CN110418277A - 一种基于线性定位精度限的参考点优化部署方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于线性定位精度限的参考点优化部署方法。首先，在目标区域内部署和标定若干个位置已知的接入点(Access Point，AP)和参考点(Reference Point，RP)；其次，将部署多个AP的定位系统等效为多个部署单AP的定位系统，并推导了单AP定位系统的定位误差期望与参考点间隔的几何关系；再次，利用多AP系统与多个单AP系统的等效关系，推导了系统的定位误差期望及系统开销与参考点间隔的几何关系；最后，构建系统定位误差归一化函数和系统开销归一化函数，并通过计算它们的公共解来获得目标区域的最优参考点部署间隔。本发明专利利用目标区域内定位误差及系统开销与参考点间隔的几何关系，提出了一种基于线性定位精度限的参考点优化部署方法，其在控制系统开销的同时保证了定位精度。

Description

一种基于线性定位精度限的参考点优化部署方法
技术领域
本发明属于室内定位技术，具体涉及一种基于线性定位精度限的参考点优化部署方法。
背景技术
随着移动互联网时代向物联网时代逐步发展，位置服务(LBS,Location-basedService)在人们的生活中的应用已经越来越广泛，如路径查询、商场店铺精准定位、物流监控等各种服务。目前较为流行的无线定位系统有全球定位系统(GPS)、蜂窝定位系统、蓝牙定位系统、射频识别(RFID)定位系统、ZigBee定位系统以及WLAN定位系统。其中，由于GPS定位系统在室外定位领域具有较好的表现，因此最为常见。然而，在室内环境下由于各种障碍物和移动物体的遮挡，卫星信号衰减十分严重，使得其室内定位精度不尽人意。相比而言，Wi-Fi网络具有部署成本较低，环境适应性强且通信范围广等优势，于是基于接收信号强度(RSS,Received Signal Strength)的Wi-Fi定位已逐渐成为室内定位技术的主流。
Wi-Fi定位方法大致分为四类：到达时间(或时间差)定位、到达角度(或角度差)定位、传播模型定位以及位置指纹定位。其中，位置指纹定位无需部署大量硬件设备且精度可以达到大多数工程要求，因此应用较为广泛。基于位置指纹的定位方法主要包含两个阶段：离线阶段和在线阶段。在离线阶段，在预先标定好的若干参考点(RP,Reference Point)处测量来自不同AP的RSS，并利用这些RSS数据建立位置指纹数据库；在在线阶段，利用合适的定位算法在接收端将新采集的RSS与位置指纹数据库进行匹配，从而获得终端的估计位置。
然而，由于室内环境具有复杂性，许多因素都制约着位置指纹定位方法的精度。现有的一些室内定位方面的研究表明，参考点的个数及部署方法在很大程度上影响着目标定位精度。针对此问题，本发明提出了一种基于线性定位精度限的参考点优化部署方法，通过推导线性环境下系统定位误差与系统开销和参考点部署间隔之间的几何关系，构建系统定位误差归一化函数和系统开销归一化函数，并通过计算它们的公共解来获得目标区域的最优参考点部署间隔，该方法在控制系统开销的同时保证了定位精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于线性定位精度限的参考点优化部署方法，它通过构建系统定位误差归一化函数和系统开销归一化函数来获取最优参考点部署间隔，该方法在均衡系统开销的同时保证了定位精度。
本发明所述的一种基于线性定位精度限的参考点优化部署方法，包括以下步骤：
步骤一、在目标区域内随机放置m(m≥1,m为整数)个位置已知的无线接入点(AP，Access Point)，记为AP1,…,APm，第j个AP记为APj(j≤m,j为整数)，AP的通信范围包含整个目标区域。线性等间隔标定N个参考点(RP,Reference Point)，邻近参考点之间的间隔为R，它们的位置坐标依次为(R,0),…,(NR,0)，依次表示为r0,…,rN，记第n(n≤N,n 为整数)个参考点的坐标为(nR,0)，目标区域长度为L，且L＝N×R。
步骤二、由于目标区域内每个AP相对独立，则在该区域内由m个AP组成的定位系统Sjoint可等效为m个相对独立的单AP定位系统，记为S1,…,Sm，其中，第l(l≤m,l为整数) 个单AP定位系统记为Sl。
步骤三、计算第l个单AP定位系统Sl的接收信号强度差ΔPl；具体包括以下步骤：
步骤三(一)、在第l个单AP定位系统Sl中，待定位点S的位置坐标表示为 (iR+σ,0)，其中，0＜i＜N(i≤N,i为整数)，0≤σ＜R，如附图2所示。
步骤三(二)、在待定位点S处采集AP发送的信号，计算接收信号强度差ΔPl，ΔPl＝|RSSnj-RSSsj|，其中，RSSnj表示在第n个参考点处采集到的来自第j个AP的RSS， RSSsj表示在待定位点S处采集到的来自第j个AP的RSS。利用该接收信号强度差最小的K 个值判定距离最小的K个指纹，并对这K个指纹对应的参考点坐标进行求均值处理来获得估计坐标。
步骤三(三)、利用对数传播模型公式RSSnj＝RSSo-10βlog10(d/d0)计算ΔP。其中，RSS0为参考距离为d0处的信号强度，β为路径衰减指数，本实验中β取值为2。则可得：
步骤四、基于步骤三中接收信号强度差ΔPl，计算第l个单AP定位系统Sl的定位误差期望εl。具体包括以下步骤：
步骤四(一)、考虑实际工程应用，待定位点S的位置为(iR+δ,0)且其对应的邻近参考点个数K为3；
步骤四(二)、基于步骤三中接收信号强度差ΔPl，分别计算将接收信号强度差最小的参考点位置判定为(iR-2R,0)、(iR-R,0)、(iR,0)、(iR+R,0)、(iR+2R,0)和(iR+3R,0)时的接收信号强度差
步骤四(三)、分别计算步骤四(二)中接收信号强度差的两两之差可得：当时，待定位点S的3个邻近参考点位置为(iR-R,0)、(iR,0)和 (iR+R,0)，对应的定位误差为ei-1/i/i+1＝(|ri-1-x|+|ri-x|+|ri+1-x|)/3＝(δ+2R)/3；当时，待定位点S的3个邻近参考点位置为(iR,0)， (iR+R,0)和(iR+2R,0)，对应的定位误差为ei/i+1/i+2＝(|ri-x|+|ri+1-x|+|ri+2-x|)/3＝R-δ/3；当时，待定位点S的3个邻近参考点位置为(iR+R,0)，(iR+2R,0)和 (iR+3R,0)，对应的定位误差为ei+1/i+2/i+3＝|ri+1-x|/3+(|ri+2-x|+|ri+3-x|)/3＝2R-δ；
步骤四(四)、计算第l个单AP定位系统Sl的定位误差期望为：
其中，
步骤五、根据单AP定位系统Sl的定位误差期望εl计算目标区域内由m个AP组成的定位系统Sjoint的定位误差期望：
步骤六、根据定位系统Sjoint的定位误差期望εjoint及参考点间隔R构建系统定位误差归一化函数；具体包括以下步骤：
步骤六(一)、由上述步骤可知，在第l个单AP定位系统Sl中，每个参考点之间的间隔为R且待定位点S位于任意两个参考点之间时定位误差均小于R，因此在定位系统Sl中误差期望el小于N×R即环境长度L。
步骤六(二)、对于系统Sjoint的定位误差期望εjoint和环境长度L，构建系统定位误差归一化函数，记为ferror，
步骤七、根据目标区域长度L和参考点间隔R构建系统开销归一化函数；具体包括以下步骤：
步骤七(一)、考虑实际工程应用，令邻近参考点之间的间隔存在最小值Rmin，并由此计算目标区域长度L对应的最大参考点个数
步骤七(二)、在邻近参考点之间的间隔为的条件下，计算目标区域长度 L对应的参考点个数
步骤七(三)、构建系统开销归一化函数
步骤八、计算定位系统Sjoint的定位误差归一化函数ferror和系统开销归一化函数fcost的公共解，并将其作为目标区域的最优参考点部署间隔R。
有益效果
本发明从参考点部署间隔出发，首先，将部署多个AP的定位系统等效为多个部署单 AP的定位系统；然后，推导了测试环境中系统定位误差与参考点间隔的几何关系以及系统采样开销与参考点间隔的几何关系；最后，构建系统定位误差归一化函数和系统开销归一化函数并解算它们的公共解即获得目标区域内的最优参考点部署间隔。本发明降低了多AP定位系统的复杂程度，在均衡系统开销的同时有效地提升了定位系统性能。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为第l个单AP定位系统Sl定位示意图；
图3为邻近参考点个数K为3时，本专利所提方法的最优参考点部署间隔解算。
具体实施方案
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示的一种基于线性定位精度限的参考点优化部署方法，具体包含以下步骤：
步骤一、在目标区域内随机放置m(m≥1,m为整数)个位置已知的无线接入点(AP，Access Point)，记为AP1,…,APm，第j个AP记为APj(j≤m,j为整数)，AP的通信范围包含整个目标区域。线性等间隔标定N个参考点(RP,Reference Point)，邻近参考点之间的间隔为R，它们的位置坐标依次为(R,0),…,(NR,0)，依次表示为r0,…,rN，记第n(n≤N,n 为整数)个参考点的坐标为(nR,0)，目标区域长度为L，且L＝N×R。
步骤二、由于目标区域内每个AP相对独立，则在该区域内由m个AP组成的定位系统Sjoint可等效为m个相对独立的单AP定位系统，记为S1,…,Sm，其中，第l(l≤m,l为整数) 个单AP定位系统记为Sl。
步骤三、计算第l个单AP定位系统Sl的接收信号强度差ΔPl；具体包括以下步骤：
步骤三(一)、在第l个单AP定位系统Sl中，待定位点S的位置坐标表示为 (iR+σ,0)，其中，0＜i＜N(i≤N,i为整数)，0≤σ＜R，如附图2所示。
步骤三(二)、在待定位点S处采集AP发送的信号，计算接收信号强度差ΔPl，ΔPl＝|RSSnj-RSSsj|，其中，RSSnj表示在第n个参考点处采集到的来自第j个AP的RSS， RSSsj表示在待定位点S处采集到的来自第j个AP的RSS。利用该接收信号强度差最小的K 个值判定距离最小的K个指纹，并对这K个指纹对应的参考点坐标进行求均值处理来获得估计坐标。
步骤三(三)、利用对数传播模型公式RSSnj＝RSSo-10βlog10(d/d0)计算ΔP。其中，RSS0为参考距离为d0处的信号强度，β为路径衰减指数，本实验中β取值为2。则可得：
步骤四、基于步骤三中接收信号强度差ΔPl，计算第l个单AP定位系统Sl的定位误差期望εl。具体包括以下步骤：
步骤四(一)、考虑实际工程应用，待定位点S的位置为(iR+δ,0)且其对应的邻近参考点个数K为3；
步骤四(二)、基于步骤三中接收信号强度差ΔPl，分别计算将接收信号强度差最小的参考点位置判定为(iR-2R,0)、(iR-R,0)、(iR,0)、(iR+R,0)、(iR+2R,0)和(iR+3R,0)时的接收信号强度差
步骤四(三)、分别计算步骤四(二)中接收信号强度差的两两之差可得：当时，待定位点S的3个邻近参考点位置为(iR-R,0)、(iR,0)和 (iR+R,0)，对应的定位误差为ei-1/i/i+1＝(|ri-1-x|+|ri-x|+|ri+1-x|)/3＝(δ+2R)/3；当时，待定位点S的3个邻近参考点位置为(iR,0)， (iR+R,0)和(iR+2R,0)，对应的定位误差为ei/i+1/i+2＝(|ri-x|+|ri+1-x|+|ri+2-x|)/3＝R-δ/3；当时，待定位点S的3个邻近参考点位置为(iR+R,0)，(iR+2R,0)和(iR+3R,0)，对应的定位误差为 ei+1/i+2/i+3＝|ri+1-x|/3+(|ri+2-x|+|ri+3-x|)/3＝2R-δ；
步骤四(四)、计算第l个单AP定位系统Sl的定位误差期望为：其中，
步骤五、根据单AP定位系统Sl的定位误差期望εl计算目标区域内由m个AP组成的定位系统Sjoint的定位误差期望：
步骤六、根据定位系统Sjoint的定位误差期望εjoint及参考点间隔R构建系统定位误差归一化函数；具体包括以下步骤：
步骤六(一)、由上述步骤可知，在第l个单AP定位系统Sl中，每个参考点之间的间隔为R且待定位点S位于任意两个参考点之间时定位误差均小于R，因此在定位系统Sl中误差期望el小于N×R即环境长度L。
步骤六(二)、对于系统Sjoint的定位误差期望εjoint和环境长度L，构建系统定位误差归一化函数，记为ferror，
步骤七、根据目标区域长度L和参考点间隔R构建系统开销归一化函数；具体包括以下步骤：
步骤七(一)、考虑实际工程应用，令邻近参考点之间的间隔存在最小值Rmin，并由此计算目标区域长度L对应的最大参考点个数
步骤七(二)、在邻近参考点之间的间隔为的条件下，计算目标区域长度 L对应的参考点个数
步骤七(三)、构建系统开销归一化函数
步骤八、计算定位系统Sjoint的定位误差归一化函数ferror和系统开销归一化函数fcost的公共解，并将其作为目标区域的最优参考点部署间隔R。

Claims (3)

1.一种基于线性定位精度限的参考点优化部署方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、在目标区域内随机放置m(m≥1,m为整数)个位置已知的无线接入点(AccessPoint，AP)。线性等间隔标定N个参考点(RP，Reference Point)，邻近参考点之间的间隔为R，目标区域长度为L，其中，L＝N×R；
步骤二、将该目标区域内由m个AP组成的定位系统Sjoint等效为m个相互独立的单AP定位系统Sl(l＝1,…,m)；
步骤三、计算第l个单AP定位系统Sl的接收信号强度差ΔPl；
步骤四、基于步骤三中结果，计算第l个单AP定位系统Sl的定位误差期望εl；
步骤五、根据每个单AP定位系统的定位误差期望，计算定位系统Sjoint的定位误差期望εjoint；
步骤六、根据定位系统Sjoint的定位误差期望εjoint和参考点间隔R，构建系统定位误差归一化函数
步骤七、根据目标区域长度L和参考点间隔R，构建系统开销归一化函数fcost；
步骤八、计算定位系统Sjoint的定位误差归一化函数ferror和系统开销归一化函数fcost的公共解，并将其作为目标区域的最优参考点部署间隔R。
2.根据权利要求1所述的一种基于线性定位精度限的参考点优化部署方法，其特征在于所述步骤四包括以下步骤：
步骤四、基于步骤三中接收信号强度差ΔPl，计算第l个单AP定位系统Sl的定位误差期望εl。具体包括以下步骤：
步骤四(一)、考虑实际工程应用，待定位点S的位置为(iR+δ,0)且其对应的邻近参考点个数K为3；
步骤四(二)、基于步骤三中接收信号强度差ΔPl，分别计算将接收信号强度差最小的参考点位置判定为(iR-2R,0)、(iR-R,0)、(iR,0)、(iR+R,0)、(iR+2R,0)和(iR+3R,0)时的接收信号强度差ΔPl i-2、ΔPl i-1、ΔPl i、ΔPl i+1、ΔPl i+2和ΔPl i+3；
步骤四(三)、分别计算步骤四(二)中接收信号强度差的两两之差可得：当时，待定位点S的3个邻近参考点位置为(iR-R,0)、(iR,0)和(iR+R,0)，对应的定位误差为ei-1/i/i+1＝(|ri-1-x|+|ri-x|+|ri+1-x|)/3＝(δ+2R)/3；当时，待定位点S的3个邻近参考点位置为(iR,0)，(iR+R,0)和(iR+2R,0)，对应的定位误差为ei/i+1/i+2＝(|ri-x|+|ri+1-x|+|ri+2-x|)/3＝R-δ/3；当时，待定位点S的3个邻近参考点位置为(iR+R,0)，(iR+2R,0)和(iR+3R,0)，对应的定位误差为ei+1/i+2/i+3＝|ri+1-x|/3+(|ri+2-x|+|ri+3-x|)/3＝2R-δ；
步骤四(四)、计算第l个单AP定位系统Sl的定位误差期望为：
其中，
3.根据权利要求1所述的一种基于线性定位精度限的参考点优化部署方法，其特征在于所述步骤七包括以下步骤：
步骤七、根据目标区域长度L和参考点间隔R构建系统开销归一化函数；具体包括以下步骤：
步骤七(一)、考虑实际工程应用，令邻近参考点之间的间隔存在最小值Rmin，并由此计算目标区域长度L对应的最大参考点个数
步骤七(二)、在邻近参考点之间的间隔为的条件下，计算目标区域长度L对应的参考点个数
步骤七(三)、构建系统开销归一化函数
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