CN108668249B - 一种移动终端室内定位方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种移动终端室内定位方法及装置，所述方法包括：离线采集一空间位置中多个预设采样点分别对应的信号强度信息，作为指纹点信号信息；根据所述指纹点信号信息，构建位置指纹数据库；获取所述移动终端当前预设单位时间内的位移运动起始状态信息；利用所述移动终端的位移运动起始状态信息，利用惯导原理计算位移终止位置的参考位置；获取所述移动终端在位移运动轨迹上预设单位时间点分别对应的信号强度信息，构建基于空间位置约束的稀疏指纹定位模型，对所述位移终止位置的参考位置进行修正，获取位移终止位置的修正位置。本发明实施例以较低成本实现较高定位精度。
Description
技术领域
本发明涉及移动互联网技术领域，尤其涉及一种移动终端室内定位方法及装置。
背景技术
随着计算机软硬件技术的飞速发展、无线网络的快速普及、移动智能终端设备的广泛应用，移动互联网得到了越来越广泛的应用，基于位置服务的应用需求呈现出快速、大幅增长趋势，并因其能够为目标定位、紧急救援、交通管理等提供精确的定位信息，被逐渐应用到社会生产和生活的各个领域，并显现出良好的技术发展前景和巨大的应用市场空间。可靠而高效的定位技术是实现基于位置服务的前提和关键。
基于移动平台打造的工具软件和移动服务如雨后春等般涌现，为各类行业用户和大众用户提供了丰富的服务。全球卫星定位***的应用，构建了人类活动与地理位置之间的桥梁；基于移动互联网实现的传感器网络，实现了人与物之间高效沟通的梦想；无线局域网络(WLAN)的普及，解决了海量信息的区域化交互问题，实现了全球化移动互联网的终端闭环。上述移动化工具和服务，无不在以一种全新的模式，促动着人类社会生产力的提升，颠覆着人们传统的生活方式，推动着移动信息化的浪潮。然而，在勾画移动互联网改变世界的美好蓝图之前，一些制约着移动互联网应用服务更深入发展的技术瓶颈必须得以突破，高精度的室内定位技术便是其中之一。在移动互联网中，基于位置的服务是使用频率最高、应用最为广泛的服务之一，许多其它移动应用都直接或间接的使用到了基于位置的服务。
在开阔的室外环境中，借助于全球卫星定位***(例如美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧洲Galileo、中国北斗等)，基于位置的服务己经能够为用户提供高精度、高稳定性的位置服务，其应用己渗入到各个行业领域和大众市场。然而在人类活动更多的室内场所，由于受到建筑物遮挡、信号衰减、无线传播环境复杂、卫星和接收机之间无法视距传输等因素的影响，接收到的卫星信号往往己发生畸变，室外定位方法在室内环境的应用受到了极大的制约，进而无法通过卫星定位***准确地测量到目标在室内场所的准确位置。因此，全球卫星定位***难以实现复杂室内环境的高精度定位，针对室内应用需求必须研究专门的方法，开发经济成本低、定位精度高、实时性好的室内定位方法已成为当前的研究热点之一。
当前主流的室内定位技术和方法有以下几种：
(1)基于惯导技术的方法：该方法隐蔽性好，抗干扰性强，输出频率高，短期精度高，但***累积误差对定位精度影响较大。
(2)基于超声波技术的方法：该方法定位精度较高、结构相对简单，但极易受到温度变化影响，作用范围比较有限，且需要大量底层硬件基础，开发成本较高。
(3)基于光技术的方法：该方法定位精度高、架构简单，但仅适用于视距传播，且易受荧光、日光等干扰，对应用环境要求较高。
(4)基于射频/调频技术的方法：该方法接收信号的标签体积较小，成本较低，方便携带，但需在覆盖区域内安装阅读器等基础设备。
(5)基于超宽带技术的方法：该技术具有对信道衰落不敏感、定位精度高、非视距传播、抗干扰能力强、穿透能力强等优点，但***造价昂贵，不易推广应用。
(6)基于蓝牙技术的方法：鉴于蓝牙模块已被广泛嵌入各类终端设备中，故其硬件部署成本较低，但定位精度不高，定位延时较大，且传输范围有限。
(7)基于无线局域网技术的方法：该方法利用接收信号强度信息实现定位，无需增加额外设备，部署成本低，但信号强度的位置辨识力有限，同频、临频干扰大。
在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：针对基于位置服务的实际应用需求，鉴于现有技术局限性和室内环境不确定性等因素，实时、高精度的室内定位仍然面临一些挑战，这是本领域的技术人员亟待解决的一个技术难题，仍需进一步深入研究。
发明内容
本发明实施例提供一种移动终端室内定位方法及装置，以较低成本实现较高定位精度。
一方面，本发明实施例提供了一种移动终端室内定位方法，所述方法包括：
离线采集一空间位置中多个预设采样点分别对应的信号强度信息，作为指纹点信号信息；
根据所述指纹点信号信息，构建位置指纹数据库；
获取所述移动终端当前预设单位时间内的位移运动起始状态信息；
利用所述移动终端的位移运动起始状态信息，利用惯导原理计算位移终止位置的参考位置；
获取所述移动终端在位移运动轨迹上预设单位时间点分别对应的信号强度信息，构建基于空间位置约束的稀疏指纹定位模型，对所述位移终止位置的参考位置进行修正，获取位移终止位置的修正位置。
另一方面，本发明实施例提供了一种移动终端室内定位装置，所述装置包括：
指纹点信号信息采集单元，用于离线采集一空间位置中多个预设采样点分别对应的信号强度信息，作为指纹点信号信息；
位置指纹数据库构建单元，用于根据所述指纹点信号信息，构建位置指纹数据库；
位移运动起始状态信息获取单元，用于获取所述移动终端当前预设单位时间内的位移运动起始状态信息；
惯导原理计算单元，用于利用所述移动终端的位移运动起始状态信息，利用惯导原理计算位移终止位置的参考位置；
模型构建单元，用于获取所述移动终端在位移运动轨迹上预设单位时间点分别对应的信号强度信息，构建基于空间位置约束的稀疏指纹定位模型，对所述位移终止位置的参考位置进行修正，获取位移终止位置的修正位置。
上述技术方案具有如下有益效果：有效融合了无线局域网的信号强度和运动目标的位移、方向等信息；在定位技术方面，采用无线局域网技术和惯导技术相结合的联合定位方式。无线局域网技术通过对全局信号强度的分析、计算进行定位，可一定程度上消除惯导***的累积误差；而以自身局部运动状态为基础的惯导技术，能够反映物体在单位时间内的运动状态，可有效制约因全局环境变化等因素导致的无线信号多变、波动给定位带来的影响。因此，上述两种技术的有效结合，可充分发挥各自的优势，协同完成高效、可靠的较高精度定位任务。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种移动终端室内定位方法流程图；
图2为本发明实施例一种移动终端室内定位装置结构示意图；
图3为本发明应用实例一种室内定位方法实施例总体框架图；
图4为本发明应用实例一种室内定位方法整体流程图；
图5为本发明应用实例位置指纹数据库构建流程图；
图6为本发明应用实例稀疏指纹定位流程图；
图7为本发明应用实例空间位置约束模型构建流程图；
图8为本发明应用实例基于空间位置约束的稀疏指纹定位模型求解流程图；
图9为本发明应用实例实验路径示意图；
图10为本发明应用实例实验结果示意图。
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，所描述的实施例仅仅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做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。
如图1所示，为本发明实施例一种移动终端室内定位方法流程图，所述方法包括：
101、离线采集一空间位置中多个预设采样点分别对应的信号强度信息，作为指纹点信号信息；
102、根据所述指纹点信号信息，构建位置指纹数据库；
103、获取所述移动终端当前预设单位时间内的位移运动起始状态信息；
104、利用所述移动终端的位移运动起始状态信息，利用惯导原理计算位移终止位置的参考位置；
105、获取所述移动终端在位移运动轨迹上预设单位时间点分别对应的信号强度信息，构建基于空间位置约束的稀疏指纹定位模型，对所述位移终止位置的参考位置进行修正，获取位移终止位置的修正位置。
优选地，采用在同一采样点多次采样取均值的方法，离线采集一空间位置中多个预设采样点分别对应的信号强度信息，作为指纹点信号信息。
优选地，所述位移运动起始状态信息包括：起始位置、起始速度、加速度和角速度。
优选地，构建基于空间位置约束的稀疏指纹定位模型后，采用交替方向乘子法ADMM进行求解，对所述位移终止位置的参考位置进行修正，获取位移终止位置的修正位置。
优选地，构建基于空间位置约束的稀疏指纹定位模型后，采用交替方向乘子法ADMM进行求解，具体包括：
构建基于空间位置约束的稀疏指纹定位模型后，根据拉格朗日乘子法松弛模型中的信号重构等式约束，变换为增广拉格朗日形式，分别对模型参数求导，以求解相应模型参数。
对应于上述方法实施例，如图2所示，为本发明实施例一种移动终端室内定位装置结构示意图，所述装置包括：
指纹点信号信息采集单元21，用于离线采集一空间位置中多个预设采样点分别对应的信号强度信息，作为指纹点信号信息；
位置指纹数据库构建单元22，用于根据所述指纹点信号信息，构建位置指纹数据库；
位移运动起始状态信息获取单元23，用于获取所述移动终端当前预设单位时间内的位移运动起始状态信息；
惯导原理计算单元24，用于利用所述移动终端的位移运动起始状态信息，利用惯导原理计算位移终止位置的参考位置；
模型构建单元25，用于获取所述移动终端在位移运动轨迹上预设单位时间点分别对应的信号强度信息，构建基于空间位置约束的稀疏指纹定位模型，对所述位移终止位置的参考位置进行修正，获取位移终止位置的修正位置。
优选地，所述指纹点信号信息采集单元21，具体用于采用在同一采样点多次采样取均值的方法，离线采集一空间位置中多个预设采样点分别对应的信号强度信息，作为指纹点信号信息。
优选地，所述位移运动起始状态信息包括：起始位置、起始速度、加速度和角速度。
优选地，所述模型构建单元25，具体用于构建基于空间位置约束的稀疏指纹定位模型后，采用交替方向乘子法ADMM进行求解，对所述位移终止位置的参考位置进行修正，获取位移终止位置的修正位置。
优选地，所述模型构建单元25，进一步具体用于构建基于空间位置约束的稀疏指纹定位模型后，根据拉格朗日乘子法松弛模型中的信号重构等式约束，变换为增广拉格朗日形式，分别对模型参数求导，以求解相应模型参数，对所述位移终止位置的参考位置进行修正，以获取位移终止位置的修正位置。
上述技术方案具有如下有益效果：有效融合了无线局域网的信号强度和运动目标的位移、方向等信息；在定位技术方面，采用无线局域网技术和惯导技术相结合的联合定位方式。无线局域网技术通过对全局信号强度的分析、计算进行定位，可一定程度上消除惯导***的累积误差；而以自身局部运动状态为基础的惯导技术，能够反映物体在单位时间内的运动状态，可有效制约因全局环境变化等因素导致的无线信号多变、波动给定位带来的影响。因此，上述两种技术的有效结合，可充分发挥各自的优势，协同完成高效、可靠的较高精度定位任务。
以下通过应用实例对本发明实施例上述技术方案进行详细说明：鉴于现有技术局限性和室内环境不确定性等因素，针对实时、高精度的室内定位需求，如图3所示，为本发明应用实例一种基于空间位置约束的稀疏指纹定位总体框架示意图，如图4所示，为本发明应用实例一种室内定位方法整体流程图，该方法基于空间位置约束的稀疏指纹定位方法步骤：
第1步：离线采集空间位置各指纹点(采样点)信号强度信息；
第2步：指纹信号信息处理，离线构建位置指纹数据库；
第3步：设置/更新本次位移运动初始位置；
第4步：经历一次单位时间内的位移运动；
第5步：获取位移运动起始状态信息：起始位置、起始速度、加速度和角速度信息；
第6步：根据惯导原理(牛顿运动学原理)初步估计位移终止位置的参考位置；
第7步：获取位移运动终止位置信号强度信息.；
第8步：构建基于空间位置约束的稀疏指纹定位模型；
第9步：求解基于空间位置约束的稀疏指纹定位模型，对所述位移终止位置的参考位置进行修正，获取位移终止位置的修正位置(作为下次位移运动的起始位置)；
第10步：继续测试转到第3步，否则结束本流程。
以下详述：
1、位置指纹库构建
鉴于距离不同，在不同位置接收到的无线信号强度具有差异性，可提取特定位置的信号强度信息，并利用无线信号与该位置的相关性，建立一个独特的位置指纹数据库，从而可利用该位置指纹数据库的参考数据进行定位。可充分利用安装了无线信号接收软件的移动终端，搜集各个采样点处的无线接收信号强度，并以此构建位置指纹构建数据库。如图5所示，为本发明应用实例位置指纹数据库构建流程图，具体构建过程如下：
第1步：采集各采样点处信号强度信息
时刻t,在第i个采样点位置(xi,yi)采集到的来自各个无线接入点(AP)的信号强度信息
可表示为
其中,
为t时刻在第i个采样点位置采集到的来自第j个AP的信号强度信息。
第2步：信号强度重采样处理
为削弱无线信号不稳定及室内噪声、多径效应等外界干扰的影响，可采用多次采样取均值的方法，一定程度上抵消外界干扰，即在采样点i处采样k次,并将k次采样均值作为该采样点的位置指纹Si,即
根据上述多次采样策略，可搜集到每个采样点的位置指纹信息，将其按一定规律存储即可构建位置指纹数据库。
第3步：位置指纹数据组织
假设测试环境中布置了n个AP、m个采样点(位置指纹点),则构建的位置指纹数据库Ψ可表示为
2、基于稀疏信号表示的位置指纹定位方法
如图6所示，为本发明应用实例稀疏指纹定位流程图：
(1)稀疏信号表示适应性分析
稀疏信号表示是一种高效的高维信号获取、表示与压缩方法，该理论对传统信号处理及其应用具有极大的推动作用。如果高维信号本质上存在一种自然稀疏基底的表示形式，则可利用凸优化或贪心等算法精准计算出该高维信号的稀疏表示形式。根据稀疏基底的组织形式，稀疏表示模型可分为正交基稀疏表示和冗余字典稀疏表示两大类。
正交基稀疏表示方法充分利用了时域内非稀疏自然信号可通过某种域变换算法转化为稀疏信号的特性，将自然信号映射到正交变换基函数上，进而获得稀疏或近似稀疏的投影变换模型。当正交基函数不能对原始信号进行高效的稀疏表示时，则可选取适当的冗余函数替代上述正交基函数。超完备的冗余函数通常也被称为冗余字典(其元素通常被称为字典原子)，冗余字典必须符合被重构信号的特性和结构。原始信号在冗余字典上的稀疏表示过程，即是从冗余字典中搜索与原始信号具有最佳匹配的原子项。
上述构建的位置指纹数据库，其指纹点数量通常远远大于AP的数量，故指纹矩阵在列向量上具有一定的冗余性；指纹点数量通常也远远大于测试点数量，故位置指纹数据库对于测试点也是冗余的；而且，位置指纹数据库中的原子信号与测试信号均来源于相同设备，故二者具有相同的特性和结构。因此，上述位置指纹数据库可作为稀疏信号表示模型的冗余字典，对测试信号进行稀疏表示。
(2)基于稀疏信号表示的位置指纹定位模型
第1步：监测当前位置的观测信号
在测试阶段，假设移动终端在t时刻监测到的观测信号为St，即
其中，sAPi,t表示在t时刻接收到的来自第i个AP发来的信号强度信息。
第2步：构建稀疏信号表示模型
在稀疏表示模型框架下,对于观测信号St的位置估计任务可转化为求解下述优化问题，即
其中，
为θ的最优估计，Ψ为训练矩阵(即公式(4)所描述的位置指纹数据库)，θ是一个m维的观测信号St的稀疏系数向量，m表示位置指纹点数量。根据稀疏表示理论，假设观测信号St相对于训练矩阵Ψ是稀疏的，则可用较少的非0系数表示St(即θ中仅有少量非零元素，其它元素均为零)；而且，θ中的非零元素越少，St相对于Ψ的稀疏程度就越高(即Ψ对St的稀疏表示能力就越强)。考虑到实际信号强度亦可表示为其邻域信号强度的线性组合，故引入了上述稀疏系数的非负性约束和线性组合约束。
第3步：稀疏模型优化
鉴于公式(6)所述l0范数模型难于直接求解，根据稀疏表示理论的相关研究成果，如上式最优解充分稀疏，则其所述的l0范数优化问题可近似等价于l1范数优化问题，即
通过求解上式，可获得观测信号St在指纹冗余字典Ψ上的稀疏表示系数
第4步：估计当前观测位置
在此基础上，可充分利用冗余字典中指纹信号对应的位置信息估计观测信号St的位置
即
其中，(xi,yi)为冗余字典中指纹点i的空间位置，τ为稀疏向量分量阈值。当前观测信号仅与大于τ的稀疏表示系数对应的指纹信号相关。通过上式可估计观测信号的位置，进而实现位置定位。
3、基于空间位置约束的稀疏指纹定位方法
如图7所示，为本发明应用实例空间位置约束模型构建流程图。
(1)空间位置约束模型
基于无线信号的定位方法性能较好、成本较低，但随无线接入点和接入设备增多，无线传输环境变得愈加复杂。无线电波间势必产生相互干扰，使得动态环境的可靠性变差，导致无线信号因瞬间跳跃、畸变等因素，表现出高度多变性和复杂性，进而影响定位精度。针对无线信号易受干扰而产生突变的问题，如能在局部空间位置对观测信号加以约束，则可一定程度上制约或抵消外界动态环境对无线信号的干扰。
空间位置约束主要制约公式(7)所述稀疏模型中，稀疏向量θ的分布状态。在稀疏信号表示框架下，通常认为观测信号仅与其相邻的指纹信号相关，而与其非相邻的信号无关。故可以此来约束模型中观测信号稀疏系数的空间连续性，即非零稀疏系数对应的指纹信号应在观测信号位置邻域范围内。因此，可定义反映上述空间连续性的空间约束向量ν，即
ν＝[ν1,ν2,…,νm]T
其中,(xi,yi)为第i个指纹点空间位置，O(x',y')为待估计位置(x',y')的邻域(可根据牛顿运动学定律，由惯性传感器监测数据计算得出，求解方法见后(2))。
空间位置约束模型构建步骤：
前提：已获取当前位置的初始速度信息(上次位移运动的速度)
第1步：经历一次瞬时位移运动；
第2步：借助惯性导航***的加速度和陀螺仪传感器，监测位移运动起始状态的加速度、角速度信息；
第3步：计算并更新本次瞬时运动的速度信息(作为下次位移运动的初始速度)；
第4步：计算本次位移运动的位移量；
第5步：将惯导导航坐标系变换到物理空间坐标系；
第6步：在物理空间坐标系下，计算本次瞬时运动的水平方向角；
第7步：根据本次瞬时运动位移量和水平方向角，初步估计终止位置；
第8步：根据估计的终止位置，设置当前观测位置邻域范围；
第9步：根据无线信号相关性，构建当前观测位置的空间连续性约束向量；
第10步：继续测试转到第1步，否则结束本流程。
(2)基于空间位置约束的稀疏指纹定位模型
增加空间位置约束条件后,公式(7)所述的稀疏表示模型可修正为
其中，||·||F表示Frobenius范数，λ1是平衡稀疏项||θ||1和空间位置约束项
的参数。通过求解上述空间位置约束稀疏模型(求解方法见后(3)),可得出稀疏系数的最优估计
进而根据公式(8)可计算得出当前观测位置，即完成一次位移运动的空间位置估计。
(3)待估计位置邻域O(x',y')求解方法(公式(9))
待估计位置邻域O(x',y')，可根据牛顿运动学定律，由惯性传感器监测数据计算得出，计算方法如下。
假设运动物体从初始位置(x,y)，经历单位时间间隔Δt的惯性位移运动后，待估计位置为(x',y')。在短暂的Δt时间间隔内，可近似认为物体运动状态为匀变速直线运动，根据牛顿运动学定律，可得出
v(t+Δt)＝v(t)+a(t)·Δt (11)
s(t+Δt)＝v(t+Δt)·Δt (12)
其中，a(t)为t时刻的瞬时加速度，可由惯导***加速度传感器实时监测获得；v(t)为t时刻的瞬时速度，初始运动时为0；v(t+Δt)为t+Δt时刻的瞬时速度，后续可根据公式(10)逐步更新；s(t+Δt)为运动物体在Δt时间间隔内的瞬时位移量，鉴于Δt可设置为短暂时间间隔，故Δt时间内物体的运动状态可近似为匀速直线运动。
根据单位时间Δt的位移量s(t+Δt)和t时刻的瞬时运动方向，可初步估计运动物体在t+Δt时刻的空间位置(x',y')，即
其中，α为在物理坐标系下，t时刻的瞬时水平运动方向角。物体瞬时运动方向可由惯导***的陀螺仪传感器实时监测获得，再通过坐标系变换可将其转换到物理坐标系下，进而可计算出α。
通过公式(13)，可计算得出惯导***预估计的待估计位置(x',y')，进而可近似确定公式(9)所需的待估计位置(x',y')的邻域O(x',y')。
(4)基于空间位置约束的稀疏指纹定位模型求解方法(公式(10))
公式(10)所述的优化模型可采用交替方向乘子法(ADMM)进行求解。
如图8所示，为本发明应用实例基于空间位置约束的稀疏指纹定位模型求解流程图。
第1步：根据拉格朗日乘子法，松弛模型中的信号重构等式约束Ψθ＝St，并将重构误差约束调整至优化模型目标函数中，即
其中λ2是信号重构误差项的平衡参数。
第2步：进一步将上式变换为增广拉格朗日形式
令Z＝θ，则上式可变换为
其中，ρ(ρ＞0)是惩罚因子。
第3步：对上式的Z和θ分别求导，即可求解出模型参数Z和θ
Step 1：对Z求导，并求解Z
Step 2：对θ求导，并求解θ
根据Frobenius范数和矩阵迹的定义和性质，上式目标函数可变换为
上式可进一步变换为典型二次型形式，进而可采用二次型模型相关方法求解，即
本发明上述应用数量针对室内位置定位的实际应用需求，通过前期调查和对比研究，深入探讨了惯导技术和无线局域网络技术在定位方面的优劣，在此基础上，提出一种基于惯导和无线局域网技术的多源信息融合定位方法，该方法在定位信息分析、信息采集、信息融合、模型构建和求解等方面展开了深入的研究。在定位信息方面，本文方法有效融合了无线局域网的信号强度和运动目标的位移、方向等信息；在定位技术方面，采用无线局域网技术和惯导技术相结合的联合定位方式。无线局域网技术通过对全局信号强度的分析、计算进行定位，可一定程度上消除惯导***的累积误差；而以自身局部运动状态为基础的惯导技术，能够反映物体在单位时间内的运动状态，可有效制约因全局环境变化等因素导致的无线信号多变、波动给定位带来的影响。因此，上述两种技术的有效结合，可充分发挥各自的优势，协同完成高效、可靠的定位任务。
以下通过仿真实验相关材料进行分析：
1、如图9所示，为本发明应用实例实验路径示意图。
2、实验结果
如图10所示，为本发明应用实例实验结果示意图。实验对比了惯导定位模型、基于稀疏信号表示的位置指纹定位模型(下述简称稀疏指纹模型)和基于空间位置约束的稀疏指纹定位模型(下述简称空间约束模型)的实验结果。
3、实验分析
(1)在定位精度方面
对于上述4条测试路径，惯导定位方法获得了1.9左右的平均定位误差，基于稀疏信号表示的位置指纹定位方法的平均定位误差在1.2左右，基于空间位置约束的稀疏指纹定位方法取得了最佳的定位效果，平均误差在0.8左右，而且相对其他两种方法定位精度提升幅度较大，进而验证了基于空间位置约束的稀疏指纹定位模型的可行性和有效性。同时，也证明了惯导提供的空间位置约束对基于稀疏信号表示的位置指纹定位模型性能起到了较大提升作用；另一方面，基于稀疏信号表示的位置指纹定位方法也一定程度上削弱了累积误差对惯导***的影响。因此，二者的融合应用，提升了模型算法的整体性能，取得了较好的效果。
(2)在实验路径方面
直线路径长度20，无拐点；矩形路径长度40，含3个拐点；三角8字路径长度约为48，含3个拐点；矩形8字路径长度60，含7个拐点。
惯导定位方法、基于稀疏信号表示的位置指纹定位方法和基于空间位置约束的稀疏指纹定位方法在直线路径上均取得了最佳的定位效果，在含有3个拐点的矩形和三角8字路径上定位误差增大，而在含有7个拐点的矩形8字路径上定位误差进一步增大。
上述结果一定程度说明了拐点对定位方法有一定的的影响，而且随拐点数量增加三种方法的定位误差也逐步增大，这也给未来的研究工作提出了新的挑战。此外，路径长度对定位方法也有一定的影响。惯导方法随着路径长度的增加，定位误差逐渐变大(从1.6逐步增大到2.1)，这也符合惯导原理和机制(误差随运行时间逐步累积)。其他两种方法受路径长度影响不大，定位精度虽受到一定影响，但误差增加并不明显，一定程度上也证明了稀疏指纹定位模型对路径长度具有一定的鲁棒性。
(3)在定位方法整体性能方面
惯导方法定位原理简单、计算量较小，但定位精度最差，尤其鉴于其工作原理和机制，随时间推移累积误差对其定位精度影响愈加强烈。因此，惯导方法在应用时须对其累积误差进行适当补偿或修正。
基于稀疏信号表示的位置指纹定位方法在直线路径上表现优越，虽然路径长度和拐点一定程度上影响了算法精度，但总体误差变化并不明显，说明该方法性能相对稳定。但跟踪特定位置的定位误差可发现，在某些位置定位结果会产生一定的跳跃或畸变(尤其在拐点附近位置)，定位误差一定程度增大，说明拐点对该方法有一定影响，应用时可适当补偿以提高定位精度。
本发明应用实例通过定性、定量分析惯导和基于稀疏信号表示的位置指纹两种定位方法的优缺点，在数据层对上述方法进行了融合，设计了基于空间位置约束的稀疏指纹定位模型。实验结果表明，基于稀疏信号表示的位置指纹定位方法可对惯导的累积误差进行适当的补偿；惯导模型对运动规律的预估计，也一定程度上制约了基于稀疏信号表示的位置指纹定位方法在特定位置的跳跃与畸变效应。因此，对比惯导和稀疏指纹定位结果，所提出的数据层融合模型(即基于空间位置约束的稀疏指纹定位方法)在定位精度和性能方面提升效果明显，进一步验证了融合算法的优越性，也证明了融合模型对路径更加鲁棒、性能更加稳定。
应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于所述的特定顺序或层次。
在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要比清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。
为使本领域内的任何技术人员能够实现或者使用本发明，上面对所公开实施例进行了描述。对于本领域技术人员来说；这些实施例的各种修改方式都是显而易见的，并且本文定义的一般原理也可以在不脱离本公开的精神和保护范围的基础上适用于其它实施例。因此，本公开并不限于本文给出的实施例，而是与本申请公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。
上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。
本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种说明性逻辑块(illustrative logical block)，单元，和步骤可以通过电子硬件、电脑软件，或两者的结合进行实现。为清楚展示硬件和软件的可替换性(interchangeability)，上述的各种说明性部件(illustrative components)，单元和步骤已经通用地描述了它们的功能。这样的功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个***的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。
本发明实施例中所描述的各种说明性的逻辑块，或单元都可以通过通用处理器，数字信号处理器，专用集成电路(ASIC)，现场可编程门阵列或其它可编程逻辑装置，离散门或晶体管逻辑，离散硬件部件，或上述任何组合的设计来实现或操作所描述的功能。通用处理器可以为微处理器，可选地，该通用处理器也可以为任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以通过计算装置的组合来实现，例如数字信号处理器和微处理器，多个微处理器，一个或多个微处理器联合一个数字信号处理器核，或任何其它类似的配置来实现。
本发明实施例中所描述的方法或算法的步骤可以直接嵌入硬件、处理器执行的软件模块、或者这两者的结合。软件模块可以存储于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM或本领域中其它任意形式的存储媒介中。示例性地，存储媒介可以与处理器连接，以使得处理器可以从存储媒介中读取信息，并可以向存储媒介存写信息。可选地，存储媒介还可以集成到处理器中。处理器和存储媒介可以设置于ASIC中，ASIC可以设置于用户终端中。可选地，处理器和存储媒介也可以设置于用户终端中的不同的部件中。
在一个或多个示例性的设计中，本发明实施例所描述的上述功能可以在硬件、软件、固件或这三者的任意组合来实现。如果在软件中实现，这些功能可以存储与电脑可读的媒介上，或以一个或多个指令或代码形式传输于电脑可读的媒介上。电脑可读媒介包括电脑存储媒介和便于使得让电脑程序从一个地方转移到其它地方的通信媒介。存储媒介可以是任何通用或特殊电脑可以接入访问的可用媒体。例如，这样的电脑可读媒体可以包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁性存储装置，或其它任何可以用于承载或存储以指令或数据结构和其它可被通用或特殊电脑、或通用或特殊处理器读取形式的程序代码的媒介。此外，任何连接都可以被适当地定义为电脑可读媒介，例如，如果软件是从一个网站站点、服务器或其它远程资源通过一个同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字用户线(DSL)或以例如红外、无线和微波等无线方式传输的也被包含在所定义的电脑可读媒介中。所述的碟片(disk)和磁盘(disc)包括压缩磁盘、镭射盘、光盘、DVD、软盘和蓝光光盘，磁盘通常以磁性复制数据，而碟片通常以激光进行光学复制数据。上述的组合也可以包含在电脑可读媒介中。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种移动终端室内定位方法，其特征在于，所述方法包括：
离线采集一空间位置中多个预设采样点分别对应的信号强度信息，作为指纹点信号信息；
根据所述指纹点信号信息，构建位置指纹数据库；
获取所述移动终端当前预设单位时间内的位移运动起始状态信息；
利用所述移动终端的位移运动起始状态信息，利用惯导原理计算位移终止位置的参考位置；
获取所述移动终端在位移运动轨迹上预设单位时间点分别对应的信号强度信息，构建基于空间位置约束的稀疏指纹定位模型，对所述位移终止位置的参考位置进行修正，获取位移终止位置的修正位置；
其中，构建基于空间位置约束的稀疏指纹定位模型后，采用交替方向乘子法ADMM进行求解，对所述位移终止位置的参考位置进行修正，获取位移终止位置的修正位置；
所述构建基于空间位置约束的稀疏指纹定位模型包括：
根据稀疏算法构建稀疏指纹定位模型；
根据惯性导航***的监测数据，在所述稀疏指纹定位模型中增加空间位置约束项，构建基于空间位置约束的稀疏指纹定位模型；
所述位移运动轨迹包括：直线轨迹、或矩形轨迹、或三角8字形轨迹、或矩形8字形轨迹。
2.如权利要求1所述移动终端室内定位方法，其特征在于，采用在同一采样点多次采样取均值的方法，离线采集一空间位置中多个预设采样点分别对应的信号强度信息，作为指纹点信号信息。
3.如权利要求1所述移动终端室内定位方法，其特征在于，所述位移运动起始状态信息包括：起始位置、起始速度、加速度和角速度。
4.如权利要求1所述移动终端室内定位方法，其特征在于，构建基于空间位置约束的稀疏指纹定位模型后，采用交替方向乘子法ADMM进行求解，具体包括：
构建基于空间位置约束的稀疏指纹定位模型后，根据拉格朗日乘子法松弛模型中的信号重构等式约束，变换为增广拉格朗日形式，分别对模型参数求导，以求解相应模型参数。
5.一种移动终端室内定位装置，其特征在于，所述装置包括：
指纹点信号信息采集单元，用于离线采集一空间位置中多个预设采样点分别对应的信号强度信息，作为指纹点信号信息；
位置指纹数据库构建单元，用于根据所述指纹点信号信息，构建位置指纹数据库；
位移运动起始状态信息获取单元，用于获取所述移动终端当前预设单位时间内的位移运动起始状态信息；
惯导原理计算单元，用于利用所述移动终端的位移运动起始状态信息，利用惯导原理计算位移终止位置的参考位置；
模型构建单元，用于获取所述移动终端在位移运动轨迹上预设单位时间点分别对应的信号强度信息，构建基于空间位置约束的稀疏指纹定位模型，对所述位移终止位置的参考位置进行修正，获取位移终止位置的修正位置；
其中，所述模型构建单元，具体用于构建基于空间位置约束的稀疏指纹定位模型后，采用交替方向乘子法ADMM进行求解，对所述位移终止位置的参考位置进行修正，获取位移终止位置的修正位置；
所述模型构建单元还用于：根据稀疏算法构建稀疏指纹定位模型；根据惯性导航***的监测数据，在所述稀疏指纹定位模型中增加空间位置约束项，构建基于空间位置约束的稀疏指纹定位模型；
所述位移运动轨迹包括：直线轨迹、或矩形轨迹、或三角8字形轨迹、或矩形8字形轨迹。
6.如权利要求5所述移动终端室内定位装置，其特征在于，
所述指纹点信号信息采集单元，具体用于采用在同一采样点多次采样取均值的方法，离线采集一空间位置中多个预设采样点分别对应的信号强度信息，作为指纹点信号信息。
7.如权利要求5所述移动终端室内定位装置，其特征在于，所述位移运动起始状态信息包括：起始位置、起始速度、加速度和角速度。
8.如权利要求5所述移动终端室内定位装置，其特征在于，
所述模型构建单元，进一步具体用于构建基于空间位置约束的稀疏指纹定位模型后，根据拉格朗日乘子法松弛模型中的信号重构等式约束，变换为增广拉格朗日形式，分别对模型参数求导，以求解相应模型参数，对所述位移终止位置的参考位置进行修正，以获取位移终止位置的修正位置。
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