CN110913474A - 一种室内定位中的距离指纹数据采集方法 - Google Patents

一种室内定位中的距离指纹数据采集方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种室内定位中的距离指纹数据采集方法，包括：步骤一，选择起算原点，建立局域直角坐标系；步骤二，以格网方式等步长布设参考点，记录其在所述局域直角坐标系下的坐标；步骤三，根据参考点在所述局域直角坐标系下的坐标，测量获得附近无线传感器接入点在所述局域直角坐标系下的坐标；步骤四，根据参考点与附近无线传感器接入点在所述局域直角坐标系下的坐标，计算得到它们之间的几何距离；步骤五，将参考点至附近无线传感器接入点之间的几何距离存储至位置指纹数据库中。本发明方法无需精确测定参考点和接入点的绝对坐标即能准确获得两者之间的几何距离，从而能够丰富位置指纹数据库信息、提升匹配算法性能、提高室内定位精度。

Description

一种室内定位中的距离指纹数据采集方法
技术领域
本发明涉及物联网、室内定位、基于位置的服务领域。具体地，涉及一种室内定位位置指纹数据库的建立方法。
背景技术
位置指纹法（Fingerprint）是一类重要的室内定位方法。其基本原理是对定位环境进行抽象和形式化描述，使用多个无线传感器（如WiFi、蓝牙等）接入点的接收信号强度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）描述环境中的位置信息，并在地面参考点上采集这些RSSI值建立位置指纹数据库（Database）；用户通过将自身实时测量得到的RSSI测量值与位置指纹数据库中的RSSI参考值匹配，选取出与自身RSSI测量值具有最佳相似度的若干参考点，使用K邻近（K-Nearest Neighbor，KNN）、加权K邻近（Weighted K-Nearest Neighbor，WKNN）等算法计算得到自身位置坐标。
由于无需采用全球定位***（Global Positioning System，GPS）式的三边距离交会定位模型，位置指纹法能够有效避免无线电信号在室内环境下的非视距（Non-Line ofSight，NLOS）和多径（Multi-path）等误差影响，同时也规避了室内环境下难以准确测量得到无线传感器接入点绝对位置坐标的难题。然而，由于接入点无线电信号RSSI值在室内复杂环境中的波动和测量误差较大，因此位置指纹法一般仅能获得数米的实际定位精度，性能有待提升。
研究表明，若能准确测定地面参考点至附近接入点的几何距离，就能将其与RSSI值共同作为指纹数据存储，从而优化匹配算法、进一步提升定位性能。根据一般理解，要获得地面参考点至附近接入点的准确距离，需要首先准确测量得到参考点及接入点的绝对位置坐标。然而，由于在室内无法使用GPS，因此精确测定参考点及接入点的绝对位置坐标并非易事（无论是相对大地坐标系还是室内局域坐标系下的），这会增加带来巨大的工作量。因此，在室内定位中，一般难以实际运用上述具有更优性能的方法。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提出了一种室内定位中的距离指纹数据采集方法，无需精确测定地面参考点与无线传感器接入点的绝对位置坐标即能准确测量计算获得两者之间的几何距离，从而将其与参考点上测量得到的RSSI值一同作为指纹数据存储并用于后续处理，优化匹配算法性能、提高定位精度。
一方面，本发明实施例提出一种室内定位中的距离指纹数据采集方法，该方法包括：步骤一，在室内定位区域内或者附近选择某一位置作为起算原点，建立局域直角坐标系；步骤二，在所述定位区域内的地面上，以格网的方式等步长地布设参考点，依次推算和记录所述参考点在所述局域直角坐标系下的坐标；步骤三，根据一个或多个所述参考点在所述局域直角坐标系下的坐标，测量获得所述参考点附近的无线传感器接入点在所述局域直角坐标系下的坐标；步骤四，根据所述参考点与附近所述无线传感器接入点在所述局域直角坐标系下的坐标，计算得到所述参考点至附近所述无线传感器接入点之间的几何距离；步骤五，将所述参考点至附近所述无线传感器接入点之间的几何距离存储至位置指纹数据库中。
根据一些实施例，其中所述步骤三还包括：使用激光测距仪或卷尺测量得到所述无线传感器接入点至地面的垂直高度，从而得到所述无线传感器接入点在所述局域直角坐标系下的高程坐标。
根据一些实施例，其中所述步骤三还包括：根据所述无线传感器接入点在地面格网中的投影位置，利用格网顶点上所述参考点在所述局域直角坐标系下的坐标，插值计算得到所述无线传感器接入点在所述局域直角坐标系下的平面坐标。
根据一些实施例，其中所述步骤四还包括：在计算所述参考点至附近所述无线传感器接入点之间的几何距离时，某一所述无线传感器接入点所对应的所述参考点的数量，由所述无线传感器接入点信号的有效覆盖范围以及所述参考点格网坐标的布设精度共同决定。
根据一些实施例，其中所述步骤五还包括：在所述参考点处采集得到附近无线传感器接入点的媒体存取控制（Media Access Control，MAC）地址，以及所述参考点至附近无线传感器接入点的RSSI值，将所述MAC地址、所述RSSI值以及所述参考点至附近所述无线传感器接入点之间的欧式距离共同存储至位置指纹数据库中。
本发明所提供的一种室内定位中的距离指纹数据采集方法，使用地面参考点的局域坐标计算附近无线传感器接入点的局域坐标。由于地面参考点的局域坐标原本即需要标定记录，因此利用其去测量获得附近接入点的坐标并不会额外增加太多工作量。更重要的是，由此获得的参考点位置坐标与接入点位置坐标的误差是公共性的，在计算两者之间几何距离时，这一公共误差会被消除、不会影响几何距离的测定，因此能够获得两者之间准确的几何距离值。
附图说明
图1 为建立室内局域坐标系的示意图；
图2为根据本发明的布设参考点并推算和记录参考点局域坐标的示意图；
图3 为根据本发明的根据参考点局域坐标测量获得附近接入点局域坐标的示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本公开的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本公开作详细说明。下面结合附图和具体实施例对本公开的实施例作进一步详细描述，但不作为对本公开的限定。
本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
本公开使用的所有术语（包括技术术语或者科学术语）与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
针对现有技术中存在的上述问题，发明人注意到，不同于传统思路，要采集获得参考点至附近接入点的几何距离，并不需要精确测定参考点和接入点的准确的位置坐标；相反，仅需通过简单的操作，即能利用参考点的局域坐标同步获得接入点的局域坐标，进而计算得到两者之间的距离。虽然在布设地面参考点时，受限于实际作业精度，参考点局域坐标是存在误差的（且误差可能会被累积和传递，越远离起算原点的参考点坐标误差越大），但由于接入点的局域坐标也是根据附近参考点的局域坐标测量得到的，因此两者的误差具有公共性。在计算几何距离时，两者之间的公共误差会被消除，从而不会影响几何距离的计算精度。
有鉴于此，本发明的发明人提供了一种室内定位中的距离指纹数据采集方法，包括：
步骤一，在室内定位区域内或者附近选择某一位置作为起算原点，建立局域直角坐标系；
步骤二，在所述定位区域内的地面上，以格网的方式等步长地布设参考点，依次推算和记录所述参考点在所述局域直角坐标系下的坐标；
步骤三，根据一个或多个所述参考点在所述局域直角坐标系下的坐标，测量获得所述参考点附近的无线传感器接入点在所述局域直角坐标系下的坐标；
步骤四，根据所述参考点与附近所述无线传感器接入点在所述局域直角坐标系下的坐标，计算得到所述参考点至附近所述无线传感器接入点之间的几何距离；
步骤五，将所述参考点至附近所述无线传感器接入点之间的几何距离存储至位置指纹数据库中。
其中，在所述步骤一中，主要是在无法正常接收和使用GPS信号的室内建立一套用于定位和导航的坐标参考基准。坐标参考基准由坐标原点O及坐标轴指向共同定义。原点O可在室内区域中选择某一合适的位置点担任，并可进一步以原点O处垂线方向为Z轴（指向天顶为正），子午线方向为X轴（指向北为正），Y轴与X、Z轴垂直（指向东为正）建立左手直角坐标系（X、Y轴组成的平面直角坐标系与测量学中的平面直角坐标系保持一致）。这样建立的局域坐标系，实际上属于垂线站心直角坐标系。
在已知局域坐标系原点O的大地坐标的情况下，可以建立室内局域坐标系与室外 大地坐标系之间的转换关系。此时，也可将局域坐标系原点O选择在窗边、窗外或者附近室 外某处能够正常接收和使用GPS信号进行定位的地方，以方便直接测量获得局域坐标系原 点O的大地坐标。具体而言，若已知坐标原点O的地心坐标
Figure 880734DEST_PATH_IMAGE001
和大地坐标经纬 度
Figure 329033DEST_PATH_IMAGE002
，则空间中任意一点P在以O为原点的局域坐标系下的坐标
Figure 515294DEST_PATH_IMAGE003
为：
Figure 644924DEST_PATH_IMAGE004
(1)
其中，
Figure 990455DEST_PATH_IMAGE005
为点P的地心坐标。反之，若已知点P在以O为原点的局域坐标系下的坐 标
Figure 219442DEST_PATH_IMAGE006
，则点P的地心坐标
Figure 283213DEST_PATH_IMAGE007
为：
Figure 888638DEST_PATH_IMAGE008
(2)
由此，可方便地建立室内局域坐标系与室外大地坐标系之间的转换关系。
在所述步骤二中，在定位区域地面上以格网的方式等步长地布设参考点，并依次 推算和记录各个参考点在所述局域直角坐标系下的坐标。如说明书附图2所示，坐标原点O 一般也是地面参考点布设的起算点。通常采用正方形格网的方式等步长地布设参考点，根 据所需定位精度，步长l可取不同值。记原点O的平面局域坐标为(0, 0)，则参考点
Figure 88675DEST_PATH_IMAGE009
的 平面局域坐标
Figure 816460DEST_PATH_IMAGE010
为：
Figure 475849DEST_PATH_IMAGE011
（3）
实际工作中，一般使用卷尺、激光测距仪等工具和仪器测量步长、布设参考点。但无论使用何种手段，受限于测量和作业精度，都会给参考点局域坐标带来误差。本发明方法对参考点局域坐标的精度要求较为宽松，允许其存在较大的误差，从而使得指纹库数据采集人员可以使用更简单的工具和方式，更快速地测量和布设参考点。
在所述步骤三中，利用参考点的局域坐标获得其周边接入点的局域坐标，具体可 分为高程局域坐标和平面局域坐标的获取。如图3所示，对于接入点S的高程局域坐标
Figure 9598DEST_PATH_IMAGE012
， 可使用激光测距仪、卷尺或铅垂线等工具测量得到；对于接入点S的局域平面坐标
Figure 939508DEST_PATH_IMAGE013
，可根据其在地面上所处格网中的投影位置，利用格网顶点上多个参考 点的局域坐标插值计算得到。具体而言，若接入点S的地面投影
Figure 103773DEST_PATH_IMAGE014
距离所在格网点4个顶 点
Figure 876557DEST_PATH_IMAGE015
、
Figure 558206DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 998414DEST_PATH_IMAGE017
和
Figure 68001DEST_PATH_IMAGE018
的距离分别为
Figure 203448DEST_PATH_IMAGE019
、
Figure 79000DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 473248DEST_PATH_IMAGE021
和
Figure 979316DEST_PATH_IMAGE022
，4个顶 点的局域平面坐标分别为
Figure 461113DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 15722DEST_PATH_IMAGE023
、
Figure 102627DEST_PATH_IMAGE024
和
Figure 841912DEST_PATH_IMAGE025
，则一种获得接入点S 的局域平面坐标
Figure 686372DEST_PATH_IMAGE026
的简单插值方式为：
Figure 841409DEST_PATH_IMAGE028
（4）
由此，即可综合得到接入点S的三维局域坐标
Figure 845138DEST_PATH_IMAGE029
。
在所述步骤四中，在根据参考点局域坐标获得接入点局域坐标后，即可计算得到 两者之间的几何距离。上述接入点S至格网点4个顶点
Figure 365112DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 821501DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure 950869DEST_PATH_IMAGE031
和
Figure 543524DEST_PATH_IMAGE032
的几何距离
Figure 499979DEST_PATH_IMAGE033
、
Figure 443664DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 206084DEST_PATH_IMAGE035
和
Figure 794191DEST_PATH_IMAGE036
分别为：
Figure 780601DEST_PATH_IMAGE037
（5）
理论上，虽然可以通过上述方式得到室内定位区域内所有参考点至所有接入点之间的几何距离并作为指纹数据存储，但一般并不建议这样处理。这是由于各个参考点的局域坐标从原点O开始依次布设和推算得到，因此由于测量误差的存在，参考点的局域坐标误差会被传递和放大。理论上，越远离起算原点O的参考点局域坐标所可能具有的误差越大。因此，当一个参考点和一个接入点相距较远时，由上述方式所计算得到的几何距离误差可能过大，从而不宜将其作为指纹数据存储使用。具体地，某一接入点所对应参考点几何距离值的数量，应由所采用无线传感器接入点信号的有效覆盖范围及参考点格网坐标的布设精度共同决定。当无线传感器的有效覆盖范围相对较大且参考点格网坐标的布设精度相对较高时，可在各参考点上计算其至附近较多接入点之间的几何距离值并存储；反之，应减少计算和存储各参考点至附近接入点的几何距离值数量。
在所述步骤五中，将采集得到的参考点至接入点之间的几何距离存储至指纹数据库中，用作后续处理。虽然仅利用几何距离指纹信息也能实现对用户位置的指纹匹配定位，但大多数算法需要将几何距离指纹数据与传统RSSI指纹数据结合起来使用，才能获得显著更优的定位性能。因此，为充分发挥几何距离指纹数据的作用，往往将其与在参考点处采集得到的接入点MAC地址、RSSI值等信息共同存储至位置指纹数据库中，提供给后续匹配算法使用。
利用本发明所提供的一种室内定位中的距离指纹数据采集方法，利用地面参考点的局域坐标测量得到附近接入点的局域坐标，进而利用两者的局域坐标计算得到两者之间的几何距离。其主要优势在于，一是利用地面参考点的局域坐标可以很容易地测量获得附近接入点的局域坐标，并不会额外增加太多工作量；二是由此得到的参考点局域坐标与接入点局域坐标的误差会是公共性的，不影响两者之间几何距离的计算，从而可以在参考点局域坐标与接入点局域坐标均存在误差（甚至是较大误差）的情况下，计算得到两者之间准确的几何距离。由此，有效解决了当前室内位置指纹定位中难以高效和准确采集获得距离指纹数据信息的难题，优化匹配算法性能、提高室内定位精度。
以上对本发明多个实施例进行了详细说明，但本发明不限于这些具体的实施例，本领域技术人员在本发明构思的基础上，能够做出多种变型和修改实施例，这些变型和修改都应落入本发明所要求保护的范围之内。

Claims (5)

1.一种室内定位中的距离指纹数据采集方法，该方法包括：
步骤一，在室内定位区域内或者附近选择某一位置作为起算原点，建立局域直角坐标系；
步骤二，在所述定位区域内的地面上，以格网的方式等步长地布设参考点，依次推算和记录所述参考点在所述局域直角坐标系下的坐标；
步骤三，根据一个或多个所述参考点在所述局域直角坐标系下的坐标，测量获得所述参考点附近的无线传感器接入点在所述局域直角坐标系下的坐标；
步骤四，根据所述参考点与附近所述无线传感器接入点在所述局域直角坐标系下的坐标，计算得到所述参考点至附近所述无线传感器接入点之间的几何距离；
步骤五，将所述参考点至附近所述无线传感器接入点之间的几何距离存储至位置指纹数据库中。
2.根据权利要求1所述的一种室内定位中的距离指纹数据采集方法，其中所述步骤三还包括：
使用激光测距仪或卷尺测量得到所述无线传感器接入点至地面的垂直高度，从而得到所述无线传感器接入点在所述局域直角坐标系下的高程坐标。
3.根据权利要求1所述的一种室内定位中的距离指纹数据采集方法，其中所述步骤三还包括：
根据所述无线传感器接入点在地面格网中的投影位置，利用格网顶点上所述参考点在所述局域直角坐标系下的坐标，插值计算得到所述无线传感器接入点在所述局域直角坐标系下的平面坐标。
4.根据权利要求1所述的一种室内定位中的距离指纹数据采集方法，其中所述步骤四还包括：
在计算所述参考点至附近所述无线传感器接入点之间的几何距离时，某一所述无线传感器接入点所对应的所述参考点的数量，由所述无线传感器接入点信号的有效覆盖范围以及所述参考点格网坐标的布设精度共同决定。
5.根据权利要求1所述的一种室内定位中的距离指纹数据采集方法，其中所述步骤五还包括：
在所述参考点处采集得到附近无线传感器接入点的MAC地址，以及所述参考点至附近无线传感器接入点的RSSI值，将所述MAC地址、所述RSSI值以及所述参考点至附近所述无线传感器接入点之间的欧式距离共同存储至位置指纹数据库中。
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