一種基於rss的室內定位方法
2023-05-12 03:59:11
一種基於rss的室內定位方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於RSS(Received signal strength,接收信號強度)的室內定位方法，其數據獲取方便、無需額外增加接收設備、定位準確。這種基於RSS(Received signal strength,接收信號強度)的室內定位方法，包括步驟：(1)離線階段，收集空間一些位置上的無線信號接收強度信息，構建指紋庫；(2)在線測試階段，收集行走路徑上的信號強度；(3)通過使用稀疏表示算法，加入時間與空間約束條件，建立定位模型；(4)計算路徑上信號值對應的位置坐標，對結果進行優化。
【專利說明】一種基於RSS的室內定位方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬於WLAN(WirelessLocalAreaNetworks，無線區域網路）室內定位的技 術領域，具體地涉及一種基於RSS(Receivedsignalstrength,接收信號強度）的室內定 位方法。
【背景技術】
[0002] 無線區域網路（WLAN)是一種全新的信息獲取平臺，可以在廣泛的應用領域內實 現複雜的大範圍定位、監測和追蹤任務，而網絡節點自身定位是大多數應用的基礎和前提。 當前比較流行的Wi-Fi(WirelessFidelity,無線保真技術）定位是無線區域網路系列標 準之IEEE802. 11的一種定位解決方案。該系統採用經驗測試和信號傳播模型相結合的方 式，易於安裝，需要很少基站，能採用相同的底層無線網絡結構，系統總精度高。主要分為以 下三類：
[0003] ?近似法
[0004] 近似法利用AP在室內的覆蓋範圍有限的特點（不同型號的路由器有不同的覆蓋 範圍），通過終端設備接收信號強度的情況和對應AP的位置來判定移動用戶的位置。當用 戶靠近某一已知位置時，由該位置來定位物體。也就是，將無線終端用於數據通信的訪問點 (AP)的位置，近似地作為估計的位置。該方法可用於檢測物品接觸，監控蜂窩網絡訪問點等 方面。它不需要複雜的計算，但是定位精度局限在AP的覆蓋範圍，只能實現區域性的位置 判定，並且需要AP具體位置的先驗信息。
[0005] ?幾何測量法
[0006] 這種方法首先要求根據無線電信號的傳播模型（經驗模型或數學模型），將信號 強度值映射為信號傳播的距離。在二維平面上，根據終端設備與其它至少三個AP間的距 離，通過三邊測量的幾何學原理來進行位置估計。如圖1所示，三個黑色圓點為已知坐標的 參考點，x是需要定位的點，則利用x與三個參考點的距離，可以計算出x的坐標。
[0007] 微軟的RADAR(radiodetectionandranging,無線電探測和測距）是一個基於 RSSI(ReceivedSignalStrengthIndication接收的信號強度指示）技術的室內定位系 統，也是最早出現的基於WLAN的室內定位系統，充分利用現有WLAN設施，通過802.n標準 中的接收信號強度指示來確定用戶節點在樓層內的位置。通常使用兩種方法計算節點位 置，其中一種是利用信號傳播的理論模型。這種方法精確度不高，但可以節省費用，不必提 前建立資料庫，在基站移動後比比重新計算參數。但是在現實環境中，溫度、障礙物、傳播模 式等條件往往都是變化的，使得該技術在實際應用中仍存在困難。這類方法簡單，計算效率 高，但是定位的準確性依賴於傳播模型是否正確，是否適合定位區域複雜的建築結構。由於 室內電波傳播的複雜性，信號強度受到多徑傳播、反射等影響，使得在實際室內環境很難用 固定的數學模型來刻畫。
[0008] ?場景分析法
[0009] 場景分析法，又稱為指紋法，不是直接將信號強度值的測量映射為信號傳播距離， 而是利用在某一地點觀察到的場景特徵來推斷觀察者的位置，可以看作是先對信號強度與 位置間的內在規律進行學習，然後再用新的測量值與學習過的樣本點進行匹配。
[0010] 該方法一般分為離線測量和在線定位兩個階段完成定位。離線測量是在需要定位 的區域裡按照一定的間隔距離選定若干樣本點，形成一個樣本點的網格，在這些樣本點位 置上測量，記錄來自各個AP的信號強度測量向量，這些信息構成了信號強度指紋庫。該指 紋庫描述了這一固定定位環境中信號強度與空間位置的關係。在線定位是將實時測量的信 號強度測量向量與指紋庫中的信息比較，取信號強度最接近的樣本點的位置作為估計的位 置。
[0011] RADAR系統中的另一種計算節點位置的方法，就是利用信號傳播的經驗模型。實際 定位前，在樓層內選取若干測試點，記錄這些點上個基站收到的信號強度，建立各個點上位 置和信號強度關係的離線資料庫。實際定位時，系統採用確定性匹配算法一一K最近鄰居 (KNN)算法，根據測得的信號強度與資料庫中記錄的信號強度進行比較，信號強度均方差最 小的那個點的坐標為節點的坐標。這種方法有較高的精度，但是要預先建立位置和信號強 度關係資料庫，當基站移動時要重新建立資料庫。
[0012] 該系統可在任何具有Wifi適配器的手持終端設備上嵌入，並獨立進行定位和追 蹤，無需額外的硬體支持，且無需視距傳輸，因而定位範圍較Cricket系統廣。但由於室內 環境的複雜性，如多徑、陰影衰落、幹擾等，室內電波傳播具有較強的時變特性，使得定位的 性能受到一定的影響。
[0013] 由於指紋法較傳統的電波傳播模型能更準確地描述RSS和空間位置的關係，且無 需AP具體位置的先驗信息，因而被廣泛應用於基於RSS的室內定位系統中。
【發明內容】
[0014] 本發明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提供一種基於RSS的室內定位 方法，其數據獲取方便、無需額外增加接收設備、定位準確。
[0015] 本發明的技術解決方案是：這種基於RSS的室內定位方法，包括以下步驟：
[0016] (1)離線階段，收集空間一些位置上的無線信號接收強度信息，構建指紋庫；
[0017] (2)在線測試階段，收集行走路徑上的信號強度；
[0018] (3)通過使用稀疏表示算法，加入時間與空間約束條件，建立定位模型；
[0019] (4)計算路徑上信號值對應的位置坐標，對結果進行優化。
[0020] 本發明將稀疏表示算法運用於建立定位模型，並且加入時間與空間約束條件，所 以數據獲取方便、無需額外增加接收設備、定位更加準確。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021] 圖1是根據幾何測量法進行位置估計的示意圖。
[0022] 圖2是真實的實驗場景俯視圖。
[0023] 圖3a，b，c，d分別是根據本文方法，K近鄰方法，稀疏表示算法和核方法在真實場 景中進行直線路徑定位的示意圖。
【具體實施方式】
[0024] 這種基於RSS(Receivedsignalstrength,接收信號強度）的室內定位方法，包 括以下步驟：
[0025] (1)離線階段，收集空間一些位置上的無線信號接收強度信息，構建指紋庫；
[0026] (2)在線測試階段，收集行走路徑上的信號強度；
[0027] (3)通過使用稀疏表示算法，加入時間與空間約束條件，建立定位模型；
[0028] (4)計算路徑上信號值對應的位置坐標，對結果進行優化。
[0029] 離線階段：也稱訓練階段，獲取指紋數據和構建指紋庫的過程；
[0030] 指紋數據：空間已知位置的接收信號強度數據，在本文中指已知位置上利用智能 手機等行動裝置獲得的多個無線wifi節點（AP)的信號強度數據；
[0031] 指紋庫：給定空間指紋數據的集合。通常將空間劃分為網格，對每個網格節點的位 置記錄其指紋數據，所有節點的指紋數據構成指紋庫；
[0032] 在線測試階段：在測試對象移動過程中，利用智慧型手機等行動裝置記錄移動路徑 上的信號強度，並採用稀疏表示模型實現移動對象的位置估計；
[0033] 稀疏表示算法：是對信號的一種表示方法，該方法藉助一個事先得到的字典（即 本文的指紋庫），將給定信號表示為字典中數據的線性組合。
[0034] 時間約束條件：對象在移動過程中，在路徑上記錄的信號接收強度是連續變化的， 因此對於連續信號的稀疏表示也具有時間的連續性；
[0035] 空間約束條件：無線信號強度在空間上具有連續分布的特性，即對於空間一個位 置上測量的信號接收強度，與它周圍位置上測量的信號強度具有連續性和相似性，因此某 個位置的信號強度的稀疏表示也只與該位置空間臨近的位置信號強度的稀疏表示有關。
[0036] 本發明將稀疏表示算法運用於建立定位模型，並且加入時間與空間約束條件，所 以數據獲取方便、無需額外增加接收設備、定位更加準確。
[0037] 優選地，所述步驟（3)中通過公式（5) _(7)獲得定位模型：
【權利要求】
1. 一種基於RSS的室內定位方法，其特徵在於，包括以下步驟： (1) 離線階段，收集空間一些位置上的無線信號接收強度信息，構建指紋庫； (2) 在線測試階段，收集行走路徑上的信號強度； (3) 通過使用稀疏表示算法，加入時間與空間約束條件，建立定位模型； (4) 計算路徑上信號值對應的位置坐標，對結果進行優化。
2. 根據權利要求1所述的基於RSS (Received signal strength,接收信號強度）的室 內定位方法，其特徵在於，所述步驟（3)中通過公式（5)-(7)獲得定位模型：
其中λ 1，2為設定的閾值，Y = [yi，y2，...yn]為移動對象在移動過程中採集的連 續接收信號強度，Yi代表第i個時間點採集的信號接收強度向量，V為步驟（1)中的 指紋庫，^ = 乂]，?*中的每一列表示γ中每列信號的稀疏表示向量；求解得到 5 = ，根據指紋庫ψ中的信號位置信息，得到Y中每列信號的位置信息，從而實 現位置定位。
3. 根據權利要求2所述的基於RSS (Received signal strength,接收信號強度）的室 內定位方法，其特徵在於，所述步驟（4)中通過公式（8)獲得優化的結果：
其中r為閾值，1?為Qi中大於閾值的位置集合，（Xn，yn)表示在 n點的坐標值，為 在第η位置的權值。
【文檔編號】G01S5/02GK104519571SQ201410831784
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年12月26日 優先權日:2014年12月26日
【發明者】李婷姝, 胡永利, 孫豔豐, 尹寶才 申請人:北京工業大學