基于无线指纹和mems传感器的融合导航装置和方法
【技术领域】
[000?]本发明涉及无线数据传输和定位分析领域，尤其涉及一种基于无线指纹和MEMS传 感器的融合导航装置和方法。
【背景技术】
[0002] 在过去的十年中，便携式设备(例如：智能手机、平板电脑和智能手表)的市场一直 在超高速发展。这些便携式设备已广泛应用于人们的生活，如短信、电话、导航、游戏、浏览 网站、社交媒体等。目前，这些便携式设备大多数具备强大的处理器、无线收发器、全球导航 卫星系统(GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS)接收机和众多传感器。由于硬件 的普及和强力，这些便携式设备已成为导航相关应用的理想平台。
[0003] 嵌入在便携设备中的GNSS接收机可以在天空开放的环境下提供准确的定位解决 方案，但他们不能很好地工作在诸如城市峡谷和室内之类恶劣的环境中。在这些具有挑战 性的环境里，通常会使用其他无线技术(例如，WiFi和蓝牙)来取代或辅助GNSS接收机以提 供定位解决方案。在这些无线定位技术中，WiFi定位只使用现有的基础设施，而蓝牙定位一 般设立低能耗蓝牙(BluetoothLowEnergy，BLE)信标。这些无线定位系统通常通过各种不 同的测量来估计目标的位置，如到达时间（TimeOfArrival，Τ0Α)，到达时间差（Time DifferenceOfArrival，TD0A)，到达角度（AngleofArrival，Α0Α)，和接收信号强度 (ReceivedSignalStrength，RSS)。采用T0A，TD0A和Α0Α的无线定位系统复杂、昂贵，而且 在动态的室内环境里性能差。这些系统还需要特殊的硬件，这使得他们无法得到现今主流 的便携式设备的支持。相反，基于RSS的方法已被广泛用于室内无线定位系统，并且获得现 有便携式设备的支持。
[0004] 基于RSS的无线定位技术可分为两类：三边测量和指纹识别（Fingerprinting， FP)。三边测量需要知道无线接入点(AccessPoints，AP)的位置。然后，通过无线传播模型 将RSS值转换成目标与无线AP的距离。根据无线AP的位置和距离信息，使用最小二乘(Least SquareS，LSQ)估计目标的位置。另一方面，基于指纹识别的无线定位系统包括2个阶段:无 线指纹数据库建立和实时定位。无线指纹数据库建立阶段通过测量测点的位置信息和相应 的RSS值来生成无线指纹，并将指纹存储下来建立无线信号地图数据库。实时定位阶段采用 不同的方法将当前的RSS值与无线信号地图数据库中的指纹匹配来确定目标位置。一般来 说，无线指纹识别提供了比三边测量更准确的定位解决方案，然而，它需要更多的人力和时 间成本来建立数据库。为了实现精确定位的解决方案，在这项专利中采用了无线指纹识别。
[0005] 基于指纹识别的无线定位系统通常有以下限制：1)无法提供完整的导航解(三维 位置、速度和姿态）；2)系统性能高度依赖于AP，如AP的分布和可用数量;3)这些系统几乎都 无法提供高采样率、平滑和连续的定位解;4)无线RSS值在恶劣的环境中经常波动，这通常 是由反射、衰减和阴影造成的。基于指纹识别的无线定位独立系统很难消除这些限制。
[0006] 以微型机电系统（]\1：[(31'0416(31：1'01116(311&11；^&135^七61118，]\^1^)传感器为基础的相 对导航技术，可以潜在地减少这些无线定位系统的局限性。MEMS导航系统可以提供一个完 整的具有较高的采样率和平滑的导航解。此外，MEMS导航系统还是不受环境影响的独立系 统。因此，这些MEMS导航系统还可用来填充在稀疏分布的无线AP环境中的定位间隙。然而， 由于便携式设备中MEMS传感器的噪声影响，这些MEMS独立导航解只能在短时间内精确。因 此，这些MEMS导航系统需要无线信号来限制它们的漂移。由于无线指纹和MEMS传感器的互 补特性，它们被融合起来实现更精确、更稳定的导航解。
[0007] 现有的融合方法大多采用组合滤波器组来融合无线指纹解和MEMS导航解，融合结 果只反馈给MEMS传感器来限制漂移。然而，融合的结果没有反馈给无线指纹识别，无法提高 其性能。
【发明内容】
[0008] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于无线指纹和 MEMS传感器的融合导航装置和方法，达到提升导航精度和整个系统处理速度的效果。
【发明内容】
[0009] ：为实现上述目的，本发明提供的基于无线指纹和MEMS传感器的融合导 航装置，包括:无线信号强度数据采集和处理模块、传感器数据采集和处理模块、数据融合 模块以及若干个分布在不同位置的无线接入点，所述无线信号强度数据采集和处理模块根 据待测目标与无线接入点之间的无线信号强度信息获取待测目标的第一位置信息，所述传 感器数据采集和处理模块根据所述待测目标的状态变化信息获取待测目标的第二位置信 息，所述数据融合模块将所述待测目标的第一位置信息和第二位置信息进行融合根据融合 结果得到所述待测目标的最终位置信息，并将所述融合结果反馈给所述无线信号强度数据 采集和处理模块和所述传感器数据采集和处理模块。
[0010] 其中，所述无线信号强度数据采集和处理模块包括:无线信号强度数据采集单元、 无线信号地图数据库、数据搜索确定单元、数据匹配单元;所述无线信号强度数据采集单元 接收所述待测目标与无线接入点之间的无线信号强度信息;所述无线信号地图数据库为所 述数据搜索确定单元提供无线信号地图数据库;所述数据搜索确定单元根据所述无线信号 强度数据采集单元传送过来的无线信号强度信息和所述数据融合模块所反馈的上一时刻 融合结果为所述数据匹配单元选择指纹搜索范围；所述数据匹配单元在所述指纹搜索范围 内对所述待测目标的无线信号强度信息进行指纹匹配得到当前时刻所述待测目标的第一 位置信息。为了后文实验方便描述，将本文中改进的指纹识别称作约束指纹识别 (ConstrainedFingerprinting，CFP)〇
[0011] 进一步地，无线信号强度数据采集单元包括:无线信号强度数据接收单元和无线 信号强度数据预处理单元，所述无线信号强度数据接收单元接收所述待测目标与无线接入 点之间的无线信号强度信息并传送给所述无线信号强度数据预处理单元，所述无线信号强 度数据预处理单元对所述无线信号强度信息进行消噪处理。
[0012] 其中，所述数据搜索确定单元包括搜索中心确定模块和搜索范围确定模块，所述 搜索中心确定模块根据所述无线信号强度数据采集单元根据所述无线信号强度信息确定 基本搜索范围的中心，根据所述数据融合模块所反馈的上一时刻融合结果作为拓展搜索范 围的中心;所述搜索范围确定模块以所述基本搜索范围的中心为几何中心并根据预先设置 的搜索形状确定基本搜索范围，以拓展搜索范围的中心为几何中心并根据预先设置的搜索 形状确定拓展搜索范围，再按照预先设定的合并方式将所述基本搜索范围和所述拓展搜索 范围进行合并得到当前时刻的指纹搜索范围。
[0013]其中，所述传感器数据采集和处理模块包括:传感器数据采集单元和传感器数据 处理单元;所述传感器数据采集单元采集所述待测目标的状态变化信息，所述传感器数据 处理单元根据所述状态变化信息计算所述待测目标的第二位置信息。
[0014]其中，所述数据融合模块包括:组合滤波器和平滑滤波器，所述平滑滤波器对所述 待测目标的第一位置信息进行平滑处理后传送给组合滤波器，本发明中对改进的指纹识别 进行了平滑处理，为了方便后文描述，将经过平滑处理后的约束指纹识别称为平滑约束指 纹识别（SmoothedConstrainedFingerprinting，SCFP)，所述组合滤波器将平滑处理后的 所述第一位置信息和所述待测目标的第二位置信息进行融合得到所述待测目标的最终位 置信息。
[0015] 相应地，本发明还提供了一种基于无线指纹和MEMS传感器的融合导航方法，包括 以下步骤：
[0016] 无线信号强度数据采集和处理模块根据待测目标与无线接入点之间的无线信号 强度信息获取待测目标的第一位置信息；
[0017] 传感器数据采集和处理模块根据所述待测目标的状态变化信息获取待测目标的 第二位置信息；
[0018] 数据融合模块将所述待测目标的第一位置信息和第二位置信息进行融合根据融 合结果得到所述待测目标的最终位置信息，并将所述融合结果反馈给所述无线信号强度数 据采集和处理模块和所述传感器数据采集和处理模块。
[0019] 进一步地，所述无线信号强度数据采集和处理模块获取所述待测目标的第一位置 信息包括以下步骤：
[0020] 在定位区域内进行位置信息采样，将采样点的位置信息和采样点与无线接入点之 间的无线信号强度信息生成无线指纹并进行存储，利用所述无线指纹建立无线信号地图数 据库；
[0021] 以所述待测目标与无线接入点之间的无线信号强度信息为中心，以预先设置的搜 索形状确定当前时刻的基本搜索范围，以上一时刻的融合结果为拓展搜索范围的中心，以 预先设置的搜索形状确定当前时刻的拓展搜索范围，再按照预先设定的合并方式将所述基