專利名稱：一種利用指紋法的室內(nèi)無線定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線定位的技術(shù)領(lǐng)域，具體地涉及一種利用指紋法的室內(nèi)無線定位方法。
背景技術(shù)：
目前，位置服務(wù)和由此帶來的一系列應(yīng)用越來越受到人們的關(guān)注，移動用戶對位置信息就地性和即時性的需求日益增加。很多用戶感興趣的事件，如環(huán)境監(jiān)測、物流管理、火情報告，必須與位置信息相結(jié)合才有利用價值。目前已較為成熟的定位方法有GPS技術(shù)，被廣泛用于室外定位，定位精度可達到10米左右。而在室內(nèi)，由于墻壁等因素的影響，定位精度難以達到人們的需要。因此在一些特定領(lǐng)域，如室內(nèi)環(huán)境中獲取高精度的定位結(jié)果是人們必須考慮的問題。基于wifi信號強度的定位有著分布廣泛,獲取方便等優(yōu)勢，已成為室內(nèi)無線定位方法研究的熱點之一。該方法需要在感興趣的定位區(qū)域設(shè)立多個無線路由器，作為訪問點(AP)0每個無線路由器可以發(fā)出信號，一般情況下信號強度值(RSS)會隨著距離的增加而衰減。不同的位置可以接收到不同的AP發(fā)來的信號，接收的信號強度值也不同。因此，基于wifi信號強度的定位可以根據(jù)某一位置接收到的來自各AP的信號強度值進行定位。基于wifi信號強度的定位方法主要分為幾何測量法和場景分析法兩種。幾何測量法首先要求根據(jù)無線電信號的傳播模型(經(jīng)驗?zāi)Ｐ突驍?shù)學(xué)模型)，將信號強度值映射為信號傳播的距離。在二維平面上，根據(jù)終端設(shè)備與其它至少三個AP間的距離，通過三邊測量的幾何學(xué)原理來進行位置估計。但是由于室內(nèi)電波傳播的復(fù)雜性，信號強度受到多徑傳播、反射等影響，使得在實際室內(nèi)環(huán)境很難用固定的數(shù)學(xué)模型來刻畫。場景分析法，又稱為指紋法，不是直接將信號強度值的測量映射為信號傳播距離，而是利用在某一地點觀察到的場景特征來推斷觀察者的位置，可以看作是先對信號強度與位置間的內(nèi)在規(guī)律進行學(xué)習(xí)，然后再用新的測量值與學(xué)習(xí)過的樣本點進行匹配。該方法最早在微軟的RADAR系統(tǒng)中于2000年提出，一般分為離線測量和在線定位兩個階段完成定位。離線測量是在需要定位的區(qū)域里按照一定的間隔距離選定若干采樣點，形成一個樣本點的網(wǎng)格，在這些樣本點位置上測量，記錄來自各個AP的信號強度測量向量，這些信息構(gòu)成了信號強度指紋庫。該指紋庫描述了這一固定定位環(huán)境中信號強度與空間位置的關(guān)系。在線定位時，系統(tǒng)采用確定性匹配算法一一 K最近鄰居(KNN)算法，根據(jù)測得的信號強度與數(shù)據(jù)庫中記錄的信號強度進行比較，信號強度均方差最小的那個點的坐標作為估計的位置。由于指紋法較傳統(tǒng)的電波傳播模型能更準確地描述RSS和空間位置的關(guān)系，且無需AP具體位置的先驗信息，因而被廣泛應(yīng)用于基于RSS的室內(nèi)定位系統(tǒng)中。建立指紋庫是實現(xiàn)定位功能的基礎(chǔ)。為了減少RSS不穩(wěn)定帶來的影響,傳統(tǒng)的建立指紋庫的方法是利用時間的相關(guān)性，在同一個樣本點下多次測量取平均值，如

圖1所示，每個樣本點收集各個AP的信號強度值，直接將這些信息存入指紋庫。Shih-Hau Fang提出一種動態(tài)系統(tǒng)，將RSS樣本的時間序列合并成一種狀態(tài)，使用狀態(tài)代替RSS直接進行位置估計。C.Feng在指紋庫中加入了方向信息，分別對O。、90。、180。、270。進行采樣，建立四個方向上的指紋庫，以減少人手持采樣設(shè)備等因素對信號的影響。Xing-chuan Liu提出信號除了時間相關(guān)，在空間上也有相關(guān)性，將一定半徑內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)進行加權(quán)平均，求得一個參考點。BinghaoLi通過實驗對樣本點的數(shù)量進行了比較，表明隨著樣本點增加，樣本點間隔減小，位置估計的精度有所提高。但是樣本點越多，會給測量工作量帶來線性增長。作者指出樣本點存在空間相關(guān)性，即當測量一小部分樣本點時，他們不僅提供了這些位置下的信息，也提供了周圍區(qū)域的信息，利用空間相關(guān)性可以方便地獲得更多的樣本點信息。作者采用了反距離加權(quán)插值法法(LDW)和泛克里金插值法(UK)來建立指紋庫，如圖1所示，利用相鄰樣本點收集各個AP的信號強度值，估計之間的樣本點的信號強度值，一并存入指紋庫?，F(xiàn)有室內(nèi)定位方 法中大多將采樣的數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計后直接建成指紋庫，然而采樣點的密度與定位精度有著直接聯(lián)系，采樣點越密集，定位精度越高。這導(dǎo)致要想獲取精度高的定位效果，離線階段人工勞動工作量大、工作效率低。此外一部分定位方法采用插值法來構(gòu)建指紋庫，但這種方法，插值點信息的準確度無法保證。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種大大降低對采樣點密度的要求、豐富信號強度分布信息、在降低工作量的同時保持高精度的定位結(jié)果的利用指紋法的室內(nèi)無線定位方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:這種利用指紋法的室內(nèi)無線定位方法，包括離線訓(xùn)練階段和在線定位階段，離線訓(xùn)練階段包括以下步驟:(I)建立室內(nèi)環(huán)境并采集信號強度數(shù)據(jù)；(2)構(gòu)造低采樣率的原始指紋庫；(3)通過低秩矩陣填充模型對原始指紋庫進行重構(gòu)，低秩矩陣填充模型為公式(I)minrank (X) s.t.A (X) =B (I)其中A(X)為模板算子，X是一個包含全部采樣點的測量矩陣，每個元素X(i，j)代表采樣點(i，j)接收到來自某一訪問點AP的信號強度，A(X)=B,只有相對稀疏的被實際測量過的采樣點的存在有效信號強度值，A(X)定義為公式(2)的矩陣Q，
[0019
權(quán)利要求
1.一種利用指紋法的室內(nèi)無線定位方法，包括離線訓(xùn)練階段和在線定位階段，其特征在于， 離線訓(xùn)練階段包括以下步驟: (1)建立室內(nèi)環(huán)境并采集信號強度數(shù)據(jù)； (2)構(gòu)造低采樣率的原始指紋庫； (3)通過低秩矩陣填充模型對原始指紋庫進行重構(gòu)，低秩矩陣填充模型為公式(I) minrank (X) s.t.A (X) =B (I) 其中A(X)為模板算子，X是一個包含全部采樣點的測量矩陣，每個元素X(i，j)代表采樣點(i，j)接收到來自某一訪問點AP的信號強度，A⑴=B，只有相對稀疏的被實際測量過的采樣點的存在有效信號強度值，A(X)定義為公式(2)的矩陣Q，
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用指紋法的室內(nèi)無線定位方法，其特征在于，步驟(3)還包括通過帶平滑化的低秩矩陣填充模型對原始指紋庫進行重構(gòu)，帶平滑化的低秩矩陣填充模型為公式(4)minrank(X) + λ S (X) s.t.A(X) =B (4) 其中S(X)是一個表示X連續(xù)性的平滑因子，S(X)的值越小，代表X的連續(xù)性越好，λ是由實驗獲得的平衡系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用指紋法的室內(nèi)無線定位方法，其特征在于，通過矩陣水平和垂直方向的差來定義S (X)，見公式(5 )
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用指紋法的室內(nèi)無線定位方法，其特征在于，步驟(3)中對低秩矩陣填充模型和帶平滑化的低秩矩陣填充模型的求解采用奇異值分解SVD方法，通過交替迭代求解，生成重構(gòu)的指紋庫。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用指紋法的室內(nèi)無線定位方法，其特征在于，SVD方法為:通過公式(9)分解可以分為為三個矩陣 X = U Σ Vt (9) 其中U是一個大小為NI XN1的酉矩陣,V是一個大小為N2XN2的酉矩陣，Σ是一個大小為N1XN2的對角矩陣，包含降序排列的奇異值σ k，將矩陣X因式分解為公式(10) X = U Σ Vt = LRt (10) 其中L = U Σ 1/2, R = VE 1/2，這樣帶平滑化的低秩矩陣填充模型更新為公式(11) mnratik{LRT) + AV Dx(LR1)I ；.+ ! Dr(ATiy)!;.) s.t.A(AZiy ) = ^(Il) 設(shè)L為一個大小為 N1XK的矩陣，R為一個大小為N2XK的矩陣，這里K是由矩陣X的秩預(yù)估計的值，這樣帶平滑化的低秩矩陣填充模型更新為公式(12) min !I LWl+W 鄉(xiāng) + 刈丨 Dv(Ii r)|[J+l|s.t.A (LRt) =B (12) 考慮到移動終端接收到的信號強度值通常不夠精確，和場景中的矩陣不完全符合低秩特性，放寬A (LRt) =B的約束條件，變換帶約束的帶平滑化的低秩矩陣填充模型為非約束模型，見公式(13)minIl 1||>+|| 雨 A(Ii r)-5||>+ 2(11 Dx(Mr)II2f+11 Dv(Mr)II2f)(13) 其中l(wèi)lA(Zi^)-5||2P代表采樣子集B在平衡權(quán)重η的重構(gòu)誤差， 通過上式交替迭代過程導(dǎo)出L和R:首先我們隨機給定L和R的初始值，然后固定L，通過最小二乘法優(yōu)化R ;之后更新R，固定R，讓L作為優(yōu)化變量；重復(fù)以上交替迭代過程，直到目標函數(shù)收斂并且達到預(yù)設(shè)的誤差閾值。
全文摘要
本發(fā)明公開一種大大降低對采樣點密度的要求、豐富信號強度分布信息、在降低工作量的同時保持高精度的定位結(jié)果的利用指紋法的室內(nèi)無線定位方法，包括離線訓(xùn)練階段和在線定位階段，離線訓(xùn)練階段包括以下步驟(1)建立室內(nèi)環(huán)境并采集信號強度數(shù)據(jù)；(2)構(gòu)造低采樣率的原始指紋庫；(3)通過低秩矩陣填充模型對原始指紋庫進行重構(gòu)，低秩矩陣填充模型為minrank(X) s.t.A(X)＝B；在在線定位階段中，將用于測試的信號強度向量與重構(gòu)的指紋庫中的每一個采樣點的信號強度向量進行匹配，當前位置坐標利用各已知采樣點坐標進行估計來得到在線定位坐標。
文檔編號H04W64/00GK103139907SQ201310044048
公開日2013年6月5日 申請日期2013年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月4日
發(fā)明者孫艷豐, 胡永利, 周薇 申請人:北京工業(yè)大學(xué)