一种基于信号强度的三边测量定位方法与流程

本发明涉及定位技术领域，尤其涉及一种基于信号强度的三边测量定位方法。

背景技术：

目前，在室内环境下常用的测量两个无线设备间距离的技术大致有以下四种：基于电波传播时间（TOA）的定位技术， 基于电波传播时间差（TDOA）的定位技术，基于电波入射角（AOA）和基于信号强度（RSSI）的定位技术。基于TOA和TDOA的定位技术，由于需要高精度的时间同步才能计算光速下的距离，因此，成本较高。而基于AOA的定位技术需要通过接收机天线阵列测出移动终端发送电波的入射角，设备复杂价格昂贵。

基于RSSI的定位技术利用无线信号的信号强度随着传播距离的增加而衰减的特性，根据移动终端测量接收到的信号强度和已知的信号衰落模型，可以估算出收发方之间的距离，根据多个估算的距离值，可以计算出移动终端的位置。这一种方法相对简单，不需要对网络添加额外的硬件设备，因此基于RSSI的定位方法非常有市场潜力。现有技术中，基于RSSI的定位方法需要明确信号强度随距离衰减的关系，研究表明RSSI和距离d的衰减关系可以用对数关系标识：𝑅𝑆𝑆𝐼 = α（− 10𝑛 𝑙g 𝑑 + 𝐴），其中，n为信号传播的衰减常数，A为单位距离对应的RSSI值。然而，研究表明在不同的媒介中衰减常数n是不同的，需要在具体应用环境中进行标定常数n和A。但是基于RSSI的定位方法存在一个问题，就是标定的时侯选择的某个设备，但真正使用的环境下，需定位的设备可能是不同厂商的设备，即使是同一厂商的同一个设备类型，其接受无线信号的灵敏度也通常是不同的。这样，在实际使用中由于设备的不同基于RSSI的三边测量法的定位精度无从保证。

因此，需要一种新型的基于信号强度的三边测量定位方法以解决定位过程中的上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的为提供一种定位方法，消除不同设备的接收无线信号的灵敏度的差异性对定位计算的影响。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于信号强度的三边测量定位方法。该方法包括步骤：（001）将待定位的移动终端的接收无线信号的灵敏度k，与标定设备的接收无线信号的灵敏度k_校准的比值，定义为待定位的移动终端的接收无线信号的灵敏度系数α=k/k_校准；（002）采用灵敏度系数α对无线传输损耗模型的计算公式进行变换，得到公式（1）：𝑅𝑆𝑆𝐼 = α（− 10𝑛 𝑙g 𝑑 + 𝐴）；（003）采集待定位的移动终端周围的接入点中的三个具有最强RSSI值的点的RSSI；将RSSI代入公式（1）分别计算待定位的移动终端与三个接入点之间的距离d；（004）采用三点定位算法获取待定位的移动终端的位置坐标（X，Y）。

优选地，在步骤（003）之前还包括拟合步骤（a）：固定一个接入点，移动测试点的位置，记录多个测试点和接入点的距离d及对应RSSI的值，根据公式𝑅𝑆𝑆𝐼 = − 10𝑛 𝑙g 𝑑 + 𝐴，采用最小二乘法拟合n和A。

优选地，在拟合步骤（a）之后，步骤（003）之前还包括初始设置步骤（b）：设置初始灵敏度系数α₀和设置定位允许误差E₀。

优选地，初始灵敏度系数α₀=1，允许误差E₀=1m。

优选地，步骤（004）具体为，以三个接入点为圆心，以距离为半径做圆，计算三个圆的交点坐标，获得交点坐标的最小距离解，计算最小距离解对应的最小距离Dmin和位置坐标（X，Y）。

优选地，以三个接入点为圆心，以距离为半径做圆，计算三个圆的交点坐标， 具体为：根据已知节点A1，A2，A3的坐标（X_A1，Y_A1），（X_A2，Y_A2），（X_A3，Y_A3），以及由所述公式（1）计算得到的各距离dd₁、dd₂、dd₃计算各交点坐标C₁，C₂，D₁，D₂，E₁，E₂；其中，

(x - X_A1)²+(y - Y_A1)²=dd₁²；

(x - X_A2)²+(y - Y_A2)²=dd₂²；

计算得到上述方程组的2个解为 C1和C2的坐标：（X_C1，Y_C1），（X_C2，Y_C2）；

(x -X_A2)²+(y -Y_A2)²=dd₂²；

(x -X_A3)²+(y -Y_A3)²=dd₃²；

计算得到上述方程组的2个解为 D1和D2的坐标:（X_D1，Y_D1）,（X_D2，Y_D2）；

(x -X_A1)²+(y -Y_A1)²=dd₁²；

(x -X_A3)²+(y -Y_A3)²=dd₃²；

计算得到上述方程组的2个解为 E1和E2的坐标:（X_E1，Y_E1）,（X_E2，Y_E2）。

优选地，计算最小距离解对应的最小距离Dmin和位置坐标（X，Y），具体为：当（C2，D1，E2）为最小距离解时，最小距离Dmin=（C2D1+D1E2+C2E2）/3；位置坐标（X，Y）为：X=（Xc+X_D+X_E）/3；Y=（Yc+Y_D+Y_E）/3。

优选地，在步骤（004）之后还包括判断步骤（005），判断Dmin是否小于所述允许误差 E₀，

如是，则确定坐标（X，Y）的位置，即为待定位的移动终端的位置；

如否，则以变动系数dα迭代灵敏度系数α=α+dα，并返回步骤（003）重新带入公式（1）计算直到使所获得的最小距离Dmin小于允许误差 E₀为止。

优选地，变动系数为dα= Dmin/（dd₁+dd₂+dd₃）。

本发明的优点在于：消除了不同设备接收无线信号的 灵敏度的差异对定位计算的影响，进而可以对不同的设备，例如，不同手机用户进行精确定位。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1为本发明的标定设备的基于RSSI三边计算的示意图；

图2为本发明的待定位的移动终端的接收无线信号的灵敏度系数小于1时基于RSSI三边计算的示意图；

图3为本发明的基于信号强度的三边测量定位方法的定位计算流程图；

图4为本发明的一种优选的实施方式的基于信号强度的三边测量定位方法的定位计算流程图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种基于信号强度的三边测量定位方法，包括步骤：（S1）将待定位的移动终端的接收无线信号的灵敏度k，与标定设备的接收无线信号的灵敏度k_校准的比值，定义为待定位的移动终端的接收无线信号的灵敏度系数α=k/k_校准；（S2）采用所述灵敏度系数α对无线传输损耗模型的计算公式进行变换，得到公式（1）：𝑅𝑆𝑆𝐼 = α（− 10𝑛 𝑙g �� + 𝐴）；（S3）采集所述待定位的移动终端周围的接入点中的三个具有最强RSSI值的点的RSSI；将所述RSSI代入所述公式（1）分别计算待定位的移动终端与所述三个接入点之间的距离d；（S4）采用三点定位算法获取所述待定位的移动终端的位置坐标（X，Y）。在这种情况下，由于n和A为给定校准设备在该环境下标定得到的常数，α是一个未知的常数，因此，当α>1时，意味着该设备比校准设备的接收无线信号的灵敏度高，测得的RSSI值比校准设备的值要大。当α<1时，意味着该设备比校准设备的接收无线信号的灵敏度低，测得的RSSI值比校准设备的值要小。

当移动设备的接收灵敏度相对于校准设备灵敏度有偏差，但较小时，对应α<1，此时测得的RSSI值会变小。假设最小误差为E，如下采用一个递归算法，直到找到误差最小的α值来计算对应的接收设备的位置。

在本发明的一个优选的实施方式中，基于信号强度的三边测量定位方法，包括如下步骤（101）至（108）：

（101）定义灵敏度系数 α为，待定位的移动终端的实际灵敏度k与标定设备的灵敏度k_校准的比值，α=k/k_校准，将无线传输损耗模型的计算公式变换为公式（1）：

𝑅𝑆𝑆𝐼 = α（− 10𝑛 𝑙g 𝑑 + 𝐴） ；

（102）拟合所述公式（1）中的参数n和A的值；

（103）设置初始灵敏度系数α₀和定位允许误差E₀；

（104）采集所述待定位的移动终端附近的接入点中的三个具有最强RSSI值的点（A1、A2、A3）的信号强度（RSSI₁、RSSI₂、RSSI₃）；

根据所述公式（1）分别计算待定位的移动终端与所述三个接入点之间的距离dd₁、dd₂、dd₃；

（106）采用三点定位算法获取所述待定位的移动终端的最小距离Dmin和对应的位置坐标（X，Y）；

（107）判断Dmin是否小于所述允许误差 E₀，

如是，则确定坐标（X，Y）的位置，即为所述待定位的移动终端的位置；

如否，则以变动系数dα迭代灵敏度系数α，并返回步骤（105）重新带入公式（1）计算直到使所获得的最小距离Dmin小于允许误差 E₀为止；

（108）循环步骤（104）至（107）直到定位结束。

进一步地，下面以α<1为例对本发明的定位方法进行说明。在本发明的一个优选的实施方式中，如图2和图4所示，定位流程包括如下步骤：

步骤1：选取标定设备，变更手机的不同位置，记录各测试点与接入点的距离及其对应RSSI的值。实验中采用TIBLECC2540模块进行信号强度测量。

步骤2：对测量结果用最小二乘法拟合公式（1），得到参数n和A的值。对于，CC2540设备，拟合结果选取n=1.93，A=-42.1。

步骤3：开始定位计算，对于需定位设备，设置初始灵敏度系数α=1。设置系统定位精度允许误差E =1m。

步骤4：启动定位计算循环，对每个定位点进行递归计算得到位置信息。分步如下：

（4-1），假设定位设备为客户自带手机，采集客户手机设备收到的最强的3个信号源的强度RSSI值；

（4-2），计算各节点的距离d，如果灵敏度较低测得的RSSI值较标定值小，如图2所示，计算得到的3个dd值（dd1，dd2，dd3）比标定的d值（d1，d2，d3）小。其中RSSI₁为测得的A1节点的信号强度值，其中RSSI₂为测得的A2节点的信号强度值，其中RSSI₃为测得的A3节点的信号强度值。

（4-3），进行几何计算：假定个已知节点A1，A2，A3的坐标分别为（X_A1，Y_A1），（X_A2，Y_A2），（X_A3，Y_A3），由各距离dd₁，dd₂，dd₃可以计算虚线园的各交点坐标C1，C2，D1，D2，E1，E2。其中：

(x - X_A1)²+(y - Y_A1)²=dd₁²；

(x - X_A2)²+(y - Y_A2)²=dd₂²；

计算得到上述方程组的2个解为 C1和C2的坐标：（X_C1，Y_C1），（X_C2，Y_C2）；

(x -X_A2)²+(y -Y_A2)²=dd₂²；

(x -X_A3)²+(y -Y_A3)²=dd₃²；

计算得到上述方程组的2个解为 D1和D2的坐标:（X_D1，Y_D1）,（X_D2，Y_D2）；

(x -X_A1)²+(y -Y_A1)²=dd₁²；

(x -X_A3)²+(y -Y_A3)²=dd₃²；

计算得到上述方程组的2个解为 E1和E2的坐标:（X_E1，Y_E1）,（X_E2，Y_E2）。

（4-4），选取最小距离解。根据上述计算得到的交点坐标C1，C2，D1，D2，E1，E2，选取一组C点，一个D点和一个E点使得他们之间的距离为最小值。具体逻辑如下：

比较C1点到D1和到D2点的距离，如果C1D1<C1D2，选择D1, 如果C1D1>C1D2，选择D2 ；

比较D1点到C1和到C2点的距离，如果C1D1<C2D1，选择C1，如果C1D1>C2D1，选择C2；

比较D1点到E1和到E2点的距离，如果 D1E1<D1E2，选择E1，如果 D1E1>D1E2，选择E2；

（4-5），通过计算，C2，D1，E2作为（C，D，E）点最小距离解。

（4-6），计算最小距离计算Dmin=（C2D1+D1E2+C2E2）/3 ，判断Dmin是否小于系统精度误差值E。如果否，计算α变动系数dα，进行递归计算直到Dmin< E为止。其中，dα= Dmin/（dd₁+dd₂+dd₃）；新的α=α+dα。

步骤5：递归计算完成，输出定位坐标（X，Y），其中，X=（Xc+X_D+X_E）/3；Y=（Yc+Y_D+Y_E）/3。

步骤6：如果用户终止定位计算，程序结束，否则，系统接收定位设备的新的RSSI值，重新定位计算。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。