CN111542115A - 一种基于125k的模拟参考标签定位系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于125k的模拟参考标签定位系统及其方法，包括125k定位基站、服务器终端和网络交换机，所述125k定位基站通过网络交换机连接在服务器终端上。步骤包括离线训练阶段和在线计算阶段，所述离线训练阶段包括训练RSSI‑距离模型和生成模拟参考标签。本发明定位位置波动小、不增加成本、精度高。

Description

一种基于125k的模拟参考标签定位系统及其方法
技术领域
本发明涉及室内定位技术，特别是一种基于125k的模拟参考标签定位系统及其方法。
背景技术
125k定位由于其抗干扰性强，穿墙性能好，信号稳定等特点，被广泛的用于室内人员定位。
基于125k的定位方法有很多，其中最典型的是利用RSSI值大小定位到满足条件的信号最强的125k天线上。然而这种定位技术的精度有限，且依赖125k天线部署密度，随着各行各业对室内定位精度要求的提升，又一批基于125k的高精度定位技术被提出，他们大多基于三点定位的传统方法来定位，利用RSSI值解算出对应的距离，通过三圆相交，或者求取质心等方法来估算出最终的定位坐标。
但是由于125k的信号衰减是非线性的，距离越远，信号的区分度越低，使用三圆法求解出的定位点精度会大大降低。
我们在实验中发现，通过RSSI值的大小，我们实验人员使用经验就可以大致推算出相对于若干的定位天线的坐标。这一点和RFID定位技术中的参考标签定位法相似，即在环境中部署若干的参考标签，通过寻找和当前信号值最相似的相邻参考标签来估算位置。
现实的系统中往往无法部署参考标签，因此我们创造性的使用了实现的训练数据来模拟出若干的参考标签，并用于实时的计算比对。完成了一种轻量级部署的高精度定位方法。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种定位位置波动小、不增加成本、提高精度的基于125k的模拟参考标签定位系统及其方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种基于125k的模拟参考标签定位系统，包括125k定位基站、服务器终端和网络交换机，所述125k定位基站通过网络交换机连接在服务器终端上。
所述125k定位基站有四个，四个125k定位基站位于矩形的四个角上，所述矩形为定位区域。
所述矩形为正方形。
所述125k定位基站集成有125k天线。
一种基于125k的模拟参考标签定位方法，步骤包括离线训练阶段和在线计算阶段，所述离线训练阶段包括训练RSSI-距离模型和生成模拟参考标签，所述训练RSSI-距离模型为测量RSSI和距离的对应关系，使用对数模型来拟合训练数据，得到RSSI—距离的计算公式RSSI＝10nln d+A，其中n为路径损耗指数，和环境相关，A是和硬件相关的固有值；所述生成模拟参考标签包括在定位环境中，固定间隔取点，作为模拟出的参考节点，同时，每个模拟出的参考节点i，计算出与定位环境中每个定位基站j的距离dij，通过训练的RSSI和距离模型，计算出每个dij对应的RSSI值rssiij，每个参考节点i相对于全部的定位基站，生成一个特征向量<rssii1，rssii2，rssii3，......，rssiin>，所述在线计算阶段包括如下步骤：每一轮定位，待定位的移动点t，收到所有固定的125k天线给出的RSSI值，构成一个特征向量<rssit1，rssit2，rssit3，......，rssitn>，使用待定位点的RSSI值向量，去和事先模拟出来的参考节点集合中的特征向量计算距离，寻找最距离最近的N个参考节点，计算这N个参考节点的平均坐标，即为待定位的移动点坐标。
所述训练RSSI-距离模型包括如下步骤：在定位环境中固定125k定位基站位置，使用物理测距手段标定不同的距离，根据实际情况标定若干个不同的距离，在标定的每个位置使用移动点，测量移动点和该定位基站之间的RSSI值，使用无线信号传播模型作为目标函数训练参数n和A，训练方法采用最小二乘方法，得到当前环境中的RSSI-距离模型。
所述特征向量计算距离的公式为
Figure BDA0002496367060000021
相比于现有技术，本发明的优点在于：
1、本发明使用相似度计算方式来求解最优定位坐标，能够降低无线信号跳变的影响性，相比于三点定位，定位结果更加稳定。
2、本发明使用相似度计算方式来求解最优定位坐标，更加接近真实的位置，相比于三点定位，不会因为没有交点，或者交点分散而影响定位结果。能够取得比三点定位方法更高的定位精度，定位误差理论上应该近似于定位设备的硬件误差。
3、本发明采用虚拟的参考节点方法，不需要事先部署大量的参考标签，而是事先训练模型，通过模型生成出大量虚拟出来的参考标签和对应信号特征。相比于传统的参考标签方法，本发明的方法无任何额外部署，无任何施工和成本开销。
4、本发明使用相似度计算方式求解最优定位坐标，属于优化算法，相比于最小二乘，梯度下降等优化方法，本方法的计算更加便捷，无需迭代，且必有解。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
图2为本发明的模拟参考标签法离线训练原理图。
图3为模拟参考标签法在线计算原理图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。
RSSI：Received Signal Strength Indication接收的信号强度。
定位基站：用于室内定位的固定位置基站，坐标已知，也叫做锚节点。
移动点：用于室内定位的待定位设备，可以和定位基站通信。
RFID：Radio Frequency Identification，射频识别。
其原理为阅读器与标签之间进行非接触式的数据通信，达到识别目标的目的。RFID的应用非常广泛，目前典型应用有动物晶片、汽车晶片防盗器、门禁管制、停车场管制、生产线自动化、物料管理。
125K：一种125K RFID技术，工作在125k无线频段，典型的定位系统由125K标签，125K天线，125K基站构成。
三点定位：也叫三圆相交定位，是定位技术中的基础方法。已知三个固定基站的坐标，作为圆心，三个固定基站到移动点的距离作为半径，绘制三个圆，交点即为最终的坐标。但实际环境下，移动点到基站的距离获取是存在误差的，会导致三个圆的交点不在同一处。
如图1所示，一种基于125k的模拟参考标签定位系统，包括125k定位基站、服务器终端和网络交换机，多个待定位的移动点，所述125k定位基站通过网络交换机连接在服务器终端上。定位空间中均匀的部署定位基站；定位基站和服务器终端通过网线连接到网络交换机；移动点在定位空间中和定位基站通过无线信号交互。
所述125k定位基站有四个，四个125k定位基站位于矩形的四个角上，所述矩形为定位区域。所述矩形定位区域可以扩展为由任意数量定位基站均匀覆盖的区域。定位基站分布在四个角的近似正方形定位区域为其中一种典型室内部署方式。本发明的系统和算法适用于全部由任意数量定位基站均匀覆盖的区域。
将125k定位基站部署在定位区域的四周，尽量呈正方形部署，将待定位区域包裹在基站构成的范围内。
所述125k定位基站集成有125k天线。
移动点在定位区域中移动，实时地发送信号给定位基站，定位基站解析出RSSI值。
定位基站通过网络交换机连接到服务器终端，每个定位基站上传收到的移动点的RSSI值给服务器终端。
服务器终端收到移动点相对于不同定位基站的RSSI值后，使用“模拟参考标签”定位算法计算出最终位置坐标，完成移动点室内定位。
一种基于125k的模拟参考标签定位方法，步骤包括离线训练阶段和在线计算阶段，所述离线训练阶段包括训练RSSI-距离模型和生成模拟参考标签，如图2所示，所述训练RSSI-距离模型为测量RSSI和距离的对应关系，使用对数模型来拟合训练数据，根据无线信号传播模型可知，得到RSSI—距离的计算公式RSSI＝10nln d+A，其中n为路径损耗指数，和环境相关，A是和硬件相关的固有值；所述训练RSSI-距离模型包括如下步骤：在定位环境中固定125k定位基站位置，使用物理测距手段标定不同的距离，根据实际情况标定若干个不同的距离，例如在距离基站的0.5m，1m，1.5m，2m，……，11m，11.5m，12m位置标定位置。在标定的每个位置使用移动点，测量移动点和该定位基站之间的RSSI值，使用无线信号传播模型作为目标函数训练参数n和A，训练方法采用最小二乘方法，得到当前环境中的RSSI-距离模型。在定位空间中均匀生成若干个模拟出来的参考点，作为参考标签位置。对于每一个虚拟的参考标签点i，都已知其和所有定位基站的距离d。通过在当前环境下训练出的RSSI-距离模型，将距离d转换成rssi值，生成一个特征向量<rssii1，rssii2，rssii3，......，rssiin>。存储当前环境下全部虚拟出来的参考节点的特征向量。
所述生成模拟参考标签包括在定位环境中，固定间隔取点，作为模拟出的参考节点，同时，每个模拟出的参考节点i，计算出与定位环境中每个定位基站j的距离dij，通过训练的RSSI和距离模型，计算出每个dij对应的RSSI值rssiij，每个参考节点i相对于全部的定位基站，生成一个特征向量<rssii1，rssii2，rssii3，......，rssiin>，模拟出的每个参考节点都生成这样一个特征向量。
如图3所示，所述在线计算阶段包括如下步骤：每一轮定位，待定位的移动点t，收到所有固定的125k天线给出的RSSI值，构成一个特征向量<rssit1，rssit2，rssit3，......，rssitn>，使用待定位点的RSSI值向量，去和事先模拟出来的参考节点集合中的特征向量计算距离，寻找最距离最近的N个参考节点，计算这N个参考节点的平均坐标，即为待定位的移动点坐标。
计算特征向量1<rssit1，rssit2，rssit3，......，rssitn>，特征向量2<rssii1，rssii2，rssii3，......，rssiin>的公式为
Figure BDA0002496367060000051
已获取到移动点相对于全部定位基站的实时RSSI信号。将全部RSSI信号组成特征向量<rssit1，rssit2，rssit3，......，rssitn>。和每个模拟的参考节点(即图中的空心圆圈位置)计算特征向量的距离。模拟的参考节点特征向量在离线采集阶段已经生成，详情见图2描述。选出若干个距离最近的模拟参考节点位置，如图3种的实心圆圈位置，计算他们的平均坐标，就是最终定位点的坐标，完成定位。
本发明解决无线信号波动带来的定位位置波动较大问题。
125k信号在距离较远的时候区分度不高，例如10m的信号和12m的信号可能差不多，这对传统方法，例如三圆法来说，求解的交点会随着信号的变化而大幅度跳动。
本发明提高定位精度。
使用三圆法等传统方法在计算时，从几何层面上来看，三圆没有交点，或者交点过于分散等，都会对最终定位位置的解算有很大的影响，严重降低定位精度。本发明使用模拟参考标签方法，不同于三圆法的几何计算，可以取得系统最优解，提高定位精度。
本发明使用一种不增加施工成本的解决方案来优化室内定位精度。
本发明的方法采用模拟的参考标签，来替代真实的参考标签部署。不需要事先在环境中部署标签，对原有的现场实施零影响。

Claims (7)

1.一种基于125k的模拟参考标签定位系统，其特征在于包括125k定位基站、服务器终端和网络交换机，所述125k定位基站通过网络交换机连接在服务器终端上。
2.根据权利要求1所述的一种基于125k的模拟参考标签定位系统，其特征在于所述125k定位基站有四个，四个125k定位基站位于矩形的四个角上，所述矩形为定位区域。
3.根据权利要求1所述的一种基于125k的模拟参考标签定位系统，其特征在于所述矩形为正方形。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于125k的模拟参考标签定位系统，其特征在于所述125k定位基站集成有125k天线。
5.一种基于125k的模拟参考标签定位方法，其特征在于步骤包括离线训练阶段和在线计算阶段，所述离线训练阶段包括训练RSSI-距离模型和生成模拟参考标签，所述训练RSSI-距离模型为测量RSSI和距离的对应关系，使用对数模型来拟合训练数据，得到RSSI—距离的计算公式RSSI＝10nln d+A，其中n为路径损耗指数，和环境相关，A是和硬件相关的固有值；所述生成模拟参考标签包括在定位环境中，固定间隔取点，作为模拟出的参考节点，同时，每个模拟出的参考节点i，计算出与定位环境中每个定位基站j的距离dij，通过训练的RSSI和距离模型，计算出每个dij对应的RSSI值rssiij，每个参考节点i相对于全部的定位基站，生成一个特征向量<rssii1，rssii2，rssii3，......，rssiin>，所述在线计算阶段包括如下步骤：每一轮定位，待定位的移动点t，收到所有固定的125k天线给出的RSSI值，构成一个特征向量<rssit1，rssit2，rssit3，......，rssitn>，使用待定位点的RSSI值向量，去和事先模拟出来的参考节点集合中的特征向量计算距离，寻找最距离最近的N个参考节点，计算这N个参考节点的平均坐标，即为待定位的移动点坐标。
6.根据权利要求5所述的一种基于125k的模拟参考标签定位方法，其特征在于所述训练RSSI-距离模型包括如下步骤：在定位环境中固定125k定位基站位置，使用物理测距手段标定不同的距离，根据实际情况标定若干个不同的距离，在标定的每个位置使用移动点，测量移动点和该定位基站之间的RSSI值，使用无线信号传播模型作为目标函数训练参数n和A，训练方法采用最小二乘方法，得到当前环境中的RSSI-距离模型。
7.根据权利要求5所述的一种基于125k的模拟参考标签定位方法，其特征在于所述特征向量计算距离的公式为
Figure FDA0002496367050000021
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Denomination of invention: A 125k based simulated reference label localization system and its method

Granted publication date: 20220308

Pledgee: Nanjing Bank Co.,Ltd. Nanjing North Branch

Pledgor: NANJING RONGFEI TECHNOLOGY CO.,LTD.

Registration number: Y2024980013715