弱計(jì)算平臺上基于無線信號強(qiáng)度的快速現(xiàn)場定位系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種弱計(jì)算平臺上基于無線信號強(qiáng)度的快速現(xiàn)場定位系統(tǒng)，屬于無線 定位技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 建筑物的遮擋和復(fù)雜的城市環(huán)境使得GNSS等全球定位系統(tǒng)難W勝任室內(nèi)定位的 重任，而人們大部分時(shí)間是在室內(nèi)生活和工作，對室內(nèi)定位需求越來越大。目前已有基于移 動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的廣域室內(nèi)外高精度定位，基于局域無線網(wǎng)定位W及基于超聲波、紅外、圖像W 及超寬帶等技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)。
[0003]基于局域無線信號強(qiáng)度的定位方案主要有兩種：一種是根據(jù)無線信號傳播衰減模 型，如線性距離路徑損耗模型、對數(shù)距離路徑損耗模型、衰減因子模型等，由接收到的來自 不同發(fā)射點(diǎn)的無線信號強(qiáng)度得到對應(yīng)的距離，再根據(jù)=邊測量法、雙曲線測量法、最小二乘 法等方法對待定位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。另一種是根據(jù)無線信號的室內(nèi)場強(qiáng)分布，即無線信號強(qiáng) 度指紋進(jìn)行室內(nèi)定位，運(yùn)種方法根據(jù)事先采集到的數(shù)據(jù)，建立無線信號室內(nèi)強(qiáng)度模型，定位 時(shí)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)和場強(qiáng)模型進(jìn)行匹配并解算出當(dāng)前位置。
[0004] 由于室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，目前尚無統(tǒng)一的無線信號衰減模型能夠精確描述，從而對 基于信號衰減模型定位方法的精度有較大影響。理論上若設(shè)待測定位節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)為 (X，y，Z)，4個(gè)熱點(diǎn)的坐標(biāo)為（Xi，yi，Zi)，由信號衰減模型得到的定位節(jié)點(diǎn)到熱點(diǎn)的距離分別 為山，其中i=L4,根據(jù)幾何關(guān)系可得：
說其中Di=d i2-Xi2-yi2-Zi2-dw2+Xi+i2+yi+i2+Zw2,i= 1~3。熱點(diǎn)配置時(shí)可保證式似中系數(shù)矩陣滿秩， 從而由式（3)求出定位坐標(biāo)。但實(shí)際中由于衰減模型的誤差，使得由信號強(qiáng)度求解的距離 d存在誤差，式（2)很難成立?；跓o線信號場強(qiáng)指紋的定位系統(tǒng)需要事先建立室內(nèi)無線 信號場強(qiáng)數(shù)據(jù)庫，理論上數(shù)據(jù)庫規(guī)模越大，定位精度越高，但定位速度越慢，另外，由于無線 信號場強(qiáng)數(shù)據(jù)庫存放在后臺服務(wù)器，定位時(shí)無線信號場強(qiáng)模式匹配也需要由后臺服務(wù)器執(zhí) 行，其計(jì)算壓力也越大，不適合分布式計(jì)算。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]發(fā)明目的：針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題與不足，本發(fā)明提供一種在弱計(jì)算平臺上 基于無線信號強(qiáng)度的快速現(xiàn)場定位系統(tǒng)，將定位計(jì)算由后臺服務(wù)器轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的定位節(jié)點(diǎn) 上，減少后臺服務(wù)器的計(jì)算壓力和通訊代價(jià)，滿足復(fù)雜環(huán)境下多用戶、實(shí)時(shí)性高的要求，實(shí) 現(xiàn)快速"現(xiàn)場"分布式計(jì)算。如前所述，在基于無線信號傳播衰減模型的測距定位中，由于 測距誤差的存在，使得基于=邊定位構(gòu)建的線性方程組（2)不成立，無法直接通過求解該 方程組得到位置坐標(biāo)。實(shí)際應(yīng)用中多通過構(gòu)建代價(jià)函數(shù)，在定位區(qū)域內(nèi)通過迭代計(jì)算獲得 其條件極值的方式實(shí)現(xiàn)定位，此類方法由于需要迭代計(jì)算，耗費(fèi)較大的計(jì)算成本，且往往得 到的是局部最優(yōu)解而非全局最優(yōu)解。同時(shí)，此類方法難W在弱計(jì)算平臺上進(jìn)行，大量的、并 發(fā)的優(yōu)化計(jì)算給系統(tǒng)后臺服務(wù)器造成巨大的計(jì)算壓力，難W實(shí)現(xiàn)"現(xiàn)場"分布式計(jì)算，不能 滿足復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下多用戶、實(shí)時(shí)性高的要求。
[0008]技術(shù)方案：一種弱計(jì)算平臺上基于無線信號強(qiáng)度的快速現(xiàn)場定位系統(tǒng)，定位系統(tǒng) 主要由信號發(fā)射熱點(diǎn)、定位節(jié)點(diǎn)和服務(wù)器組成，在任意點(diǎn)能夠接收到不少于4個(gè)不同熱點(diǎn) 發(fā)射的無線信號，定位節(jié)點(diǎn)能夠接收來自不同熱點(diǎn)的無線信號并獲知其強(qiáng)度，同時(shí)具有一 定的計(jì)算能力，完成定位算法，能與服務(wù)器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。服務(wù)器主要監(jiān)控定位系統(tǒng)的運(yùn) 行，保存各熱點(diǎn)坐標(biāo)及其信號衰減模型中有關(guān)參數(shù)，并發(fā)送給定位節(jié)點(diǎn)。W常用的對數(shù)距離 路徑損耗模型為例：
[0010] 式中：參數(shù)A為距信號發(fā)射熱點(diǎn)Im處的信號強(qiáng)度巧SSI)，可通過實(shí)測獲得。n為 路徑損耗指數(shù)，理論上為恒定值，但實(shí)際上受環(huán)境、發(fā)射功率、頻率等多種因素影響，很難保 持恒定不變。為此需根據(jù)實(shí)測RSSI-d數(shù)據(jù)獲得n-RSSI的關(guān)系，采用實(shí)測數(shù)據(jù)不可能獲得 任意信號強(qiáng)度對應(yīng)的參數(shù)n，為此需要進(jìn)行插值處理。系統(tǒng)事先將信號強(qiáng)度與模型中損耗參 數(shù)n的對應(yīng)關(guān)系的插值參數(shù)計(jì)算并保存在服務(wù)器中。
[0011] 定位時(shí)定位節(jié)點(diǎn)獲取至少4個(gè)不同熱點(diǎn)的無線信號強(qiáng)度，如果接收到多于4個(gè)不 同熱點(diǎn)的信號，根據(jù)信號強(qiáng)度的均值和方差判定其可靠性與穩(wěn)定性，根據(jù)可靠性、穩(wěn)定性依 次向服務(wù)器申請對應(yīng)熱點(diǎn)的坐標(biāo)及有關(guān)信號衰減參數(shù)，直至定位節(jié)點(diǎn)收到服務(wù)器發(fā)來的4 組不同熱點(diǎn)的坐標(biāo)及信號衰減參數(shù)。定位節(jié)點(diǎn)根據(jù)獲取熱點(diǎn)的位置坐標(biāo)和信號衰減模型中 的參數(shù)A和n的插值參數(shù)，求解出n。再依據(jù)構(gòu)建的各個(gè)信號衰減模型換算出定位節(jié)點(diǎn)距不 同熱點(diǎn)的距離。定位過程中首先將4個(gè)熱點(diǎn)中=個(gè)一組，可得四個(gè)不同的熱點(diǎn)組合，W熱點(diǎn) 1、2、3為例，在暫不考慮高度時(shí)可按式（1)分別計(jì)算平面坐標(biāo)：
[0012] - I '--1 1，賄 V」[_義3_義'2 扔」LA
[001 引其中Di=di2-Xi2-yi2-Zi2-dw2+Xw2+yw'+ZW',i= 1 ~2。由上式可知，若發(fā)射無 線信號的熱點(diǎn)位置設(shè)置符合要求，即使存在測距誤差，Di中含有ZW2-Zi2項(xiàng)，該方程組仍有 唯一解。對（1)求解可得（xi，yi)，利用另3個(gè)熱點(diǎn)組合按上述方法可求得（x2，y2) (x3，y3) (x4，y4)，根據(jù)定位空間及其它已知知識剔除不合理的解，求剩余合理解的均值反J)，將 反.刀代入方程組（2)中，可得高度坐標(biāo)z\z2、z3、z4。剔除不合理值，求剩余合理值的均值 吉。將盡J)及之合成,兵JJ)作為本次定位中定位節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)。
[0014] 在本發(fā)明所述的定位過程中，定位節(jié)點(diǎn)在定位前從服務(wù)器獲取定位環(huán)境中無線熱 點(diǎn)的位置坐標(biāo)和對應(yīng)的信號衰減模型中A和n的插值參數(shù)，通信數(shù)據(jù)量較小，本發(fā)明所給出 的測距和定位計(jì)算僅含有簡單數(shù)值運(yùn)算和二元線性方程組求解，基于單片機(jī)的終端、平板 電腦、智能手機(jī)等弱計(jì)算平臺完全能夠勝任。本發(fā)明將運(yùn)算壓力從服務(wù)器轉(zhuǎn)移到定位終端， 降低了服務(wù)器的計(jì)算壓力和通信壓力，避免了系統(tǒng)容量受服務(wù)器計(jì)算能力的限制，實(shí)現(xiàn)"現(xiàn) 場"快速分布式計(jì)算，滿足復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下大用戶量、實(shí)時(shí)性高的要求。
[0015] 有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：部署簡便，簡化測距和位置解 算算法，使其能夠在計(jì)算較弱的定位平臺上快速完成，實(shí)現(xiàn)"現(xiàn)場"分布式計(jì)算，滿足復(fù)雜室 內(nèi)環(huán)境下大用戶量并發(fā)、實(shí)時(shí)性高的要求。本發(fā)明所給出的定位算法經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，定位誤差 均值不大于2m，定位精度能夠滿足實(shí)際需要，定位系統(tǒng)對定位節(jié)點(diǎn)依賴性較小，平臺豐富。 系統(tǒng)能夠支撐大用戶并發(fā)、實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用場合。
【附圖說明】
[0016] 圖1是本發(fā)明的定位環(huán)境布置圖；
[0017] 圖2是在環(huán)境中選取10個(gè)定位點(diǎn)定位后的結(jié)果圖，展示了定位距離上的誤差均值 和方差；
[0018] 圖3是使用兩個(gè)不同的定位節(jié)點(diǎn)設(shè)備，對環(huán)境中相同的8個(gè)定位點(diǎn)分別定位后的 結(jié)果比較圖，標(biāo)明了不同設(shè)備定位距離上的定位誤差方差；
[001引圖4是圖3同樣定位條件下的結(jié)果比較圖，標(biāo)明距離上的定位誤差均值；
[0020] 圖中1.熱點(diǎn)1,2.熱點(diǎn)2,3.熱點(diǎn)3,4.熱