本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及無線傳感網(wǎng)絡(luò)的定位，具體是指一種室內(nèi)定位方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代生活方式的改變，室內(nèi)定位的應(yīng)用越來越多，監(jiān)獄、消防、醫(yī)院里的定位應(yīng)用尤其廣泛。由于室內(nèi)定位面臨著復(fù)雜的傳播環(huán)境，房間結(jié)構(gòu)的不同、建筑材料的差異都會對信號的傳播產(chǎn)生影響，信號的穿墻、繞射、折射傳播會導(dǎo)致非視距NLOS誤差，因此一般的直接定位方法都不太適用。

傳統(tǒng)定位方法是先估計(jì)移動站和基站之間的距離，然后通過一些基于幾何測量的算法實(shí)現(xiàn)位置信息的估計(jì)，因此，距離估計(jì)是定位算法的基礎(chǔ)。如，在到達(dá)時間法(Time of Arrival，TOA)測量中，信號節(jié)點(diǎn)之間的距離是通過測量信號傳播時間與信號傳播速度的乘積獲得的；到達(dá)時間差法(Time Difference of Arrival，TDOA)測量中，不同信號節(jié)點(diǎn)之間的距離差通過測量信號到達(dá)多個接收節(jié)點(diǎn)的時間差來獲得；接收信號強(qiáng)度測量則依據(jù)信號的傳播損耗模型推導(dǎo)出信號節(jié)點(diǎn)直接的距離。上述傳統(tǒng)定位方法雖然具有算法簡單，容易實(shí)現(xiàn)，對系統(tǒng)硬件要求較低等特點(diǎn)，但由于對距離的估計(jì)容易受到多徑效應(yīng)，非視距環(huán)境的信號衰減和特殊環(huán)境等因素的影響，信號的傳播很難以模型的方式給出準(zhǔn)確的預(yù)測，距離估計(jì)有較大誤差，導(dǎo)致了位置信息的估計(jì)不準(zhǔn)確，復(fù)雜環(huán)境下的非視距(Non Line of Sight，NLOS)傳播是造成TOA及TDOA測距誤差的主要原因。一般此類方法僅能適用于室外的定位環(huán)境，在室內(nèi)的定位精度將大大降低。

通常，在室內(nèi)定位方法中，有基于建筑物規(guī)則結(jié)構(gòu)信息的室內(nèi)定位方法，該方法是利用慣性傳感器實(shí)現(xiàn)初步定位，然后利用建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)的先沿方向進(jìn)行校正，然后采用重采樣得到修正的軌跡。也有一種室內(nèi)定位方法，采用建立信號數(shù)據(jù)庫的方法，實(shí)現(xiàn)對終端進(jìn)行建筑物室內(nèi)水平定位、室內(nèi)垂直定位以及室內(nèi)定位與戶外GPS定位之間的無縫切換。有針對室內(nèi)超寬帶穿墻定位中的NLOS誤差消除的方法，該方法建立了信號的穿墻傳播模型，基于該模型減小NLOS誤差，能夠有效減小誤差并提高對目標(biāo)的定位精度，為實(shí)際系統(tǒng)的布設(shè)提供了理論依據(jù)。有基于脈沖超寬帶IR-UWB定位系統(tǒng)距離誤差建模及性能研究，結(jié)合IR-UWB信號穿墻傳播幾何結(jié)構(gòu)，理論推導(dǎo)了穿墻額外傳播時延導(dǎo)致的幾何距離誤差限?；诶走_(dá)探測技術(shù)的穿墻定位方法中，利用兩接收通道下的目標(biāo)距離和得到目標(biāo)虛擬位置，基于已知的墻體參數(shù)求得該虛擬目標(biāo)的虛擬距離和，以此校正實(shí)際距離，完成目標(biāo)定位。也有穿墻定位中采用超寬帶穿墻雷達(dá)實(shí)現(xiàn)的，利用多通道天線測量參數(shù)估計(jì)針對未知墻體參數(shù)情況下對目標(biāo)物體進(jìn)行位置估計(jì)。

但是以上的一些方法存在一些弊端：1、采用了慣性傳感器的室內(nèi)定位方法需要確定室內(nèi)運(yùn)動目標(biāo)的初始位置及初始方向等信息，具有局限性。2、指紋定位需要進(jìn)行大量的信號強(qiáng)度檢測并進(jìn)行存庫，可移植性不強(qiáng)，且復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境會使定位精度并不高。3、在對墻體引起的NLOS誤差分析中，只針對了單一墻體對信號的時延影響，精度較差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服了上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種能夠充分利用墻體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高精度定位的室內(nèi)定位方法及系統(tǒng)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一個發(fā)明目的是提供一種室內(nèi)定位方法：

所述室內(nèi)定位方法包括：初步測距、定位范圍和距離修正后精確定位，其中以信號損耗估計(jì)誤差最小的墻體組合為參數(shù)修正測距信息以計(jì)算得到精確室內(nèi)定位坐標(biāo)。

優(yōu)選的，信號損耗估計(jì)誤差最小的墻體組合通過同一定位信號所發(fā)射的無線信號墻體衰減系數(shù)獲得，組合信息至少包括墻體材質(zhì)、數(shù)量和厚度等信息，其中墻體衰減系數(shù)為根據(jù)無線電信號在通過不同的墻體組合時產(chǎn)生的能量衰減值。

優(yōu)選的，定位方法包括：

s1：布設(shè)完全覆蓋待測室內(nèi)環(huán)境的足夠數(shù)目基站；

s2：測量移動臺與基站之間的距離，確定移動臺的初步位置及移動臺可能存在的位置區(qū)域；

s3：對移動臺可能存在的位置區(qū)域進(jìn)行分區(qū)，同一區(qū)域內(nèi)經(jīng)過墻體的信號損耗程度相同；

s4：選擇信號損耗估計(jì)誤差最小的墻體組合對移動臺與基站之間的距離進(jìn)行修正更新，獲得移動臺與基站間精確的距離及定位坐標(biāo)；

s5：當(dāng)移動臺移動時，重復(fù)步驟s2至s5。

更優(yōu)選的，移動臺位置區(qū)域的確定方法為：

通過定位算法對移動臺初次定位，得到初始坐標(biāo)，以初始坐標(biāo)為位置區(qū)域中心，對移動臺進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)分析，以分析結(jié)果的值為半邊長或半徑，繪制移動臺的位置區(qū)域；或者，收集不同基站接收的位置信息，確定移動臺的位置區(qū)域，確定方法如最大似然法等。

進(jìn)一步優(yōu)選的，測量移動臺與基站之間距離的方法包括：

飛行時差測距法、到達(dá)時間法、到達(dá)時間差法、接收信號強(qiáng)度指示法、到達(dá)角度法或方向角法。

更優(yōu)選的，分區(qū)具體過程為：

s31：對室內(nèi)墻體結(jié)構(gòu)系數(shù)及墻體節(jié)點(diǎn)建立墻體結(jié)構(gòu)矩陣，結(jié)構(gòu)矩陣A為其中a_ij＝att_ib_i為結(jié)構(gòu)系數(shù)；b_i為墻體厚度；att_i為能量衰減常數(shù)；

s32：遍歷所有墻體交點(diǎn)，找尋屬于移動臺的位置區(qū)域內(nèi)的墻體交點(diǎn)，根據(jù)結(jié)構(gòu)矩陣確定對應(yīng)墻體交點(diǎn)的墻體結(jié)構(gòu)系數(shù)、墻體厚度及墻體類型，利用墻體分割移動臺的位置區(qū)域，得到若干子區(qū)域；

s33：某一基站與移動臺確定一個區(qū)域，遍歷墻體交點(diǎn)，找尋該區(qū)域內(nèi)的墻體交點(diǎn)，根據(jù)此墻體交點(diǎn)繼續(xù)劃分移動臺位置范圍區(qū)域，得到若干劃分后的區(qū)域，劃分后的每一塊區(qū)域?qū)?yīng)著該區(qū)域的移動臺到該基站間信號損耗程度相同的墻體組合類型；

s34：遍歷所有基站，得到最終切割的移動臺位置區(qū)域得到的區(qū)域劃分圖。

進(jìn)一步優(yōu)選的，基站與移動臺的區(qū)域確定方法為：

在移動臺位置區(qū)域范圍內(nèi)找一個點(diǎn)，可以為質(zhì)心、幾何中心，也可以是定位初始點(diǎn)，以該點(diǎn)與基站之間的連線為對角線，確定一矩形區(qū)域，遍歷墻體交點(diǎn)，找尋該區(qū)域內(nèi)的墻體交點(diǎn)，根據(jù)此墻體交點(diǎn)繼續(xù)劃分移動臺位置范圍區(qū)域，得到若干劃分后的區(qū)域，劃分后的每一塊區(qū)域?qū)?yīng)著該區(qū)域的移動臺到該基站間信號損耗程度相同的墻體組合類型；或者，

在移動臺位置區(qū)域范圍內(nèi)找一個點(diǎn)，可以為質(zhì)心、幾何中心，也可以是定位初始點(diǎn)，以該點(diǎn)與基站之間的連線中點(diǎn)為圓心，確定一直徑大于連線值的圓形區(qū)域，圓心在連線上，圓形區(qū)域可覆蓋基站與移動臺，遍歷墻體交點(diǎn)，找尋該區(qū)域內(nèi)的墻體交點(diǎn)，根據(jù)此墻體交點(diǎn)繼續(xù)劃分移動臺位置范圍區(qū)域，得到若干劃分后的區(qū)域，劃分后的每一塊區(qū)域?qū)?yīng)著該區(qū)域的移動臺到該基站間信號損耗程度相同的墻體組合類型。

更優(yōu)選的，信號損耗估計(jì)誤差最小的墻體組合z的計(jì)算方法如下：

$\min Z=\underset{k=1}{\overset{m}{\Σ}}|y_k-\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{att}}_i{b}_i|$

其中為傳播損耗；m為基站的數(shù)量；為DP(Direct Path)下到達(dá)接收天線的距離，d₀為參考位置與發(fā)送天線的距離，是DP(Direct Path)在接收天線處的接收能量(dBm)；是DP(Direct Path)在參考位置處的接收能量(dBm)。

更優(yōu)選的，根據(jù)經(jīng)典路徑損耗模型，估計(jì)的傳播損耗與墻體組合損耗進(jìn)行比較，估計(jì)誤差最小的墻體組合為最優(yōu)墻體組合。

進(jìn)一步優(yōu)選的，移動臺與基站之間的距離信息的修正過程具體為：

s41：首先計(jì)算墻體結(jié)構(gòu)系數(shù)、墻體厚度產(chǎn)生的墻體附加時延，乘以光速，得到修正的距離值，利用修正的距離值對已經(jīng)觀測到的距離進(jìn)行修正；

s42：根據(jù)更新后的距離，通過基于測距的定位算法對移動臺位置進(jìn)行二次求解，得到更為精確的位置坐標(biāo)。

作為一種優(yōu)選的實(shí)施方式，附加時延Δτ的計(jì)算方法如下：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}={\mathrm{\τ}}^{\′}-\mathrm{\τ}=(\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_1}-1)b_1/c+(\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_2}-1)b_2/c+\mathrm{...}+(\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_w}-1)b_w/c;$

其中b_w表示墻體w的厚度，ε_w是墻體w的介電常數(shù)，w是墻體數(shù)量，τ表示LOS(Line of Sight)下的無線定位參數(shù)值，τ′表示NLOS(Non Line of Sight)下的無線定位參數(shù)值，Δτ表示附加時延。

進(jìn)一步的，定位算法選自：

三邊定位法、三角質(zhì)心法、最小二乘法、CHAN算法、半定松弛SDP算法、SOCP(Second-order Cone Programming)、歐氏距離陣定位算法或廣義信賴域子問題GTRS(Generalized Trust Region Subproblem)算法。

本發(fā)明的另一目的是提供一種采用室內(nèi)定位方法的室內(nèi)定位系統(tǒng)，包括：基站以及移動臺；

移動臺包含通信模塊及測距模塊，主要定時向基站發(fā)送無線信號，其中通信模塊用于進(jìn)行呼叫、位置上報等功能；測距模塊用于發(fā)射或接收可穿過不同墻體組合的測距信號；

基站包含通信模塊及信息處理模塊，負(fù)責(zé)與移動臺的通信及位置解算，通過接收移動臺發(fā)射的帶有特定距離信息的無線信號，并將距離信息上傳至定位服務(wù)器，同時用于與移動臺之間進(jìn)行信息傳遞，多個基站布設(shè)在可完全覆蓋待測室內(nèi)環(huán)境處。

優(yōu)選的，移動臺為用戶終端設(shè)備，移動臺位置不固定。

更優(yōu)選的，基站位置固定，根據(jù)室內(nèi)墻體結(jié)構(gòu)的不同，定位同一樓層的二維坐標(biāo)則基站數(shù)量至少為3個，三維坐標(biāo)則基站的數(shù)量至少為4個。

采用了該發(fā)明中的室內(nèi)定位方法及系統(tǒng)，首先采用定位算法求解移動臺的初步位置，并估計(jì)出位置區(qū)域，充分利用了室內(nèi)環(huán)境中建筑結(jié)構(gòu)固定且唯一的信息，依據(jù)不同建筑結(jié)構(gòu)對信號的衰減不同，以及測量得到的信號衰減的能量，得到不同區(qū)域的點(diǎn)到基站間穿過的墻體數(shù)量及類型，找尋各個位置區(qū)域所對應(yīng)的最優(yōu)墻體組合，然后利用不同的建筑結(jié)構(gòu)對信號的衰減的不同可以得到不同的時延信息，得到墻體干擾時延信息，以此對距離測量值進(jìn)行校正，利用此時延信息更新原始測量距離，并再次采用定位算法求解移動臺位置，克服了NLOS環(huán)境復(fù)雜情況下定位精度嚴(yán)重受干擾的問題，并解決了室內(nèi)環(huán)境下由于各種墻體間的阻隔導(dǎo)致普通定位算法精度不高的問題。本方法復(fù)雜度適中，能夠得到室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下更為精確的定位結(jié)果，本方法可適用于各類型的室內(nèi)定位方法，在取得初步位置信息后，采用本發(fā)明的定位方法的位置精度均優(yōu)于各類型的室內(nèi)定位方法。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的室內(nèi)定位方法流程圖；

圖2為本發(fā)明的室內(nèi)定位方法在NLOS情形下的信號穿墻傳播結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的室內(nèi)定位方法的室內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)中定位系統(tǒng)示例圖；

圖4為本發(fā)明的室內(nèi)定位方法的移動臺的區(qū)域切割示例圖；

圖5為本發(fā)明的室內(nèi)定位方法的移動臺的子區(qū)域示例圖；

圖6為本發(fā)明的室內(nèi)定位方法的仿真結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

為了能夠更清楚地描述本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，下面結(jié)合具體實(shí)施例來進(jìn)行進(jìn)一步的描述。

如圖2所示，室內(nèi)定位由于墻體的阻隔，在NLOS情形下的信號穿墻傳播結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，其中穿過墻體后的信號損耗由于墻體結(jié)構(gòu)和種類的不同各不相同。因此在本發(fā)明中，在室內(nèi)環(huán)境一定的情況下，針對室內(nèi)的某一點(diǎn)，可以將信號損耗相同的區(qū)域進(jìn)行分區(qū)，根據(jù)不同的區(qū)域選擇損耗最小的墻體組合作為最優(yōu)墻體組合，對移動臺的位置信息及距離信息進(jìn)行修正，在不增加定位步驟的過程中，僅通過對數(shù)據(jù)的分析和處理，得到更新后的精確坐標(biāo)，從而達(dá)到對室內(nèi)移動臺的準(zhǔn)確定位。

如圖3所示，本實(shí)施案例中，以一個室內(nèi)環(huán)境的平面圖區(qū)域(14m*8m)來描述，圖中黑色粗實(shí)線表示著墻面，整個區(qū)域的四個角分別布設(shè)四個基站，基站通過TOA技術(shù)測量與移動臺間的距離。

如圖1流程圖所示，本發(fā)明的一種室內(nèi)定位方法及系統(tǒng)可按照如下步驟實(shí)現(xiàn)：

s1：采用廣義信賴域子問題(GTRS)算法對移動臺進(jìn)行初步測距定位，得到初步位置坐標(biāo)以此坐標(biāo)為中心，以GTRS算法得到的均方根誤差值為半邊長，確定移動臺的估計(jì)位置區(qū)域，如圖3所示，方形范圍即為移動臺位置范圍；

其中，定位的具體過程為：

通過TOA技術(shù)，得到移動臺到四個基站之間的時間，則測量距離可由光速C與測量參數(shù)信號傳播時間τ_i相乘得到：

d_i＝τ_i×C (1)

在此采用廣義信賴域子問題(GTRS)算法對移動臺位置進(jìn)行初步定位，

$\underset{p}{\min }\underset{i=1}{\overset{4}{\Σ}}{(d_i^2-||p-q_i|{|}^2)}^2---\left(2\right)$

其中p為移動臺的坐標(biāo)，q_i為基站的坐標(biāo)。

s2：對估計(jì)位置區(qū)域進(jìn)行切割劃分。

設(shè)移動臺為a₀(x₀,y₀)，墻體交點(diǎn)為C_n，基站為A_n，在移動臺位置區(qū)域范圍內(nèi)，遍歷所有墻體交點(diǎn)判斷是否在移動臺位置區(qū)域范圍內(nèi)，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)矩陣確定對應(yīng)墻體交點(diǎn)的墻體，將墻體分割該區(qū)域；如圖4所示，移動臺a0的位置范圍為S1，該區(qū)域內(nèi)的墻體交點(diǎn)有C6，對應(yīng)的墻體有C4-C6、C6-C9和C6-C7，切割區(qū)域S1，得到三個子區(qū)域r1、r2、r3；選取基站A1，基站A1與移動臺a0之間可確定一個矩形區(qū)域S2，遍歷所有墻體交點(diǎn)，在區(qū)域S2和S1內(nèi)的有墻體交點(diǎn)C6，連接基站A1與交點(diǎn)C6作一條切割線，將墻體區(qū)域繼續(xù)劃分為r1、r2、r3、r4、r5五個區(qū)域；依次選取其他基站A2、A3、A4，找尋區(qū)域內(nèi)的墻體交點(diǎn)，對應(yīng)切割線，繼續(xù)切割區(qū)域S1；如圖5所示，為最終切割的子區(qū)域示例圖，得到一系列切割后的子區(qū)域，經(jīng)過區(qū)域切割以后，子區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)到對應(yīng)基站Ai間穿過墻體的數(shù)量及總類的組合唯一，因而可以得到有限個墻體組合，整合起來，組成一個有限集。

s3：找尋最符合能量損耗條件的小區(qū)域，利用該區(qū)域?qū)?yīng)的組合墻體的結(jié)構(gòu)信息輔助更新，得到更新后的距離信息；

具體的，利用墻體組合更新測距信息的過程如下：

s3(a)：根據(jù)信號傳播的經(jīng)典路徑損耗模型，遍歷上一步得到墻體組合有限集，找到使得能量損耗Z最小的組合，即為最匹配的墻體組合。

$\min Z=\underset{k=1}{\overset{4}{\Σ}}|y_k-\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{att}}_i{b}_i|---\left(3\right)$

其中，為傳播過程中消耗的能量；為DP(Direct Path)下到達(dá)接收天線的距離，d₀為參考位置與發(fā)送天線的距離，是DP(Direct Path)在接收天線處的接收能量；是DP(Direct Path)在參考位置處的接收能量。

s3(b)：利用上一步得到的墻體組合可以確定移動臺到相應(yīng)基站穿過墻體的數(shù)量及總類，從而可以利用公式(2)和公式(2)修正測量的距離。如下：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}={\mathrm{\τ}}^{\′}-\mathrm{\τ}=(\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_1}-1)b_1/c+(\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_2}-1)b_2/c+\mathrm{...}+(\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_w}-1)b_w/c---\left(4\right)$

d_i′＝(τ′-Δτ)·C (5)

其中b_w表示墻體w的厚度，ε_w是墻體w的介電常數(shù)，w是墻體數(shù)量，τ表示LOS(Line of Sight)下的TOA(Time of Arrival)值，τ′表示NLOS(Non Line of Sight)下的TOA(Time of Arrival)值，Δτ表示附加時延。

s4：根據(jù)更新后的距離信息，再次采用GTRS定位算法求解，得到修正后的位置坐標(biāo)。

如圖6所示的仿真測量結(jié)果，其中虛線為模擬分區(qū)，具體的仿真數(shù)據(jù)如下表：

實(shí)際坐標(biāo)在方形區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)

實(shí)際坐標(biāo)不在方形區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)

有上表及圖6可以看出，當(dāng)方形區(qū)域較大一點(diǎn)(取決于我們?nèi)〉陌霃絉)，使其整個區(qū)域能夠覆蓋到真實(shí)坐標(biāo)的話，那么定位后的坐標(biāo)會更靠近真實(shí)位置；當(dāng)方形區(qū)域較小，定位后的誤差會稍大，但也會比原方法的定位更為精確。總而言之，采用此方法后，能夠使定位后的坐標(biāo)更接近于真實(shí)坐標(biāo)。

在此說明書中，本發(fā)明已參照其特定的實(shí)施例作了描述。但是，很顯然仍可以作出各種修改和變換而不背離本發(fā)明的精神和范圍。因此，說明書和附圖應(yīng)被認(rèn)為是說明性的而非限制性的。