室内定位方法和室内定位装置与流程

本发明实施例涉及室内定位技术领域，尤其涉及一种室内定位方法和室内定位装置。

背景技术：

随着现代化产业的蓬勃发展，人们对基于位置服务的要求也日益增多，定位应用也随着信息化时代的发展越来越普及，定位包括室外定位和室内定位。目前已经广泛应用于智慧工业、智慧物流、智慧交通、智慧金融、公共安全等垂直领域。

目前现有的室内定位方案多采用单一定位技术对待定位设备进行定位，在多路径效应或nlos(非视距传播)情况下定位精度下降严重。如果想提高定位精度，则相应的部署成本也会增加，代价较大，因此现有的定位技术没有很好的运用到实际当中。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种室内定位方法和室内定位装置，用于解决现有的室内定位方案定位精度差的问题。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种室内定位方法，包括：

根据基站测量的待定位设备的上行定位信号，确定所述待定位设备的初始定位位置；

获取无线局域网节点测量的所述待定位设备的实时信号特征参数，并确定所述实时信号特征参数与位置指纹库中的多个指纹的信号特征参数之间的距离的平均值；

获取所述基站的多个天线测量的所述待定位设备的上行定位信号的相位差，根据所述相位差计算所述待定位设备的所述上行定位信号的信号到达角度；

根据所述距离的平均值和所述信号到达角度，修正所述初始定位位置，得到修正后的位置信息。

可选的，根据基站测量的待定位设备的上行定位信号，确定所述待定位设备的初始定位位置包括：

根据多个基站测量的待定位设备的上行定位信号的到达时间，确定所述待定位设备的初始定位位置。

可选的，所述基站的个数为3个，所述根据多个基站测量的待定位设备的上行定位信号的到达时间，确定所述待定位设备的初始定位位置包括：

采用如下公式计算所述待定位设备的初始定位位置：

其中，(0，0)为第一个基站的坐标，(x2，y2)为第二个基站的坐标，(x3，y3)为第三个基站的坐标，(x，y)为所述待定位设备的初始定位位置的坐标，d12为第一个基站和第二个基站的距离，d13为第一个基站和第三个基站的距离。

可选的，所述信号特征参数为rss向量。

可选的，确定所述实时信号特征参数与位置指纹库中的多个指纹的信号特征参数之间的距离的平均值包括：

采用如下公式计算实时rss向量与所述位置指纹库中的多个指纹的rss向量之间的距离的平均值：

其中，lj为所述实时rss向量与所述位置指纹库中的多个位置指纹的rss向量之间的距离的平均值，nj为所述位置指纹的个数rssi为所述实时rss向量，rssj为所述位置指纹库中的第j个位置指纹的rss向量。

可选的，所述基站为5g基站。

可选的，所述无线局域网节点为wifi节点。

可选的，所述天线为两条，根据所述相位差计算所述待定位设备的所述上行定位信号的信号到达角度包括：

采用如下公式计算所述信号到达角度：

其中，θ为所述信号到达角度，λ为所述上行定位信号的波长，为第一个所述天线和第二个所述天线接收到的所述上行定位信号的相位差，d为第一个所述天线和第二个所述天线之间的距离。

可选的，根据所述距离的平均值和所述信号到达角度，修正所述初始定位位置，得到修正后的位置信息包括：

采用如下公式计算所述修正后的位置信息：

xfinalj＝xj+lj×cosθ

yfinalj＝yj+lj×sinθ

其中，(xfinalj，yfinalj)为所述修正后的位置信息的坐标，(xj，yj)为所述初始定位位置的坐标，lj为所述实时rss向量与所述位置指纹库中的多个位置指纹的rss向量之间的距离的平均值，θ为所述信号到达角度。

可选的，得到修正后的位置信息之后还包括：

在当前定位周期结束之后，将位置信息的误差项设置为零，并将当前定位周期的修正后的位置信息作为下一定位周期的初始定位位置。

第二方面，本发明实施例提供了一种室内定位装置，包括：

初始定位模块，用于根据基站测量的待定位设备的上行定位信号，确定所述待定位设备的初始定位位置；

第一辅助模块，用于获取无线局域网节点测量的所述待定位设备的实时信号特征参数，并确定所述实时信号特征参数与位置指纹库中的多个指纹的信号特征参数之间的距离的平均值；

第二辅助模块，用于获取所述基站的多个天线测量的所述待定位设备的上行定位信号的相位差，根据所述相位差计算所述待定位设备的所述上行定位信号的信号到达角度；

定位修正模块，用于根据所述距离的平均值和所述信号到达角度，修正所述初始定位位置，得到修正后的位置信息。

可选的，所述初始定位模块，用于根据多个基站测量的待定位设备的上行定位信号的到达时间，确定所述待定位设备的初始定位位置。

可选的，所述基站的个数为3个，所述初始定位模块，用于采用如下公式计算所述待定位设备的初始定位位置：

其中，(0，0)为第一个基站的坐标，(x2，y2)为第二个基站的坐标，(x3，y3)为第三个基站的坐标，(x，y)为所述待定位设备的初始定位位置的坐标，d12为第一个基站和第二个基站的距离，d13为第一个基站和第三个基站的距离。

可选的，所述信号特征参数为rss向量。

可选的，所述第一辅助模块，用于采用如下公式计算实时rss向量与所述位置指纹库中的多个指纹的rss向量之间的距离的平均值：

其中，lj为所述实时rss向量与所述位置指纹库中的多个位置指纹的rss向量之间的距离的平均值，nj为所述位置指纹的个数rssi为所述实时rss向量，rssj为所述位置指纹库中的第j个位置指纹的rss向量。

可选的，所述基站为5g基站。

可选的，所述无线局域网节点为wifi节点。

可选的，所述天线为两条，所述第二辅助模块，用于采用如下公式计算所述信号到达角度：

其中，θ为所述信号到达角度，λ为所述上行定位信号的波长，为第一个所述天线和第二个所述天线接收到的所述上行定位信号的相位差，d为第一个所述天线和第二个所述天线之间的距离。

可选的，所述定位修正模块，用于采用如下公式计算所述修正后的位置信息：

xfinalj＝xj+lj×cosθ

yfinalj＝yj+lj×sinθ

其中，(xfinalj，yfinalj)为所述修正后的位置信息的坐标，(xj，yj)为所述初始定位位置的坐标，lj为所述实时rss向量与所述位置指纹库中的多个位置指纹的rss向量之间的距离的平均值，θ为所述信号到达角度。

可选的，所述装置还包括：优化模块，用于在当前定位周期结束之后，将位置信息的误差项设置为零，并将当前定位周期的修正后的位置信息作为下一定位周期的初始定位位置。

第三方面，本发明实施例提供了一种定位服务器，包括：处理器、存储器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的程序，所述程序被所述处理器执行时实现上述第一方面所述的室内定位方法的步骤。

第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述第一方面所述的室内定位方法的步骤。

本发明实施例中，首先通过基站测量初步计算出待定位设备在室内的初始定位位置，然后根据无线局域网节点确定实时测量的信号特征参数与位置指纹库中的多个指纹的信号特征参数的平方欧式距离的平均值，以及，通过基站的阵列天线获取的信号到达角度，修正初始定位位置，通过融合技术弥补单一定位技术的缺陷，在互不干扰，且不增加设备成本的条件下进行技术互补，以便更好地发挥各自的技术优势，提高定位位置的精度，减少多路径效应或nlos(非视距传播)对定位精度造成的影响。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例的室内定位方法的流程示意图；

图2和图3为本发明实施例的基于tdoa对待定位设备进行定位的示意图；

图4和图5为本发明实施例的基于天线获取信号到达角度的示意图；

图6为本发明实施例的基于位置指纹库获得的距离的平均值和信号到达角度修正初始定位置的示意图；

图7为本发明实施例的室内定位装置的结构示意图；

图8为本发明实施例的定位服务器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，本发明实施例提供一种室内定位方法，包括：

步骤11：根据基站测量的待定位设备的上行定位信号，确定所述待定位设备的初始定位位置；

步骤12：获取无线局域网节点测量的所述待定位设备的实时信号特征参数，并确定所述实时信号特征参数与位置指纹库中的多个指纹的信号特征参数之间的距离的平均值；

本发明实施例中，可选的，信号特征参数可以为rss(接收信号强度)或多径相角分量功率等。

无线局域网(wlan)已在人们的生活场所大量部署，使用无线局域网信号定位的优势在于不需要部署额外设备，定位成本低，信号覆盖范围大，适用性强，利于普及推广。

基于指纹分析的定位技术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，并用一个位置指纹库把这些信息集成在一起。根据待定位物体所在位置的“指纹”特征查询位置数据库，并根据特定的匹配规则确定物体的位置。

步骤13：获取所述基站的多个天线测量的所述待定位设备的上行定位信号的相位差，根据所述相位差计算所述待定位设备的所述上行定位信号的信号到达角度；

步骤14：根据所述距离的平均值和所述信号到达角度，修正所述初始定位位置，得到修正后的位置信息。

下面对上述方法中的各个步骤进行详细说明。

针对步骤11：

本发明实施例中，可选的，步骤11包括：获取室内的多个基站测量的待定位设备的上行定位信号的到达时间，根据所述到达时间计算所述待定位设备的初始定位位置。

无线定位技术通过对无线电波的一些参数进行测量，根据特定的算法来判断待定位设备的位置。测量参数一般包括无线电波的传输时间、幅度、相位和/或到达角等。tdoa是通过获取室内至少三个无线接入点独立测量的待定位设备的上行定位信号的到达时间，结合无线接入点的室内坐标和高度，计算待定位设备在室内的位置。

其中，两个无线接入点测量到与待定位设备之间的toa(到达时间)后，根据电磁波的传播速率，可以知道两个无线接入点与待定位设备之间的距离差，待定位设备必定位于以两无线接入点为焦点、与两个焦点的距离差的实线双曲线对上，两组无线接入点与待定位设备之间的距离差可以得到两个双曲线，两个双曲线的交点代表对待定位设备的位置的估计，如图2所示。

请参考图3，本发明实施例中，可选的，所述基站的个数为3个(bs1、bs2和bs3)，所述根据所述到达时间计算所述待定位设备的初始定位位置包括：

采用如下公式(双曲线方程式)计算所述待定位设备的初始定位位置：

其中，(0，0)为第一个基站(bs1)的坐标，(x2，y2)为第二个基站(bs2)的坐标，(x3，y3)为第三个基站(bs3)的坐标，(x，y)为所述待定位设备(ms)的初始定位位置的坐标，d12为第一个基站和第二个基站的距离，d13为第一个基站和第三个基站的距离。

其中，d12和d13可以根据测量的时间差t，由d＝ct获得，其中，c为电磁波传播速度。将计算得到的d12和d13，代入上述双曲线方程式，可以得到所述待定位设备的初始定位位置的坐标。

可选的，所述基站为5g基站，当然，所述基站也可以为其他类型的基站，例如第6代(6^thgeneration，6g)通信系统中的基站，只要能够基于tdoa(到达时间差定位)算法计算出待定位设备在室内的初始定位位置即可。

针对步骤12：

对于los(lineofsight，视距传播)场景，基于tdoa定位理论上可以做到1米的精度。但是在复杂场景下，由于存在非视距传播、多路径效应等因素，有可能导致测距误差较大、定位精度降低的问题。

本发明实施例中，可以结合无线局域网定位技术，对基于tdoa得到的初始定位位置进行修正。

本发明实施例中，首先需要构建一个位置指纹库，可以通过对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。

本发明实施例中，可选的，所述信号特征参数为rss向量，即步骤12包括：获取无线局域网节点测量的所述待定位设备的实时rss，并确定所述实时rss与位置指纹库中的多个指纹的rss之间的距离的平均值。

本发明实施例中，可选的，确定实时rss向量与所述位置指纹库中的多个指纹的rss向量之间的距离的平均值包括：

采用如下公式计算所述实时rss向量与所述位置指纹库中的多个指纹的rss向量之间的距离(本实施例中为平方欧式距离)的平均值：

其中，lj为所述实时rss向量与所述位置指纹库中的多个位置指纹的rss向量之间的距离的平均值，nj为所述位置指纹的个数，rssi为所述实时rss向量，rssj为所述位置指纹库中的第j个位置指纹的rss向量，j＝1，2，…m，m是所述位置指纹库内至少部分位置指纹的数量。

本发明实施例中，针对测量的实时rss向量，分别计算其与位置指纹库中至少部分位置指纹的rss向量的距离，并选取距离最近的k个位置指纹，计算所述k个位置指纹对应的距离的平均值。

本发明实施例中，可选的，所述无线局域网节点为wifi节点。

当然，所述无线局域网节点也可以为蓝牙节点，或者其他类型的无线局域网节点。

针对步骤13：

本发明实施例中，获取所述待定位设备的所述上行定位信号的信号到达角度。

1)信号的相位差

以两天线为例，如图4所示，当信号从发射端(即待定位设备)发出，电磁波会到达天线1和天线2，由于天线1和天线2的空间位置不同，信号到达两个天线的波程不一样，进而相位也会产生差异，对比2个天线上的相位信息可以获得相位差。

2)基于相位差的来波方向检测

如图5所示，本发明实施例中，可选的，所述天线为两条(天线1和天线2)，根据所述相位差计算所述待定位设备的所述上行定位信号的信号到达角度包括：

采用如下公式计算所述信号到达角度：

其中，θ为所述信号到达角度，λ为所述上行定位信号的波长，为第一个所述天线和第二个所述天线接收到的所述上行定位信号的相位差，d为第一个所述天线和第二个所述天线之间的距离。

针对步骤14：

非视距环境下tdoa定位能力受到严重影响，在nlos环境下，测量值不能真实地反映实际距离等信息。如图6所示，如果不存在nlos，tdoa测量值确定的双曲线会交于m(xfinal,yfinal)点，即cs与ls的交点就是未知节点的精确位置。而当某己知节点与未知节点之间存在nlos，此时的双曲线为cs1，而未知节点的估计位置会变为n(x,y)点，即cs1与ls的交点，导致定位位置不准确。

本发明实施例中，可选的，根据所述距离的平均值和所述信号到达角度，修正所述初始定位位置，得到修正后的位置信息包括：

采用如下公式计算所述修正后的位置信息：

xfinalj＝xj+lj×cosθ

yfinalj＝yj+lj×sinθ

其中，(xfinalj，yfinalj)为所述修正后的位置信息的坐标，(xj，yj)为所述初始定位位置的坐标，lj为所述实时rss向量与所述位置指纹库中的多个位置指纹的rss向量之间的距离的平均值，θ为所述信号到达角度。

本发明实施例中，可选的，得到修正后的位置信息之后还包括：将所述修正后的位置信息作为下一定位周期的初始定位位置。

可选的，在每次估计周期结束之后都会将相应的误差项设置为零，并以待定位设备的当前定位数据作为下一次优化的初始值，与以上四个步骤形成闭路循环，迭代优化定位精度。

本发明实施例中，首先通过tdoa(到达时间差定位)算法初步计算出待定位设备在室内的初始定位位置，然后根据无线局域网节点确定实时测量的接收信道强度与位置指纹库中的多个指纹的接收信道强度的平方欧式距离的平均值，以及，通过基站的阵列天线获取的信号到达角度，修正初始定位位置，通过融合技术弥补单一定位技术的缺陷，在互不干扰，且不增加设备成本的条件下进行技术互补，以便更好地发挥各自的技术优势，提高定位位置的精度，减少多路径效应或nlos(非视距传播)对定位精度造成的影响。

请参考图7，本发明实施例提供了一种室内定位装置70，包括：

初始定位模块71，用于根据基站测量的待定位设备的上行定位信号，确定所述待定位设备的初始定位位置；

第一辅助模块72，用于获取无线局域网节点测量的所述待定位设备的实时信号特征参数，并确定所述实时信号特征参数与位置指纹库中的多个指纹的信号特征参数之间的距离的平均值；

第二辅助模块73，用于获取所述基站的多个天线测量的所述待定位设备的上行定位信号的相位差，根据所述相位差计算所述待定位设备的所述上行定位信号的信号到达角度；

定位修正模块74，用于根据所述距离的平均值和所述信号到达角度，修正所述初始定位位置，得到修正后的位置信息。

可选的，所述初始定位模块，用于根据多个基站测量的待定位设备的上行定位信号的到达时间，确定所述待定位设备的初始定位位置。

可选的，所述基站的个数为3个，所述初始定位模块71，用于采用如下公式计算所述待定位设备的初始定位位置：

其中，(0，0)为第一个基站的坐标，(x2，y2)为第二个基站的坐标，(x3，y3)为第三个基站的坐标，(x，y)为所述待定位设备的初始定位位置的坐标，d12为第一个基站和第二个基站的距离，d13为第一个基站和第三个基站的距离。

可选的，所述信号特征参数为rss向量。

可选的，所述第一辅助模块72，用于采用如下公式计算实时rss向量与所述位置指纹库中的多个指纹的rss向量之间的距离的平均值：

其中，lj为所述实时rss向量与所述位置指纹库中的多个位置指纹的rss向量之间的距离的平均值，nj为所述位置指纹的个数rssi为所述实时rss向量，rssj为所述位置指纹库中的第j个位置指纹的rss向量。

可选的，所述基站为5g基站。

可选的，所述无线局域网节点为wifi节点。

可选的，所述天线为两条，所述第二辅助模块73，用于采用如下公式计算所述信号到达角度：

其中，θ为所述信号到达角度，λ为所述上行定位信号的波长，为第一个所述天线和第二个所述天线接收到的所述上行定位信号的相位差，d为第一个所述天线和第二个所述天线之间的距离。

可选的，所述定位修正模块74，用于采用如下公式计算所述修正后的位置信息：

xfinalj＝xj+lj×cosθ

yfinalj＝yj+lj×sinθ

其中，(xfinalj，yfinalj)为所述修正后的位置信息的坐标，(xj，yj)为所述初始定位位置的坐标，lj为所述实时rss向量与所述位置指纹库中的多个位置指纹的rss向量之间的距离的平均值，θ为所述信号到达角度。

可选的，所述装置还包括：优化模块，用于在当前定位周期结束之后，将位置信息的误差项设置为零，并将当前定位周期的修正后的位置信息作为下一定位周期的初始定位位置。

请参考图8，本发明实施例还提供一种定位服务器80，包括处理器81，存储器82，存储在存储器82上并可在所述处理器81上运行的计算机程序，该计算机程序被处理器81执行时实现上述室内定位方法实施例的各个过程，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述室内定位方法实施例的各个过程，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。其中，所述的计算机可读存储介质，如只读存储器(read-onlymemory，rom)、随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)、磁碟或者光盘等。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如rom/ram、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本发明的保护之内。