一種免硬體標定的行動裝置指紋匹配定位方法與流程
2023-05-23 16:12:07
本發明涉及導航定位和位置服務領域，具體涉及一種免硬體標定的行動裝置指紋匹配定位方法。
背景技術：
隨著移動通信產業的壯大和發展，用戶在享受無線網絡給社會生產生活帶來的巨大便利時，對基於多元化和個性化的位置信息服務需求也呈大幅度增長趨勢。與此同時，隨著移動終端的廣泛普及，為高效便攜的位置估計提供了強有力的支撐。得益於前期市場培養，用戶已經習慣於將移動終端作為生活服務入口，並充分使用位置服務帶來的便利。隨著生活服務與移動終端的深度結合與場景化運營的探索，移動終端的入口屬性將進一步擴大。在無遮擋的空曠室外環境中，全球定位系統和蜂窩網絡定位系統以其成熟的技術和良好的系統性能成為當前最具有發展潛力的定位方法。但是，在室內複雜環境中無線信號受到多徑效應的影響，全球定位系統和蜂窩網絡定位系統不能很好滿足人們對於定位性能的要求。
因此，眾多國內外知名學術研究機構對室內定位系統展開了深入的研究，根據不同的無線信號特性提出了多種室內定位系統，如基於藍牙的室內定位系統、基於射頻標籤的室內定位系統、基於uwb的室內定位系統以及無線區域網室內定位技術等。基於藍牙的室內定位系統不但要求行動裝置具有藍牙功能，而且還必須重新部署藍牙接入點，由於其整體造價太高，該方法目前還沒有投入市場推廣；基於射頻標籤的室內定位系統通常適用於短距離定位，且不具有通信能力；基於uwb的室內定位系統在定位準確度、定位成本、系統能耗以及服務質量等方面都具有良好的市場競爭優勢，是目前很有潛力的室內定位技術，但是就目前而言，uwb技術尚未成熟，還有很多核心問題亟待解決，並且沒有實際可用硬體設備。對比上述的幾種室內定位系統，無線區域網室內定位系統不需要額外的硬體設備，只需要在行動裝置上安裝相應的數據採集軟體就可以實現用戶的高精度室內定位，因此無線區域網室內定位系統可以有效地彌補室外定位系統的不足和缺陷。目前，無線區域網室內定位系統以其成熟的理論基礎和潛在的市場應用價值，成為國內外高校和企業研發機構的研究熱點。
但是在應用中，由於終端硬體的差異，不同移動終端設備對定位性能存在一定的影響。具體而言，當指紋庫採集與定位時所用的終端不同時，不同終端的硬體性能差異，使得在同一位置於指紋庫採集階段和定位階段測量到的信號特徵量有系統性偏差，從而導致定位結果不準確；另一種情形是，隨著時間的推移，環境中的定位信號特徵量會變化，導致前期生成的指紋庫在一定時間後與實際環境中的特徵量不再一致，將該特徵庫用於匹配定位時，也會導致定位結果不準確。
技術實現要素：
本發明針對匹配特徵庫與在線定位時測量到的信號特徵量存在系統性偏差的問題，提供一種消除系統性偏差對定位結果影響的方法，得到高可用、低成本、較高精度的移動終端匹配定位解決方案。
為實現上述技術目的，達到上述技術效果，本發明提供了一種免硬體標定的行動裝置指紋匹配定位方法，包括以下技術方案：
一種免硬體標定的行動裝置指紋匹配定位方法，利用環境中泛在的定位源信號，採用指紋匹配的定位原理，確定個人行動裝置的空間位置；所述個人行動裝置包括手機、平板電腦、手環或其他移動終端；使用相同的匹配指紋庫和匹配算法時，定位性能在不同行動裝置上具有一致性。
進一步地，根據不同的具體定位信號源，設計專門的虛擬觀測值，使得利用該虛擬觀測值進行指紋匹配時，即使當指紋庫採集與定位階段所使用的定位信號源觀測硬體模塊存在系統偏差時，不會降低定位性能；所述虛擬觀測值是指由行動裝置硬體和軟體平臺獲得的原始觀測值經過適當的計算獲得的物理量，是原始觀測值的某種函數值。
進一步地，本發明所述方法同時支持一種或多種指紋匹配定位信號源，所述定位信號源包括wifi信號、藍牙信號、地球磁場信號等。
進一步地，所述虛擬定位觀測值利用行動裝置在同一時刻觀測的不同定位源的觀測值生成；多個定位源生成的虛擬觀測值形成一個觀測值矩陣，該觀測值矩陣描述了多個定位源和移動定位設備之間的空間拓撲關係。
進一步地，所述虛擬定位觀測值利用行動裝置在不同空間位置處對同一定位源的觀測值生成；行動裝置的不同空間位置的觀測值組成時間空間序列數據，形成一個觀測值矩陣，該觀測值矩陣描述行動裝置空間位置的空間拓撲關係。
進一步地，利用由多個定位源的觀測值或行動裝置在不同位置觀測到的觀測值生成虛擬觀測值矩陣，基於該觀測值矩陣進行指紋匹配。
進一步地，利用多個定位源的空間拓撲關係判斷一個或某幾個定位信號源的異常變化，如定位信號源失效或其觀測量幅值的顯著異常變化。
進一步地，利用不同行動裝置定位信號源觀測值生成匹配定位虛擬觀測值，該虛擬觀測值及所採用的匹配算法不受硬體系統偏差的影響，無需對硬體系統偏差進行標定操作；所述匹配算法包括貝葉斯估計類方法、觀測值域最短距離類方法以及基於其他定位原理的算法，以及基於這些方法的改進算法。
具體地，包括如下步驟：
步驟1、選定一個或幾個定位信號源用於定位：設計定位信號源的位置分布、信號功率強度等，並在定位區域布置定位信號源；當利用區域空間中已經存在的機會信號時，信號源布置及設置操作省略；
步驟2、指紋庫定位信號源觀測值採集：用一個或多個行動裝置採集空間中的定位信號源觀測值，並將採集到的觀測值進行空間參考位置標定；所述空間位置標定包括在空間中確定若干已知坐標值的參考點，利用移動終端在每個參考點位置接收定位信號源的觀測值以及信號源身份識別碼，最後記錄每個參考點的位置信息以及該點觀測的多個信號源的觀測值以及信號源身份識別碼；
步驟3、生成虛擬定位信號觀測值：利用採集到的定位信號源觀測值及其對應的參考位置，生成虛擬定位信號觀測值，其方法包括行動裝置在同一時刻觀測的不同定位源的觀測值求差，或行動裝置在不同空間位置處對同一定位源的觀測值求差，或其他方法；
步驟4、生成虛擬觀測值指紋庫：將同一參考位置的虛擬定位觀測值組成觀測值矩陣，將所有位置的觀測值矩陣生成匹配定位指紋庫；
步驟5、向用戶分發匹配定位指紋庫：將生成的匹配定位指紋庫發布給其他用戶行動裝置使用，或配置在雲伺服器用於提供定位服務；
步驟6、定位用戶採集觀測值：用戶行動裝置採集環境中的定位信號源觀測值，然後生成相應的定位信號虛擬觀測值，多個定位信號源的虛擬觀測值組成觀測值矩陣；
步驟7、定位信號源異常檢驗：利用虛擬觀測值矩陣檢驗是否存在定位信號源有異常變化，並判斷確定是哪個或哪些信號源具有異常變化，在匹配定位計算中作出適當處置；
步驟8、指紋匹配定位：將用戶行動裝置採集生成定位信號虛擬觀測值矩陣與定位指紋庫進行指紋匹配，檢驗並處置異常變化信號源，採用選定的匹配算法，確定用戶行動裝置當前時刻的空間位置；
步驟9、下一時刻重複步驟6至8，直到定位任務結束。
進一步地，當使用眾包數據採集方式從不同行動裝置收集數據用於匹配定位指紋庫生成或在線定位時，生成的虛擬觀測值用於指紋匹配定位，消除或減弱不同行動裝置定位信號源觀測模塊的硬體差異對定位計算的影響。
與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：
(1)當指紋庫採集與定位時所用的終端不同時，本方法的定位性能如精度和可靠性不受影響；
(2)當使用同一匹配指紋庫和相同匹配算法時，它的定位性能在不同終端上具有一致性，不會因終端定位源傳感器的不同導致定位性能差異；
(3)消除了由於不同終端之間傳感器之間的差異導致的定位性能上的差異，有效提高了指紋匹配定位技術的可用性。
附圖說明
圖1是本發明提供的多個定位信號源與移動定位終端組成的拓撲關係結構示意圖。
圖2是本發明實施例提供的一種免硬體標定的行動裝置指紋匹配定位方法的數據處理方法示意圖。
圖3是本發明實施例提供的一種免硬體標定的行動裝置指紋匹配定位方法的流程圖。
具體實施方式
下面將結合附圖以及具體實施例來詳細說明本發明，其中的具體實施例以及說明僅用來解釋本發明，但並不作為對本發明的限定。
本發明提供了一種免硬體標定的行動裝置指紋匹配定位方法，利用環境中泛在的定位源信號，採用指紋匹配的定位原理，確定個人行動裝置的空間位置；所述個人行動裝置包括手機、平板電腦、手環或其他移動終端；使用相同的匹配指紋庫和匹配算法時，定位性能在不同行動裝置上具有一致性。
根據不同的具體定位信號源，設計專門的虛擬觀測值，使得利用該虛擬觀測值進行指紋匹配時，即使當指紋庫採集與定位階段所使用的定位信號源觀測硬體模塊存在系統偏差時，不會降低定位性能；所述虛擬觀測值是指由行動裝置硬體和軟體平臺獲得的原始觀測值經過適當的計算獲得的物理量，是原始觀測值的某種函數值。本方法同時支持一種或多種指紋匹配定位信號源，所述定位信號源包括wifi信號、藍牙信號、地磁信號等。
圖1是本發明提供的多個定位信號源與移動定位終端組成的拓撲關係結構示意圖，多個定位信號源或不同時刻的觀測值形成的定位信號虛擬觀測值組成定位信號虛擬觀測值矩陣，該矩陣描述了定位信號源與移動終端空間的拓撲關係，利用該拓撲關係進行指紋匹配定位。所述虛擬觀測值及所採用的匹配算法不受硬體系統偏差的影響，無需對硬體系統偏差進行標定操作；所述匹配算法包括貝葉斯估計類方法、觀測值域最短距離類方法以及基於其它定位原理的算法等。
根據本發明所述的方法建立一種消除不同行動裝置間定位信號特徵量系統性偏差的匹配定位系統，包括(1)定位信號觀測量採集終端；(2)定位信號觀測量採集設備；(3)定位信號特徵指紋庫計算設備；(4)定位信號特徵指紋庫；(5)定位移動終端設備；(6)匹配定位計算設備；(7)數據存儲介質；(8)位置地圖可視化用戶界面。所述定位信號觀測量採集設備連接定位信號觀測量採集終端，用於採集定位信號；將採集到的定位信號通過所述定位信號特徵指紋庫計算設備計算生成定位信號特徵指紋庫；所述特徵指紋庫存儲於數據存儲介質中；所述匹配定位計算設備對定位移動終端設備採集到的定位信號進行計算處理並在位置地圖可視化用戶界面顯示。
圖2為本發明實施例提供的一種免硬體標定的行動裝置指紋匹配定位方法的數據處理方法示意圖，所述匹配定位的過程分為兩個階段：(1)訓練定位信號特徵指紋庫；(2)在線匹配定位計算。首先通過運行在定位信號源觀測值採集終端的觀測值採集設備採集環境中泛在的定位信號源觀測值，通過定位信號特徵指紋庫計算設備生成定位特徵指紋庫。在定位階段，對移動終端設備採集到的定位信號觀測值進行處理得到定位特徵量，將該特徵量與定位特徵指紋庫中的特徵指紋進行匹配，由匹配定位計算設備計算移動終端設備的當前位置，並在地圖可視化用戶界面顯示。在此基礎上，結合具體應用場景開發相關的位置服務應用。
根據以上分析，當兩個不同的行動裝置終端被分別使用時，匹配特徵庫與在線定位時測量到的信號特徵量存在系統性偏差。對某個特定的信號源si，定位特徵量的物理值(真值)為該物理值是信號特徵的真實值，不受傳感器的影響。指紋庫中的定位特徵量為定位移動終端測量到的定位特徵量為它們都受傳感器的影響。設指紋庫採集終端和定位移動終端的傳感器偏差分別為bd、bm，他們之間存在的偏差為δb，即有：
δb＝bd-bm
當有多個信號源時，對同一終端收到的不同信號源(i，j)進行求差，得到：
從上式可以看出，求差後的定位特徵量不受傳感器偏差的影響，且有即與不含傳感器偏差的定位特徵物理量之間沒有系統性偏差。用作為指紋匹配定位的特徵量，可以消除傳感器偏差的影響。
除了傳感器的系統性偏差，信號源的其他系統性誤差，如由於溫度、時間變化因素導致的系統性因變量，假設同一類型的不同定位源這些因變量有近似的變化函數關係，通過差分處理可以消除或減少這些系統性誤差對匹配定位結果的影響。也就是說，定位特徵差分物理量消除了傳感器偏差和由於環境、時間因素變化導致的系統性誤差對匹配定位正確性的影響。
事實上，一組定位信號源的原始的定位信號特徵量形成一個矢量ο，令定位信號源的個數為n，則矢量ο的元素為n個。在傳統的指紋匹配定位方法中，矢量ο即是匹配的特徵量。
定位信號特徵物理量差分觀測值描述了兩個定位信號發射源si，sj和移動定位終端互相之間的相對關係。這種相對定位特徵物理量描述了不同定位信號源與移動定位終端在空間上的拓撲關係，多個定位信號源形成了一個拓撲關係網，如圖1所示。在數學上，n個定位信號源的定位信號特徵物理量差分觀測值組成一個上三角矩陣如下所示。
因此，由多個定位信號源所形成的定位信號特徵虛擬觀測量構成一個觀測值矩陣，該矩陣描述一組定位信號源與行動裝置形成的拓撲關係網。上述觀測值矩陣是本發明所提出的指紋匹配定位方法的匹配特徵量。利用這種幾何上的拓撲關係和數學上的觀測值矩陣，可以探測發現個別定位信號源可能的信號偏差或失效，減小這些信號偏差或失效對定位結果的影響。
如圖3所示，一種免硬體標定的行動裝置指紋匹配定位方法，包括如下步驟：
步驟1、選定一個或幾個定位信號源用於定位：設計定位信號源的位置分布、信號功率強度等，並在定位區域布置定位信號源；當利用區域空間中已經存在的機會信號時，信號源布置及設置操作省略；
步驟2、指紋庫定位信號源觀測值採集：用一個或多個行動裝置採集空間中的定位信號源觀測值，並將採集到的觀測值進行空間參考位置標定；所述空間位置標定包括在空間中確定若干已知坐標值的參考點，利用移動終端在每個參考點位置接收定位信號源的觀測值以及信號源身份識別碼，最後記錄每個參考點的位置信息以及該點觀測的多個信號源的觀測值以及信號源身份識別碼；
步驟3、生成虛擬定位信號觀測值：利用採集到的定位信號源觀測值及其對應的參考位置，生成虛擬定位信號觀測值，其方法包括行動裝置在同一時刻觀測的不同定位源的觀測值求差，或行動裝置在不同空間位置處對同一定位源的觀測值求差，或其他方法；
步驟4、生成虛擬觀測值指紋庫：將同一參考位置的虛擬定位觀測值組成觀測值矩陣，將所有位置的觀測值矩陣生成匹配定位指紋庫；
步驟5、向用戶分發匹配定位指紋庫：將生成的匹配定位指紋庫發布給其他用戶行動裝置使用，或配置在雲伺服器用於提供定位服務；
步驟6、定位用戶採集觀測值：用戶行動裝置採集環境中的定位信號源觀測值，然後生成相應的定位信號虛擬觀測值，多個定位信號源的虛擬觀測值組成觀測值矩陣；
步驟7、定位信號源異常檢驗：利用虛擬觀測值矩陣檢驗是否存在定位信號源有異常變化，並判斷確定是哪個或哪些信號源具有異常變化，在匹配定位計算中作出適當處置；
步驟8、指紋匹配定位：將用戶行動裝置採集生成定位信號虛擬觀測值矩陣與定位指紋庫進行指紋匹配，檢驗並處置異常變化信號源，採用選定的匹配算法，確定用戶行動裝置當前時刻的空間位置；
步驟9、下一時刻重複步驟6至8，直到定位任務結束。
進一步，一種定位信號虛擬觀測值是對兩個定位信號源同時觀測得到的觀測值進行差分得到的定位信號差分特徵量。
進一步，另一種定位信號虛擬觀測值是對同一個定位信號源先後不同時刻觀測得到的觀測值進行差分得到的定位信號差分特徵量。
進一步，多個定位信號源或不同時刻的觀測值形成的定位信號虛擬觀測值組成定位信號虛擬觀測值矩陣，該矩陣描述了定位信號源與移動終端空間拓撲關係。利用該拓撲關係進行指紋匹配定位，提高了定位精度和可靠性。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則範圍之內所作的任何修改、等同替換以及改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。