一種基于指紋段索引與WiFi-FM融合指紋的室內(nèi)定位方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于指紋段索引與WiFi?FM融合指紋的室內(nèi)定位方法，其主要特點是：采集參考點處的WiFi信號和FM信號的強(qiáng)度信息，獲得WiFi指紋和FM指紋，通過歸一化方法構(gòu)建WiFi?FM融合指紋；將室內(nèi)空間規(guī)格化為由起點和終點決定的線段空間的集合，建立具有指紋段索引的指紋訓(xùn)練庫；通過采集實時的信號強(qiáng)度數(shù)據(jù)與指紋訓(xùn)練庫數(shù)據(jù)進(jìn)行相似度匹配，并利用計步器和指紋段索引對指紋庫進(jìn)行局部范圍查找，最終確定用戶的位置。本發(fā)明設(shè)計合理，減小了定位時指紋庫的搜索范圍，提高了定位處理的實時性，增加了指紋定位系統(tǒng)的指紋維度，適合應(yīng)用在有效WiFi熱點不足的室內(nèi)環(huán)境；同時具有部署容易、信號源覆蓋范圍大、便于應(yīng)用在移動終端等特點。
【專利說明】
一種基于指紋段索引與w i F i -FM融合指紋的室內(nèi)定位方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于室內(nèi)定位技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于指紋段索引與WiFi-FM融合指紋 的室內(nèi)定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著普適計算和無線互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，移動端定位技術(shù)越來越重要。例如，通過對用 戶位置進(jìn)行獲取和分析，商家可以優(yōu)化廣告宣傳策略，旅游者可以制定個性化路線，消費者 可以瀏覽周邊商鋪等。室外定位主要利用GPS技術(shù)，已經(jīng)達(dá)到應(yīng)用級的水平。室內(nèi)定位由于 受到GPS信號匱乏以及多徑效應(yīng)、信號遮擋等影響，業(yè)界一直沒有形成統(tǒng)一的解決方案。
[0003] 在移動端，由于設(shè)備硬件及精度的局限性，基于測距的定位技術(shù)誤差較大，因而常 常使用指紋定位技術(shù)。該技術(shù)方案首先在定位區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)采集，將室內(nèi)坐標(biāo)和指紋向 量進(jìn)行綁定來建立空間指紋庫;在定位時通過將實時采集的信號強(qiáng)度向量與指紋庫進(jìn)行相 似度匹配來估計位置。
[0004] 室內(nèi)定位可采用??？丨、1^0、1^10、地磁、藍(lán)牙、超聲波、紅外線、2丨8匕66等多種信號 進(jìn)行定位。從信號的獲取難度、覆蓋區(qū)域、部署成本和測量精度等角度考慮，WiFi非常適合 作為指紋特征，并被百度地圖、智慧圖等公司所采用；調(diào)頻廣播(FM)信號由于其較強(qiáng)的穿透 能力和覆蓋范圍也受到研究者的重視，提出了基于FM指紋的室內(nèi)定位方案。FM和WiFi指紋 定位都利用了既有通訊設(shè)施，具有部署容易和普適性強(qiáng)的特點。但是，以上技術(shù)存在以下問 題:隨著指紋庫的擴(kuò)大，指紋匹配過程需要消耗較多的時間，影響定位系統(tǒng)的實時性;WiFi 指紋定位在AP不足時定位精度無法保證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種設(shè)計合理、精度高且快速準(zhǔn)確 的基于指紋段索引與WiFi-FM融合指紋的室內(nèi)定位方法。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題是采取以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0007] -種基于指紋段索引與WiFi-FM融合指紋的室內(nèi)定位方法，包括以下步驟：
[0008] 步驟1、采集參考點處的WiFi信號和FM信號的強(qiáng)度信息，獲得WiFi指紋和FM指紋， 通過歸一化方法構(gòu)建WiFi-FM融合指紋；
[0009] 步驟2、將室內(nèi)空間規(guī)格化為由起點和終點決定的線段空間的集合，建立具有指紋 段索引的指紋訓(xùn)練庫；
[0010] 步驟3、通過采集實時的信號強(qiáng)度數(shù)據(jù)與指紋訓(xùn)練庫數(shù)據(jù)進(jìn)行相似度匹配，并利用 計步器和指紋段索引對指紋庫進(jìn)行局部范圍查找，最終確定用戶的位置。
[0011]所述WiFi-FM融合指紋由WiFi信號強(qiáng)度向量和FM信號強(qiáng)度向量融合組成。
[0012]步驟1所述通過歸一化方法構(gòu)建WiFi-FM融合指紋的目的是將測量范圍和量綱不 同的WiFi指紋和FM指紋映射到相同的取值范圍。
[0013]步驟2所述室內(nèi)空間規(guī)格化的方法是將室內(nèi)空間劃分為不同路徑段進(jìn)行采樣，路 徑段內(nèi)為直線貫通的區(qū)域，其中的任意一組訓(xùn)練樣本空間使用端點構(gòu)成的索引進(jìn)行標(biāo)識。
[0014] 所述指紋訓(xùn)練庫由指紋段索引表、指紋數(shù)據(jù)表和映射表構(gòu)成，每個采樣的指紋段 使用起點和終點建立指紋段索引，每個指紋段索引對應(yīng)一組指紋數(shù)據(jù)，定位系統(tǒng)采用JS0N 格式對指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼存儲。
[0015] 所述步驟3在進(jìn)行相似度匹配時，需要通過歸一化方法將數(shù)據(jù)映射到相同的取值 范圍內(nèi)，再進(jìn)行相似度的計算。
[0016]步驟3所述對指紋庫進(jìn)行局部范圍查找的方法是利用上一次定位的結(jié)果，通過慣 性計步器統(tǒng)計兩次定位過程中移動的步數(shù)，建立運動的圓形范圍，并求解圓與線段索引構(gòu) 成的線段的交點狀況，估計最小指紋匹配集合。
[0017] 步驟3所述確定定位位置的過程中，通過采集實時的信號強(qiáng)度，計算它與局部匹配 集合中指紋的相似程度，利用WKNN算法對極相似的K個位置進(jìn)行加權(quán)平均，得出最終的定位 位置。
[0018] 本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果是：
[0019] 本發(fā)明使用WiFi-FM融合指紋彌補(bǔ)了WiFi指紋定位系統(tǒng)熱點不足的缺陷，提高了 定位處理的實時性，增加了指紋定位系統(tǒng)的指紋維度，適合應(yīng)用在有效WiFi熱點不足的室 內(nèi)環(huán)境；同時，減小了定位時指紋庫的搜索范圍，提高了定位速度，具有部署容易、信號源覆 蓋范圍大、便于應(yīng)用在移動終端等特點。
【附圖說明】
[0020] 圖1是本發(fā)明的定位系統(tǒng)的原理不意圖；
[0021 ]圖2是本發(fā)明的采樣過程示意圖；
[0022] 圖3是本發(fā)明的指紋段索引的存儲結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖4是本發(fā)明的指紋庫局部搜索空間示意圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的較佳實施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點和特征能 更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對本發(fā)明的保護(hù)范圍做出更為清楚明確的界定。
[0025] 一種基于指紋段索引與WiFi-FM融合指紋的室內(nèi)定位方法，是在如圖1所示的系統(tǒng) 下實現(xiàn)的，該系統(tǒng)包括設(shè)置在室內(nèi)的多個AP接入點(ΑΡ0~APn)、多個FM節(jié)點(FM0~FMn)、移 動終端和指紋訓(xùn)練庫。
[0026]本室內(nèi)定位方法包括以下步驟：
[0027]步驟1、采集參考點處的WiFi信號和FM信號的強(qiáng)度信息，通過歸一化方法構(gòu)建 WiFi-FM融合指紋。具體方法為：
[0028]本發(fā)明采用WiFi-FM融合指紋進(jìn)行室內(nèi)定位，所述的WiFi-FM融合指紋是由FM信號 強(qiáng)度向量和WiFi信號強(qiáng)度向量融合組成。在如圖1所示的定位系統(tǒng)中，利用FM廣播頻道信 息，通過掃描其中多個廣播頻道，將測量到的接收信號強(qiáng)度信息作為FM指紋，WiFi指紋采用 常規(guī)方式也可獲得。通過采集參考點處的WiFi信號和FM信號的強(qiáng)度信息并采用歸一化方法 即可將測量范圍和量綱不同的FM指紋和WiFi指紋映射到相同的取值范圍，從而構(gòu)成WiFi-FM融合指紋，以便進(jìn)行指紋相似度的計算。
[0029] 在采集時，需要對指紋訓(xùn)練庫的訓(xùn)練樣本進(jìn)行分段采集，樣本分段內(nèi)部的空間近 似為一條線段。在指紋分段內(nèi)部，系統(tǒng)采用等距采樣的方式同時采集WiFi和FM的接收信號 強(qiáng)度信息，并通過計步器估計采樣間隔。如圖2所示，指紋采集人員在A、B間進(jìn)行指紋采集 時，首先記錄A和B的地圖坐標(biāo)，然后從地圖上A點對應(yīng)的位置走到B點對應(yīng)的位置，在行走過 程中保持相對均勻的步幅。采樣間隔通過步數(shù)來進(jìn)行估計，例如采樣間隔為一步，則每走一 步即在到達(dá)的位置停留足夠的時間進(jìn)行信號采集，采集到的數(shù)據(jù)被順序編號存儲到本地的 指紋訓(xùn)練庫。到達(dá)B點后系統(tǒng)統(tǒng)計總的行走步數(shù)?？紤]到存在一定的步幅差異，采樣過程可 以近似地看成是等距分割。
[0030] 設(shè)起點A和終點B的地圖坐標(biāo)分別為A(X1，yi)和B( X2，y2)，則AB段的樣本空間可以 表示為線段:線段所在的直線方程可以表示為ax+by+c = 0,其中a，b，c為待定系數(shù)，將已 知點A和B的坐標(biāo)帶入直線方程可計算得出方程的待定系數(shù)。而AB間任一點Locatiom所處 的空間位置可以表示為
，其中i表示從起點開始 的等分點編號，η表示指紋段內(nèi)存在的訓(xùn)練樣本總數(shù)。
[0031]步驟2、將室內(nèi)空間規(guī)格化為由起點和終點決定的線段空間的集合，建立具有指紋 段索引的指紋訓(xùn)練庫，每個采樣的指紋段使用起點和終點構(gòu)成指紋段索引，每個指紋段索 引對應(yīng)一組指紋數(shù)據(jù)，索引是整個指紋段的空間約束范圍。具體方法為：
[0032] 在本步驟中，需要將室內(nèi)空間規(guī)格化，空間規(guī)格化方位為:在指紋訓(xùn)練過程中將室 內(nèi)空間劃分為不同路徑段進(jìn)行采樣，路徑段內(nèi)為直線貫通的區(qū)域，其中的任意一組訓(xùn)練樣 本集空間可使用端點構(gòu)成的索引進(jìn)行標(biāo)識。
[0033] 由于在采樣時采用從線段的一個端點到線段的另一個端點的等距直線采樣，采樣 樣本的索引為線段的兩個端點，因此訓(xùn)練過程中只記錄采樣起點和終點的空間坐標(biāo)，其他 樣本的位置坐標(biāo)可通過起點和終點計算獲得。
[0034] 指紋訓(xùn)練庫的指紋段索引存儲結(jié)構(gòu)如圖3所示。為了對指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一化管理， 指紋訓(xùn)練庫采用JS0N格式對指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼存儲。JS0N是一種簡捷的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式，便 于對數(shù)組和鍵值對類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行序列化存儲。其中WiFi指紋的信號強(qiáng)度向量使用ΑΡ的 Mac地址進(jìn)行標(biāo)識，為了減小存儲空間，將Mac的長字符串映射為唯一的短編號。指紋訓(xùn)練庫 由指紋段索引表、指紋數(shù)據(jù)表和映射表構(gòu)成。
[0035] 步驟3、通過采集實時的信號強(qiáng)度數(shù)據(jù)與指紋訓(xùn)練庫數(shù)據(jù)進(jìn)行相似度匹配，并利用 計步器和指紋段索引對指紋庫進(jìn)行局部范圍查找，最終確定用戶的位置。具體方法為：
[0036] (1)在定位啟動階段，系統(tǒng)將采集的實時信號強(qiáng)度數(shù)據(jù)與指紋庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配， 計算它們的相似度。所述系統(tǒng)使用余弦相似度作為相似度的評判標(biāo)準(zhǔn)，任意兩個指紋向量 乂1(^1，12~1 11)和￥2(71，72"_711)的余弦相似度8；[111；[]^1'；!^的計算公式為：
[0037]
[0038] η表示向量的維度。將極相似的k個點作為參考點，并使用WKNN算法對最終位置進(jìn) 行解算。通過WKNN算法計算位置Pos i ton (X，y)的過程可表示為：
[0039]
[0040] 其中k為候選位置總數(shù)，Loci為第i個位置的候選坐標(biāo)。
[00411 考慮到WiFi和FM芯片測量的數(shù)據(jù)具有不同的量綱和測量范圍，假設(shè)WiFi的測量范 圍為（l，l0)，F(xiàn)M的測量范圍為(50，100)，這樣計算得到的相似度明顯受?1的影響更大，因而 簡單地將WiFi指紋和FM指紋進(jìn)行組合的意義不大，因此，本發(fā)明通過歸一化方法將數(shù)據(jù)映 射到相同的取值范圍內(nèi)，再進(jìn)行相似度的計算。該歸一化方法采用z-score歸一法，即：首先 求取WiFi和FM數(shù)據(jù)集對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差δ和平均值μ:
[0042]
[0043]
[0044] 其中Ν表示信號強(qiáng)度數(shù)據(jù)的總數(shù)，S表示指紋向量總數(shù)，d表示每個樣本的維度，rss 表不接收信號強(qiáng)度;對WiFi和FM數(shù)據(jù)分別計算，得到μ「Μ，ywiFi，δ?，5WiFi，即可對數(shù)據(jù)樣本進(jìn) 行歸一化。歸一化遵循的原則為^= t。
[0045] (2)在定位階段，如圖4所示，由于與整個指紋庫進(jìn)行匹配的計算時間較多，為了提 高系統(tǒng)的實時性本發(fā)明首先通過全局匹配獲取到定位的初始位置為〇( XQ，yQ)，計步器統(tǒng)計 從上次定位到本次定位共計走了 m步。設(shè)步長的最大閾值為1，1通過實驗統(tǒng)計獲得，則運動 結(jié)束后人所處的可能范圍為以0為圓心，ml為半徑的圓所覆蓋的范圍，圓的方程可以表示為 ( X-X〇)2+(y-y())2=(ml)2,而訓(xùn)練指紋庫時建立的索引集合為一系列線段的組合，所在的直 線方程可以分別表示為AiBi :aix+biy+ci = 0，A2B2 :a2X+b2y+C2 = 0......，求取直線與圓的交 點，交點范圍之間的線段就是要搜索的最小指紋匹配范圍，指紋匹配時計算當(dāng)前信號強(qiáng)度 與這些指紋的信號強(qiáng)度的相似度并利用WKNN算法計算實時位置即可，而無需進(jìn)行全庫的匹 配。即：通過采集實時的信號強(qiáng)度，計算它與局部匹配指紋集合的相似程度，利用WKNN算法 對極相似的K個位置進(jìn)行加權(quán)平均，獲得最終的定位位置。
[0046] 考慮到步驟(2)在一定時間內(nèi)效果較好，在較長時間內(nèi)會陷入局部最優(yōu)，因此步驟 (1)和步驟(2)交替進(jìn)行，即通過對指紋庫進(jìn)行全文搜索完成定位后，接下來進(jìn)行一定次數(shù) 的局部范圍定位，再進(jìn)行全局定位，避免系統(tǒng)陷入局部最優(yōu)。
[0047] 本發(fā)明所述的定位算法的偽代碼描述如下：
[0048]
[0049]
[0050] 本發(fā)明的優(yōu)點在于增強(qiáng)了 WiFi定位的魯棒性，使用WiFi-FM融合指紋彌補(bǔ)了 WiFi 熱點不足的缺陷;為訓(xùn)練庫建立指紋段索引，使指紋點之間具有了空間上的聯(lián)系，能夠靈活 獲得前后位置，從而在定位階段能夠利用計步器估計局部搜索范圍，通過計算局部范圍的 圓方程與指紋索引的交點范圍來縮小匹配階段的指紋搜索范圍，增加系統(tǒng)的實時性。
[0051] 以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā) 明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關(guān)的技 術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于指紋段索引與WiFi-FM融合指紋的室內(nèi)定位方法，其特征在于包括以下步 驟： 步驟1、采集參考點處的WiFi信號和FM信號的強(qiáng)度信息，獲得WiFi指紋和FM指紋，通過 歸一化方法構(gòu)建WiFi-FM融合指紋； 步驟2、將室內(nèi)空間規(guī)格化為由起點和終點決定的線段空間的集合，建立具有指紋段索 引的指紋訓(xùn)練庫； 步驟3、通過采集實時的信號強(qiáng)度數(shù)據(jù)與指紋訓(xùn)練庫數(shù)據(jù)進(jìn)行相似度匹配，并利用計步 器和指紋段索引對指紋庫進(jìn)行局部范圍查找，最終確定用戶的位置。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于指紋段索引與WiFi-FM融合指紋的室內(nèi)定位方法，其 特征在于:所述WiFi-FM融合指紋由WiFi信號強(qiáng)度向量和FM信號強(qiáng)度向量融合組成。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于指紋段索引與WiFi-FM融合指紋的室內(nèi)定位方法，其 特征在于:步驟1所述通過歸一化方法構(gòu)建WiFi-FM融合指紋的目的是將測量范圍和量綱不 同的WiFi指紋和FM指紋映射到相同的取值范圍。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于指紋段索引與WiFi-FM融合指紋的室內(nèi)定位方法，其 特征在于:步驟2所述室內(nèi)空間規(guī)格化的方法是將室內(nèi)空間劃分為不同路徑段進(jìn)行采樣，路 徑段內(nèi)為直線貫通的區(qū)域，其中的任意一組訓(xùn)練樣本空間使用端點構(gòu)成的索引進(jìn)行標(biāo)識。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于指紋段索引與WiFi-FM融合指紋的室內(nèi)定位方法，其 特征在于:所述指紋訓(xùn)練庫由指紋段索引表、指紋數(shù)據(jù)表和映射表構(gòu)成，每個采樣的指紋段 使用起點和終點建立指紋段索引，每個指紋段索引對應(yīng)一組指紋數(shù)據(jù)，定位系統(tǒng)采用JSON 格式對指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼存儲。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于指紋段索引與WiFi-FM融合指紋的室內(nèi)定位方法，其 特征在于:所述步驟3在進(jìn)行相似度匹配時，需要通過歸一化方法將數(shù)據(jù)映射到相同的取值 范圍內(nèi)，再進(jìn)行相似度的計算。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于指紋段索引與WiFi-FM融合指紋的室內(nèi)定位方法，其 特征在于:步驟3所述對指紋庫進(jìn)行局部范圍查找的方法是利用上一次定位的結(jié)果，通過慣 性計步器統(tǒng)計兩次定位過程中移動的步數(shù)，建立運動的圓形范圍，并求解圓與線段索引構(gòu) 成的線段的交點狀況，估計最小指紋匹配集合。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于指紋段索引與WiFi-FM融合指紋的室內(nèi)定位方法，其 特征在于:步驟3所述確定定位位置的過程中，通過采集實時的信號強(qiáng)度，計算它與局部匹 配集合中指紋的相似程度，利用WKNN算法對極相似的K個位置進(jìn)行加權(quán)平均，得出最終的定 位位置。
【文檔編號】G01S5/02GK105974361SQ201610300976
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月6日
【發(fā)明人】高巖, 張金
【申請人】南開大學(xué)