基于地磁信息的实时定位系统及方法

基于地磁信息的实时定位系统及方法
【专利摘要】本发明提供一种基于地磁信息的实时定位方法，该方法基于定位区域内的WiFi信号建立区域定位模型，基于地磁信号建立地磁路径定位模型，并根据所建立的这两个模型估计用户的当前位置。该方法从多模融合的角度出发，结合地磁、WiFi信号、加速度传感器各自的优势，以信号相对稳定的地磁为主体，进行局域范围内的精确定位；以覆盖范围较广而定位精度相对较差的WiFi定位为辅助，限定用于地磁定位的局部搜索范围；使用加速度传感器判定用户所处状态以及移动距离，决定是否使用地磁定位方法以及确定磁轨迹匹配定位的磁轨迹路径长度，从而可实现室内高精度、低功耗实时定位。
【专利说明】基于地磁信息的实时定位系统及方法

【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通信【技术领域】，尤其涉及基于地磁信息的定位系统。

【背景技术】
[0002] 近年来，伴随位置服务需求的日益增长，各种无线定位技术得到了较快发展。不 过，在现有的各种室内无线定位技术中，例如蓝牙和RFID都需要部署基础设施，限制了定 位技术的大规模使用。而WiFi网络目前尽管已大规模部署，但由于WiFi网络部署的初衷 并不是为了定位应用，所以在将WiFi应用于定位时易受到接收灵敏度较低、多径效应、信 号时变性以及设备差异性等因素影响，定位性能一直难以提升。
[0003] 近年来利用室内地磁信号畸变进行定位受到越来越多的关注。现代建筑中存在的 钢筋混凝土结构对局部范围内的地磁产生稳定干扰，导致建筑物内不同位置的地磁场强度 和方向不同。当人在室内移动时，不同移动轨迹将产生不同的磁场观测结果。利用移动过 程中产生的特性磁场波形可实现局域范围内的定位。
[0004] 但是，使用地磁信息定位面临很多挑战，例如在训练阶段采集的信息维度较少且 采集信息精度低、移动磁轨迹匹配算法复杂、搜索计算量大等等。


【发明内容】

[0005] 因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于地磁信息的定 位系统。
[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0007] -方面，本发明提供了一种基于地磁信息的定位方法，包括：
[0008] 步骤1，根据用户终端设备收到的来自访问接入点的WiFi信号，基于训练好的访 问接入点定位模型来判定用户当前所处的区域，所述访问接入点定位模型包含访问接入点 集合信息与实际地理区域之间的映射关系；
[0009] 步骤2,在用户移动时，将通过用户终端设备采集的地磁信号与从训练好的地磁 路径定位模型中选择的该用户当前所处的区域内的所有磁轨迹路径进行匹配，以确定用户 的当前位置；所述地磁路径定位模型包含每个磁轨迹路径的地磁数据与实际地理位置之间 的映射关系。
[0010] 上述方法中，所述访问接入点定位模型是通过下列步骤创建的：
[0011] al)将要实施定位的环境划分为多个定位区域；
[0012] a2)在设定时间段内在每个定位区域内采集来自AP的WiFi信号，统计每个AP在 各定位区域内出现的频率，AP出现频率最大的区域即为该AP所属区域，得到每个区域内所 属AP集合，并建立AP集合与实际区域之间的映射关系。
[0013] 上述方法中，所述地磁路径定位模型可以是通过下列步骤建立的：
[0014] bl)在经划分得到的每个定位区域内规划路径，所有路径要求没有相互重复的路 段且其集合能覆盖该定位区域；
[0015] b2)在每条路径上设置标记点，并为每个标记点建立与实际地理位置之间的一一 映射关系；其中，至少分别在每条路径的起点和终点处设置标记点，任意两标记点之间的路 段不包含拐角；
[0016] b3)沿设有标记点的路径上采集地磁数据，并建立所述地磁路径定位模型。
[0017] 上述方法中，在所述步骤b3采集地磁数据时，可以在遇见标记点时，对在对应位 置采集的地磁数据进行一次位置标注。
[0018] 上述方法中，所述步骤b3)还可包括按下列步骤对采集的地磁数据进行规范化处 理：
[0019] b31)在两两标记点之间设立一个或多个数据分片，每个数据分片包含相同数量的 元数据，每个分片的长度取单位距离，相邻两标记点之间的分片个数为对标记点之间的距 离向下取整得到的数值；
[0020] b32)将对每个数据分片对应的路径段多次采集的地磁数据投影到该数据分片中 包含的元数据上，得到该路径段对应的地磁数据向量，该向量的维度等于该数据分片包含 的元数据的个数。
[0021] 上述方法中，所述步骤b3)还可包括对规范化后的地磁数据进行平滑处理，平滑处 理后，每个元数据值为其前后k个元数据值的平均值。
[0022] 上述方法中，所述步骤2中可以根据通过用户终端设备采集的加速度数据来检测 用户是否正在移动。
[0023] 上述方法中，所述步骤2可以包括：
[0024] 步骤21)对于所选择的每条磁轨迹路径，计算该磁轨迹路经的地磁数据与用户终 端设备采集的地磁信号之间的匹配度；
[0025] 步骤22)基于所述地磁路径定位模型，选择具有最大匹配度的磁轨迹路径对应的 实际地理位置来确定用户的当前位置。
[0026] 上述方法中，所述步骤21)中每条磁轨迹路经的地磁数据与用户终端设备采集的 地磁信号之间的匹配度可以通过下列步骤计算的：
[0027] 步骤211)按设定的训练步长将该磁轨迹路径的地磁数据划分为多个训练向量，并 且，每个训练向量的第一个元数据与其下一个训练向量的第一个元数据间隔q个元数据， 每个训练向量中包含的元素个数等于所述训练步长，q为大于1且小于训练步长的二分之 一的整数；
[0028] 步骤212)按设定的观测步长将用户终端设备采集的地磁信号划分为多个观测向 量，每个观测向量中包含的元素个数等于所述观测步长；
[0029] 步骤213)将每个观测向量映射成与训练向量相同的维度，基于所述训练向量和映 射后的观测向量建立该磁轨迹路径的地磁数据与用户终端设备采集的地磁信号之间的匹 配矩阵，该匹配矩阵中第i行第j列处的元素为第i个观测向量与第j个训练向量的相似 度；
[0030] 步骤214)基于所建立的匹配矩阵来计算该磁轨迹路经的地磁数据与用户 终端设备采集的地磁信号之间的匹配度，其中，第i条磁轨迹路径的的匹配矩阵为：

【权利要求】
1. 一种基于地磁信息的定位方法，所述方法包括： 步骤1，根据用户终端设备收到的来自访问接入点的WiFi信号，基于训练好的访问接 入点定位模型来判定用户当前所处的区域，所述访问接入点定位模型包含访问接入点集合 信息与实际地理区域之间的映射关系； 步骤2,在用户移动时，将通过用户终端设备采集的地磁信号与从训练好的地磁路径定 位模型中选择的该用户当前所处的区域内的所有磁轨迹路径进行匹配，以确定用户的当前 位置；所述地磁路径定位模型包含每个磁轨迹路径的地磁数据与实际地理位置之间的映射 关系。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述访问接入点定位模型是通过下列步骤创建 的： al)将要实施定位的环境划分为多个定位区域； a2)在设定时间段内在每个定位区域内采集来自AP的WiFi信号，统计每个AP在各定 位区域内出现的频率，AP出现频率最大的区域即为该AP所属区域，得到每个区域内所属AP 集合，并建立AP集合与实际区域之间的映射关系。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中，所述地磁路径定位模型是通过下列步骤建立的： bl)在经划分得到的每个定位区域内规划路径，所有路径要求没有相互重复的路段且 其集合能覆盖该定位区域； b2)在每条路径上设置标记点，并为每个标记点建立与实际地理位置之间的一一映射 关系；其中，至少分别在每条路径的起点和终点处设置标记点，任意两标记点之间的路段不 包含拐角； b3 )沿设有标记点的路径上采集地磁数据，并建立所述地磁路径定位模型。
4. 根据权利要求3所述的方法，在所述步骤b3采集地磁数据时，在遇见标记点时，对在 对应位置采集的地磁数据进行一次位置标注。
5. 根据权利要求3所述的方法，所述步骤b3)还包括按下列步骤对采集的地磁数据进 行规范化处理： b31)在两两标记点之间设立一个或多个数据分片，每个数据分片包含相同数量的元数 据，每个分片的长度取单位距离，相邻两标记点之间的分片个数为对标记点之间的距离向 下取整得到的数值； b32)将对每个数据分片对应的路径段多次采集的地磁数据投影到该数据分片中包含 的元数据上，得到该路径段对应的地磁数据向量，该向量的维度等于该数据分片包含的元 数据的个数。
6. 根据权利要求5所述的方法，所述步骤b3)还包括对规范化后的地磁数据进行平滑 处理，平滑处理后，每个元数据值为其前后k个元数据值的平均值。
7. 根据权利要求1所示的方法，所述步骤2中根据通过用户终端设备采集的加速度数 据来检测用户是否正在移动。
8. 根据权利要求1-7中任一项所述的方法，所述步骤2包括： 步骤21)对于所选择的每条磁轨迹路径，计算该磁轨迹路经的地磁数据与用户终端设 备采集的地磁信号之间的匹配度； 步骤22)基于所述地磁路径定位模型，选择具有最大匹配度的磁轨迹路径对应的实际 地理位置来确定用户的当前位置。
9. 根据权利要求8所述的方法，所述步骤21)中每条磁轨迹路经的地磁数据与用户终 端设备采集的地磁信号之间的匹配度通过下列步骤计算的： 步骤211)按设定的训练步长将该磁轨迹路径的地磁数据划分为多个训练向量，并且， 每个训练向量的第一个元数据与其下一个训练向量的第一个元数据间隔q个元数据，每个 训练向量中包含的元素个数等于所述训练步长，q为大于1且小于训练步长的二分之一的 整数； 步骤212)按设定的观测步长将用户终端设备采集的地磁信号划分为多个观测向量，每 个观测向量中包含的元素个数等于所述观测步长； 步骤213)将每个观测向量映射成与训练向量相同的维度，基于所述训练向量和映射后 的观测向量建立该磁轨迹路径的地磁数据与用户终端设备采集的地磁信号之间的匹配矩 阵，该匹配矩阵中第i行第j列处的元素为第i个观测向量与第j个训练向量的相似度； 步骤214)基于所建立的匹配矩阵来计算该磁轨迹路经的地磁数据与用户终 端设备采集的地磁信号之间的匹配度，其中，第i条磁轨迹路径的的匹配矩阵为：
第i条磁轨迹路径的匹配度为
中x=l, 2,…，n-(m-l) λ，n为训练向量的个数，m为观测向量的个数，λ为所述训练步长与 q的比值。
10. 一种基于地磁信息的实时定位系统，所述系统包括： 访问接入点定位模型，所述访问接入点定位模型包含访问接入点集合信息与实际地理 区域之间的映射关系； 地磁路径定位模型，所述地磁路径定位模型包含每个磁轨迹路径的地磁数据与实际地 理位置之间的映射关系； 用户终端设备，用于采集其所处环境中的访问接入点的WiFi信号、地磁信号、用户加 速度数据；以及 定位引擎，用于： 根据用户终端设备收到的来自访问接入点的WiFi信号，基于所述访问接入点定位模 型来判定用户当前所处的区域；以及 在用户移动时，将通过用户终端设备采集的地磁信号与从所述地磁路径定位模型中选 择的该用户当前所处的区域内的所有磁轨迹路径进行匹配，以确定用户的当前位置。
【文档编号】H04W4/04GK104105067SQ201410141282
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年4月9日 优先权日:2013年4月9日
【发明者】罗海勇, 李慧, 赵方, 林长海, 陶睿, 王凤, 林震东 申请人:广东美晨通讯有限公司, 中国科学院计算技术研究所