基于链式转移约束的RSSI位置指纹定位方法与流程

本发明涉及物联网、室内定位、基于位置的服务(locationbasedservice,lbs)等领域。具体地，涉及一种基于链式转移约束的rssi位置指纹定位方法。

背景技术：

位置指纹法(fingerprint)是现有各类室内定位技术中的一种常用方法，其基本原理是对所在定位环境特征进行抽象和形式化描述，使用定位环境中各个无线传感器接入点(accesspoint,ap)的接收信号强度指示(receivedsignalstrengthindication,rssi)描述定位环境中的位置信息，并通过采集这些rssi测量值建立参考位置指纹数据库(database)。用户实际在线定位时，将自身设备实时测量得到的rssi测量值与位置指纹数据库中的rssi参考值进行匹配，选取出与自身rssi测量值具有最佳相似度的若干个参考点，并利用加权k邻近(weightk-nearestneighbor,wknn)等算法估计自身位置坐标。

位置指纹法具有低成本、易实现、对接入点时间同步精度要求低等特点，可基于wi-fi、蓝牙(bluetooth)等不同无线传感器实现，因此在商场、停车场、图书馆、会议展厅、办公楼、医院、学校、博物馆等多类场景下被广泛应用。然而，限制位置指纹法精度和稳定性的主要原因，在于室内环境下无线电信号空间传输的复杂性与不确定性。一方面，wi-fi、蓝牙等传感器的无线电信号会因墙壁、门窗、家具及人体等物体的遮挡而产生各种绕射、折射、散射效应，从而给用户设备的rssi测量结果带来未知误差；另一方面，受人员流动及其他物体的影响，离线训练阶段与用户在线定位阶段的rssi测量背景环境也不会完全一致。因此，当定位区域内的某个或多个接入点的rssi测量值出现异常或具有明显误差时，会对定位过程带来较大误差，并使得终端地图上的位置点显示结果发生大范围跳变的现象，严重影响用户定位性能和使用体验。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提出了一种基于链式转移约束的rssi位置指纹定位方法，用于检测和剔除rssi测量值中具有较大波动或异常的测量值，从而消除传统位置指纹定位方法中所存在的位置点估计结果大范围跳变的现象，使得用户定位结果更加得准确、连续和稳定。

一方面，本发明实施例提出一种基于链式转移约束的rssi位置指纹约束定位方法，该方法包括：步骤一，进行离线训练，在定位区域以正方形格网的形式，等步长地布设各个参考点，在所述各个参考点处采集附近接入点的用户rssi参考值和mac地址，并将所述rssi参考值和mac地址组成参考向量后存储至位置指纹数据库中；步骤二，进行在线定位，在用户终端处搜索附近接入点的无线信号，获得附近接入点的rssi测量值和mac地址，并将所述rssi测量值和mac地址组成rssi测量向量；步骤三，对于某一定位历元ti，利用所述rssi测量向量，采用加权k邻近算法估计用户终端位置，得到所述用户终端位置所在的正方形格网gridi；步骤四，对于下一相邻定位历元ti+1，同样利用所述rssi测量向量，采用所述加权k邻近算法估计用户终端位置，得到所述用户终端位置所在的正方形格网gridi+1，并检查所述正方形格网gridi+1与上一定位历元所述正方形格网gridi之间是否至少具有一个相同的顶点；步骤五，若步骤四中的所述正方形格网gridi+1与所述正方形格网gridi之间不具有相同的顶点，则剔除所述定位历元ti+1下的所述rssi测量向量中具有最小rssi测量值的接入点所对应的数据，并重复执行步骤四至步骤五，直至所述正方形格网gridi+1与所述正方形格网gridi之间至少具有一个相同的顶点，或者剩余接入点的数量小于等于预定的接入点最小数量时，执行步骤六；步骤六，重复执行步骤三至步骤五，完成后续定位工作。

根据一些实施例，其中在所述步骤五中，所述预定的接入点最小数量大于等于3。

利用本发明所提供的基于链式转移约束的rssi位置指纹定位方法，基于“物体的空间运动总是连续的”这一客观物理事实，通过考察相邻历元之间用户终端位置所在的格网点之间的连接性，能够实时评估当前各个接入点rssi测量值的质量，检测并剔除其中具有较大波动或异常的接入点测量数据，从而消除传统一般位置指纹定位方法中容易出现的用户位置点大范围跳变的现象，提高用户位置指纹定位结果的连续性和准确性。

附图说明

图1为以正方形格网形式布设的位置指纹数据库的参考点；

图2为链式转移约束下的定位轨迹示意；

图3为非链式转移约束下的定位轨迹示意；

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本公开的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本公开作详细说明。下面结合附图和具体实施例对本公开的实施例作进一步详细描述，但不作为对本公开的限定。

本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

针对现有技术中存在的上述问题，发明人注意到，传统一般rssi位置指纹定位方法中用户位置点估算结果存在明显和大范围跳变的现象，是由于接入点rssi测量值中存在较大的测量误差所导致的。然而，通过引入物体运动的客观规律进行约束，可以有效抑制和消除这一影响用户体验的现象。具体而言，一是物体在空间中的运动总是连续的，在相邻定位时刻其空间位置不可能发生大范围的“瞬移”；二是，现有蓝牙、wi-fi等室内无线定位系统多部署在商场、医院、停车场等场景中，所面向的也通常都是行人、低速车辆等低动态目标载体(即使是车辆，在停车场等室内环境中的运动速度也一般较低)；三是，现代智能手机等终端设备通常能够以较高的频率采集rssi数据和进行定位处理(如数hz至十几hz的频率)。综上，室内定位载体在相邻定位历元间的移动距离通常是有限的。以行人为例，若终端使用10hz频率进行定位解算处理，则行人在相邻定位历元间的移动距离一般仅约0.1m至0.3m(因为一般行人的步行速度在1m/s至3m/s之间)，这远小于两个相邻的位置指纹正方形格网之间的最大距离。换言之，若考察相邻两个定位历元所解算得到的两个位置点所在的正方形格网，则它们之间应该至少存在1个共同的正方形格网顶点，即它们之间具有连接性。因此，我们可通过考察相邻历元之间用户终端位置所在的格网点之间的连接性，实时评估当前各个接入点rssi测量值的质量，检测并剔除其中具有较大波动或异常的接入点测量数据，从而消除传统一般位置指纹定位方法中容易出现的用户位置点大范围跳变的现象，提高用户位置指纹定位结果的连续性和准确性。

有鉴于此，本发明的发明人提供了一种基于链式转移约束的rssi位置指纹定位方法，包括：

步骤一，进行离线训练，在定位区域以正方形格网的形式，等步长地布设各个参考点，在所述各个参考点处采集附近接入点的rssi参考值和mac地址，并将所述rssi参考值和mac地址组成参考向量后存储至位置指纹数据库中；

步骤二，进行在线定位，在用户终端处搜索附近接入点的无线信号，获得附近接入点的rssi测量值和mac地址，并将所述rssi测量值和mac地址组成rssi测量向量；

步骤三，对于某一定位历元ti，利用所述rssi测量向量，采用加权k邻近算法估计用户终端位置，得到所述用户终端位置所在的正方形格网gridi；

步骤四，对于下一相邻定位历元ti+1，同样利用所述rssi测量向量，采用所述加权k邻近算法估计用户终端位置，得到所述用户终端位置所在的正方形格网gridi+1，并检查所述正方形格网gridi+1与上一定位历元所述正方形格网gridi之间是否至少具有一个相同的顶点；

步骤五，若步骤四中的所述正方形格网gridi+1与所述正方形格网gridi之间不具有相同的顶点，则剔除所述定位历元ti+1下的所述rssi测量向量中具有最小rssi测量值的接入点所对应的数据，并重复执行步骤四至步骤五，直至所述正方形格网gridi+1与所述正方形格网gridi之间至少具有一个相同的顶点，或者剩余接入点的数量小于等于预定的接入点最小数量时，执行步骤六；

步骤六，重复执行步骤三至步骤五，完成后续定位工作。

具体来说，蓝牙、wi-fi等无线传感器与用户终端之间通过通信连接进行信息交互。用户终端可以事先指定与自身进行通信连接的无线传感器接入点，在某时刻如果不指定接入点，用户终端将以附近接入点的信号强度为标准，选取信号强度最高的接入点建立通信连接。在此基础上，为进一步实现位置指纹定位功能，用户终端需要探测和感知所在定位区域内所有接入点的rssi。在电气和电子工程师协会(instituteofelectricalandelectronicengineers,ieee)相关协议中，用户终端可以使用被动扫描(passivescanning)和主动扫描(activescanning)两种模式获取接入点rssi信息。被动扫描的优点是可以降低功耗，但由于接入点可以被设置为不发送beacons帧，因此用户终端可能无法获得所有接入点的rssi信息。因此在定位应用中，一般多选择主动扫描模式获取接入点rssi信息。

在主动扫描模式下，用户终端将扫描所有的无线信道。每个信道中，用户终端将以广播的方式发送探测请求(proberequest)帧。随着用户终端接收到工作在各个信道上的接入点返回的探测请求(proberequest)帧，主动扫描过程结束，用户终端将获取到所有可以观察到的接入点信息列表，其中包括定位所需的各个接入点的mac地址和rssi值。

其中，在所述步骤一中，主要是在定位区域内，以正方形格网的形式，等步长地布设各个参考点(即以正方形格网的顶点作为参考点，如说明书附图1所示)，在各个已知坐标位置的参考点处事先采集附近接入点的rssi参考值和mac地址，并建立位置指纹数据库。

在所述步骤二中，用户终端在定位区域内搜索附近接入点的无线信号，获得附近接入点的rssi测量值和mac地址，并将所述rssi测量值和mac地址组成测量向量。

在所述步骤三中，对于定位历元ti，利用所述rssi测量向量，采用加权k邻近算法估计用户终端位置。

对于加权k邻近算法，需要首先根据用户终端rssi测量向量与定位区域内各个参考点的rssi参考向量之间的离散度，挑选出与用户终端rssi测量向量之间具有最小离散度的k个参考点，其中k≥1。可以通过公式(1)计算用户终端在t时刻测量的rssi测量向量与位置指纹数据库中的参考点j(j＝1,2,…,k,…)的rssi参考向量之间的离散度

其中，表示用户终端在t时刻测量得到的来自附近n个接入点的rssi测量值所组成的测量向量；表示位置指纹数据库中的参考点j所接收到的来自附近相同n个接入点的rssi参考值所组成的参考向量。

然后，通过取加权均值的方式，计算得到用户终端位置如式(2)：

其中，为k个参考点中第i个参考点的坐标向量；权系数wi可根据参考点i与用户测量点之间的离散度确定，如式(3)：

并且，可根据用户终端位置得到用户终端位置当前所在的正方形格网，将其记为gridi。

在所述步骤四中，对于下一相邻定位历元ti+1，同样利用如步骤三中的所述加权k邻近算法估计用户终端位置，并得到所述用户终端位置所在的正方形格网gridi+1。在此基础上，检查所述正方形格网gridi+1与上一定位历元所述正方形格网gridi之间是否至少具有一个相同的顶点。若gridi+1与gridi之间至少具有一个相同的顶点，则它们之间具有连接性、为“链式转移”结构(如说明书附图2所示)，并认为此时定位结果是连续的、未发生跳变；否则，认为gridi+1与gridi之间不具有连接性、为“非链式转移”结构(如说明书附图3所示)，并认为此时定位结果发生了跳变。

在所述步骤五中，若上述正方形格网gridi+1与gridi之间不具有相同的顶点，则剔除所述定位历元ti+1下的所述rssi测量向量中具有最小rssi测量值的接入点所对应的数据，并重复执行步骤四至步骤五，直至所述正方形格网gridi+1与所述正方形格网gridi之间至少具有一个相同的顶点，或者剩余接入点的数量小于等于预定的接入点最小数量时，执行步骤六。优选地，所述预定的接入点最小数量大于等于3。

在所述步骤六中，重复执行步骤三至步骤五，直至完成后续定位工作。

利用本发明所提供的基于链式转移约束的rssi位置指纹定位方法，基于“物体的空间运动总是连续的”这一客观物理事实，通过考察相邻历元之间用户终端位置所在的格网点之间的连接性，能够实时评估当前各个接入点rssi测量值的质量，检测并剔除其中具有较大波动或异常的接入点测量数据，从而消除传统一般位置指纹定位方法中容易出现的用户位置点大范围跳变的现象，提高用户位置指纹定位结果的连续性和准确性。

以上对本发明多个实施例进行了详细说明，但本发明不限于这些具体的实施例，本领域技术人员在本发明构思的基础上，能够做出多种变型和修改实施例，这些变型和修改都应落入本发明所要求保护的范围之内。