一種基于建筑格局約束的復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下的定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于建筑格局約束的復(fù)雜室內(nèi) 環(huán)境下的定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 室內(nèi)定位應(yīng)用是物聯(lián)網(wǎng)（InternetofThings，IoT)的核心內(nèi)容之一，其相關(guān) 的學(xué)術(shù)研宄和商業(yè)應(yīng)用已經(jīng)廣泛地開展幾十年。這些基于位置的服務(wù)（LocationBased Service，LBS)主要包括應(yīng)急救援、社交網(wǎng)絡(luò)、智能家居和商場廣告推送業(yè)務(wù)。特別是在5G 通信標(biāo)準(zhǔn)中，定位服務(wù)在海量連接中發(fā)揮重要的作用和影響。
[0003]目前典型的室內(nèi)目標(biāo)定位系統(tǒng)一般分為主動式和被動式。被動式定位系統(tǒng)主要借 助于攝像頭和雷達(dá)等方式，在不需要被定位目標(biāo)攜帶任何設(shè)備的情況下完成對目標(biāo)位置的 獲取。主動式定位系統(tǒng)主要借助于被定位目標(biāo)攜帶的特定設(shè)備和周圍環(huán)境部署的設(shè)備的相 對測量值，基于某種通信完成對目標(biāo)位置的獲取。在大規(guī)模商業(yè)化民用定位系統(tǒng)中，主動式 定位方法得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)有的定位系統(tǒng)主要指通過測量參考節(jié)點（AnchorSensor， AS)和移動目標(biāo)（MobileTarget，MT)之間的射頻信號強度，通過射頻信號強度與移動目標(biāo) 間的映射完成定位。這樣的技術(shù)方案已經(jīng)在倉儲、物流、醫(yī)院和家居辦公中被廣泛采用，一 般采用三個來自不同AS的信號強度測量值就可以借助三邊定位法實現(xiàn)MT位置坐標(biāo)的獲 取。然而，當(dāng)已經(jīng)部署的AS發(fā)生故障或由于室內(nèi)建筑物、家居和人員的遮擋等異常因素而 導(dǎo)致某些AS與MT之間無法通信或信號強度受到明顯影響。這樣的通信信道影響可以分為 視距（Line-〇f_Sight，LOS)和非視距（None-Line_of-Sight，NLOS)情況。但是，針對室內(nèi) 復(fù)雜環(huán)境中存在的L0S和NL0S場景，當(dāng)前絕大多數(shù)定位系統(tǒng)或定位策略將無法計算或無法 保證精度地計算MT的位置信息。因此，在上述在室內(nèi)廣泛存在的信號衰落情況下，在不增 加任何設(shè)備的前提下，如何采用有效的方法解決室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境噪聲和衰落環(huán)境下的定位問 題，對于實際系統(tǒng)的應(yīng)用和魯棒性具有重大意義。
[0004] JamesJ.Caffery等人提出的基于最小均方估計的定位方法（J.J.Caffery,Anew approachtothegeometryofTOAlocation,IEEEVehicularTechnologyConference Proceedings, 4, 2000, 1943-1949)。該定位估計方法已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于定位系統(tǒng)當(dāng)中， 并有多種以該方法為基礎(chǔ)的改進(jìn)方法。在開闊的場景和密集部署參考節(jié)點的情況下，該 方法能夠獲得令人滿意的定位精度。該方法依賴于接收信號強度與距離之間精確的映 射關(guān)系，并且忽視了環(huán)境中噪聲的影響。這導(dǎo)致該方法只能在較為理想的情況下使用， 否則性能退化明顯。BlumenthalJ等人提出一種加權(quán)中心定位方法〇\131111116111:1^1，1?. Grossmann,F.Golatowski,andD.Timmermann,WeightedCentroidLocalizationin Zigbee-basedSensorNetworks, 2007IEEEInternationalSymposiumonIntelligent SignalProcessing,ConferenceProceedingsBook, 2007, 905-910)，該方法通過將不同參 考節(jié)點的位置按照一定權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均，實現(xiàn)對未知目標(biāo)位置的估計，該權(quán)重值的大小 取決于估計的到各個參考節(jié)點的距離。該方法能夠抵消部分由于嚴(yán)重噪聲和信號衰落引起 的誤差，并在很多定位系統(tǒng)中得到應(yīng)用。然而，該方法依賴于未知位置與各個參考節(jié)點的估 計距離，估計距離引入的誤差將會影響權(quán)重的確定。此外，該方法對參考節(jié)點的布局有一定 要求，并且存在定位區(qū)域的盲區(qū)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于建筑格局約束的復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下的 定位方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對環(huán)境的自適應(yīng)，從而獲得較高的定位精度。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：提供一種基于建筑格局約束的復(fù)雜 室內(nèi)環(huán)境下的定位方法，包括以下步驟：
[0007] (1)對環(huán)境噪聲分布的評估：采集參考節(jié)點兩兩之間的信號強度，根據(jù)路徑損耗 模型得到無噪聲的時候估計信號強度，通過與實際信號強度求差，得到估計的噪聲信號強 度；
[0008] (2)對移動目標(biāo)初始位置的計算階段：將待估計位置的先驗分布函數(shù)引入室內(nèi)建 筑格局的地圖信息，并利用自適應(yīng)手段進(jìn)行修正，去除不符合建筑格局約束和移動目標(biāo)運 動特征的待估計位置候選點，以剪枝的方法確定符合約束的候選點集合，得到多信道假設(shè) 下的似然函數(shù)；
[0009] (3)實時定位過程中的位置估計階段：采用最大后驗概率估計算法對多信道假設(shè) 下的所有似然函數(shù)進(jìn)行比較，取似然函數(shù)最大的聯(lián)合估計結(jié)果作為最大后驗概率估計，得 到符合約束條件的位置估計值。
[0010] 所述步驟（1)中通過引入由兩個高斯分布函數(shù)加權(quán)組成的混合高斯分布，來近似 噪聲的分布，從而以對應(yīng)于視距和非視距的高斯分布函數(shù)的均值和方差作為表征環(huán)境中任 意噪聲分布的描述因子。
[0011] 所述步驟⑵中引入符合室內(nèi)移動目標(biāo)移動特性的一般性約束，得到以上一時刻 的估計位置為圓心，以最大允許速度為半徑的候選圓區(qū)域，以圓區(qū)域的離散化點集合形式 描述符合這一運動特征的候選點。
[0012] 所述步驟（2)中待估計位置的先驗分布函數(shù)是給定三個最大的信號強度測量值 和對應(yīng)的參考節(jié)點坐標(biāo)，參照路徑損耗模型和所述噪聲分布的描述因子，計算似然概率函 數(shù)。
[0013] 所述似然概率函數(shù)是對選定的三個參考節(jié)點對應(yīng)的信道模型做出全排列集合，對 應(yīng)集合中每一種信道組合情況，確定該組合條件下的似然函數(shù)，同時，結(jié)合先驗分布函數(shù)， 得到多信道假設(shè)下的似然函數(shù)。
[0014] 所述步驟（2)中先驗分布函數(shù)依賴于上一時刻的位置估計值，逐步追溯到初始時 亥IJ，采用初始位置對應(yīng)的多個多組參考節(jié)點的信號強度測量值，通過拓展卡爾曼濾波器得 到距離各參考節(jié)點的距離估計值。
[0015] 所述初始位置的的估計方法是在獲得到各個參考節(jié)點的距離估計值的前提下，通 過最小均方估計方法得到初始位置的估計值。
[0016] 有益效果
[0017] 由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點和積極效 果：本發(fā)明的環(huán)境部署簡單，通過參考節(jié)點間的數(shù)據(jù)采集，獲得信道先驗知識，即可進(jìn)行實 時的定位過程，計算復(fù)雜度低，適合低功耗設(shè)備和系統(tǒng)實現(xiàn)。并且，本發(fā)明所需要的信號采 集不需要人的干預(yù)和操作，可自動進(jìn)行，便于在緊急的應(yīng)用場景，如火場救援等場景中提供 可行方案。
【附圖說明】
[0018] 圖1是本發(fā)明的流程圖；
[0019] 圖2是走廊場景示意圖；
[0020] 圖3是估計噪聲分布與真實噪聲分布對比圖；
[0021] 圖4是符合建筑格局約束的先驗分布不意圖。
【具體實施方式】
[0022] 下面結(jié)合具體實施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人 員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定 的范圍。
[0023] 本發(fā)明的實施方式涉及一種基于建筑格局約束的復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下的定位方法，如 圖1所示，包括以下步驟：⑴對環(huán)境噪聲分布的評估：采集參考節(jié)點兩兩之間的信號強度， 根據(jù)路徑損耗模型得到無噪聲的時候估計信號強度，通過與實際信號強度求差，得到估計 的噪聲信號強度；（2)對移動目標(biāo)初始位置的計算階段：將待估計位置的先驗分布函數(shù)引 入室內(nèi)建筑格局的地圖信息，并利用自適應(yīng)手段進(jìn)行修正，去除不符合建筑格局約束和移 動目標(biāo)運動特征的待估計位置候選點，以剪枝的方法確定符合約束的候選點集合，得到多 信道假設(shè)下的似然函數(shù)；（3)實時定位過程中的位置估計階段：采用最大后驗概率估計算 法對多信道假設(shè)下的所有似然函數(shù)進(jìn)行比較，取似然函數(shù)最大的聯(lián)合估計結(jié)果