一種WiFi室內(nèi)定位中指紋庫(kù)的構(gòu)建及更新方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種WiFi室內(nèi)定位中指紋庫(kù)的構(gòu)建及更新方法，具體說(shuō)是一種在 WiFi室內(nèi)定位系統(tǒng)離線構(gòu)建階段利用錨節(jié)點(diǎn)位置的信號(hào)強(qiáng)度和地理加權(quán)回歸方法進(jìn)行指 紋庫(kù)的構(gòu)建，在定位系統(tǒng)在線運(yùn)行階段采用自適應(yīng)的回歸更新方法。該方法能夠大大縮減 WiFi室內(nèi)定位系統(tǒng)指紋庫(kù)構(gòu)建的成本，并實(shí)現(xiàn)了當(dāng)環(huán)境、時(shí)間等因素變化時(shí)，指紋庫(kù)的自適 應(yīng)更新以保證定位系統(tǒng)的精度。屬于WiFi室內(nèi)定位技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著人類社會(huì)發(fā)展，人們對(duì)自身位置信息的需求越來(lái)越大，由此發(fā)展了諸多的導(dǎo) 航定位系統(tǒng)。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS)為人們提供了高精度、全天候的定位服務(wù)，但是由 于其測(cè)量信號(hào)不能穿透建筑物的特點(diǎn)，在高密集建筑群區(qū)和室內(nèi)無(wú)法有效進(jìn)行GNSS定位 服務(wù)，不能滿足人們對(duì)任意時(shí)間，任意位置的定位需求。
[0003] 為了解決高密集建筑群區(qū)和室內(nèi)定位難題，國(guó)內(nèi)外專家提出了一系列技術(shù)方案， 例如：基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的輔助GNSS(A-GNSS)、偽衛(wèi)星技術(shù)、射頻標(biāo)簽（RFID)等。盡管各種 技術(shù)的精度和易用性各有差別，但是大多數(shù)技術(shù)需要布設(shè)額外設(shè)備和改裝大量已有設(shè)備， 可用性弱。從技術(shù)成熟和大規(guī)模應(yīng)用的角度考慮，基于WiFi指紋的室內(nèi)定位系統(tǒng)已成為當(dāng) 前主流的、也是未來(lái)最具發(fā)展?jié)摿Φ氖覂?nèi)定位技術(shù)。
[0004] WiFi指紋室內(nèi)定位系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量來(lái)自接入點(diǎn)AP(AccessPoint)的接收信號(hào)強(qiáng)度 RSSI(ReceivedSignalStrengthIndex)估計(jì)出移動(dòng)設(shè)備的位置。該定位系統(tǒng)分為指紋庫(kù) 離線采樣和在線定位兩個(gè)階段。指紋庫(kù)是通過(guò)在環(huán)境中的每個(gè)參考點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，由它們接 收到來(lái)自該環(huán)境中各個(gè)AP的信號(hào)強(qiáng)度值向量組成。然而，為獲得準(zhǔn)確的指紋庫(kù)，對(duì)信號(hào)向 量進(jìn)行測(cè)量和位置標(biāo)注是一件很耗時(shí)耗力的工作。此外，由于無(wú)線電在室內(nèi)傳播易受到門(mén) 的開(kāi)啟及閉合，障礙物的變動(dòng)，人的走動(dòng)等多重因素影響，為提高室內(nèi)定位系統(tǒng)的魯棒性， 傳統(tǒng)方法需要在參考點(diǎn)處多次測(cè)量并定期重復(fù)采樣來(lái)人工更新指紋庫(kù)。因此本發(fā)明提出了 一種基于錨節(jié)點(diǎn)的地理權(quán)重回歸方法來(lái)構(gòu)建指紋庫(kù)，并自適應(yīng)地進(jìn)行更新。
[0005] 專利CN10374719A中涉及了一種基于信號(hào)強(qiáng)度差值與動(dòng)態(tài)線性插值的室內(nèi)定位 方法。該方法采用線性插值法進(jìn)行構(gòu)建頻譜訓(xùn)練圖譜，并不能較好地建模信號(hào)傳播特征。而 本發(fā)明則利用了地理加權(quán)回歸算法，建模了不同區(qū)域的回歸系數(shù)都不相同，且離開(kāi)已知點(diǎn) 的距離與回歸加權(quán)系數(shù)成反比的特點(diǎn)進(jìn)行構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)，精度更高。
[0006] 專利CN103945531A中提出了一種基于信息熵的WLAN室內(nèi)定位RadioMap更新方 法，主要是利用隱馬爾科夫模型對(duì)離線階段的RadioMap進(jìn)行更新，具有較高的計(jì)算復(fù)雜 度。
[0007] 專利CN103648090A中提供了一種WiFi室內(nèi)定位中指紋庫(kù)的構(gòu)建方法，通過(guò)不斷 去除奇異值來(lái)降低整體數(shù)據(jù)的波動(dòng)程度。該專利主要的數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建來(lái)源還是通過(guò)人工采 集，耗費(fèi)較大。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008] 本發(fā)明的目的在于：提供一種WiFi室內(nèi)定位中指紋庫(kù)的構(gòu)建及更新方法，以解決 現(xiàn)有WiFi室內(nèi)定位系統(tǒng)中，采樣耗費(fèi)大及需要人工定期重復(fù)采樣的問(wèn)題。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)方案：
[0010] 為了優(yōu)化目前廣泛使用的WiFi指紋的室內(nèi)定位系統(tǒng)，解決采樣耗費(fèi)大及需要定 期重復(fù)采樣的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種在離線構(gòu)建階段利用錨節(jié)點(diǎn)上報(bào)的信號(hào)強(qiáng)度及位置 信息和地理權(quán)重回歸方法進(jìn)行指紋庫(kù)的構(gòu)建，在定位系統(tǒng)在線運(yùn)行階段采用自適應(yīng)更新的 回歸方法。
[0011] 本發(fā)明一種WiFi室內(nèi)定位中指紋庫(kù)的構(gòu)建及更新方法，它包括以下幾個(gè)步驟：
[0012] 步驟一：在待定位區(qū)域布放銷節(jié)點(diǎn)，例如房間、走廊拐角、其他定位精度需求高的 區(qū)域，保證每個(gè)AP覆蓋范圍內(nèi)有至少三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)。并在定位服務(wù)器中記錄每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的位 置和對(duì)應(yīng)序號(hào)；
[0013] 其中，所述的"錨節(jié)點(diǎn)"是一種簡(jiǎn)易的WiFi終端，由供電模塊、WiFi發(fā)射及接收模 塊組成，功能是周期性地接收周圍AP的信號(hào)強(qiáng)度，并將信號(hào)強(qiáng)度和位置信息打包發(fā)送給定 位服務(wù)器。
[0014] 其中，所述的"定位服務(wù)器"是用于定位計(jì)算的設(shè)備，運(yùn)行著定位算法，用于計(jì)算。 該"定位算法"是指KNN(Knearest nodes)等定位結(jié)果計(jì)算算法，數(shù)據(jù)庫(kù)更新算法等室內(nèi) 定位相關(guān)的算法。
[0015] 步驟二：定位服務(wù)器根據(jù)這些錨節(jié)點(diǎn)上報(bào)上來(lái)的掃描數(shù)據(jù)包，集合AP的位置信息 以及錨節(jié)點(diǎn)的位置信息，利用地理加權(quán)回歸算法對(duì)整個(gè)區(qū)域的指紋庫(kù)進(jìn)行回歸構(gòu)建。
[0016] 其中，所述的"掃描數(shù)據(jù)包"由錨節(jié)點(diǎn)周期性地上報(bào)得到，內(nèi)容包括該錨節(jié)點(diǎn)附近 AP的MAC地址以及對(duì)應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度列表；
[0017]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種WiFi室內(nèi)定位中指紋庫(kù)的構(gòu)建及更新方法，其特征在于：它包括以下步驟： 步驟一：在待定位區(qū)域布放銷節(jié)點(diǎn)，房間、走廊拐角、其他定位精度需求高的區(qū)域，保證 每個(gè)AP覆蓋范圍內(nèi)有至少三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)，并在定位服務(wù)器中記錄每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的位置和對(duì)應(yīng) 序號(hào)； 其中，所述的"錨節(jié)點(diǎn)"是一種簡(jiǎn)易的WiFi終端，由供電模塊、WiFi發(fā)射及接收模塊組 成，功能是周期性地接收周圍AP的信號(hào)強(qiáng)度，并將信號(hào)強(qiáng)度和位置信息打包發(fā)送給定位服 務(wù)器； 其中，所述的"定位服務(wù)器"是用于定位計(jì)算的設(shè)備，運(yùn)行著定位算法，用于計(jì)算；該"定 位算法"是指KNN即K nearest nodes定位結(jié)果計(jì)算算法，數(shù)據(jù)庫(kù)更新算法室內(nèi)定位相關(guān)的 算法； 步驟二：定位服務(wù)器根據(jù)這些錨節(jié)點(diǎn)上報(bào)上來(lái)的掃描數(shù)據(jù)包，集合AP的位置信息以及 錨節(jié)點(diǎn)的位置信息，利用地理加權(quán)回歸算法對(duì)整個(gè)區(qū)域的指紋庫(kù)進(jìn)行回歸構(gòu)建； 其中，所述的"掃描數(shù)據(jù)包"由錨節(jié)點(diǎn)周期性地上報(bào)得到，內(nèi)容包括該錨節(jié)點(diǎn)附近AP的 MAC地址以及對(duì)應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度列表；
其中，所述的地理加權(quán)回歸算法是指一種回歸算法，該算法利用已知信息加權(quán)時(shí)，不同 區(qū)域的回歸系數(shù)都不相同，且離開(kāi)已知點(diǎn)的距離與回歸加權(quán)系數(shù)成反比，這與信號(hào)的傳播 特征近似，即不同區(qū)域的傳播衰減因子不同，且距離越遠(yuǎn)，相關(guān)度越小； 步驟三：基于錨節(jié)點(diǎn)周期性上報(bào)的數(shù)據(jù)包，對(duì)錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行周期性地定位，根據(jù)已知的錨 節(jié)點(diǎn)位置得到每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的平均定位誤差； 步驟四：根據(jù)每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的平均定位誤差，判斷是否大于一定的精度容忍門(mén)限； 其中，所述的"精度容忍門(mén)限"，是用于判斷當(dāng)前定位精度是否滿足需求的精度門(mén)限，通 過(guò)系統(tǒng)輸入； 步驟五：如果某個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的平均誤差大于了該精度容忍門(mén)限，則認(rèn)為該錨節(jié)點(diǎn)附近區(qū) 域的信號(hào)特征發(fā)生了變化，需要對(duì)指紋庫(kù)進(jìn)行自適應(yīng)更新； 其中，所述的"自適應(yīng)更新"是指一旦判斷到某個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的平均誤差大于精度容忍門(mén) 限，本方法就會(huì)自動(dòng)地對(duì)該錨節(jié)點(diǎn)附近的指紋信息進(jìn)行更新，指紋庫(kù)更新時(shí)也采用地理加 權(quán)回歸算法； 步驟六：對(duì)需要更新的區(qū)域，采用步驟二的方法進(jìn)行自適應(yīng)地理加權(quán)回歸，得到更新后 的指紋庫(kù)； 步驟七：持續(xù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，保證定位精度滿足需求。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種WiFi室內(nèi)定位中指紋庫(kù)的構(gòu)建及更新方法，它有七大步驟。具體說(shuō)是一種在WiFi室內(nèi)定位系統(tǒng)離線構(gòu)建階段利用錨節(jié)點(diǎn)位置的信號(hào)強(qiáng)度和地理權(quán)重回歸方法進(jìn)行指紋庫(kù)的構(gòu)建，在定位系統(tǒng)在線運(yùn)行階段采用自適應(yīng)的回歸更新方法。該方法能夠大大縮減WiFi室內(nèi)定位系統(tǒng)指紋庫(kù)構(gòu)建的成本，并實(shí)現(xiàn)了當(dāng)環(huán)境、時(shí)間等因素變化時(shí)，指紋庫(kù)的自適應(yīng)更新。
【IPC分類】H04W4-04, H04W64-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104853317
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410682678
【發(fā)明人】楊東凱, 杜元鋒, 修春娣, 劉源, 羅智勇
【申請(qǐng)人】北京航空航天大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年8月19日
【申請(qǐng)日】2014年11月24日