标与定位坐标的对应关系；
待检测坐标生成模块，用于根据待检测点与所述定位基点的相对关系计算待检测点的待检测坐标；
定位模块，用于将所述待检测坐标与所述定位坐标进行匹配，选择匹配度最高的所述定位坐标所对应的实际坐标作为所述待检测点的实际坐标。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述定位坐标生成模块还用于：
分别获取所述地图点到各所述定位基点的物理量；
将所述地图点与不同所述定位基点之间的相对物理量，或者相对物理量的函数计算结果，作为所述地图点的定位坐标的坐标变量，以生成所述地图点的定位坐标。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述相对物理量包括所述地图点位置发出的无线信号被所述定位基点接收时的信号强度。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述函数计算结果为将所述相对物理量进行指数计算或对数计算后的结果；优选的，所述函数计算结果为所述地图点位置与不同所述定位基点之间距离的比值。
10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述坐标描述模块还用于：
根据所述地图点的定位坐标的各坐标变量建立坐标描述矩阵，将同一定位坐标的各坐标变量作为所述坐标描述矩阵的一行或者一列，以及将包含同一定位坐标的坐标变量的一行或者一列与所述地图点的实际坐标相对应。
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