CN108519084B - 一种行人航位推算辅助的行人地磁定位方法及系统 - Google Patents

一种行人航位推算辅助的行人地磁定位方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种行人航位推算辅助的行人地磁定位方法，能够以较少的手持设备实现高精度的位置匹配，可满足行人用户的定位需求，定位精度可达到米级。该方法包括建立地磁基准库和实时地磁匹配定位两步，首先在行人行走在建立地磁基准库的路线上，采用移动式地磁传感器采集地磁场矢量数据，采用位置基准设备获取行空间地理坐标数据，采用移动式加速度计获取里程信息数据，处理获得地磁基准库序列。行人行走在实时行走路线上时，采用移动式地磁传感器采集实时地磁场矢量数据，采用多个实测地磁场矢量数据与地磁基准库序列中的地磁场矢量数据进行滑动窗口匹配，并计算相关系数。取相关系数最大时对应的位置，作为行人所处位置的最优估计值。

Description

一种行人航位推算辅助的行人地磁定位方法及系统
技术领域
本发明涉及导航定位技术领域，具体涉及一种行人航位推算辅助的行人地磁定位方法及系统。
背景技术
当今随着物联网不断发展与智能终端的普及，基于位置的服务(LBS)的用户需求不断增长。用户迫切需要在各种场景下均能得到精准的定位服务信息，现今可选择的导航方式多种多样，如北斗导航系统、GPS导航系统等卫星导航系统是其中运用广泛且十分重要的方式，然而当面对城市峡谷、隧道、室内等应用场景时，卫星导航就面对着信号遮蔽的问题，定位服务用户无法在这种情况下取得精确定位信息。
通过新型导航技术获得精准位置信息成为导航领域发展的重要方向：WLAN定位、行人航位推算(PDR)定位、蓝牙定位、射频定位、无线电网络定位、地磁定位等定位技术飞速发展，相较于蓝牙定位、WLAN定位、无线电网络定位等需要预先铺设信标或者AP节点的定位技术，地磁定位技术不需要大量基站与信源设备的铺设，具有成本低、无辐射、隐蔽性强、误差不随时间累积等众多优点。同时随着智能手机性能提升，使用智能手机获取定位服务的用户数量不断增长，磁强计等传感器成为普遍配置，因此基于智能手机的地磁定位技术也成为定位服务发展的热点，且地磁定位技术在导航定位结果的自主性等方面展现出了巨大的应用潜力，已经发展成为导航定位的重要手段之一，但同时地磁定位技术存在易受干扰而出现误匹配产生定位误差的问题。
目前地磁定位已有较多可采用的方法和技术，主要分为三类：基于磁信标的地磁定位、基于滤波的地磁定位与基于相关性匹配的地磁定位。基于磁信标的定位方法依赖于信标的广泛铺设与人力维护，基于滤波技术的地磁定位方法需要环境地磁噪声，建模复杂，计算量大。
基于地磁匹配的技术特点，本发明针对行人定位需求，提出一种行人航位推算(PDR)辅助的地磁匹配定位方法：利用PDR得到的里程累计信息辅助地磁匹配定位，地磁匹配定位以实测地磁数据与位置基准库进行相关性位置解算，得到地磁匹配定位位置估计结果。与其他方法相比，本定位方法所需用户所持设备少，位置匹配精度高，可满足室外、商场、办公楼、地下车库等不同环境下行人用户的定位需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种行人航位推算辅助的行人地磁定位方法及系统，能够以较少的手持设备实现高精度的位置匹配，可满足室外、商场、办公楼、地下车库等不同环境下行人用户的定位需求，定位精度可达到米级。
本发明一方面的实施例提供了一种行人航位推算PDR辅助的行人地磁定位方法，该方法包括如下步骤：
步骤一、建立地磁基准库；包括如下具体步骤：
S101、行人行走在建立地磁基准库的路线上，采用移动式地磁传感器采集行走过程中的地磁场矢量数据，采用位置基准设备获取行走过程中的空间地理坐标数据，采用移动式加速度计对行人进行步伐检测和步长估计，从而计算行人行走过程中的里程信息数据。
S102、针对地磁场矢量数据、空间地理坐标数据以及里程信息数据分别依据预设的时间间隔进行等时间间隔采样，得到：
地磁场矢量序列(m,t)，其中m为t时刻对应的地磁场矢量；
空间地理坐标序列(p,t)，其中m为t时刻对应的空间地理坐标；
里程信息序列(d,t)，其中d为t时刻对应的里程信息。
S103、针对地磁场矢量序列(m,t)、空间地理坐标序列(p,t)、里程信息序列(d,t)进行线性插值处理，并进行时间对齐，得到序列(p,m,d)。
按照预设的里程间隔Δd对(p,m,d)进行里程采样，获得地磁基准库序列：
Figure BDA0001568150390000031
n表示第n个里程采样点，N地磁基准库的总里程采样点数。
步骤二、针对行人的实时行走路线进行实时地磁匹配定位；包括如下具体步骤：
S201、行人行走在实时行走路线上，采用移动式地磁传感器采集实时地磁场矢量数据，按照预设的里程间隔Δd进行里程采样，得到实测地磁场矢量数据序列，记为
Figure BDA0001568150390000032
w为实测数据序列中的地磁场矢量数据个数。
S202、采用w个实测地磁场矢量数据与地磁基准库序列中的地磁场矢量数据进行滑动窗口匹配，并计算相关系数。
相关系数为：
Figure BDA0001568150390000033
为地磁基准库序列中对应w个实测地磁场矢量数据的值，n’取值范围为[w,N]。
取相关系数最大时对应的n’，作为行人所处位置的最优估计值：
Figure BDA0001568150390000034
进一步地，采用移动式加速度计对行人进行步伐检测和步长估计，从而计算行人行走过程中的里程信息数据，具体为：
采用移动式加速度计获取行人行走过程中第i步中的最大加速度aimax与最小加速度aimin。
行人每一步的步长distep为：
Figure BDA0001568150390000041
其中K值为行人直立时的与行人腿长相关的系数，K依据经验值设定。
对行人行走过程进行步伐检测，步数为S，则行人行走过程中的里程信息数据D为：
Figure BDA0001568150390000042
本发明另一方面的实施例还提供了一种行人航位推算PDR辅助的行人地磁定位系统，该系统包括地磁基准库建立模块以及匹配定位模块；
地磁基准库建立模块还包括第一移动式地磁传感器、位置基准设备、移动式加速度计以及建库计算机。
第一移动式地磁传感器，用于在行人行走在建立地磁基准库的路线上时，采集行人行走过程中的地磁场矢量数据。
位置基准设备，用于在行人行走在建立地磁基准库的路线上时，采集行人行走过程中的空间地理坐标数据。
移动式加速度计，用于在行人行走在建立地磁基准库的路线上时，对行人进行步伐检测和步长估计，从而计算行人行走过程中的里程信息数据。
建库计算机，用于针对地磁场矢量数据、空间地理坐标数据以及实时里程信息数据分别依据预设的时间间隔进行等时间间隔采样，得到：地磁场矢量序列(m,t)，其中m为t时刻对应的地磁场矢量；空间地理坐标序列(p,t)，其中m为t时刻对应的空间地理坐标；里程信息序列(d,t)，其中d为t时刻对应的里程信息；针对地磁场矢量序列(m,t)、空间地理坐标序列(p,t)、里程信息序列(d,t)进行线性插值处理，并进行时间对齐，得到序列(p,m,d)；按照预设的里程间隔Δd对(p,m,d)进行里程采样，获得地磁基准库序列：
Figure BDA0001568150390000043
n表示第n个里程采样点，N地磁基准库的总里程采样点数。
匹配定位模块，还包括第二移动式地磁传感器以及匹配定位计算机。
第二移动式地磁传感器，用于在行人行走在实时行走路线上时，采用移动式地磁传感器采集实时地磁场矢量数据，按照预设的里程间隔Δd进行里程采样，得到实测地磁场矢量数据序列，记为
Figure BDA0001568150390000051
w为实测数据序列中的地磁场矢量数据个数。
匹配定位计算机，用于采用w个实测地磁场矢量数据与地磁基准库序列中的地磁场矢量数据进行滑动窗口匹配，并计算相关系数。
相关系数为：
Figure BDA0001568150390000052
为地磁基准库序列中对应w个实测地磁场矢量数据的值，n’取值范围为[w,N]。
取相关系数最大时对应的n’，作为行人所处位置的最优估计值
Figure BDA0001568150390000053
进一步地，第一移动式地磁传感器和第二移动式地磁传感器采用同一移动式地磁传感器实现。
建库计算机和匹配定位计算机采用同一计算机实现。
有益效果：
本发明提供的PDR辅助的行人地磁定位方法，主要针对行人定位的需求，利用行人航位推算PDR得到的里程累计信息辅助地磁匹配定位，地磁匹配定位以实测地磁数据与位置基准库进行相关性位置解算，得到地磁匹配定位位置估计结果，因此本定位方法所需行人手持设备少，且不需要预先铺设基础设施，位置匹配精度高，可满足室外、商场、办公楼、地下车库等不同环境下行人用户的定位需求，定位精度可达到米级。针对上述定位方法，本发明还提供了相应的定位系统。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种行人航位推算辅助的行人地磁定位方法流程图；
图2为本发明实施例中移动式加速度计获取行人行走过程中第i步中的最大加速度aimax与最小加速度aimin示意图；
图3为本发明实施例中采用w个实测地磁场矢量数据与地磁基准库序列中的地磁场矢量数据进行滑动窗口匹配示意图；
图4为本发明实施例提供的一种行人航位推算PDR辅助的行人地磁定位系统组成框图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种行人航位推算辅助的行人地磁定位方法，具体流程如图1所示，包括如下步骤：
步骤一、建立地磁基准库；包括如下具体步骤：
S101、行人行走在建立地磁基准库的路线上，采用移动式地磁传感器采集行走过程中的地磁场矢量数据，采用位置基准设备获取行走过程中的空间地理坐标数据，采用移动式加速度计对行人进行步伐检测和步长估计，从而计算行人行走过程中的里程信息数据。本发明实施例中，移动式地磁传感器可以采用手机地磁传感器，移动式加速度计也可以采用手机加速度计，因此行人的手持设备仅包括一个手机，不需要其他额外的手持设备即可达到满足需求的定位精度。
本发明实施例中，采用移动式加速度计对行人进行步伐检测和步长估计，从而计算行人行走过程中的里程信息数据，具体为：
采用移动式加速度计获取行人行走过程中第i步中的最大加速度aimax与最小加速度aimin；如图2所示。
行人每一步的步长distep为：
Figure BDA0001568150390000071
其中K值为行人直立时的与行人腿长相关的系数，K依据经验值设定。
对行人行走过程进行步伐检测，步数为S，本实施例中，步数的检测可以采用手机上的步数检测功能即可，则行人行走过程中的里程信息数据D为：
Figure BDA0001568150390000072
S102、针对地磁场矢量数据、空间地理坐标数据以及实时里程信息数据分别依据预设的时间间隔进行等时间间隔采样，得到：
地磁场矢量序列(m,t)，其中m为t时刻对应的地磁场矢量；
空间地理坐标序列(p,t)，其中m为t时刻对应的空间地理坐标；
里程信息序列(d,t)，其中d为t时刻对应的里程信息；
S103、针对地磁场矢量序列(m,t)、空间地理坐标序列(p,t)、里程信息序列(d,t)进行线性插值处理，并进行时间对齐，得到序列(p,m,d)；其中线性插值处理是为了使得地磁场矢量序列、空间地理坐标序列和里程信息序列能够实现时间对齐。
按照预设的里程间隔Δd对(p,m,d)进行里程采样，获得地磁基准库序列：
Figure BDA0001568150390000073
n表示第n个里程采样点，N地磁基准库的总里程采样点数。
步骤二、针对行人的实时行走路线进行实时地磁匹配定位；包括如下具体步骤：
S201、行人行走在实时行走路线上，采用移动式地磁传感器采集实时地磁场矢量数据，按照预设的里程间隔Δd进行里程采样，得到实测地磁场矢量数据序列，记为
Figure BDA0001568150390000081
w为实测数据序列中的地磁场矢量数据个数
S202、采用w个实测地磁场矢量数据与地磁基准库序列中的地磁场矢量数据进行滑动窗口匹配，如图3所示，计算相关系数；
相关系数为：
Figure BDA0001568150390000082
为地磁基准库序列中对应w个实测地磁场矢量数据的值，n’取值范围为[w,N]。
取相关系数最大时对应的n’，作为行人所处位置的最优估计值
Figure BDA0001568150390000083
本实施例提供的PDR辅助的行人地磁定位方法，主要针对行人定位的需求，利用行人航位推算PDR得到的里程累计信息辅助地磁匹配定位，地磁匹配定位以实测地磁数据与位置基准库进行相关性位置解算，得到地磁匹配定位位置估计结果，因此本定位方法所需行人所持设备少，且不需要预先铺设基础设施，位置匹配精度高，可满足室外、商场、办公楼、地下车库等不同环境下行人用户的定位需求，定位精度可达到米级。
本发明实施例还提供了一种行人航位推算PDR辅助的行人地磁定位系统，其组成框图如图4所示，该系统包括地磁基准库建立模块以及匹配定位模块。
地磁基准库建立模块还包括第一移动式地磁传感器、位置基准设备、移动式加速度计以及建库计算机。
第一移动式地磁传感器，用于在行人行走在建立地磁基准库的路线上时，采集行人行走过程中的地磁场矢量数据。
位置基准设备，用于在行人行走在建立地磁基准库的路线上时，采集行人行走过程中的空间地理坐标数据。
移动式加速度计，用于在行人行走在建立地磁基准库的路线上时，对行人进行步伐检测和步长估计，从而计算行人行走过程中的里程信息数据。
建库计算机，用于针对地磁场矢量数据、空间地理坐标数据以及实时里程信息数据分别依据预设的时间间隔进行等时间间隔采样，得到：地磁场矢量序列(m,t)，其中m为t时刻对应的地磁场矢量；空间地理坐标序列(p,t)，其中m为t时刻对应的空间地理坐标；里程信息序列(d,t)，其中d为t时刻对应的里程信息；针对地磁场矢量序列(m,t)、空间地理坐标序列(p,t)、里程信息序列(d,t)进行线性插值处理，并进行时间对齐，得到序列(p,m,d)；按照预设的里程间隔Δd对(p,m,d)进行里程采样，获得地磁基准库序列：
Figure BDA0001568150390000091
n表示第n个里程采样点，N地磁基准库的总里程采样点数。
匹配定位模块，还包括第二移动式地磁传感器以及匹配定位计算机。
第二移动式地磁传感器，用于在行人行走在实时行走路线上时，采用移动式地磁传感器采集实时地磁场矢量数据，按照预设的里程间隔Δd进行里程采样，得到实测地磁场矢量数据序列，记为
Figure BDA0001568150390000092
w为实测数据序列中的地磁场矢量数据个数。
匹配定位计算机，用于采用w个实测地磁场矢量数据与地磁基准库序列中的地磁场矢量数据进行滑动窗口匹配，并计算相关系数。
相关系数为：
Figure BDA0001568150390000093
为地磁基准库序列中对应w个实测地磁场矢量数据的值，n’取值范围为[w,N]。
取相关系数最大时对应的n’，作为行人所处位置的最优估计值
Figure BDA0001568150390000094
第一移动式地磁传感器和第二移动式地磁传感器可以采用同一移动式地磁传感器实现；建库计算机和匹配定位计算机可以采用同一计算机实现。
综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种行人航位推算辅助的行人地磁定位方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一、建立地磁基准库；包括如下具体步骤：
S101、行人行走在建立地磁基准库的路线上，采用移动式地磁传感器采集行走过程中的地磁场矢量数据，采用位置基准设备获取行走过程中的空间地理坐标数据，采用移动式加速度计对行人进行步伐检测和步长估计，从而计算行人行走过程中的里程信息数据；
S102、针对所述地磁场矢量数据、所述空间地理坐标数据以及所述里程信息数据分别依据预设的时间间隔进行等时间间隔采样，得到：
地磁场矢量序列(m,t)，其中m为t时刻对应的地磁场矢量；
空间地理坐标序列(p,t)，其中p为t时刻对应的空间地理坐标；
里程信息序列(d,t)，其中d为t时刻对应的里程信息；
S103、针对地磁场矢量序列(m,t)、空间地理坐标序列(p,t)、里程信息序列(d,t)进行线性插值处理，并进行时间对齐，得到序列(p,m,d)；
按照预设的里程间隔Δd对(p,m,d)进行里程采样，获得地磁基准库序列：
Figure FDA0002499700230000011
n表示第n个里程采样点，N表示地磁基准库的总里程采样点数；
步骤二、针对行人的实时行走路线进行实时地磁匹配定位；包括如下具体步骤：
S201、行人行走在所述实时行走路线上，采用移动式地磁传感器采集实时地磁场矢量数据，按照预设的里程间隔Δd进行里程采样，得到实测地磁场矢量数据序列，记为
Figure FDA0002499700230000012
i＝1，2，...，w，w为实测数据序列中的地磁场矢量数据个数；
S202、采用w个实测地磁场矢量数据与所述地磁基准库序列中的地磁场矢量数据进行滑动窗口匹配，并计算相关系数；
相关系数为：
Figure FDA0002499700230000021
Figure FDA0002499700230000022
k＝0～w-1为所述地磁基准库序列中对应w个实测地磁场矢量数据的值，n’取值范围为[w,N]；
取相关系数最大时对应的n’，作为行人所处位置的最优估计值：
Figure FDA0002499700230000023
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用移动式加速度计对行人进行步伐检测和步长估计，从而计算行人行走过程中的里程信息数据，具体为：
采用移动式加速度计获取行人行走过程中第i步中的最大加速度aimax与最小加速度aimin；
所述行人每一步的步长distep为：
Figure FDA0002499700230000024
其中K值为行人直立时的与行人腿长相关的系数，K依据经验值设定；
对行人行走过程进行步伐检测，步数为S，则行人行走过程中的里程信息数据D为：
Figure FDA0002499700230000025
3.一种行人航位推算辅助的行人地磁定位系统，其特征在于，该系统包括地磁基准库建立模块以及匹配定位模块；
所述地磁基准库建立模块还包括第一移动式地磁传感器、位置基准设备、移动式加速度计以及建库计算机；
所述第一移动式地磁传感器，用于在行人行走在建立地磁基准库的路线上时，采集行人行走过程中的地磁场矢量数据；
所述位置基准设备，用于在行人行走在建立地磁基准库的路线上时，采集行人行走过程中的空间地理坐标数据；
所述移动式加速度计，用于在行人行走在建立地磁基准库的路线上时，对行人进行步伐检测和步长估计，从而计算行人行走过程中的里程信息数据；
所述建库计算机，用于针对所述地磁场矢量数据、所述空间地理坐标数据以及实时里程信息数据分别依据预设的时间间隔进行等时间间隔采样，得到：地磁场矢量序列(m,t)，其中m为t时刻对应的地磁场矢量；空间地理坐标序列(p,t)，其中m为t时刻对应的空间地理坐标；里程信息序列(d,t)，其中d为t时刻对应的里程信息；针对地磁场矢量序列(m,t)、空间地理坐标序列(p,t)、里程信息序列(d,t)进行线性插值处理，并进行时间对齐，得到序列(p,m,d)；按照预设的里程间隔Δd对(p,m,d)进行里程采样，获得地磁基准库序列：
Figure FDA0002499700230000031
n＝1，2，...，N；n表示第n个里程采样点，N表示地磁基准库的总里程采样点数；
所述匹配定位模块，还包括第二移动式地磁传感器以及匹配定位计算机；
所述第二移动式地磁传感器，用于在行人行走在实时行走路线上时，采用移动式地磁传感器采集实时地磁场矢量数据，按照预设的里程间隔Δd进行里程采样，得到实测地磁场矢量数据序列，记为
Figure FDA0002499700230000032
i＝1，2，...，w，w为实测数据序列中的地磁场矢量数据个数；
所述匹配定位计算机，用于采用w个实测地磁场矢量数据与所述地磁基准库序列中的地磁场矢量数据进行滑动窗口匹配，并计算相关系数；
相关系数为：
Figure FDA0002499700230000033
Figure FDA0002499700230000034
k＝0～w-1为所述地磁基准库序列中对应w个实测地磁场矢量数据的值，n’取值范围为[w,N]；
取相关系数最大时对应的n’，作为行人所处位置的最优估计值
Figure FDA0002499700230000035
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一移动式地磁传感器和第二移动式地磁传感器采用同一移动式地磁传感器实现；
所述建库计算机和所述匹配定位计算机采用同一计算机实现。
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