CN112954589A - 一种基于wifi-rtt测距的监听定位系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于WIFI‑RTT测距的监听定位系统，包括中央处理器、数据采集系统、监听系统和定位系统，数据采集系统采集得到数据集，发送给中央处理器；中央处理器将所述数据集进行数据预处理并将数据传递给监听系统；监听系统包括监听算法模块，监听算法模块对数据进行有效监测，确定返回值改变状态时刻，对异常状态及时进行警报并向所述中央处理器发送警报信号；定位系统根据数据预处理所得数据和警报信号进行定位，所述定位系统包括半系统误差约束模型模块及定位算法模块，通过半系统误差约束模型模块对半系统误差进行估计，求得半系统误差估计结果参与定位算法，本发明能够实现室内高精度定位。

Description

一种基于WIFI-RTT测距的监听定位系统
技术领域
本发明属于室内定位的技术领域，具体涉及一种基于WIFI-RTT测距的监听定位系统。
背景技术
基于位置服务的应用使得定位技术受到越来越多的关注，同时对定位结果的精度提出了更高的要求。随着智能手机的普及和应用，提供多种基于位置服务的手机会成为未来大众高精度定位的主要载体。由于基于全球导航卫星系统(GNSS)的导航信号在室内很难被接收到，因此不能被用于室内定位。为解决室内定位问题，已经提出了多种技术方案，如基于WIFI、超宽带、蓝牙、惯性传感器等，与其它技术相比，WIFI因庞大的受众和低廉的价格受到更多的关注。ToA、TDoA等测距方式因时钟误差使得测距结果偏差严重，以此用来定位是极度不合理的。RTT测距方式因消除钟差带来的影响可以提供更精确的测距结果，又因存在半系统误差不能获得很好的定位结果。使用过程中，路由器返回值状态的频繁变化给室内高精度定位增加了困难，目前尚未提出合理的解决方案。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于WIFI-RTT测距的监听定位系统，能够实现室内高精度定位。
实现本发明的技术方案如下：
一种基于WIFI-RTT测距的监听定位系统，包括中央处理器、数据采集系统、监听系统和定位系统，
所述数据采集系统采集得到数据集，发送给中央处理器；所述数据集包括来自WIFI信号源提供的RTT测距信息、RSSI测距信息和惯性传感器提供的信息；
所述中央处理器将所述数据集进行数据预处理并将数据传递给所述监听系统；所述中央处理器包括预设数据库，所述预设数据库存储有测距均值、方差信息；
所述监听系统包括监听算法模块，所述监听算法模块对数据进行有效监测，确定返回值改变状态时刻，对异常状态及时进行警报并向所述中央处理器发送警报信号；
所述定位系统根据所述数据预处理所得数据和警报信号进行定位，所述定位系统包括半系统误差约束模型模块及定位算法模块，通过所述半系统误差约束模型模块对半系统误差进行估计，求得半系统误差估计结果参与所述定位算法。
进一步地，所述数据集中的RSSI测距信息和惯性传感器提供的信息同时被用于所述中央处理器对所述数据集的预处理、所述定位系统中半系统误差约束模型的修正及定位算法中权值矩阵的确定。
进一步地，所述监听系统确定返回值改变状态时刻后，由所述监听系统直接向所述定位系统提供所述警报信号。
进一步地，所述半系统误差约束模型模块在接受到所述监听系统提供的所述警报信号后立即进行建模处理；否则每隔20s进行一次建模校正。
进一步地，所述半系统误差约束模型通过对半系统误差的修正提高定位精度，针对半系统误差的估计具体包括以下步骤：
1.获得所述数据集，同时提取所有信息，经过数据预处理判定位置接收器是否移动，如果没有移动则进入步骤2，否则进入步骤6。
2.判断是否已获得该状态下半系统误差，如果已经获得，则进入步骤3，否则进入步骤5。
3.选择一段时间内所述RTT测距信息数据进行处理，根据已获得的半系统误差对所述RTT测距信息数据均值修正后进行位置解算，若误差项小于设定误差阈值，则认为半系统误差结果可靠，以该位置结果作为定位结果；若误差项大于设定阈值，则进入步骤4。
4.选择一段时间内所述RTT测距信息数据进行处理，获得每个路由器提供数据的均值，选择调节系数w＝2cm,以各个路由器测距均值x，x+w，x-w作为测距结果分别进行位置解算，如果系列解中存在误差小于设定误差阈值的解，则取均值作为标准位置，否则选误差最小的解中的数据作为初始数据进行迭代运算，每次迭代运算，所述调节系数w＝w/5，直至系列解中存在误差小于设定误差阈值的解。
5.选择一段时间内所述RTT测距信息数据进行处理，获得每个路由器提供数据的均值，选择调节系数w＝6cm,以各个路由器测距均值x，x+w，x-w作为测距结果分别进行位置解算，如果系列解中存在误差小于设定误差阈值的解，则取均值作为标准位置，否则选误差最小的解中的数据作为初始数据进行迭代运算，每次迭代运算，所述调节系数w＝w/5，直至系列解中存在误差小于设定误差阈值的解。
6.判断是否已获得该状态下半系统误差，如果已经获得，则进入步骤7，否则进入步骤9。
7.取n组数据，n为奇数，根据已获得的半系统误差对所述RTT测距信息数据均值修正后进行位置解算，获得位置中心点，将所述位置中心点与第(n+1)/2组进行误差校验，误差小于设定误差阈值，则认为半系统误差结果可靠；否则，进入步骤8。
8.选择有交叠的窗口滑动获得连续两组数据(如1-5,2-6…6-10等)，获得每个路由器提供数据的均值，选择调节系数w＝2cm,以各个路由器测距均值x，x+w，x-w作为测距结果分别进行位置解算，如果系列解中存在误差小于设定误差阈值的解，则取均值作为标准位置，否则选误差最小的解中的数据作为初始数据进行迭代运算，每次迭代运算，所述调节系数w＝w/5，直至每组的系列解中均存在误差小于设定误差阈值的解，拟合行动轨迹，计算轨迹中心并获得所述轨迹中心到各个路由器的距离；同时计算中间5组数据中测距结果均值作为参考样本，计算均值作为参考测距结果，最后将所述手机与多个路由器的距离与所述参考测距结果作差即可求得该状态下的半系统误差，所述半系统误差参与所述定位算法。
9.选择有交叠的窗口滑动获得n组数据，n为奇数，(如1-5,2-6…6-10
等)，获得每个路由器提供数据的均值，选择调节系数w＝6cm,以各个路由器测距均值x，x+w，x-w作为测距结果分别进行位置解算，如果系列解中存在误差小于设定误差阈值的解，则取均值作为标准位置，否则选误差最小的解中的数据作为初始数据进行迭代运算，每次迭代运算，所述调节系数w＝w/5，直至每组的系列解中均存在误差小于设定误差阈值的解，拟合行动轨迹，计算轨迹中心并获得所述轨迹中心到各个路由器的距离；同时计算中间5组数据中测距结果均值作为参考样本，计算均值作为参考测距结果，最后将所述手机与多个路由器的距离与所述参考测距结果作差即可求得该状态下的半系统误差，所述半系统误差参与所述定位算法。
有益效果：
本发明通过对返回值状态的监听及半系统误差约束模型的建立，能够提供优于1m精度的定位结果，同时运算效率提高超过30％。
附图说明
图1是本发明实施例的一种基于WIFI-RTT测距的监听定位系统结构示意图。
图2是本发明实施例的一种适合于手机实现室内定位用基于半参数定位方法测距流程图。
其中，1-中央处理器；2-数据采集系统；3-监听系统；4-定位系统；5-数据集；6-预设数据库；7-RTT测距信息；8-RSSI测距信息；9-惯性传感器提供的信息；10-监听算法模块；11-警报信号；12-半系统误差约束模型模块；13-定位算法模块。
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。
本发明提供了一种基于WIFI-RTT测距的监听定位系统，如图1所示，包括中央处理器1，对于所述中央处理器1来说，所述中央处理器1上分别连接有数据采集系统2、监听系统3和定位系统4，其中，所述中央处理器1获得由所述数据采集系统2采集得到的数据集5，随后进行数据预处理并将数据传递给所述监听系统3，所述中央处理器1提供所述定位系统4处理后所述数据采集系统2获得信息及所述警报信号11，所述中央处理器1包括预设数据库6，所述预设数据库6存储有测距均值、方差等信息，对于所述数据集5来说，所述数据集5包括来自WIFI信号源提供的RTT测距信息7、RSSI测距信息8和惯性传感器提供的信息9等，对于所述监听系统3来说，所述监听系统3包括监听算法10，对于所述监听算法10来说，所述监听算法10可以对数据进行有效监测，确定返回值改变状态时刻，对异常状态及时进行警报并向所述中央处理器1发送警报信号11,对于所述定位系统4来说，所述定位系统4包括半系统误差约束模型12及定位算法13，对于所述半系统误差约束模型12来说，通过所述半系统误差约束模型12可以对半系统误差进行估计，求得半系统误差估计结果参与所述定位算法13。
在进行数据处理时，本发明认为WIFI-RTT测距的系统误差是典型的半参数系统误差，在每次测距开始时便唯一确定直至状态改变，同时，不同状态下采集获得数据的数据统计曲线相同，方差近似相等，均值服从另一正态分布而有较大的波动，即认为在大数据的前提下，同一距离下测距结果服从唯一确定的正态分布，每次采样的均值服从以该唯一确定正态分布均值为均值，以6cm作为方差的正态分布，方差取经验值0.26m。
在对半系统误差大小进行估计时，本发明认为在获得某个状态下数据的均值后，可以通过均值服从以6cm作为方差的正态分布这一特点确定真实距离取值范围；同时易知测距误差越小，定位结果误差越小，则可通过多个路由器提供的多组数据约束获得手机的多组参考准确位置，随后取所述参考准确位置的平均位置作为手机的标准位置，即可获得路由器与手机的精确距离和半系统误差大小。
在进行静态定位时，本发明认为获得路由器与手机的精确距离后则可确定所述每个路由器提供的该距离下唯一确定的正态分布累计概率分布图，静态定位中，将所述路由器与手机的精确距离作为实际距离参与所述定位算法13。
在进行动态定位时，本发明认为获得路由器与手机的精确距离后则可确定所述每个路由器提供的该距离下唯一确定的正态分布累计概率分布图，动态定位中，认为较短时间内位置不发生变化或发生线性变化，选择有交叠的窗口滑动获得奇数组数据，通过所述奇数组数据反解得参考准确位置，并拟合行动轨迹，选择行动轨迹的位置中心作为准确位置并算得手机与多个路由器的距离；同时将奇数组数据中的中间5组数据作为参考样本，计算均值作为参考测距结果，最后将所述手机与多个路由器的距离与所述参考测距结果作差即可求得该状态下的半系统误差，所述半系统误差参与所述定位算法13。
在具体应用时，对于所述数据集5来说，所述数据集5提供的所述RSSI测距信息8和所述惯性传感器提供的信息9等同时被用于所述中央处理器1中对所述数据集5的预处理、所述定位系统4中所述半系统误差约束模型12的修正及所述定位算法13中权值矩阵的确定。
在具体应用时，对于所述监听系统3来说，所述监听系统3确定返回值改变状态时刻后，可以向所述中央处理器1发送所述警报信号11,由所述中央处理器1向所述定位系统4提供所述警报信号11，同时可以由所述监听系统3直接向所述定位系统4提供所述警报信号11。
在具体应用时，对于所述半系统误差约束模型12来说，所述半系统误差约束模型12在接受到所述监听系统3提供的所述警报信号11后立即进行建模处理；否则每隔20s进行一次建模校正。
在具体应用时，对于所述半系统误差约束模型12来说，所述半系统误差约束模型12可以通过对半系统误差的修正提高定位精度，如图2所示，所述半系统误差约束模型12具体包括以下步骤：
步骤S101，获得所述数据集，同时提取所有信息，经过数据预处理判定位置接收器是否移动，如果没有移动则进入步骤S102，否则进入步骤S106。
步骤S102，判断是否已获得该状态下半系统误差，如果已经获得，则进入步骤S103，否则进入步骤S105。
步骤S103，选择一段时间内所述RTT测距信息数据进行处理，根据已获得的半系统误差对所述RTT测距信息数据均值修正后进行位置解算，若误差项小于设定误差阈值，则认为半系统误差结果可靠，以该位置结果作为定位结果；若误差项大于设定阈值，则进入步骤S104。
步骤S104，选择一段时间内所述RTT测距信息数据进行处理，获得每个路由器提供数据的均值，选择调节系数w＝2cm,以各个路由器测距均值x，x+w，x-w作为测距结果分别进行位置解算，如果系列解中存在误差小于设定误差阈值的解，则取均值作为标准位置，否则选误差最小的解中的数据作为初始数据进行迭代运算，每次迭代运算，所述调节系数w＝w/5，直至系列解中存在误差小于设定误差阈值的解。
步骤S105，选择一段时间内所述RTT测距信息数据进行处理，获得每个路由器提供数据的均值，选择调节系数w＝6cm,以各个路由器测距均值x，x+w，x-w作为测距结果分别进行位置解算，如果系列解中存在误差小于设定误差阈值的解，则取均值作为标准位置，否则选误差最小的解中的数据作为初始数据进行迭代运算，每次迭代运算，所述调节系数w＝w/5，直至系列解中存在误差小于设定误差阈值的解。
步骤S106，判断是否已获得该状态下半系统误差，如果已经获得，则进入步骤S107，否则进入步骤S109。
步骤S107，取n组数据，n为奇数，根据已获得的半系统误差对所述RTT测距信息数据均值修正后进行位置解算，获得位置中心点，将所述位置中心点与第(n+1)/2组进行误差校验，误差小于设定误差阈值，则认为半系统误差结果可靠；否则，进入步骤S108。
步骤S108，选择有交叠的窗口滑动获得连续两组数据(如1-5,2-6…6-10等)，获得每个路由器提供数据的均值，选择调节系数w＝2cm,以各个路由器测距均值x，x+w，x-w作为测距结果分别进行位置解算，如果系列解中存在误差小于设定误差阈值的解，则取均值作为标准位置，否则选误差最小的解中的数据作为初始数据进行迭代运算，每次迭代运算，所述调节系数w＝w/5，直至每组的系列解中均存在误差小于设定误差阈值的解，拟合行动轨迹，计算轨迹中心并获得所述轨迹中心到各个路由器的距离；同时计算中间5组数据中测距结果均值作为参考样本，计算均值作为参考测距结果，最后将所述手机与多个路由器的距离与所述参考测距结果作差即可求得该状态下的半系统误差，所述半系统误差参与所述定位算法。
步骤S109，选择有交叠的窗口滑动获得n组数据，n为奇数，(如1-5,2-6…6-10等)，获得每个路由器提供数据的均值，选择调节系数w＝6cm,以各个路由器测距均值x，x+w，x-w作为测距结果分别进行位置解算，如果系列解中存在误差小于设定误差阈值的解，则取均值作为标准位置，否则选误差最小的解中的数据作为初始数据进行迭代运算，每次迭代运算，所述调节系数w＝w/5，直至每组的系列解中均存在误差小于设定误差阈值的解，拟合行动轨迹，计算轨迹中心并获得所述轨迹中心到各个路由器的距离；同时计算中间5组数据中测距结果均值作为参考样本，计算均值作为参考测距结果，最后将所述手机与多个路由器的距离与所述参考测距结果作差即可求得该状态下的半系统误差，所述半系统误差参与所述定位算法。
综上所述，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 (5)

1.一种基于WIFI-RTT测距的监听定位系统，其特征在于，包括中央处理器、数据采集系统、监听系统和定位系统，
所述数据采集系统采集得到数据集，发送给中央处理器；所述数据集包括来自WIFI信号源提供的RTT测距信息、RSSI测距信息和惯性传感器提供的信息；
所述中央处理器将所述数据集进行数据预处理并将结果数据传递给所述监听系统；所述中央处理器包括预设数据库，所述预设数据库存储有测距均值、方差信息；
所述监听系统包括监听算法模块，所述监听算法模块对数据进行有效监测，确定返回值改变状态时刻，对异常状态及时进行警报并向所述中央处理器发送警报信号；
所述定位系统根据所述数据预处理所得数据和警报信号进行定位，所述定位系统包括半系统误差约束模型模块及定位算法模块，通过所述半系统误差约束模型模块对半系统误差进行估计，求得半系统误差估计结果参与所述定位算法。
2.如权利要求1所述的一种基于WIFI-RTT测距的监听定位系统，其特征在于，所述数据集中的RSSI测距信息和惯性传感器提供的信息同时被用于所述中央处理器对所述数据集的预处理、所述定位系统中半系统误差约束模型的修正及定位算法中权值矩阵的确定。
3.如权利要求1所述的一种基于WIFI-RTT测距的监听定位系统，其特征在于，所述监听系统确定返回值改变状态时刻后，由所述监听系统直接向所述定位系统提供所述警报信号。
4.如权利要求1所述的一种基于WIFI-RTT测距的监听定位系统，其特征在于，所述半系统误差约束模型模块在接受到所述监听系统提供的所述警报信号后立即进行建模处理；否则每隔20s进行一次建模校正。
5.如权利要求1所述的一种基于WIFI-RTT测距的监听定位系统，其特征在于，所述半系统误差约束模型通过对半系统误差的修正提高定位精度，针对半系统误差的估计具体包括以下步骤：
1.获得所述数据集，同时提取所有信息，经过数据预处理判定位置接收器是否移动，如果没有移动则进入步骤2，否则进入步骤6；
2.判断是否已获得该状态下半系统误差，如果已经获得，则进入步骤3，否则进入步骤5；
3.选择一段时间内所述RTT测距信息数据进行处理，根据已获得的半系统误差对所述RTT测距信息数据均值修正后进行位置解算，若误差项小于设定误差阈值，则认为半系统误差结果可靠，以该位置结果作为定位结果；若误差项大于设定阈值，则进入步骤4；
4.选择一段时间内所述RTT测距信息数据进行处理，获得每个路由器提供数据的均值，选择调节系数w＝2cm，以各个路由器测距均值x，x+w，x-w作为测距结果分别进行位置解算，如果系列解中存在误差小于设定误差阈值的解，则取均值作为标准位置，否则选误差最小的解中的数据作为初始数据进行迭代运算，每次迭代运算，所述调节系数w＝w/5，直至系列解中存在误差小于设定误差阈值的解；
5.选择一段时间内所述RTT测距信息数据进行处理，获得每个路由器提供数据的均值，选择调节系数w＝6cm，以各个路由器测距均值x，x+w，x-w作为测距结果分别进行位置解算，如果系列解中存在误差小于设定误差阈值的解，则取均值作为标准位置，否则选误差最小的解中的数据作为初始数据进行迭代运算，每次迭代运算，所述调节系数w＝w/5，直至系列解中存在误差小于设定误差阈值的解；
6.判断是否已获得该状态下半系统误差，如果已经获得，则进入步骤7，否则进入步骤9；
7.取n组数据，n为奇数，根据已获得的半系统误差对所述RTT测距信息数据均值修正后进行位置解算，获得位置中心点，将所述位置中心点与第(n+1)/2组进行误差校验，误差小于设定误差阈值，则认为半系统误差结果可靠；否则，进入步骤8；
8.选择有交叠的窗口滑动获得连续两组数据(如1-5,2-6…6-10等)，获得每个路由器提供数据的均值，选择调节系数w＝2cm,以各个路由器测距均值x，x+w，x-w作为测距结果分别进行位置解算，如果系列解中存在误差小于设定误差阈值的解，则取均值作为标准位置，否则选误差最小的解中的数据作为初始数据进行迭代运算，每次迭代运算，所述调节系数w＝w/5，直至每组的系列解中均存在误差小于设定误差阈值的解，拟合行动轨迹，计算轨迹中心并获得所述轨迹中心到各个路由器的距离；同时计算中间5组数据中测距结果均值作为参考样本，计算均值作为参考测距结果，最后将所述手机与多个路由器的距离与所述参考测距结果作差即可求得该状态下的半系统误差，所述半系统误差参与所述定位算法；
9.选择有交叠的窗口滑动获得n组数据，n为奇数，(如1-5,2-6…6-10等)，获得每个路由器提供数据的均值，选择调节系数w＝6cm,以各个路由器测距均值x，x+w，x-w作为测距结果分别进行位置解算，如果系列解中存在误差小于设定误差阈值的解，则取均值作为标准位置，否则选误差最小的解中的数据作为初始数据进行迭代运算，每次迭代运算，所述调节系数w＝w/5，直至每组的系列解中均存在误差小于设定误差阈值的解，拟合行动轨迹，计算轨迹中心并获得所述轨迹中心到各个路由器的距离；同时计算中间5组数据中测距结果均值作为参考样本，计算均值作为参考测距结果，最后将所述手机与多个路由器的距离与所述参考测距结果作差即可求得该状态下的半系统误差，所述半系统误差参与所述定位算法。
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