CN107064984A - 一种基于手机信号方向和强弱的手机定位算法 - Google Patents

一种基于手机信号方向和强弱的手机定位算法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于手机信号方向和强弱的手机定位算法，首先确定目标位置区域，基于GPS获取的能量采集点的位置，每个能量采集点均表现为<经度,纬度>的值对，通过取均值得到目标区域的基点，然后由该基点向东西南北四个方向各延伸一定距离作为目标计算的区域。然后确定一个90度的夹角区域，该区域被认为目标最有可能落入的区域和方向；进而确定目标的精确方向。然后根据获取的信号强度确定目标所在范围区域。最后计算目标位置概率，对所有点的概率按大小排序，概率越大的伪目标是真实目标的可能性就越大。本发明在提高了定位的精度的同时随着采集的信号能量的增加，可以不断缩小真实目标的范围，最终把目标定位在一个伪目标点的附近。

Description

一种基于手机信号方向和强弱的手机定位算法
技术领域
本发明属于无线通信领域的移动终端定位技术，具体涉及一种基于手机信号方向和强弱的手机定位算法。
背景技术
手机定位分为主动定位和被动定位。主动定位指手机用户通过所持手机的软硬件来定位自身的位置；被动定位指通过基站信息或手机信号等辅助设备来获取他人的手机位置。本发明所属为被动定位。现有的被动定位主要通过改善硬件设备的性能和优化手机信号的处理等方法提高定位精度。
现有的技术存在的缺点主要体现在三个方面。一是过度依赖手机信号采集的硬件设备的性能；其次是为提高定位精度，需要额外引入新的硬件设备，这样带来成本的增加；三是这种通过技术手段对目标手机进行操作或控制，会带来法律上的风险。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术方案的缺点，提出一种基于手机信号方向和强弱的手机定位算法，通过对手机信号和目标所处环境进行分析，引入算法来提高定位准确性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种基于手机信号方向和强弱的手机定位算法，包含以下步骤：
S1：确定目标位置区域
GPS获取的位置信息为经度和维度，通过经度和维度即可对应到地球表面的位置点，即可确定采集能量的平面位置，计算目标位置时，首先要确定在哪个区域内计算目标的位置，区域的确定基于GPS获取的能量采集点的位置，每个能量采集点均表现为<经度,纬度>的值对，通过对采集到的多个能量点的经度和维度在两个方向分别取均值，得到目标区域的基点值对<X0,Y0>，然后由该基点向东西南北四个方向各延伸一定距离作为目标计算的区域，在区域内东西向和南北向每隔若干米取一个点，作为目标的可能位置点，即伪目标点；
S2：确定目标区域方向
采用四个方向的天线来预测目标可能所在的方向，四个方向分别定义为前、后、左、右。以前向为基准，由前向和北向的夹角，来计算前、后、左、右分别指向的真实方向，在采集能量时，针对目标手机的同一次能量发送得知其在四个方向上能量的不同数值，选取相对的前后和左右为两组能量，分别选取它们中的较大者，两个较大能量方向会存在一个90度的夹角区域，该区域被认为目标最有可能落入的区域和方向；
S3：确定目标精确方向
在初步计算出目标可能落入的90度区域后，采用相对方向能量互抵、相邻方向能量反比的方法来确定精确角度，即假设某次获取到的能量大小为a、b、c、d分别对应前、后、左、右四个方向，在a和b中选择较大者，c和d中较大者，确定目标位于两个较大者对应的区域内，相对方向能量互抵，由此可以确定目标的方向；
S4：确定目标距离
根据获取的信号强度计算一个最小距离和最大距离，计算公式为D＝λ(C-U)，λ为参数分为λ1和λ2，分别针对最小和最大距离计算的系数，C为一个常量，即最大能量值，U为获取的信号强度值，由上述距离公式会得出一个环形带状区域，内圈为最小距离的半径中心圆，外圈为最大距离的半径中心圆，在两个圆中间的区域为根据能量大小计算出的目标所在范围区域；
S5：计算目标位置概率
目标位置的所有可能点是否为真实目标的概率由多次获取到的能量方向和大小进行计算，每次能量的获取都会根据方向和能量大小确定一个目标的位置范围，范围内的点的概率累加，累加值的大小由本次能量的特点进行权重计算，最终对所有点的概率按大小排序，概率越大的伪目标是真实目标的可能性就越大，反之越小。
进一步，本发明还可以消除异常能量带来的方向影响，具体的过程为采用方向角度误差容错机制，即在基于某次能量采集计算出目标相对于该点的准确方向后，以该方向的角度基准上下均偏移15度，在该30度内范围内的伪目标点均增加概率，对于前后或左右方向上能量值相差大于阀值时，定义其为异常能量，异常能量点计算出的范围内的所有伪目标点的概率值增加量均减小。
作为优选，上述阀值为取最大能量的20％。
进一步，本发明还可以降低小能量带来的计算误差，具体的过程为引入了阀值能量，该阀值大小由实际测试所得的经验值，在能量采集点获取的四个方向中最大的能量值和阀值能量的比值设为本次计算出的范围内的伪目标点概率增加值的基础值，在降低小能量带来的干扰时，选择对基础值进行平方或多次方来改变本次计算的概率增加值。
作为优选，上述阀值大小通常取最大能量的40％。
进一步，在位置计算时优先对方向进行计算排序筛选，对筛选出的大概率的前特定数目的点再加入能量大小计算的范围内点增加概率贡献重新排序。
上述计算目标位置概率的具体过程为：首先由采集的能量先确定基点，进而确定伪目标点，然后对能量的采集点分别计算伪目标点的夹角概率和距离概率，得到两个概率数组，对伪目标点先排序角度概率，取特定数目的大概率伪目标点，再加上对应伪目标点的距离概率，重新排序，返回排序后的伪目标点。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本发明在提高了定位的精度的同时随着采集的信号能量的增加，可以不断缩小真实目标的范围，最终把目标定位在一个伪目标点的附近。
附图说明
图1为本发明目标计算的区域的示意图。
图2为环形带状区域的示意图。
图3为方向角度误差容错机制示意图。
图4为位置计算的流程图。
具体实施方式
现结合附图对本发明做进一步详尽的说明。
本发明在基于采集到的目标手机信号的基础上，引入伪目标位置的概率计算来定位目标。
本发明的手机定位算法是基于四个正交方向的天线获取目标手机的能量大小和方向，并基于GPS获取采集能量时的能量采集点的位置。算法分为以下几个步骤：
1、确定目标位置区域
GPS获取的位置信息为经度和维度，通过经度和维度即可对应到地球表面的位置点，即可确定采集能量的平面位置。计算目标位置时，首先要确定在哪个区域内计算目标的位置，区域的确定基于GPS获取的能量采集点的位置，每个能量采集点均表现为<经度,纬度>的值对，通过对采集到的多个能量点的经度和维度在两个方向分别取均值，得到目标区域的基点值对<X0,Y0>。
如图1所示，然后由该基点向东西南北四个方向各延伸一千米作为目标计算的区域(延伸距离根据目标手机采用的信号制式而不同)。在区域内东西向(X轴)和南北向(Y轴)每隔10米取一个点，作为目标的可能位置点。图1中是以100x 100米为例的情形，图中所示X轴为经度的东西向，Y轴为纬度的南北向，黑色点为伪目标点，<X0,Y0>为通过计算得出的基点。
2、确定目标区域方向
本发明采用四个方向的天线来预测目标可能所在的方向，四个方向分别定义为前、后、左、右。以前向为基准，由前向和北向的夹角，来计算前、后、左、右分别指向的真实方向。在采集能量时，可针对目标手机的同一次能量发送得知其在四个方向上能量的不同数值，选取相对的前后和左右为两组能量，分别选取它们中的较大者，两个较大能量方向会存在一个90度的夹角区域，该区域被认为目标最有可能落入的区域和方向。
3、确定目标精确方向
在初步计算出目标落入的90度区域后，要进一步确定目标在该区域的角度。本发明采用相对方向能量互抵、相邻方向能量反比的方法来确定精确角度，计算过程如下：假设某次获取到的能量大小为a、b、c、d分别对应前、后、左、右四个方向，在a和b中选择较大者(假如a>b)a，c和d中较大者(假如c>d)c，确定目标位于a、c对应的前向、左向区域内。相对方向能量互抵，即前后能量互抵x＝a-b，左右能量互抵y＝c-d。在前左区域内的90度划分，采用的是相邻能量反比算法，即和前向的夹角度数为m＝y/(x+y)*90，和左向夹角度数为n＝x/(x+y)*90，由此可以确定目标的方向。
4、确定目标距离
手机信号在空中传播时会造成衰减，衰减的强度和多种因素有关系，其中传播距离、物体遮挡、遮挡物的材质、空气的湿度等对其影响较大。
标准的信号距离公式难以计算出准确的距离数据，所以根据获取的信号强度估算一个距离范围是可行的。根据信号强度计算一个最小距离和最大距离，计算公式为D＝λ(C-U)。λ为参数分为λ1和λ2，分别针对最小和最大距离计算的系数，C为一个常量，即最大能量值，U为获取的信号强度值。由上述距离公式会得出一个环形带状区域，如图2所示。其中的圆心为能量采集点，内圈为最小距离的半径中心圆，外圈为最大距离的半径中心圆。在两个圆中间的环形带状区域为根据能量大小计算出的目标所在范围区域。
5、消除异常能量带来的方向影响
因手机信号在传输的过程中存在无线信号的多径传输问题，在目标环境复杂的情况下，多径传输通常会对方向的采集带来影响，影响较大时会和目标方向南辕北辙，较小时也会导致方向偏差。
为在计算中尽量消除此类问题的影响，采用方向角度误差容错机制。即在基于某次能量采集计算出目标相对于该点的准确方向后，以该方向的角度基准上下均偏移15度，在该30度内范围内的伪目标点均增加概率。对于前后或左右方向上能量值相差大于阀值(通常取最大能量的20％)时，定义其为异常能量。实际测试发现该类能量产生的原因在于受环境因素影响导致，特别是障碍物。异常能量点计算出的范围内的所有伪目标点的概率值增加量均减小。
如图3所示，箭头线相交的点为能量采集点，虚箭头线为上述3中计算出的精确目标方向，实箭头线为基于精确目标方向上下偏移的15度范围，即在本次的能量采集点计算出的实箭头线的延伸方向内的所有点的概率均增加。
6、降低小能量带来的计算误差
手机定位时距离目标较远时获取的能量较小，越远的信号传输距离受到的环境因素的影响越大，在准确性的参考价值上越小，为降低这类能量对计算结果的影响，引入了阀值能量。该阀值大小由实际测试所得的经验值，通常取最大能量的40％。在能量采集点获取的四个方向中最大的能量值和阀值能量的比值，本发明设为本次计算出的范围内的伪目标点概率增加值的基础值。在降低小能量带来的干扰时，选择对基础值进行平方或多次方来改变本次计算的概率增加值。
7、优先考虑方向
手机信号对于环境因素是敏感的，从方向和大小来对比，能量的大小受到的干扰因素会更多，除了障碍物影响外，手机自身设计和天气等因素也影响采集能量的大小。所以在位置计算时优先对方向进行计算排序筛选，对筛选出的大概率的前特定数目(实际应用中选择800)的点再加入能量大小计算的范围内点增加概率贡献重新排序。
8、计算目标位置概率
目标位置的所有可能点是否为真实目标的概率由多次获取到的能量方向和大小进行计算。每次能量的获取，都会根据方向和能量大小确定一个目标的位置范围，范围内的点的概率累加，累加值的大小由本次能量的特点进行权重计算。最终对所有点的概率按大小排序，概率越大的伪目标是真实目标的可能性就越大，反之越小。
通过上述的步骤可以得知位置计算的流程如图4所示，首先由采集的能量先确定基点，进而确定伪目标点，然后基于所有的能量采集点分别计算伪目标点的夹角概率和距离概率。得到两个概率数组，对伪目标点先排序角度概率，取特定数目的大概率伪目标点，再加上对应伪目标点的距离概率，重新排序，返回排序后的伪目标点。

Claims (7)

1.一种基于手机信号方向和强弱的手机定位算法，其特征在于包含以下步骤：
S1：确定目标位置区域
GPS获取的位置信息为经度和维度，通过经度和维度即可对应到地球表面的位置点，即可确定采集能量的平面位置，计算目标位置时，首先要确定在哪个区域内计算目标的位置，区域的确定基于GPS获取的能量采集点的位置，每个能量采集点均表现为<经度,纬度>的值对，通过对采集到的多个能量点的经度和维度在两个方向分别取均值，得到目标区域的基点值对<X0,Y0>，然后由该基点向东西南北四个方向各延伸一定距离作为目标计算的区域，在区域内东西向和南北向每隔若干米取一个点，作为目标的可能位置点，即伪目标点；
S2：确定目标区域方向
采用四个方向的天线来预测目标可能所在的方向，四个方向分别定义为前、后、左、右，以前向为基准，由前向和北向的夹角，来计算前、后、左、右分别指向的真实方向，在采集能量时，针对目标手机的同一次能量发送得知其在四个方向上能量的不同数值，选取相对的前后和左右为两组能量，分别选取它们中的较大者，两个较大能量方向会存在一个90度的夹角区域，该区域被认为目标最有可能落入的区域和方向；
S3：确定目标精确方向
在初步计算出目标可能落入的90度区域后，采用相对方向能量互抵、相邻方向能量反比的方法来确定精确角度，即假设某次获取到的能量大小为a、b、c、d分别对应前、后、左、右四个方向，在a和b中选择较大者，c和d中较大者，确定目标位于两个较大者对应的区域内，相对方向能量互抵，由此可以确定目标的方向；
S4：确定目标距离
根据获取的信号强度计算一个最小距离和最大距离，计算公式为D＝λ(C-U)，λ为参数分为λ1和λ2，分别针对最小和最大距离计算的系数，C为一个常量，即最大能量值，U为获取的信号强度值，由上述距离公式会得出一个环形带状区域，内圈为最小距离的半径中心圆，外圈为最大距离的半径中心圆，在两个圆中间的区域为根据能量大小计算出的目标所在范围区域；
S5：计算目标位置概率
目标位置的所有可能点是否为真实目标的概率由多次获取到的能量方向和大小进行计算，每次能量的获取都会根据方向和能量大小确定一个目标的位置范围，范围内的点的概率累加，累加值的大小由本次能量的特点进行权重计算，最终对所有点的概率按大小排序，概率越大的伪目标是真实目标的可能性就越大，反之越小。
2.根据权利要求1所述的基于手机信号方向和强弱的手机定位算法，其特征在于还可以消除异常能量带来的方向影响，具体的过程为采用方向角度误差容错机制，即在基于某次能量采集计算出目标相对于该点的准确方向后，以该方向的角度基准上下均偏移15度，在该30度内范围内的伪目标点均增加概率，对于前后或左右方向上能量值相差大于阀值时，定义其为异常能量，异常能量点计算出的范围内的所有伪目标点的概率值增加量均减小。
3.根据权利要求2所述的基于手机信号方向和强弱的手机定位算法，其特征在于所述阀值为取最大能量的20％。
4.根据权利要求1所述的基于手机信号方向和强弱的手机定位算法，其特征在于还可以降低小能量带来的计算误差，具体的过程为引入了阀值能量，该阀值大小由实际测试所得的经验值，在能量采集点获取的四个方向中最大的能量值和阀值能量的比值设为本次计算出的范围内的伪目标点概率增加值的基础值，在降低小能量带来的干扰时，选择对基础值进行平方或多次方来改变本次计算的概率增加值。
5.根据权利要求4所述的基于手机信号方向和强弱的手机定位算法，其特征在于所述阀值大小通常取最大能量的40％。
6.根据权利要求1所述的基于手机信号方向和强弱的手机定位算法，其特征在于在位置计算时优先对方向进行计算排序筛选，对筛选出的大概率的前特定数目的点再加入能量大小计算的范围内点增加概率贡献重新排序。
7.根据权利要求1所述的基于手机信号方向和强弱的手机定位算法，其特征在于所述计算目标位置概率的具体过程为：首先由采集的能量先确定基点，进而确定伪目标点，然后对能量的采集点分别计算伪目标点的夹角概率和距离概率，得到两个概率数组，对伪目标点先排序角度概率，取特定数目的大概率伪目标点，再加上对应伪目标点的距离概率，重新排序，返回排序后的伪目标点。
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