专利名称：基于无线信号源参数估计的室内定位方法
技术领域：
本发明涉及室内定位，特别是基于无线信号源的参数估计的室内移动终端位置估计方法。
背景技术：
室内定位技术是基于位置服务的重要底层支持，在医疗、零售、物流、制造以及政府管理中都有着重要的实用价值。常见的定位技术包括GPS (Global Positioning System), TDOA (Time Difference Of Arrival)以及 Cell Id 等。GPS利用卫星信号进行实时的位置计算，但由于在大部分室内环境中无法接收到卫星信号，因此GPS定位方法不适和室内环境下的定位。TDOA利用无线信号到达不同已知位置地点的时间差，利用光速来确定到达两个不同已知位置的距离差，进而利用几何知识来确定目标终端的位置。但这种方法需要发送端和接收端的时钟严格同步，且精度足够高，而且要求已知位置和目标终端之间的距离不能太近。在室内场景中，常用作上述已知位置的信号发射源和目标终端之间的距离通常过近， 而且在多数情况下无法做到时间同步，故此TDOA在多数情况下无法在室内环境中应用。Cell Id法直接用信号强度最大的信号源位置作为待测目标终端的位置，理论上可以应用在室内场景中，但其精度太低，很难满足多数位置服务的要求，因此在室内场景中也没有得到广泛的应用。截至目前，在室内定位中应用最广泛的方法称为“位置指纹法”。位置指纹法通过大量不同位置的无线信号信息进行采集对定位的特定环境进行抽象和形式化，用一些具体的、量化的参数描述定位环境中的各个位置，并用一个数据库把这些信息集成在一起。这个数据库中的信息称作“位置指纹”，观察者根据待定位物体所在位置的特征查询数据库，并根据特定的位置指纹匹配规则确定物体的位置。其核心是位置特征数据库和匹配规则，它本质上是一种模式识别方法。但基于位置指纹的定位方法虽然在实际应用可以得到较高的精度，但需要大量的预采集，这种采集包括无线信号的信息以及采集点的位置，需要耗费一定的人力物力，并且当无线环境变化(如无线信号发射源的位置发射变化)时，所有的位置指纹需要进行更新以适应新的变化。需要注意的是，在预采集中，无线信号的信息采集远比位置信息的采集要容易和准确。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于无线信号源参数估计的，低成本，部署快速并且具备环境同步能力的室内定位系统及方法。为实现上述目的，本发明提出了一种基于无线信号源参数估计的室内定位方法， 其特征在于，包括以下步骤
步骤1，在定位场所中的M个位置进行无线信号样本采集，这M个采样的地点称作参考点，并保证参考点位置覆盖整个定位场所；在M个参考点中，有m个参考点的信号样本， m的下限值为3，记录了该参考点的信号强度信息和位置信息，该参考点记作位置已知参考点；而其余参考点的信号样本，只记录该参考点的信号强度信息，该参考点记作位置未知参考占.步骤2，对步骤1中采集到的参考点数据进行信号转换预处理；步骤3，依据步骤2预处理后的参考点数据对定位场所中的无线信号源进行参数估计，估计的参数包括无线信号源的位置和衰减因子；步骤4，依据步骤3所估计出的无线信号源的位置和衰减因子参数，利用 quasi-Newton法对于任意一组新的实时无线信号采样数据，进行实时位置估计。所述步骤 2进一步包括步骤21，对步骤1中采集到的参考点数据进行数据分组，具体方法为假设起始状态下，所有的参考点都隶属于不同的组；分组开始时，以任一参考点为起始，在余下的N-I 个点中寻找所有和其信号空间的Euclidean距离小于第一门槛值的所有参考点，对于任意
两个参考点r和t，信号空间的Euclidean距离表达式为
权利要求
1.一种基于无线信号源参数估计的室内定位方法，其特征在于，包括以下步骤步骤1，在定位场所中的M个位置进行无线信号样本采集，这M个采样的地点称作参考点，并保证参考点位置覆盖整个定位场所；在M个参考点中，有m个参考点的信号样本，m 的下限值为3，记录了该参考点的信号强度信息和位置信息，这些参考点记作位置已知参考点；而其余参考点的信号样本，只记录该参考点的信号强度信息，这些参考点记作位置未知参考点；步骤2，对步骤1中采集到的参考点数据进行信号转换预处理； 步骤3，依据步骤2预处理后的参考点数据对定位场所中的无线信号源进行参数估计， 估计的参数包括无线信号源的位置和衰减因子；步骤4，依据步骤3所估计出的无线信号源的位置和衰减因子参数，利用quasi-Newton 法对于任意一组新的实时无线信号采样数据，进行实时位置估计。
2.根据权利要求1所述的基于无线信号源参数估计的室内定位方法，其特征在于，所述步骤2包括步骤21，对步骤1中采集到的参考点数据进行数据分组，具体方法为假设起始状态下，所有的参考点都隶属于不同的组；分组开始时，以任一参考点为起始，在余下的N-I个点中寻找所有和其信号空间的Euclidean距离小于第一门槛值的所有参考点，对于任意两1个参考点r和t，信号空间的Euclidean距离表达式为Dert = ^』J^rt -》2，其中J^i是第r个参考点上接收到的第i个无线信号源的信号强度值，st, i是第t个参考点上接收到的第i个无线信号源的信号强度值，N是无线信号源总数。第一门槛值T^=IOlogI，其中S是定位场所的面积，M是参考点总数；在上述满足要求的参考点集合中选择与起始参考点的Pearson相关度最大的一个，然后合并二者所属的组，对于任意两个参考点r和t，其N^NNPearson相关度为乃, = ι ΝΝ 'Ν ' ι ^ =，其中是第r个参Vqx2)-去 qx)2)qx2)-去 qx)2)考点上接收到的第i个无线信号源的信号强度值，st, i是第t个参考点上接收到的第i个无线信号源的信号强度值，N是无线信号源总数；接下来对第二个参考点进行类似的操作 在余下的N-2个点中寻找信号空间的Euclidean距离小于第一门槛值的所有参考点，再从所有找到的点中选择Pearson相关度最大的一个合并两者所属的组；依次类推，直到遍历完所有的M个点为止；至此，M个参考点数据被分成了若干个组；步骤22，对步骤21数据分组后的组进行相邻组判断，具体方法为任取两个组，设为组 1和组2，不失一般性，假设组1中的参考点不多于组2，根据以下条件判断两个组是否相邻 如果组1中存在不大于50%比例的点都能在组2中找到一点使得其Euclidean距离小于第二门槛值，则判定这两个组相邻，第二门槛值Th2 = ThJW1，其中Th1是第一门槛值，W1是相邻组墙壁补偿因子，根据材质和厚度的不同，W1的值可能在2dB到12dB内变化；如果不满足，则这两个组不相邻；依此，对于每一个组，找到其全部的相邻组；步骤23，信号转换；信号转换的目的是将接收到无线信号尽可能的恢复到自由空间下的数值以供更好的距离估计；信号转换的具体方法为首先，对于任一无线信号源，找出关于这个信号源的信号采样最大值所出现的参考点，将此信号源划分在此参考点所属的分组中；然后开始对各参考点信号样本进行操作，对于一个参考点所对应的所有信号采样值，若某信号采样值所来自的信号源所处的组与此参考点所在组相同，则不对此采样值做处理； 若某信号采样值所来自的信号源所处的组与此参考点所在组相邻，则在此采样值上加上一个相邻组墙壁补偿因子W1 ；若某信号采样值所来自的信号源所处的组与此参考点所在组既不相同也不相邻，则在此采样值上加上一个相邻组墙壁补偿因子W2 = 2巧；按照上述方法对所有参考点数据中的信号强度均进行转换，得到转换后的信号强度信肩、ο
3.根据权利要求1所述的基于无线信号源参数估计的室内定位方法，其特征在于，所述步骤3包括步骤31，无线信号源位置粗略参数估计；具体方法为对于任一无线信号源，假设m 个位置已知参考点中有k个能接收到其信号，那么分别以这k个参考点为环心，画出k 个环形，求其交集，便是此无线信号源的可能存在区域；对于第j个参考点，其环形外径R =臉/—” )，内径r = lOex/—:")，其中Si,_是在所有参考点中关于第i个无线信号源的信号最大值，Si,j是经过信号转换后的第j个参考点上第i个无线信号源的信号强度。若k个环形没有交集，则去除其中此无线信号源信号最弱的一点，考虑剩下的k-Ι个环形的交集；若还不存在交集则继续减少位置已知的参考点的数量，直到找到交集为止；步骤32，无线信号源位置具体参数估计；具体方法为利用遗传算法估计出最“适合” 的定位场所内的无线信号源参数；
4.根据权利要求3所述的基于无线信号源参数估计的室内定位方法，其特征在于，所述步骤32进一步包括步骤321，遗传算法初始化；具体方法为初始化L个遗传算法个体作为初代群体，每个个体包含N个数据集合，每个集合对应一个无线信号源，其内容包括待估计的所有参数—— 无线信号源位置坐标以及衰减因子；初始化时为每个个体的所有数据集合中的所有参数在相应范围内随机一组值作为起始数据，其中位置参数的范围必须在步骤31所得到的环形交集内部，衰减因子参数的范围必须在1. 2到8之间；步骤322，位置未知的参考点的位置估计；具体方法为对于一个完成初始化的个体，对位置未知的M-m个点进行定位；定位方法为对于任一位置未知参考点，利用Nquasi-Newton法找到一组位置坐标，使得量好=+l0nr !og⑷)|最小，其中s ‘ rr是该参考点的采集信号中关于第r无线信号源转换后的信号强度，sr,fflax是在所有参考点关于第r个无线信号源的信号最大值，r^是第r个无线信号源的衰减因子，dr是此参考点到第 r个信号源的物理距离；对于此位置未知参考点，比较其与m个位置已知参考点之间的信号空间Euclidean距离，从m个位置已知参考点中选取与此实时信号样本信号空间Euclidean 距离最近的一个，并将此参考点的位置坐标设为使用quasi-Newton法求解时所需的坐标初始值；步骤323，计算适应度；具体方法为对于一个遗传算法个体，其适应度表示为
5.根据权利要求1所述的基于无线信号源参数估计的室内定位方法，其特征在于，步骤4所述的quasi-Newton法的具体方法为找到一组位置坐标，使得量
全文摘要
本发明公开了一种基于无线信号源参数估计的室内定位方法，步骤包括(1)进行定位场所内的参考点样本采集作为训练输入；(2)对采集的参考点数据进行预处理；(3)通过大量数据训练处最适应的无线信号源参数；(4)利用估计出的无线信号源参数进行实时定位计算。本发明能够减少室内定位时的前提部署工作，使得室内定位系统的部署和升级更加便捷和快速。
文档编号G01S5/04GK102253365SQ20111010170
公开日2011年11月23日 申请日期2011年4月22日 优先权日2011年4月22日
发明者曹佐, 莫益军, 蔡译锋 申请人:华中科技大学