CN110456307B - 一种基于室内伪卫星信号载噪比的终端定位方法 - Google Patents

一种基于室内伪卫星信号载噪比的终端定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于室内伪卫星信号载噪比的终端定位方法，包括为室内分配若干个伪卫星信号发射节点，搭建起符合要求的定位环境；获取该环境下多个伪卫星节点在不同位置处的信号载噪比，将载噪比转化为当前节点的信号强度，在对相应的场景建立室内信号强度数据库；根据接收到的伪卫星信号的信号强度，利用WKNN算法、以及之前所建立室内信号强度数据库的基础上，实现基于伪卫星信号载噪比的定位算法，本发明可以减少伪卫星定位时的多路径效应，避免了定位过程中多路径效应带来的误差，提高了伪卫星定位的灵活性与准确性。

Description

一种基于室内伪卫星信号载噪比的终端定位方法
技术领域
本发明涉及一种基于室内伪卫星信号载噪比的终端定位方法，属于室内定位技术领域。
背景技术
室内定位技术发展迅速，但尚不成熟，无法进行产业化。由于人们对室内定位的需求迫切，因此室内定位技术得到了蓬勃发展，目前主流的室内定位有Wi-Fi、蓝牙、UWB、射频传感器等技术，但是这些技术还不能同时满足高精度室内定位，以及室外GNSS***无缝定位需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于室内伪卫星信号载噪比的终端定位方法，能够实现室内的高精度定位，提高室内定位效率。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种基于室内伪卫星信号载噪比的终端定位方法，基于室内所设置的各个伪卫星发射节点，实现终端在室内的定位，其中，各个伪卫星发射节点的信号共同实现对室内各区域的覆盖；
所述终端定位方法中，首先，获得移动终端分别位于室内各个坐标位置、所获大于预设信号强度阈值的各个信号强度，以及该各信号强度分别所对应伪卫星发射节点，构成室内信号强度数据库；然后终端执行如下步骤，实现在室内当前位置的定位；
步骤A.获取终端位于室内当前位置、所获来自各个伪卫星发射节点的信号强度，并选择其中大于预设信号强度阈值的各个信号强度，以及该各信号强度分别所对应伪卫星发射节点，构成当前位置所对应的各个待分析伪卫星发射节点、以及来自各待分析伪卫星发射节点的信号强度，然后进入步骤B；
步骤B.分别针对当前位置所对应的各个待分析伪卫星发射节点，获取待分析伪卫星发射节点所对应当前位置信号前度、分别与室内信号强度数据库中该待分析伪卫星发射节点所对应各信号强度之间的欧氏距离，并获得其中预设数目个最小欧氏距离，以及该各欧氏距离分别所对应室内信号强度数据库中的坐标位置，构成当前位置对应该待分析伪卫星发射节点的各个参考坐标位置；进而获得当前位置分别对应各待分析伪卫星发射节点的各个参考坐标位置，然后进入步骤C；
步骤C.针对当前位置所对应的全部参考坐标位置，根据各个参考位置所对应步骤B中的欧式距离大小进行递增或递减排序，并基于各个参考坐标位置的排序，顺序针对各个参考坐标位置设置权重，各个参考坐标位置分别所对应的权重随各参考坐标位置的排序、依次递增或依次递减，且各权重的排序与各参考坐标位置所对应欧式距离的距离相反，以及各个参考坐标位置分别所对应权重的和为1，然后进入步骤D；
步骤D.针对当前位置所对应各个参考坐标位置，按其权重进行加权处理，所获加权结果即为终端所在当前位置的坐标位置，实现终端在室内的定位。
作为本发明的一种优选技术方案：所述终端定位方法中，室内信号强度数据库按如下方法构建；
分别针对室内的各个坐标位置，执行如下步骤Ⅰ至步骤Ⅱ，获得各个坐标位置分别所对应的数据记录，由此构成室内信号强度数据库；
步骤Ⅰ.获取终端位于坐标位置、所获来自各个伪卫星发射节点的信号强度，然后进入步骤Ⅱ；
步骤Ⅱ.选择该坐标位置所获取各个信号强度中、大于预设信号强度阈值的各个信号强度，并获得该各信号强度分别所对应的伪卫星发射节点，构成该坐标位置与该各伪卫星发射节点分别相对该坐标位置的信号强度之间的数据映射关系，作为该坐标位置所对应的数据记录。
作为本发明的一种优选技术方案：所述终端按如下步骤ⅰ至步骤ⅱ，获得其所在位置来自各伪卫星发射节点的信号强度；
步骤ⅰ.分别针对终端位于所在位置的各个朝向，获得终端位于该位置朝向下、来自各伪卫星发射节点的信号强度；进而终端获得来自各伪卫星发射节点、分别对应终端所在位置各朝向下的信号强度，然后进入步骤ⅱ；
步骤ⅱ.分别针对各个伪卫星发射节点，针对终端所获来自伪卫星发射节点、分别对应终端所在位置各朝向下的信号强度，按朝向数，获得终端所获来自该伪卫星发射节点的信号强度的平均值，作为终端位于所在位置、所获来自该伪卫星发射节点的信号强度；进而终端获得其所在位置来自各伪卫星发射节点的信号强度。
作为本发明的一种优选技术方案：所述终端获得来自伪卫星发射节点的信号强度的过程中，终端首先获得来自伪卫星发射节点的载噪比，然后根据载噪比到信号强度的转换，终端获得来自伪卫星发射节点的信号强度。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤C中，按如下公式：
Figure BDA0002150234030000031
获得当前位置所对应各个参考坐标位置的权重ωi，其中，i∈{1、…、I}，j∈{1、…、I}，I表示当前位置所对应参考坐标位置的个数，ωi表示当前位置所对应第i个参考坐标位置的权重，Di表示当前位置所对应第i个参考坐标位置、对应于步骤B中的欧式距离，Dj表示当前位置所对应第j个参考坐标位置、对应于步骤B中的欧式距离。
本发明所述一种基于室内伪卫星信号载噪比的终端定位方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明所设计基于室内伪卫星信号载噪比的终端定位方法，避开了传统使用伪卫星信号的伪距、载波等信息的定位解算来实现定位的方法，而是提出一种利用伪卫星信号载噪比来实现定位的方法，同时利用SAWKNN算法来优化定位精度，减少伪卫星定位时的多路径效应，避免了定位过程中多路径效应带来的误差，提高了伪卫星定位的准确性。
附图说明
图1是本发明设计基于室内伪卫星信号载噪比的终端定位方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
局域伪卫星***是为满足上述环境中的定位需求、而发展的局域定位技术之一，针对卫星导航***中存在的这些问题，在引入伪卫星技术之后，就可以实现这些恶劣情况下的局域定位，也能较好的解决卫星导航的局限性，提高卫星导航的可靠性、可用性和精度；伪卫星定位技术是实现局域高精度定位的一个可行方案。
在指纹算法中，基于概率性的指纹算法假设来自AP的RSSI呈现高斯分布，通过朴素贝叶斯等概率匹配算法进行定位，实测表明RSSI并不是标准的高斯分布，而是呈现双峰高斯分布，并且非高斯性的解决使计算复杂度上升，不利于移动设备定位；而基于确定性的指纹算法，如加权K临近法(Weight K—nearest Neighborhood，WKNN)，相对基于概率性的算法，计算复杂度低，运行速度快，易于实现，同时WKNN算法相对于其他基于确定性的匹配算法定位精度高。
本发明设计了一种基于室内伪卫星信号载噪比的终端定位方法，基于室内所设置的各个伪卫星发射节点，实现终端在室内的定位，其中，各个伪卫星发射节点的信号共同实现对室内各区域的覆盖。
所述终端定位方法中，首先，获得移动终端分别位于室内各个坐标位置、所获大于预设信号强度阈值的各个信号强度，以及该各信号强度分别所对应伪卫星发射节点，构成室内信号强度数据库；实际应用中，具体按如下过程进行执行。
分别针对室内的各个坐标位置，执行如下步骤Ⅰ至步骤Ⅱ，获得各个坐标位置分别所对应的数据记录，由此构成室内信号强度数据库。
步骤Ⅰ.获取终端位于坐标位置、所获来自各个伪卫星发射节点的信号强度，然后进入步骤Ⅱ。
步骤Ⅱ.选择该坐标位置所获取各个信号强度中、大于预设信号强度阈值的各个信号强度，并获得该各信号强度分别所对应的伪卫星发射节点，构成该坐标位置与该各伪卫星发射节点分别相对该坐标位置的信号强度之间的数据映射关系，作为该坐标位置所对应的数据记录。
然后如图1所示，终端执行如下步骤A至步骤D，实现在室内当前位置的定位。
步骤A.获取终端位于室内当前位置、所获来自各个伪卫星发射节点的信号强度，并选择其中大于预设信号强度阈值的各个信号强度，以及该各信号强度分别所对应伪卫星发射节点，构成当前位置所对应的各个待分析伪卫星发射节点、以及来自各待分析伪卫星发射节点的信号强度，然后进入步骤B。
上述室内信号强度数据库的构建过程中，以及步骤A中，终端按如下步骤ⅰ至步骤ⅱ，获得其所在位置来自各伪卫星发射节点的信号强度。
步骤ⅰ.分别针对终端位于所在位置的各个朝向，获得终端位于该位置朝向下、来自各伪卫星发射节点的信号强度；进而终端获得来自各伪卫星发射节点、分别对应终端所在位置各朝向下的信号强度，然后进入步骤ⅱ。
步骤ⅱ.分别针对各个伪卫星发射节点，针对终端所获来自伪卫星发射节点、分别对应终端所在位置各朝向下的信号强度，按朝向数，获得终端所获来自该伪卫星发射节点的信号强度的平均值，作为终端位于所在位置、所获来自该伪卫星发射节点的信号强度；进而终端获得其所在位置来自各伪卫星发射节点的信号强度。
并且实际应用中，对于终端获得来自伪卫星发射节点的信号强度的过程中，终端首先获得来自伪卫星发射节点的载噪比，然后根据载噪比到信号强度的转换，终端获得来自伪卫星发射节点的信号强度。
在载噪比到信号强度的具体转换中，载噪比是载波噪声比C/N0的简称，用来衡量信号的质量，其定义如下：
Figure BDA0002150234030000051
其中，Pr表示接受功率，也就是信号强度；N0表示噪声功率，N0的值一般情况下取为-200dBW/Hz，因此，信号强度Pr可以通过如下公式获取，单位为dBW。
Pr＝C/N0-200 (4)
再将信号强度转换成距离，当发射机与接收机之间的信号在真空中进行传播，且传播路径上没有任何障碍物导致出现遮挡、多径、绕射等情况，我们将其称之为自由空间传播；根据无线通信传播理论，在自由空间传播时，信号的发射功率与接收功率存在以下关系：
Figure BDA0002150234030000052
式中，d表示接收机与发射机之间的距离，Pr(d)表示在相距d时信号的接收功率，Pt表示信号的发射功率，GtGr分别是发射端和接收端的天线増益，λ表示信号的波长。式(5)等号两边同时取对数，可得：
Figure BDA0002150234030000053
令d＝d0，有：
Figure BDA0002150234030000054
将两式相减并整理可得到：
10lg[Pr(d)]＝20lg(d0)+10lg[Pr(d0)]-20lg(d) (8)
特殊处理下，令d0＝1m时，式(8)变为：
10lg[Pr(d)]＝10lg[Pr(d0)]-20lg(d) (9)
由于信号功率和距离是强相关关系，当距离保持不变时所接收到的信号功率将是个定值。因此式(9)中的10lg[Pr(d0)]为一个定值，将等号左边的接收功率用符号RSSI(d)表示，同时令10lg[Pr(d0)]＝A，此时式(9)可以改写为：
RSSI(d)＝A-20lg(d) (10)
最终在考虑现实环境的一系列因素影响之下，得到的空间损耗模型将变为：
Figure BDA0002150234030000055
因此非自由空间下的信号强度RSSI与d的关系如下：
RSSI(d)＝A-10lg(d) (12)
由此即实现信号强度RSSI(d)的获得，完成载噪比到信号强度的转换。
步骤B.分别针对当前位置所对应的各个待分析伪卫星发射节点，获取待分析伪卫星发射节点所对应当前位置信号前度、分别与室内信号强度数据库中该待分析伪卫星发射节点所对应各信号强度之间的欧氏距离，并获得其中预设数目个最小欧氏距离，以及该各欧氏距离分别所对应室内信号强度数据库中的坐标位置，构成当前位置对应该待分析伪卫星发射节点的各个参考坐标位置；进而获得当前位置分别对应各待分析伪卫星发射节点的各个参考坐标位置，然后进入步骤C。
步骤C.针对当前位置所对应的全部参考坐标位置，根据各个参考位置所对应步骤B中的欧式距离大小进行递增或递减排序，并基于各个参考坐标位置的排序，顺序针对各个参考坐标位置设置权重，各个参考坐标位置分别所对应的权重随各参考坐标位置的排序、依次递增或依次递减，且各权重的排序与各参考坐标位置所对应欧式距离的距离相反，以及各个参考坐标位置分别所对应权重的和为1，然后进入步骤D。
具体实际应用中，上述步骤C中，针对当前位置所对应的各个参考坐标位置，按如下公式：
Figure BDA0002150234030000061
获得当前位置所对应各个参考坐标位置的权重ωi，其中，i∈{1、…、I}，j∈{1、…、I}，I表示当前位置所对应参考坐标位置的个数，ωi表示当前位置所对应第i个参考坐标位置的权重，Di表示当前位置所对应第i个参考坐标位置、对应于步骤B中的欧式距离，Dj表示当前位置所对应第j个参考坐标位置、对应于步骤B中的欧式距离。
步骤D.针对当前位置所对应各个参考坐标位置，按其权重进行加权处理，所获加权结果即为终端所在当前位置的坐标位置，实现终端在室内的定位。
上述技术方案所设计基于室内伪卫星信号载噪比的终端定位方法，避开了传统使用伪卫星信号的伪距、载波等信息的定位解算来实现定位的方法，而是提出一种利用伪卫星信号载噪比来实现定位的方法，同时利用SAWKNN算法来优化定位精度，减少伪卫星定位时的多路径效应，避免了定位过程中多路径效应带来的误差，提高了伪卫星定位的准确性。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种基于室内伪卫星信号载噪比的终端定位方法，其特征在于：基于室内所设置的各个伪卫星发射节点，实现终端在室内的定位，其中，各个伪卫星发射节点的信号共同实现对室内各区域的覆盖；
所述终端定位方法中，首先，获得移动终端分别位于室内各个坐标位置、所获大于预设信号强度阈值的各个信号强度，以及该各信号强度分别所对应伪卫星发射节点，构成室内信号强度数据库；然后终端执行如下步骤，实现在室内当前位置的定位；
步骤A.获取终端位于室内当前位置、所获来自各个伪卫星发射节点的信号强度，并选择其中大于预设信号强度阈值的各个信号强度，以及该各信号强度分别所对应伪卫星发射节点，构成当前位置所对应的各个待分析伪卫星发射节点、以及来自各待分析伪卫星发射节点的信号强度，然后进入步骤B；
步骤B.分别针对当前位置所对应的各个待分析伪卫星发射节点，获取待分析伪卫星发射节点所对应当前位置信号强 度、分别与室内信号强度数据库中该待分析伪卫星发射节点所对应各信号强度之间的欧氏距离，并获得其中预设数目个最小欧氏距离，以及该各欧氏距离分别所对应室内信号强度数据库中的坐标位置，构成当前位置对应该待分析伪卫星发射节点的各个参考坐标位置；进而获得当前位置分别对应各待分析伪卫星发射节点的各个参考坐标位置，然后进入步骤C；
步骤C.针对当前位置所对应的全部参考坐标位置，根据各个参考位置所对应步骤B中的欧式距离大小进行递增或递减排序，并基于各个参考坐标位置的排序，顺序针对各个参考坐标位置设置权重，各个参考坐标位置分别所对应的权重随各参考坐标位置的排序、依次递增或依次递减，且各权重的排序与各参考坐标位置所对应欧式距离的距离相反，以及各个参考坐标位置分别所对应权重的和为1，然后进入步骤D；
步骤D.针对当前位置所对应各个参考坐标位置，按其权重进行加权处理，所获加权结果即为终端所在当前位置的坐标位置，实现终端在室内的定位。
2.根据权利要求1所述一种基于室内伪卫星信号载噪比的终端定位方法，其特征在于：所述终端定位方法中，室内信号强度数据库按如下方法构建；
分别针对室内的各个坐标位置，执行如下步骤Ⅰ至步骤Ⅱ，获得各个坐标位置分别所对应的数据记录，由此构成室内信号强度数据库；
步骤Ⅰ.获取终端位于坐标位置、所获来自各个伪卫星发射节点的信号强度，然后进入步骤Ⅱ；
步骤Ⅱ.选择该坐标位置所获取各个信号强度中、大于预设信号强度阈值的各个信号强度，并获得该各信号强度分别所对应的伪卫星发射节点，构成该坐标位置与该各伪卫星发射节点分别相对该坐标位置的信号强度之间的数据映射关系，作为该坐标位置所对应的数据记录。
3.根据权利要求1或2所述一种基于室内伪卫星信号载噪比的终端定位方法，其特征在于：所述终端按如下步骤ⅰ至步骤ⅱ，获得其所在位置来自各伪卫星发射节点的信号强度；
步骤ⅰ.分别针对终端位于所在位置的各个朝向，获得终端位于该位置朝向下、来自各伪卫星发射节点的信号强度；进而终端获得来自各伪卫星发射节点、分别对应终端所在位置各朝向下的信号强度，然后进入步骤ⅱ；
步骤ⅱ.分别针对各个伪卫星发射节点，针对终端所获来自伪卫星发射节点、分别对应终端所在位置各朝向下的信号强度，按朝向数，获得终端所获来自该伪卫星发射节点的信号强度的平均值，作为终端位于所在位置、所获来自该伪卫星发射节点的信号强度；进而终端获得其所在位置来自各伪卫星发射节点的信号强度。
4.根据权利要求3所述一种基于室内伪卫星信号载噪比的终端定位方法，其特征在于：所述终端获得来自伪卫星发射节点的信号强度的过程中，终端首先获得来自伪卫星发射节点的载噪比，然后根据载噪比到信号强度的转换，终端获得来自伪卫星发射节点的信号强度。
5.根据权利要求4所述一种基于室内伪卫星信号载噪比的终端定位方法，其特征在于，所述步骤C中，按如下公式：
Figure FDA0002150234020000021
获得当前位置所对应各个参考坐标位置的权重ωi，其中，i∈{1、…、I}，j∈{1、…、I}，I表示当前位置所对应参考坐标位置的个数，ωi表示当前位置所对应第i个参考坐标位置的权重，Di表示当前位置所对应第i个参考坐标位置、对应于步骤B中的欧式距离，Dj表示当前位置所对应第j个参考坐标位置、对应于步骤B中的欧式距离。
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