CN111735449A - 一种地磁匹配定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种地磁匹配定位方法及装置，应用于移动终端，该方法包括：根据移动终端的初始位置和每一次的移动步长以及航向角，迭代计算移动终端当前的实时时刻位置；在第一地磁基准库中查找第一数量地磁基准点；在第一数量地磁基准点中搜索第二数量地磁基准点；在第二地磁基准库中查找分别以第二数量地磁基准点为终点的第二数量地磁基准序列；分别递推计算待匹配地磁序列与各个第二数量地磁基准序列之间的累积距离，并根据所计算的累积距离确定目标地磁基准序列；利用目标地磁基准序列终点的位置更新实时时刻位置。应用本发明实施例提供的方案，构建双分辨率地磁基准库，并融合单点匹配和序列匹配来提高定位精度。

Description

一种地磁匹配定位方法及装置

技术领域

本发明涉及室内定位技术领域，特别是涉及一种地磁匹配定位方法及装置。

背景技术

随着信息时代的到来，人们越来越依赖定位服务。在室外环境中，GPS能够提供准确的位置服务，然而在室内环境中，由于受到建筑物内部结构的复杂性、建筑物内部摆放物品等的影响，会导致GPS信号产生多径传播、非视距接收，进而影响定位精度。基于此，通过步数和步长测量距离，并结合磁力计与陀螺仪确定方向的行人航位推算(Pedestrian DeadReckoning，PDR)逐渐被广泛应用于室内环境中的定位。

相关技术中，PDR通常是在定位区域内设置多个地磁基准点并采集各个地磁基准点的地磁数据，当需要进行定位时，将移动终端当前的地磁数据与预先采集的地磁数据进行匹配，利用匹配度最高的地磁基准点的位置实现定位，但是，相关技术是使用一个地磁基准点的地磁数据进行单点匹配来实现定位，这就导致在地磁基准点密度低的定位区域内进行定位时容易出现定位偏差。

发明内容

本发明实施例提供了一种室内定位方法及装置，以达到提高室内定位精准度的技术效果。

本发明实施的一方面，提供了一种地磁匹配定位方法，应用于移动终端，所述方法包括：

根据所述移动终端的初始位置和每一次的移动步长以及航向角，迭代计算所述移动终端当前的实时时刻位置；

根据所述实时时刻位置与第一地磁基准库中各个地磁基准点之间的欧氏距离，在所述第一地磁基准库中查找第一数量地磁基准点，其中，所述第一地磁指纹库为：采集定位区域内各个地磁基准点的第一地磁数据，根据所述第一地磁数据及第一插值密度通过插值算法增加地磁基准点密度之后得到的指纹库，所述第一数量地磁基准点与所述实时时刻位置之间的欧氏距离，均小于所述第一地磁指纹库中其他地磁基准点与所述实时时刻位置之间的欧氏距离；

在所述第一数量地磁基准点中搜索第二数量地磁基准点，其中，所述第二数量地磁基准点的各个地磁数据与所述实时时刻位置的地磁数据之间的相似度，均高于所述第一数量地磁基准点中其他地磁基准点的各个地磁数据与所述实时时刻位置的地磁数据之间的相似度；

在第二地磁基准库中查找分别以所述第二数量地磁基准点为终点的第二数量地磁基准序列，其中，所述第二地磁基准库为：采集定位区域内各个地磁基准点的第二地磁数据，并根据所述第二地磁数据及第二插值密度通过插值算法增加地磁基准点密度之后得到的指纹库，所述第二插值密度高于所述第一插值密度；

分别递推计算待匹配地磁序列与各个所述第二数量地磁基准序列之间的累积距离，并根据所计算的累积距离确定目标地磁基准序列，其中，所述待匹配地磁序列表示所述移动终端由上一时刻位置移动到所述实时时刻位置过程中形成的地磁序列，所述目标地磁基准序列为：所述第二数量地磁基准序列中与所述待匹配地磁序列之间的累积距离最小的地磁基准序列；

利用所述目标地磁基准序列终点的位置更新所述实时时刻位置。

可选的，所述迭代计算所述移动终端当前的实时时刻位置的步骤，包括：

利用以下表达式迭代计算所述移动终端的实时时刻位置：

其中，(x_k-1,y_k-1)表示k-1时刻位置P_k-1的坐标，(x_k,y_k)表示k时刻位置P_k的坐标，S_k表示所述移动终端由位置P_k-1移动到位置P_k时的移动步长，θ_k表示所述移动终端由位置P_k-1移动到位置P_k时的航向角。

可选的，利用以下表达式计算所述移动步长S_k：

其中，k₁和k₂为固定常数，γ为补偿参数，T_step表示所述移动终端由位置P_k-1移动到位置P_k时的时间长度，delta_acc表示所述移动终端由位置P_k-1移动到位置P_k时的加速度差值的平均数，acc^peak和acc^valley分别表示所述移动终端由位置P_k-1移动到位置P_k时加速度的最大值和最小值。

可选的，根据所采集的地磁基准点的地磁数据，利用以下表达式来计算待插值的地磁基准点的地磁数据：

其中，

表示待插值的地磁基准点的地磁数据，M(P_i)表示所采集的地磁基准点的地磁数据，λ_i表示各个所采集的地磁基准点的权值，且λ_i满足下列两个条件：

γ(P_i,P_j)表示相邻两个所采集的地磁基准点P_i与P_j之间的半变异值，γ(P_i,P_k)表示所采集的地磁基准点P_i与待插值的地磁基准点P_k之间的半变异值，φ表示满足方差最小化条件的拉格朗日常数。

可选的，利用以下表达式来分别递推计算待匹配地磁序列与各个所述第二数量地磁基准序列之间的累积距离：

D(m,n)＝d(m,n)+min[D(m-1,n),D(m,n-1),D(m-1,n-1)] (m,n≥2)

其中，d(m,n)表示待匹配地磁序列中的第i个位置的特征量m_i与一个第二数量地磁基准序列中第j个位置的特征量M_j之间的距离。

本发明实施的又一方面，还提供了一种地磁匹配定位装置，应用于移动终端，所述装置包括：

第一计算模块，用于根据所述移动终端的初始位置和每一次的移动步长以及航向角，迭代计算所述移动终端当前的实时时刻位置；

第一查找模块，与所述迭代计算模块相连接，用于根据所述实时时刻位置与第一地磁基准库中各个地磁基准点之间的欧氏距离，在所述第一地磁基准库中查找第一数量地磁基准点，其中，所述第一地磁指纹库为：采集定位区域内各个地磁基准点的第一地磁数据，根据所述第一地磁数据及第一插值密度通过插值算法增加地磁基准点密度之后得到的指纹库，所述第一数量地磁基准点与所述实时时刻位置之间的欧氏距离，均小于所述第一地磁指纹库中其他地磁基准点与所述实时时刻位置之间的欧氏距离；

搜索模块，与所述第一查找模块相连接，用于在所述第一数量地磁基准点中搜索第二数量地磁基准点，其中，所述第二数量地磁基准点的各个地磁数据与所述实时时刻位置的地磁数据之间的相似度，均高于所述第一数量地磁基准点中其他地磁基准点的各个地磁数据与所述实时时刻位置的地磁数据之间的相似度；

第二查找模块，与所述搜索模块相连接，用于在第二地磁基准库中查找分别以所述第二数量地磁基准点为终点的第二数量地磁基准序列，其中，所述第二地磁基准库为：采集定位区域内各个地磁基准点的第二地磁数据，并根据所述第二地磁数据及第二插值密度通过插值算法增加地磁基准点密度之后得到的指纹库，所述第二插值密度高于所述第一插值密度；

第二计算模块，与所述第二查找模块相连接，用于分别递推计算待匹配地磁序列与各个所述第二数量地磁基准序列之间的累积距离，并根据所计算的累积距离确定目标地磁基准序列，其中，所述待匹配地磁序列表示所述移动终端由上一时刻位置移动到所述实时时刻位置过程中形成的地磁序列，所述目标地磁基准序列为：所述第二数量地磁基准序列中与所述待匹配地磁序列之间的累积距离最小的地磁基准序列；

更新模块，与所述第二计算模块相连接，用于利用所述目标地磁基准序列终点的位置更新所述实时时刻位置。

可选的，所述第一计算模块，还用于

利用以下表达式迭代计算所述移动终端的实时时刻位置：

其中，(x_k-1,y_k-1)表示k-1时刻位置P_k-1的坐标，(x_k,y_k)表示k时刻位置P_k的坐标，S_k表示所述移动终端由位置P_k-1移动到位置P_k时的移动距离，θ_k表示所述移动终端由位置P_k-1移动到位置P_k时的航向角。

可选的，所述第一计算模块，还用于

利用以下表达式计算所述移动距离S_k：

其中，k₁和k₂为固定常数，γ为补偿参数，T_step表示所述移动终端由位置P_k-1移动到位置P_k时的时间长度，delta_acc表示所述移动终端由位置P_k-1移动到位置P_k时的加速度差值的平均数，acc^peak和acc^valley分别表示所述移动终端由位置P_k-1移动到位置P_k时加速度的最大值和最小值。

可选的，所述装置还包括：第三计算模块，用于利用以下表达式来计算待插值的地磁基准点的地磁数据：

其中，

表示待插值的地磁基准点的地磁数据，M(P_i)表示所采集的地磁基准点的地磁数据，λ_i表示各个所采集的地磁基准点的权值，且λ_i满足下列两个条件：

γ(P_i,P_j)表示相邻两个所采集的地磁基准点P_i与P_j之间的半变异值，γ(P_i,P_k)表示所采集的地磁基准点P_i与待插值的地磁基准点P_k之间的半变异值，φ表示满足方差最小化条件的拉格朗日常数。

可选的，所述第二计算模块，还用于利用以下表达式来分别递推计算待匹配地磁序列与各个所述第二数量地磁基准序列之间的累积距离：

D(m,n)＝d(m,n)+min[D(m-1,n),D(m,n-1),D(m-1,n-1)] (m,n≥2)

其中，d(m,n)表示待匹配地磁序列中的第i个位置的特征量m_i与一个第二数量地磁基准序列中第j个位置的特征量M_j之间的距离。

本发明实施例提供的一种地磁匹配定位方法及装置，能够根据移动终端的初始位置和每一次的移动步长以及航向角，迭代计算移动终端当前的实时时刻位置，并根据实时时刻位置与第一地磁基准库中各个地磁基准点之间的欧氏距离，在第一地磁基准库中查找第一数量地磁基准点，在第一数量地磁基准点中搜索第二数量地磁基准点，在第二地磁基准库中查找分别以第二数量地磁基准点为终点的第二数量地磁基准序列，分别递推计算待匹配地磁序列与各个所述第二数量地磁基准序列之间的累积距离，并根据所计算的累积距离确定目标地磁基准序列，利用目标地磁基准序列终点的位置更新所述实时时刻位置。应用本发明实施例提供的方案，在进行地磁匹配时，利用构建的双分辨率地磁基准库，来分别进行单点匹配和序列匹配，并利用匹配结果实时更新当前位置，以此提高定位精度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种地磁匹配定位方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的迭代计实时时刻位置的原理图；

图3为本发明实施例提供的一种地磁定位装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种地磁指纹库示意图；

图5为本发明实施例提供的一种地磁基准库分辨率示意图；

图6为本发明实施例提供的另一种地磁基准库分辨率示意图；

图7为本发明实施例提供的再一种地磁基准库分辨率示意图；

图8为本发明实施例提供的一种步伐检测结果示意图；

图9为本发明实施例提供的一种单点匹配结果示意图；

图10为本发明实施例提供的一种序列匹配结果的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

参见图1，为本发明实施例提供的一种地磁匹配定位方法的流程示意图，应用于移动终端，该方法包括：

S100，根据移动终端的初始位置和每一次的移动步长以及航向角，迭代计算移动终端当前的实时时刻位置。

如图2所示为本发明实施例提供的迭代计实时时刻位置的原理图，k-1时刻位置P_k-1的坐标为(x_k-1,y_k-1)，k时刻位置P_k的坐标为(x_k,y_k)，利用移动终端由位置P_k-1移动到位置P_k时的移动距离S_k和航向角θ_k，通过以下公式来计算当前的实时时刻位置：

由(1)式可知，在已知上一时刻位置的基础上可以解算处当前的实时时刻位置，在实施中，可以给定移动终端的初始位置，在给定了初始位置之后，则可以利用初始位置和每一次的移动步长以及航向角来迭代计算实时时刻位置。

在实施中，可以利用加速度差值来计算移动步长S_k，具体的，

其中，k₁和k₂为固定常数，γ为补偿参数，T_step表示所述移动终端由位置P_k-1移动到位置P_k时的时间长度，delta_acc表示所述移动终端由位置P_k-1移动到位置P_k时的加速度差值的平均数，acc^peak和acc^valley分别表示所述移动终端由位置P_k-1移动到位置P_k时加速度的最大值和最小值。

在实施中，航向角可以通过磁力计测量值进行坐标系换算和陀螺仪测量值积分得到。一种实现方式中，可以通过粒子滤波算法融合磁力计和陀螺仪的方向角，最终确定航向角的值。

S110，根据实时时刻位置与第一地磁基准库中各个地磁基准点之间的欧氏距离，在第一地磁基准库中查找第一数量地磁基准点。

其中，第一地磁指纹库为：采集定位区域内各个地磁基准点的第一地磁数据，根据第一地磁数据及第一插值密度通过插值算法增加地磁基准点密度之后得到的指纹库，第一数量地磁基准点与实时时刻位置之间的欧氏距离，均小于第一地磁指纹库中其他地磁基准点与实时时刻位置之间的欧氏距离。

在实施中，利用连续采集法对定位区域进行地磁数据采集时对采集人员的行走速度有极高的匀速要求，如果行走速度没有固定，后续构建的地磁基准库将出现不可忽略的误差。并且不同行人行走速度各不相同，如果测试人员与数据采集人员行走模式和速度差异较大，将出现无法匹配的问题。基于此，本发明选择单点采集的方式采集定位区域内各个地磁基准点的地磁数据。

而针对单点采集发费时费力的问题，本发明通过插值算法来减少地磁数据的采集量，即在已采集的地磁数据的基础上，利用插值算法来进行插值以增加地磁基准点的密度，具体的，可以利用以下表达式来计算待插值的地磁基准点的地磁数据：

其中，

表示待插值的地磁基准点的地磁数据，M(P_i)表示所采集的地磁基准点的地磁数据，λ_i表示各个所采集的地磁基准点的权值，且λ_i满足下列两个条件：

γ(P_i,P_j)表示相邻两个所采集的地磁基准点P_i与P_j之间的半变异值，γ(P_i,P_k)表示所采集的地磁基准点P_i与待插值的地磁基准点P_k之间的半变异值，φ表示满足方差最小化条件的拉格朗日常数。

S120，在第一数量地磁基准点中搜索第二数量地磁基准点。

其中，第二数量地磁基准点的各个地磁数据与实时时刻位置的地磁数据之间的相似度，均高于第一数量地磁基准点中其他地磁基准点的各个地磁数据与实时时刻位置的地磁数据之间的相似度。

在实施中，地磁数据可以表示为

Mi表示点Pi(xi,yi)的地磁值，Mx、My、Mz分别表示移动终端坐标系中三轴磁力值，相应地，地磁数据之间的相似度也就是计算三轴磁力值之间的相似度。

S130，在第二地磁基准库中查找分别以第二数量地磁基准点为终点的第二数量地磁基准序列。

其中，第二地磁基准库为：采集定位区域内各个地磁基准点的第二地磁数据，并根据第二地磁数据及第二插值密度通过插值算法增加地磁基准点密度之后得到的指纹库，第二插值密度高于第一插值密度。

在实施中，插值密度过低将造成地磁基准点过少出现较大定位误差，插值密度过高将出现大量等值数据，在匹配阶段将出现“一对多”情况，导致定位失败。一种实现方式中，第二差值密度可以为第一差值密度的两倍。

S140，分别递推计算待匹配地磁序列与各个第二数量地磁基准序列之间的累积距离，并根据所计算的累积距离确定目标地磁基准序列。

其中，待匹配地磁序列表示移动终端由上一时刻位置移动到实时时刻位置过程中形成的地磁序列，目标地磁基准序列为：第二数量地磁基准序列中与待匹配地磁序列之间的累积距离最小的地磁基准序列。

在实施中，假设待匹配地磁测序列T和地磁基准序列K的长度分别为m和n，T＝{m1,m2,...,mm}，K＝{M1,M2,...,Mn},待匹配地磁测序列T中所有元素与地磁基准序列K中所有元素构成的距离矩阵可以表示为

d(i,j)表示待匹配地磁测序列T中的第i个位置的特征量m_i与地磁基准序列K中第j个位置的特征量M_j之间的距离。初始化累积距离矩阵，即D(1,1)＝(1,1)，则有D(1,2)＝D(1,1)+d(1,2)，D(2,1)＝D(1,1)+d(2,1)。由于(i,j)只允许到达水平格点(i-1,j)、竖直格点(i,j-1)以及对角格点(i-1,j-1)的三者之一，因此可以得到该帧到下一帧的最短距离为min[D(i-1,j),D(i,j-1),D(i-1,j-1)]，通过递推计算出两个序列的累积距离最小值为：

D(m,n)＝d(m,n)+min[D(m-1,n),D(m,n-1),D(m-1,n-1)] (m,n≥2) (8)

S140，利用目标地磁基准序列终点的位置更新实时时刻位置。

在实施中，目标地磁基准序列终点的位置也就是最终的定位结果。

应用本发明实施例提供的方案，在进行地磁匹配时，利用构建的双分辨率地磁基准库，来分别进行单点匹配和序列匹配，并利用匹配结果实时更新当前位置，以此提高定位精度。

参见图3为本发明实施例提供的一种地磁定位装置的结构示意图，应用于移动终端，该装置包括：

第一计算模块300，用于根据所述移动终端的初始位置和每一次的移动步长以及航向角，迭代计算所述移动终端当前的实时时刻位置；

第一查找模块310，与所述迭代计算模块300相连接，用于根据所述实时时刻位置与第一地磁基准库中各个地磁基准点之间的欧氏距离，在所述第一地磁基准库中查找第一数量地磁基准点，其中，所述第一地磁指纹库为：采集定位区域内各个地磁基准点的第一地磁数据，根据所述第一地磁数据及第一插值密度通过插值算法增加地磁基准点密度之后得到的指纹库，所述第一数量地磁基准点与所述实时时刻位置之间的欧氏距离，均小于所述第一地磁指纹库中其他地磁基准点与所述实时时刻位置之间的欧氏距离；

搜索模块320，与所述第一查找模块310相连接，用于在所述第一数量地磁基准点中搜索第二数量地磁基准点，其中，所述第二数量地磁基准点的各个地磁数据与所述实时时刻位置的地磁数据之间的相似度，均高于所述第一数量地磁基准点中其他地磁基准点的各个地磁数据与所述实时时刻位置的地磁数据之间的相似度；

第二查找模块330，与所述搜索模块320相连接，用于在第二地磁基准库中查找分别以所述第二数量地磁基准点为终点的第二数量地磁基准序列，其中，所述第二地磁基准库为：采集定位区域内各个地磁基准点的第二地磁数据，并根据所述第二地磁数据及第二插值密度通过插值算法增加地磁基准点密度之后得到的指纹库，所述第二插值密度高于所述第一插值密度；

第二计算模块340，与所述第二查找模块330相连接，用于分别递推计算待匹配地磁序列与各个所述第二数量地磁基准序列之间的累积距离，并根据所计算的累积距离确定目标地磁基准序列，其中，所述待匹配地磁序列表示所述移动终端由上一时刻位置移动到所述实时时刻位置过程中形成的地磁序列，所述目标地磁基准序列为：所述第二数量地磁基准序列中与所述待匹配地磁序列之间的累积距离最小的地磁基准序列；

更新模块350，与所述第二计算模块340相连接，用于利用所述目标地磁基准序列终点的位置更新所述实时时刻位置。

一种实现方式中，所述第一计算模块300，还用于

利用以下表达式迭代计算所述移动终端的实时时刻位置：

其中，(x_k-1,y_k-1)表示k-1时刻位置P_k-1的坐标，(x_k,y_k)表示k时刻位置P_k的坐标，S_k表示所述移动终端由位置P_k-1移动到位置P_k时的移动距离，θ_k表示所述移动终端由位置P_k-1移动到位置P_k时的航向角。

一种实现方式中，所述第一计算模块300，还用于

利用以下表达式计算所述移动距离S_k：

其中，k₁和k₂为固定常数，γ为补偿参数，T_step表示所述移动终端由位置P_k-1移动到位置P_k时的时间长度，delta_acc表示所述移动终端由位置P_k-1移动到位置P_k时的加速度差值的平均数，acc^peak和acc^valley分别表示所述移动终端由位置P_k-1移动到位置P_k时加速度的最大值和最小值。

一种实现方式中，所述装置还包括：第三计算模块，用于利用以下表达式来计算待插值的地磁基准点的地磁数据：

其中，

表示待插值的地磁基准点的地磁数据，M(P_i)表示所采集的地磁基准点的地磁数据，λ_i表示各个所采集的地磁基准点的权值，且λ_i满足下列两个条件：

γ(P_i,P_j)表示相邻两个所采集的地磁基准点P_i与P_j之间的半变异值，γ(P_i,P_k)表示所采集的地磁基准点P_i与待插值的地磁基准点P_k之间的半变异值，φ表示满足方差最小化条件的拉格朗日常数。

一种实现方式中，所述第二计算模块340，还用于利用以下表达式来分别递推计算待匹配地磁序列与各个所述第二数量地磁基准序列之间的累积距离：

D(m,n)＝d(m,n)+min[D(m-1,n),D(m,n-1),D(m-1,n-1)] (m,n≥2)

其中，d(m,n)表示待匹配地磁序列中的第i个位置的特征量m_i与一个第二数量地磁基准序列中第j个位置的特征量M_j之间的距离。

应用本发明实施例提供的方案，在进行地磁匹配时，利用构建的双分辨率地磁基准库，来分别进行单点匹配和序列匹配，并利用匹配结果实时更新当前位置，以此提高定位精度。

以下通过一具体实施例来对本发明技术方案进行说明：

一、离线建库阶段；

在构建地磁指纹库过程中，利用地砖将定位区域划分为90cm x 60cm的长方形小区域。采集地磁数据时实验人员在每个长方形顶点以50Hz的采样频率连续采集5秒，然后对每个采样点的三维磁场数据进行求模值、滤波和求平均处理，得到地磁指纹库如图4所示。

接着对地磁指纹库进行克里金插值处理生成地磁基准库。为了比较不同插值密度对地磁基准库分辨率的影响，选取了三组插值密度进行分析比较，分别为0.2m x 0.4m，0.1m x 0.2m和0.05m x 0.1m，插值后的地磁基准库分辨率示意图分别如图5、6、7所示。

通过观察分析可知，适当缩小插值密度可以提高地磁基准库的分辨率，图5的分辨率高于图6。然而插值密度与分辨率并不是严格反比关系，图7插值密度在图6的基础上缩小了十倍，但分辨率并没有明显提高。考虑到行人的身体宽度，30-40厘米的定位误差都是可以接受的，因此，在单点匹配时选用的地磁基准库1的插值密度为0.2m x 0.4m。考虑到PDR过程采样频率的影响，序列匹配的地磁基准库2的插值密度为0.1m x 0.2m。

二、在线定位阶段；

对移动终端的加速度进行处理后用于步伐检测，步伐检测结果如图8所示。一个完整的步伐由图8中A-B-C-D-E组成，其中点A、点C和点E代表加速度过零点，点B和点D分别代表加速度峰值和谷值。可以利用一个步伐结束时刻(点E)的磁力计测量值与地磁基准库1进行单点匹配，用一个步伐内(点A至点E)的地磁序列与地磁基准库2进行匹配，来完成定位。

以一个随机测试点为例，得到的单点匹配结果如图9所示。在图9中，圆圈代表地磁基准点，实心点代表迭代计算得到的实时时刻位置，方框与星形点代表与实时时刻位置欧式距离最小的10个地磁基准点，其中，星形点代表与实时时刻位置的地磁数据相似度最高的5个点，该5个点即为单点匹配结果，将作为接下来序列匹配的终点。

接着进行序列匹配，计算实验地磁序列与五条地磁基准序列的最小累积距离，累积距离最小的地磁基准基准序列与实验地磁序列的匹配情况如图10所示。

实验人员选择两条路径，以任意速度行走十次，获取10组待定位数据。通过本文的算法解算出位置信息，得到的平均位误差如表1所示：

表1 10组数据平均定位误差

从表中可以分析得到，10组数据平均定位误差均小于1.5m，其中最大平均定位误差为1.26m，最小平均定位误差为0.52m。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述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，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种地磁匹配定位方法，其特征在于，应用于移动终端，所述方法包括：

根据所述移动终端的初始位置和每一次的移动步长以及航向角，迭代计算所述移动终端当前的实时时刻位置；

根据所述实时时刻位置与第一地磁基准库中各个地磁基准点之间的欧氏距离，在所述第一地磁基准库中查找第一数量地磁基准点，其中，所述第一地磁指纹库为：采集定位区域内各个地磁基准点的第一地磁数据，根据所述第一地磁数据及第一插值密度通过插值算法增加地磁基准点密度之后得到的指纹库，所述第一数量地磁基准点与所述实时时刻位置之间的欧氏距离，均小于所述第一地磁指纹库中其他地磁基准点与所述实时时刻位置之间的欧氏距离；

在所述第一数量地磁基准点中搜索第二数量地磁基准点，其中，所述第二数量地磁基准点的各个地磁数据与所述实时时刻位置的地磁数据之间的相似度，均高于所述第一数量地磁基准点中其他地磁基准点的各个地磁数据与所述实时时刻位置的地磁数据之间的相似度；

在第二地磁基准库中查找分别以所述第二数量地磁基准点为终点的第二数量地磁基准序列，其中，所述第二地磁基准库为：采集定位区域内各个地磁基准点的第二地磁数据，并根据所述第二地磁数据及第二插值密度通过插值算法增加地磁基准点密度之后得到的指纹库，所述第二插值密度高于所述第一插值密度；

分别递推计算待匹配地磁序列与各个所述第二数量地磁基准序列之间的累积距离，并根据所计算的累积距离确定目标地磁基准序列，其中，所述待匹配地磁序列表示所述移动终端由上一时刻位置移动到所述实时时刻位置过程中形成的地磁序列，所述目标地磁基准序列为：所述第二数量地磁基准序列中与所述待匹配地磁序列之间的累积距离最小的地磁基准序列；

利用所述目标地磁基准序列终点的位置更新所述实时时刻位置。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述迭代计算所述移动终端当前的实时时刻位置的步骤，包括：

利用以下表达式迭代计算所述移动终端的实时时刻位置：

其中，(x_k-1,y_k-1)表示k-1时刻位置P_k-1的坐标，(x_k,y_k)表示k时刻位置P_k的坐标，S_k表示所述移动终端由位置P_k-1移动到位置P_k时的移动步长，θ_k表示所述移动终端由位置P_k-1移动到位置P_k时的航向角。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，利用以下表达式计算所述移动步长S_k：

其中，k₁和k₂为固定常数，γ为补偿参数，T_step表示所述移动终端由位置P_k-1移动到位置P_k时的时间长度，delta_acc表示所述移动终端由位置P_k-1移动到位置P_k时的加速度差值的平均数，acc^peak和acc^valley分别表示所述移动终端由位置P_k-1移动到位置P_k时加速度的最大值和最小值。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所采集的地磁基准点的地磁数据，利用以下表达式来计算待插值的地磁基准点的地磁数据：

其中，

表示待插值的地磁基准点的地磁数据，M(P_i)表示所采集的地磁基准点的地磁数据，λ_i表示各个所采集的地磁基准点的权值，且λ_i满足下列两个条件：

γ(P_i,P_j)表示相邻两个所采集的地磁基准点P_i与P_j之间的半变异值，γ(P_i,P_k)表示所采集的地磁基准点P_i与待插值的地磁基准点P_k之间的半变异值，φ表示满足方差最小化条件的拉格朗日常数。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用以下表达式来分别递推计算待匹配地磁序列与各个所述第二数量地磁基准序列之间的累积距离：

D(m,n)＝d(m,n)+min[D(m-1,n),D(m,n-1),D(m-1,n-1)](m,n≥2)

其中，d(m,n)表示待匹配地磁序列中的第i个位置的特征量m_i与一个第二数量地磁基准序列中第j个位置的特征量M_j之间的距离。

6.一种地磁匹配定位装置，其特征在于，应用于移动终端，所述装置包括：

第一计算模块，用于根据所述移动终端的初始位置和每一次的移动步长以及航向角，迭代计算所述移动终端当前的实时时刻位置；

第一查找模块，与所述迭代计算模块相连接，用于根据所述实时时刻位置与第一地磁基准库中各个地磁基准点之间的欧氏距离，在所述第一地磁基准库中查找第一数量地磁基准点，其中，所述第一地磁指纹库为：采集定位区域内各个地磁基准点的第一地磁数据，根据所述第一地磁数据及第一插值密度通过插值算法增加地磁基准点密度之后得到的指纹库，所述第一数量地磁基准点与所述实时时刻位置之间的欧氏距离，均小于所述第一地磁指纹库中其他地磁基准点与所述实时时刻位置之间的欧氏距离；

搜索模块，与所述第一查找模块相连接，用于在所述第一数量地磁基准点中搜索第二数量地磁基准点，其中，所述第二数量地磁基准点的各个地磁数据与所述实时时刻位置的地磁数据之间的相似度，均高于所述第一数量地磁基准点中其他地磁基准点的各个地磁数据与所述实时时刻位置的地磁数据之间的相似度；

第二查找模块，与所述搜索模块相连接，用于在第二地磁基准库中查找分别以所述第二数量地磁基准点为终点的第二数量地磁基准序列，其中，所述第二地磁基准库为：采集定位区域内各个地磁基准点的第二地磁数据，并根据所述第二地磁数据及第二插值密度通过插值算法增加地磁基准点密度之后得到的指纹库，所述第二插值密度高于所述第一插值密度；

第二计算模块，与所述第二查找模块相连接，用于分别递推计算待匹配地磁序列与各个所述第二数量地磁基准序列之间的累积距离，并根据所计算的累积距离确定目标地磁基准序列，其中，所述待匹配地磁序列表示所述移动终端由上一时刻位置移动到所述实时时刻位置过程中形成的地磁序列，所述目标地磁基准序列为：所述第二数量地磁基准序列中与所述待匹配地磁序列之间的累积距离最小的地磁基准序列；

更新模块，与所述第二计算模块相连接，用于利用所述目标地磁基准序列终点的位置更新所述实时时刻位置。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一计算模块，还用于

利用以下表达式迭代计算所述移动终端的实时时刻位置：

其中，(x_k-1,y_k-1)表示k-1时刻位置P_k-1的坐标，(x_k,y_k)表示k时刻位置P_k的坐标，S_k表示所述移动终端由位置P_k-1移动到位置P_k时的移动距离，θ_k表示所述移动终端由位置P_k-1移动到位置P_k时的航向角。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一计算模块，还用于

利用以下表达式计算所述移动距离S_k：

其中，k₁和k₂为固定常数，γ为补偿参数，T_step表示所述移动终端由位置P_k-1移动到位置P_k时的时间长度，delta_acc表示所述移动终端由位置P_k-1移动到位置P_k时的加速度差值的平均数，acc^peak和acc^valley分别表示所述移动终端由位置P_k-1移动到位置P_k时加速度的最大值和最小值。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：第三计算模块，用于利用以下表达式来计算待插值的地磁基准点的地磁数据：

其中，

表示待插值的地磁基准点的地磁数据，M(P_i)表示所采集的地磁基准点的地磁数据，λ_i表示各个所采集的地磁基准点的权值，且λ_i满足下列两个条件：

γ(P_i,P_j)表示相邻两个所采集的地磁基准点P_i与P_j之间的半变异值，γ(P_i,P_k)表示所采集的地磁基准点P_i与待插值的地磁基准点P_k之间的半变异值，φ表示满足方差最小化条件的拉格朗日常数。

10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二计算模块，还用于利用以下表达式来分别递推计算待匹配地磁序列与各个所述第二数量地磁基准序列之间的累积距离：

D(m,n)＝d(m,n)+min[D(m-1,n),D(m,n-1),D(m-1,n-1)](m,n≥2)

其中，d(m,n)表示待匹配地磁序列中的第i个位置的特征量m_i与一个第二数量地磁基准序列中第j个位置的特征量M_j之间的距离。

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