室内定位方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种室内定位方法及系统，其中室内定位方法包括：初步测距、定位范围和距离修正后精确定位，其中以信号损耗估计误差最小的墙体组合为参数修正测距信息以计算得到精确室内定位坐标。采用了该发明专利技术中的室内定位方法及系统，充分利用了室内环境中建筑结构固定且唯一的信息，依据建筑结构和墙体不同的建筑材料对信号的衰减不同，对测量得到的信号进行拟合，寻找各位置区域所对应的信号损耗估计误差最小的最优墙体组合，得到墙体干扰无线信号传播的时延信息，以此对距离测量值进行校正，改善了室内环境下由于各种墙体间的阻隔导致已有定位算法精度不高的问题，本方法复杂度适中，能够得到室内复杂环境下更为精确的定位结果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及通信
，尤其涉及无线传感网络的定位，具体是指一种室内定位方法及系统。
技术介绍
随着现代生活方式的改变，室内定位的应用越来越多，监狱、消防、医院里的定位应用尤其广泛。由于室内定位面临着复杂的传播环境，房间结构的不同、建筑材料的差异都会对信号的传播产生影响，信号的穿墙、绕射、折射传播会导致非视距NLOS误差，因此一般的直接定位方法都不太适用。传统定位方法是先估计移动站和基站之间的距离，然后通过一些基于几何测量的算法实现位置信息的估计，因此，距离估计是定位算法的基础。如，在到达时间法(Time of Arrival，TOA)测量中，信号节点之间的距离是通过测量信号传播时间与信号传播速度的乘积获得的；到达时间差法(Time Difference of Arrival，TDOA)测量中，不同信号节点之间的距离差通过测量信号到达多个接收节点的时间差来获得；接收信号强度测量则依据信号的传播损耗模型推导出信号节点直接的距离。上述传统定位方法虽然具有算法简单，容易实现，对系统硬件要求较低等特点，但由于对距离的估计容易受到多径效应，非视距环境的信号衰减和特殊环境等因素的影响，信号的传播很难以模型的方式给出准确的预测，距离估计有较大误差，导致了位置信息的估计不准确，复杂环境下的非视距(Non Line of Sight，NLOS)传播是造成TOA及TDOA测距误差的主要原因。一般此类方法仅能适用于室外的定位环境，在室内的定位精度将大大降低。通常，在室内定位方法中，有基于建筑物规则结构信息的室内定位方法，该方法是利用惯性传感器实现初步定位，然后利用建筑结构内的先沿方向进行校正，然后采用重采样得到修正的轨迹。也有一种室内定位方法，采用建立信号数据库的方法，实现对终端进行建筑物室内水平定位、室内垂直定位以及室内定位与户外GPS定位之间的无缝切换。有针对室内超宽带穿墙定位中的NLOS误差消除的方法，该方法建立了信号的穿墙传播模型，基于该模型减小NLOS误差，能够有效减小误差并提高对目标的定位精度，为实际系统的布设提供了理论依据。有基于脉冲超宽带IR-UWB定位系统距离误差建模及性能研究，结合IR-UWB信号穿墙传播几何结构，理论推导了穿墙额外传播时延导致的几何距离误差限。基于雷达探测技术的穿墙定位方法中，利用两接收通道下的目标距离和得到目标虚拟位置，基于已知的墙体参数求得该虚拟目标的虚拟距离和，以此校正实际距离，完成目标定位。也有穿墙定位中采用超宽带穿墙雷达实现的，利用多通道天线测量参数估计针对未知墙体参数情况下对目标物体进行位置估计。但是以上的一些方法存在一些弊端：1、采用了惯性传感器的室内定位方法需要确定室内运动目标的初始位置及初始方向等信息，具有局限性。2、指纹定位需要进行大量的信号强度检测并进行存库，可移植性不强，且复杂的室内环境会使定位精度并不高。3、在对墙体引起的NLOS误差分析中，只针对了单一墙体对信号的时延影响，精度较差。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种能够充分利用墙体结构实现高精度定位的室内定位方法及系统。为了实现上述目的，本专利技术的一个专利技术目的是提供一种室内定位方法：所述室内定位方法包括：初步测距、定位范围和距离修正后精确定位，其中以信号损耗估计误差最小的墙体组合为参数修正测距信息以计算得到精确室内定位坐标。优选的，信号损耗估计误差最小的墙体组合通过同一定位信号所发射的无线信号墙体衰减系数获得，组合信息至少包括墙体材质、数量和厚度等信息，其中墙体衰减系数为根据无线电信号在通过不同的墙体组合时产生的能量衰减值。优选的，定位方法包括：s1：布设完全覆盖待测室内环境的足够数目基站；s2：测量移动台与基站之间的距离，确定移动台的初步位置及移动台可能存在的位置区域；s3：对移动台可能存在的位置区域进行分区，同一区域内经过墙体的信号损耗程度相同；s4：选择信号损耗估计误差最小的墙体组合对移动台与基站之间的距离进行修正更新，获得移动台与基站间精确的距离及定位坐标；s5：当移动台移动时，重复步骤s2至s5。更优选的，移动台位置区域的确定方法为：通过定位算法对移动台初次定位，得到初始坐标，以初始坐标为位置区域中心，对移动台进行误差统计分析，以分析结果的值为半边长或半径，绘制移动台的位置区域；或者，收集不同基站接收的位置信息，确定移动台的位置区域，确定方法如最大似然法等。进一步优选的，测量移动台与基站之间距离的方法包括：飞行时差测距法、到达时间法、到达时间差法、接收信号强度指示法、到达角度法或方向角法。更优选的，分区具体过程为：s31：对室内墙体结构系数及墙体节点建立墙体结构矩阵，结构矩阵A为其中aij＝attibi为结构系数；bi为墙体厚度；atti为能量衰减常数；s32：遍历所有墙体交点，找寻属于移动台的位置区域内的墙体交点，根据结构矩阵确定对应墙体交点的墙体结构系数、墙体厚度及墙体类型，利用墙体分割移动台的位置区域，得到若干子区域；s33：某一基站与移动台确定一个区域，遍历墙体交点，找寻该区域内的墙体交点，根据此墙体交点继续划分移动台位置范围区域，得到若干划分后的区域，划分后的每一块区域对应着该区域的移动台到该基站间信号损耗程度相同的墙体组合类型；s34：遍历所有基站，得到最终切割的移动台位置区域得到的区域划分图。进一步优选的，基站与移动台的区域确定方法为：在移动台位置区域范围内找一个点，可以为质心、几何中心，也可以是定位初始点，以该点与基站之间的连线为对角线，确定一矩形区域，遍历墙体交点，找寻该区域内的墙体交点，根据此墙体交点继续划分移动台位置范围区域，得到若干划分后的区域，划分后的每一块区域对应着该区域的移动台到该基站间信号损耗程度相同的墙体组合类型；或者，在移动台位置区域范围内找一个点，可以为质心、几何中心，也可以是定位初始点，以该点与基站之间的连线中点为圆心，确定一直径大于连线值的圆形区域，圆心在连线上，圆形区域可覆盖基站与移动台，遍历墙体交点，找寻该区域内的墙体交点，根据此墙体交点继续划分移动台位置范围区域，得到若干划分后的区域，划分后的每一块区域对应着该区域的移动台到该基站间信号损耗程度相同的墙体组合类型。更优选的，信号损耗估计误差最小的墙体组合z的计算方法如下： min Z = Σ k = 1 m | y k - Σ i = 0 n att i b i | ]]>其中为传播损耗；m为基站的数量；为DP(Direct Path)下到达接收天线的距离，d0为参考位置与发送天线的距离，是DP(Direct Path)在接收天线处的接收能量(dBm)；是DP(Direct Path)在参考位置处的接收能量(dBm)。更优选的，根据经典路径损耗模型，估计的传播损耗与墙体组合损耗进行比较，估计误本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种室内定位方法，其特征在于，所述室内定位方法包括：初步测距、定位范围和距离修正后精确定位，其中以信号损耗估计误差最小的墙体组合为参数修正测距信息以计算得到精确室内定位坐标。

【技术特征摘要】
1.一种室内定位方法，其特征在于，所述室内定位方法包括：初步测距、定位范围和距离修正后精确定位，其中以信号损耗估计误差最小的墙体组合为参数修正测距信息以计算得到精确室内定位坐标。2.根据权利要求1所述的室内定位方法，其特征在于：信号损耗估计误差最小的墙体组合通过同一定位信号所发射的无线信号墙体衰减系数获得，组合信息至少包括墙体材质、数量和厚度等信息，其中墙体衰减系数为根据无线电信号在通过不同的墙体组合时产生的能量衰减值。3.根据权利要求1所述的室内定位方法，其特征在于，定位方法包括：s1：布设完全覆盖待测室内环境的足够数目基站；s2：测量移动台与基站之间的距离，确定移动台的初步位置及移动台可能存在的位置区域；s3：对移动台可能存在的位置区域进行分区，同一区域内经过墙体的信号损耗程度相同；s4：选择信号损耗估计误差最小的墙体组合对移动台与基站之间的距离进行修正更新，获得移动台与基站间精确的距离及定位坐标；s5：当移动台移动时，重复步骤s2至s5。4.根据权利要求3所述的室内定位方法，其特征在于，移动台位置区域的确定方法为：s31：通过观测到的信号，通过极大似然法确定移动台的位置区域。s32：通过定位算法对移动台初次定位，得到初始坐标，以初始坐标为位置区域中心，对移动台进行误差统计，以统计结果的值为半边长或半径，绘制移动台的位置区域。5.根据权利要求3所述的室内定位方法，其特征在于，分区具体过程为：s33：对室内墙体结构系数及墙体节点建立墙体结构矩阵，结构矩阵包含为结构系数、墙体厚度及能量衰减值；s34：遍历所有墙体交点，找寻属于移动台的位置区域内的墙体交点，根据结构矩阵确定对应墙体交点的墙体结构系数、墙体厚度及墙体类型，利用墙体分割移动台的位置区域，得到若干子区域；s35：某一基站与移动台之间直射信号所覆盖的范围确定一个区域，遍历墙体交点，找寻该区域内的墙体交点，根据此墙体交点继续划分移动台位置范围区域，得到若干划分后的子区域；s36：遍历所有基站，得到最终切割的移动台位置区域得到的区域划分图。6.根据权利要求5所述的室内定位方法，其特征在于，基站与移动台之间信号直射路径所在的区域确定方法为：在移动台位置区域范围内找一个点，以该点与基站之间的连线为对角线，确定一矩形区域，遍历墙体交点，找寻区域内的墙体交点，利用墙体交点与基站间的连线划分移动台位置范围区域，得到若干划分后的子区域。7.根据权利要求5所述的室内定位方法，其特征在于，基站与移动台之间信号直射路径所在的区域确定方法为：在移动台位置区域范围内找一个点，以该点与基站之间的连线中点为圆心，确定一直径大于连线值的圆形区域，圆心在连线上，圆形区域可覆...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚志强，杨东海，王淼，盛孟刚，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43