CN109889974B - 一种室内定位多源信息指纹库的构建与更新方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内定位多源信息指纹库的构建与更新方法，其包括：步骤S1：构建指纹信息数据库；步骤S2：利用使用者定位过程中提供的定位轨迹、PDR，以及蓝牙、WIFI、地磁三种可形成指纹的信息中的一种或多种，自动更新指纹信息数据库。本发明具有原理简单、易实现、能够形成精度更高的指纹数据信息库等优点。

Description

一种室内定位多源信息指纹库的构建与更新方法

技术领域

本发明主要涉及到室内定位技术领域，特指一种室内定位多源信息指纹库的构建与更新方法。

背景技术

随着现代电子信息技术的发展，人类生产、生活步入信息时代并向智能时代前进，在这一过程中，人们对获取位置以及基于位置的服务的需求越来越远大，这一需求也就扩展到包括军事、交通、生产、生活在内的各个领域。

对于室外环境下，通过对卫星定位导航技术几十年的发展完善，定位已能满足大部分情况下的对精度的要求。而室内定位，由于其环境的特殊性，准确的获取位置十分困难，现经任处在发展阶段。

常用的室内定位方法包括：基于惯性传感器的航迹推算定位技术、蓝牙定位技术、超宽带(UWB)定位技术、射频(RFID)定位技术、基于LED可见光定位技术、WiFi定位技术等等，方式方法种类多样，但一般都只能满足特定环境下的一定精度的定位要求，各有各的优势及缺点。例如，WiFi定位技术由使用环境中已经部署的AP来进行定位，因此部署简单、成本低且WiFi信号无处不在，同时支持在移动设备上定位，故是一项比较有前景的室内定位技术。但是，要想要WiFi定位能够稳定定位，需要定位终端能够接收到一定数量的AP，这一点并不是任何环境下都能满足。为解决这一问题在利用WiFi定位的同时，综合利用蓝牙、地磁等便于同时获取的数据，实现多源信息融合定位。而实现WiFi、蓝牙、地磁等融合定位的最好方式是指纹匹配定位方法，这方法的前提是构建可用于匹配定位的指纹库(radiomap)。

在构建指纹库时，常用单点采集和连续采集两种方法来实现原始数据采集。单点采集方法即在需要采集数据构建指纹库的室内空间中规划好一定密度的数据采集点，并通过测绘获得采集的位置坐标，然后一一采集记录每一个采集点上的信号。单点采集在科研中和商业实践中都有大量应用，这种方法虽然简单有效，但需要耗费大量的时间和精力去进行测绘测量，成本非常高。为了提高创建指纹数据库的效率，提出了连续采集方法。该方法通过在信号采集场景地图中设置若干路标，测绘人员携带信号采集装置，在各路标之间匀速直线行走，沿途采集信号，并在到达路标点时标记下到达路标的时间和路标号，最后通过记录下的行走路线、通过两路标之间的直线所用的时间即可得到在路标点之间的信号采集点处的坐标。这种方法比上述单点采集方法效率高出很多，但是有测绘人员需匀速直线行走的限制。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、易实现、能够形成精度更高的指纹数据信息库的室内定位多源信息指纹库的构建与更新方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种室内定位多源信息指纹库的构建与更新方法，其包括：

步骤S1：构建指纹信息数据库；

步骤S2：利用使用者定位过程中提供的定位轨迹、PDR，以及蓝牙、WIFI、地磁三种可形成指纹的信息中的一种或多种，自动更新指纹信息数据库。

作为本发明的进一步改进：还包括在构建指纹库时对数据质量控制流程，包括：

步骤S101：完整性检测；即在构建指纹库时，检测有各类数据的完整性；

步骤S102：确定显著的数据因子；在完整性检测通过后，对最终指纹库质量影响较显著的数据因子如下：

(a)卫导数据精度；

(b)wifi、蓝牙、地磁信号采样率；

(c)wifi、蓝牙的信号源数。

其中：信号源数目通过信号源布设环节控制；信号采样率通过选用数据采集设备控制；筛选卫导数据精度用来保证优化对齐后的室内定位轨迹的水平偏置和角度偏置保持在可接受的范围内。

作为本发明的进一步改进：在筛选卫导过程中，包括：

首先，根据卫导数据中的dop值、卫星数、以及水平面的中误差对卫星定位位置数据进行一个初筛选；

其次，对于初筛选之后卫导数据与对应时间段内的微惯导轨迹，选择一个时间窗口，在该时间窗口内，用微惯导定位轨迹进行平移旋转变换去拟合卫导定位轨迹，利用最小二乘法，求出该欧拉变换的最优估计位置偏置和旋转角，然后通过拟合误差的大小，判断该时间窗口内的数据的好坏；如果拟合后的误差大于门限，则认为拟合不好，应丢弃该段卫导定位数据；依此法对所有时间段内的卫导数据进行一一筛选。

作为本发明的进一步改进：还包括在指纹库更新时的数据质量控制流程，包括：

步骤S201：数据完整性检测；检测数据中是否完整的包含PDR、WiFI、蓝牙、地磁及WiFi匹配定位数据；

步骤S202：对于通过数据完整性检测的数据，再利用数据中PDR轨迹判断数据是否可用，判断依据有PDR轨迹各步子的步长，相邻两步方向角变化量、整个轨迹的长度、轨迹覆盖的范围。

其中，步子步长判断准则是统计所有步子中步长大于长度门限的步子相对所有步子数的比例，如果比例大于门限，数据不可用；方向角变化量准则是统计相邻两步方向角变量大于门限的方向角数目相对所有步子数的比例，如果比例大于门限，；数据不可用；

步骤S203：当PDR数据通过上述两个检测准则后，再计算PDR估计的长度及轨迹中距离最大的两个点的距离，如果有小于对应的门限，判断数据采集时间过短，不适合用于指纹库更新。

作为本发明的进一步改进：还包括步骤S3：对数据进行时间同步处理，其包括：

步骤S301：第一级同步；在构成指纹的信息数据中选择采样频率最低的一类数据作为对齐标的，提取该标的数据的每一帧数据的采集时间，构成一个时间序列，然后利用该时间序列对非标的数据进行降采样；

步骤S302：第二级同步；实现图优化中构建位姿图所需数据的时间同步。

步骤S303：第三级同步；将室内定位位置与信息构成的不包含位置的指纹的关联，以获取指纹采集位置经图优化后的坐标，生产最终完整的指纹。

作为本发明的进一步改进：在所述步骤S301中，将降采样时间序列上的每个一个时间点作为时间中点，设定一个时间窗口，将其它非标的数据在该时间窗口上的均值作为相应数据在该时间点的值，做到所有可构成指纹的数据在时间上是同步的；在这些数据完成时间同步后，将每一帧数据打包成指纹的形式，得到不包含采集位置的指纹或称未与采集位置绑定的指纹)；在指纹库自动更新中，该同步已经在指纹匹配定位过程中实现，同步后以不包含采集位置的指纹的形式用于指纹匹配定位，同时保存起来用于指纹更新。

作为本发明的进一步改进：在所述步骤S302中，以微惯导轨迹数据为时间同步标的，对于每一个轨迹步子点，以该步子与前后两个步子的时间中点作为时间窗口，在该时间窗口中选择距该步子对应时间点最近的卫导和指纹信息数据作为该步子对应的卫导和指纹信息数据；如果该窗口内无卫导或指纹信息数据，则标记为无此数据；而在自动更新阶段，该级同步则是要实现匹配定位数据与PDR数据的时间同步，只需把其中的微惯导轨迹更换成PDR轨迹，卫导数据和指纹信息数据用此处的指纹匹配定位数据替代。

作为本发明的进一步改进：在所述步骤S303中，对每一个指纹，根据该指纹中的指纹采集时间点，在优化后的携带位置坐标产生时间的轨迹上插值，获取该指纹数据对应时刻的位置坐标。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的一种室内定位多源信息指纹库的构建与更新方法，原理简单、易实现、能够形成精度更高的指纹数据信息库，它还利用使用者定位过程中提供定位轨迹、PDR、蓝牙、WIFI、地磁等信息，自动更新指纹信息数据库。该方法可快速构建位置精度高、包含信息全的多源信息指纹库，并自动实现该指纹数据库更新，为基于指纹匹配的室内定位提供精度高且长时间稳定的指纹数据信息库。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图。

图2是本发明在具体应用实例中对数据质量进行控制的流程示意图。

图3是本发明在具体应用实例中对数据进行时间同步处理的流程示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的一种室内定位多源信息指纹库的构建与更新方法，包括：

步骤S1：构建指纹信息数据库；

步骤S2：利用使用者定位过程中提供的定位轨迹、PDR，以及蓝牙、WIFI、地磁三种可形成指纹的信息中的一种或多种，自动更新指纹信息数据库。

在上述过程中，通过用户携带定位终端，可以实时采集PDR、蓝牙、Wifi、地磁信息。

在指纹信息数据库中，需要对数据质量进行控制。数据质量控制目的是筛选掉具有显著大误差的数据，保证最终构建、更新后指纹信息数据库的质量稳定性。这里的数据质量控制包括创建指纹库时的数据质量控制和更新指纹库时的质量控制两个部分，参见图2所示。

第一部分：在构建指纹库时的数据质量控制；

S101：完整性检测；

在构建指纹库时，最基础的数据质量控制为检测有各类数据的完整性，例如是否采集到、采集中是否中断等。

S102：确定显著的数据因子；

在完整性检测通过后，对最终指纹库质量影响较显著的数据因子如下：

(a)卫导数据精度；

(b)wifi、蓝牙、地磁信号采样率；

(c)wifi、蓝牙的信号源数。

其中：信号源数目通过信号源布设环节控制；信号采样率通过选用满足要求的数据采集设备控制；筛选卫导数据精度用来保证优化对齐后的室内定位轨迹的水平偏置和角度偏置保持在可接受的范围内。

在本发明的方法中，通过两个不同的筛选对卫导定位位置数据进行严格的筛选。

首先，根据卫导数据中的dop值、卫星数、以及水平面的中误差对卫星定位位置数据进行一个初筛选。

其次，对于初筛选之后卫导数据与对应时间段内的微惯导轨迹，选择一个时间窗口，在该时间窗口内，用微惯导定位轨迹进行平移旋转变换去拟合卫导定位轨迹，利用最小二乘法，求出该欧拉变换的最优估计位置偏置和旋转角，然后通过拟合误差的大小，判断该时间窗口内的数据的好坏。如果拟合后的误差大于门限，则认为拟合不好，应丢弃该段卫导定位数据。依此法对所有时间段内的卫导数据进行一一筛选。

第二部分：指纹库更新时的数据质量控制；

相比指纹构建时数据质量控制，更新时质量控制则更加重要，对指纹库的质量影响也更大。因为创建指纹库时的数据由专业人员采集，通过严格遵守采集流程、选着合适的设备，可以在很大程度上保证数据的质量，同时创建过程中还可以加入人工控制手段，保证最终指纹库质量。但指纹库自动更新时，所有数据来源于定位使用者的智能终端，使用者对智能终端的使用具有随意性，这一点对自动更新中用到的pdr轨迹数据的影响尤其重大，要想较为准确的更新指纹库，需要获得较好的pdr轨迹，要求使用者长时间平稳的把持定位终端。而由于使用者的随意性，很多数据都不满足这一要求，要想获得好的更新结果，必须有一个有效的数据筛选策略。

在该阶段，本发明采用的数据筛选策略如下：

S201：数据完整性检测；

检测数据中是否完整的包含PDR、WiFI、蓝牙、地磁及WiFi匹配定位等数据。

S202：对于通过数据完整性检测的数据，再利用数据中PDR轨迹判断数据是否可用，判断依据有PDR轨迹各步子的步长，相邻两步方向角变化量、整个轨迹的长度、轨迹覆盖的范围等。

其中，步子步长判断准则是统计所有步子中步长大于长度门限的步子相对所有步子数的比例，如果比例大于门限，表明使用者未平稳把持定位终端，数据不可用。方向角变化量准则是统计相邻两步方向角变量大于门限的方向角数目相对所有步子数的比例，如果比例大于门限，同样可以判断表明使用者未平稳把持定位终端，数据不可用。

S203：当PDR数据通过上述两个检测准则后，再计算PDR估计的长度及轨迹中距离最大的两个点的距离，如果有小于对应的门限，可判断数据采集时间过短，不适合用于指纹库更新。

在具体应用实例中，在上述步骤中对用户数据进行实时采集时，由于各类数据的采样频率不尽相同，所有在数据通过完整性筛选后，进一步包括步骤S3：对数据进行时间同步处理。

参见图3所示，对数据进行时间同步处理的具体流程为：

S301：第一级同步；

在WiFi、蓝牙、地磁等可构成指纹的信息数据中选择采样频率最低的一类数据作为对齐标的，提取该标的数据的每一帧数据的采集时间，构成一个时间序列，然后利用该时间序列对非标的数据进行降采样。

具体方法为：将该降采样时间序列上的每个一个时间点作为时间中点，设定一个时间窗口，将其它非标的数据在该时间窗口上的均值作为相应数据在该时间点的值，从而做到所有可构成指纹的数据在时间上是同步的。在这些数据完成时间同步后，将每一帧数据打包成指纹的形式，得到不包含采集位置的指纹(或称未与采集位置绑定的指纹)。在指纹库自动更新中，该级同步已经在指纹匹配定位过程中实现，同步后以不包含采集位置的指纹的形式用于指纹匹配定位，同时保存起来用于指纹更新。

在第一级同步完成后，即会产生指纹信息数据，只是这时的指纹内只包含多个蓝牙信标信号源MAC地址、WiFi源AP信号源MAC地址、一个地磁信号的ID，以及所有这些信号源对应的信号强度值，和这些信号强度信息的采集时间，而未包含这些信号信息采集点的位置坐标，因为需等通过图优化对微惯导轨迹对齐、修正得到全局坐标轨迹，然后经过第三级同步后，才能获得正确的指纹采集位置。

S302：第二级同步；

目的是实现图优化中构建位姿图所需数据的时间同步，对指纹库构建阶段，该级是在第一级同步的基础上进行的，需实现同步后的指纹信息数据与微惯导数据、卫导数据的同步。

具体方法为：以微惯导轨迹数据为时间同步标的，对于每一个轨迹步子点，以该步子与前后两个步子的时间中点作为时间窗口，在该时间窗口中选择距该步子对应时间点最近的卫导和指纹信息数据作为该步子对应的卫导和指纹信息数据。如果该窗口内无卫导或指纹信息数据，则标记为无此数据。而在自动更新阶段，该级同步则是要实现匹配定位数据与PDR数据的时间同步，方法与构建指纹库阶段的二级同步相似，只需把其中的微惯导轨迹更换成PDR轨迹，卫导数据和指纹信息数据用此处的指纹匹配定位数据替代，该同步同样在指纹匹配定位过程中已经完成。

S303：第三级同步；

第三级同步即是将室内定位位置与WiFi、蓝牙、地磁等信息构成的不包含位置的指纹的关联，该级同步在第一级同步的基础上进行，目的是获取指纹采集位置经图优化后的坐标，生产最终完整的指纹。

具体方法为：对每一个指纹，根据该指纹中的指纹采集时间点，在优化后的携带位置坐标产生时间的轨迹上插值，获取该指纹数据对应时刻的位置坐标。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种室内定位多源信息指纹库的构建与更新方法，其特征在于，包括：

步骤S1：构建指纹信息数据库；

还包括在构建指纹库时对数据质量控制流程，包括：

步骤S101：完整性检测；即在构建指纹库时，检测有各类数据的完整性；

步骤S102：确定显著性数据因子；在完整性检测通过后，对最终指纹库质量影响较显著的数据因子如下：

(a)卫导数据精度；

(b)wifi、蓝牙、地磁信号采样率；

(c)wifi、蓝牙的信号源数；

其中：信号源数目通过信号源布设环节控制；信号采样率通过选用数据采集设备控制；筛选卫导数据精度用来保证优化对齐后的室内定位轨迹的水平偏置和角度偏置保持在可接受的范围内；

步骤S2：利用使用者定位过程中提供的步行者航位推算PDR，以及蓝牙、WIFI、地磁三种可形成指纹的信息中的一种或多种，自动更新指纹信息数据库；

步骤S1中数据通过完整性筛查后，还包括步骤S3：对数据进行时间同步处理，其包括：

步骤S301：第一级同步；在构成指纹的信息数据中选择采样频率最低的一类数据作为对齐标的，提取该标的数据的每一帧数据的采集时间，构成一个时间序列，然后利用该时间序列对非标的数据进行降采样；

在所述步骤S301中，将降采样时间序列上的每个一个时间点作为时间中点，设定一个时间窗口，将其它非标的数据在该时间窗口上的均值作为相应数据在该时间点的值，做到所有可构成指纹的数据在时间上是同步的；在这些数据完成时间同步后，将每一帧数据打包成指纹的形式，得到不包含采集位置的指纹；在指纹库自动更新中，该同步已经在指纹匹配定位过程中实现，同步后以不包含采集位置的指纹的形式用于指纹匹配定位，同时保存起来用于指纹更新；

步骤S302：第二级同步；实现图优化中构建位姿图所需数据的时间同步；

在所述步骤S302中，以微惯导轨迹数据为时间同步标的，对于每一个轨迹步子点，以该步子与前后两个步子的时间中点作为时间窗口，在该时间窗口中选择距该步子对应时间点最近的卫导和指纹信息数据作为该步子对应的卫导和指纹信息数据；如果该窗口内无卫导和指纹信息数据，则标记为无此数据；而在自动更新阶段，该级同步则是要实现匹配定位数据与PDR数据的时间同步，只需把其中的微惯导轨迹更换成PDR轨迹，卫导数据和指纹信息数据用此处的指纹匹配定位数据替代；

步骤S303：第三级同步；将室内定位位置与多源信息构成的不包含位置的指纹关联，以获取指纹采集位置经图优化后的坐标，生产最终完整的指纹；

在所述步骤S303中，对每一个指纹，根据该指纹中的指纹采集时间点，在优化后的携带位置坐标产生时间的轨迹上插值，获取该指纹数据对应时刻的位置坐标。

2.根据权利要求1所述的室内定位多源信息指纹库的构建与更新方法，其特征在于，在筛选卫导过程中，包括：

首先，根据卫导数据中的dop值、卫星数、以及水平面的中误差对卫星定位位置数据进行一个初筛选；

其次，对于初筛选之后卫导数据与对应时间段内的微惯导轨迹，选择一个时间窗口，在该时间窗口内，用微惯导定位轨迹进行平移旋转变换去拟合卫导定位轨迹，利用最小二乘法，求出欧拉变换的最优估计位置偏置和旋转角，然后通过拟合误差的大小，判断该时间窗口内的数据的好坏；如果拟合后的误差大于门限，则认为拟合不好，应丢弃该段卫导定位数据；依此法对所有时间段内的卫导数据进行一一筛选。

3.根据权利要求1所述的室内定位多源信息指纹库的构建与更新方法，其特征在于，还包括在指纹库更新时的数据质量控制流程，包括：

步骤S201：数据完整性检测；检测数据中是否完整的包含PDR、WiFI、蓝牙、地磁及WiFi匹配定位数据；

步骤S202：对于通过数据完整性检测的数据，再利用数据中PDR轨迹判断数据是否可用，判断依据有PDR轨迹各步子的步长，相邻两步方向角变化量、整个轨迹的长度、轨迹覆盖的范围；

其中，步子步长判断准则是统计所有步子中步长大于长度门限的步子相对所有步子数的比例，如果比例大于门限，数据不可用；方向角变化量准则是统计相邻两步方向角变量大于门限的方向角数目相对所有步子数的比例，如果比例大于门限，数据不可用；

步骤S203：当PDR数据通过上述两个检测准则后，再计算PDR估计的长度及轨迹中距离最大的两个点的距离，如果有小于对应的门限，判断数据采集时间过短，不适合用于指纹库更新。

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