基于地磁場和歷史定位軌跡的室內(nèi)定位方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于地磁場和歷史定位軌跡的室內(nèi)定位方法，按照定位周期基于地磁場定位法對當(dāng)前位置進(jìn)行定位得到定位結(jié)果，當(dāng)定位次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)的次數(shù)閾值時，對每次定位結(jié)果進(jìn)行驗證，驗證時以本次定位結(jié)果和歷史定位軌跡中若干個定位結(jié)果作為定位集合，計算并比較定位集合中各個定位結(jié)果的置信度：若本次定位結(jié)果的置信度最低，且小于設(shè)定的置信度閾值，則舍棄本次定位結(jié)果；否則，認(rèn)為本次定位結(jié)果有效并添加至歷史定位軌跡，剔除定位集合中置信度最低且小于置信度閾值的定位結(jié)果。該室內(nèi)定位方法不僅能夠進(jìn)行室內(nèi)位置的定位，而且能夠?qū)Χㄎ唤Y(jié)果進(jìn)行驗證，去除歷史定位軌跡中錯誤的定位結(jié)果，費用低廉定位精度高。
【專利說明】基于地磁場和巧史定位軌跡的室內(nèi)定位方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及無線室內(nèi)定位領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種基于地磁場和歷史定位軌跡的室內(nèi) 定位方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的興起和手持設(shè)備的爆炸式增長，人們對于定位和導(dǎo)航的需 求越來越普遍。隨著無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步與普及，手持設(shè)備的種類不斷增加，功能 也不斷完善，現(xiàn)在手機(jī)，Ipad等手持設(shè)備已成為人們不可或缺的一部分，位置感知計算 (Location-aware Computing)和基于位置的服務(wù)（Location-based service,LB巧在人們 的生活生產(chǎn)中的作用也越來越大。基于手持設(shè)備的室外定位和導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)得到普遍應(yīng)用 并趨于成熟，而人們對于室內(nèi)定位的迫切需求還沒有得到有效解決。
[0003] 基于手持設(shè)備的室內(nèi)定位需求眾多，前景廣闊，例如在大型商城內(nèi)找到最近的餐 館、在超市內(nèi)部找到指定商品（如牛奶）的貨架、在地下停車場找到停車位置和在火災(zāi)發(fā)生 時精確定位出建筑物內(nèi)人員的位置。
[0004] 對于室外環(huán)境，全球定位系統(tǒng)（GP巧已成功地應(yīng)用于室外環(huán)境的定位和導(dǎo)航，如 車載導(dǎo)航，室外營救捜索等。
[0005] 但由于GI^S定位精度較低，不足W在室內(nèi)狹小的場所內(nèi)定位出精確的位置。且在 城市環(huán)境中，由于GI^S衛(wèi)星發(fā)射的信號太微弱，樓宇建筑物的阻隔等，導(dǎo)致了所謂的"都市 峽谷"扣rban Canyon)，降低了 GPS的定位精度；在樓宇之內(nèi)，墻壁會對衛(wèi)星信號造成阻隔， 導(dǎo)致定位誤差進(jìn)一步增大。
[0006] 現(xiàn)階段的室內(nèi)定位技術(shù)主要分為兩類；基于藍(lán)牙，WiFi,紅外等的無線定位技術(shù)和 基于慣性器件的慣性定位技術(shù)。
[0007] 典型無線定位技術(shù)方案包括Active Badge, SpotON等，但該些技術(shù)都受制于信號 傳播距離短，需要安裝大量設(shè)備覆蓋整個室內(nèi)區(qū)域，因而安裝和維護(hù)成本都較高。另外，無 線信號（如WiFi信號）波動較大且具有多路徑歧義，定位精度一般較低（約15米）。慣性 定位技術(shù)存在誤差累計問題，根據(jù)定位慣性計算出的定位結(jié)果往往難W滿足實時導(dǎo)航的精 度要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[000引針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，在本發(fā)明中提出了一種基于地磁場和歷史定位軌跡的室內(nèi) 定位方法，該室內(nèi)定位方法不僅可W進(jìn)行精確的室內(nèi)位置定位，而且能夠自動發(fā)現(xiàn)和糾正 因測量誤差等造成的錯誤定位結(jié)果。另外，由于地磁場無源、穩(wěn)定、無福射特性，基于地磁的 室內(nèi)定位費用低廉且更為穩(wěn)定、安全。
[0009] 一種基于地磁場和歷史定位軌跡的室內(nèi)定位方法，按照預(yù)設(shè)的定位周期基于地磁 場定位法對當(dāng)前位置進(jìn)行定位得到定位結(jié)果，當(dāng)定位次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)的次數(shù)闊值時，對每次 定位結(jié)果進(jìn)行驗證，驗證時W本次定位結(jié)果和歷史定位軌跡中若干個定位結(jié)果作為定位集 合，計算并比較定位集合中各個定位結(jié)果的置信度：
[0010] 若本次定位結(jié)果的置信度最低，且小于設(shè)定的置信度闊值，則舍棄本次定位結(jié) 果；
[0011] 否則，認(rèn)為本次定位結(jié)果有效并添加至歷史定位軌跡，每次獲得有效的定位結(jié)果 后，在定位集合中選擇置信度最低的定位結(jié)果，若其置信度小于置信度闊值，則在歷史定位 軌跡中剔除該定位結(jié)果。
[0012] 通過對定位結(jié)果進(jìn)行驗證，去除歷史軌跡中不正確的定位結(jié)果，實現(xiàn)對定位結(jié)果 的校正，提高定位精度。
[0013] 基于地磁場定位法對當(dāng)前位置進(jìn)行定位得到定位結(jié)果時，設(shè)定若干個參考點，獲 取各個參考點的地磁場信息，并根據(jù)各個參考點的地磁場信息和坐標(biāo)構(gòu)建指紋庫；定位時， 先采集當(dāng)前時刻所處位置的地磁場信息，然后與指紋庫進(jìn)行匹配進(jìn)而得到定位結(jié)果。
[0014] 定位集合中歷史定位軌跡中定位結(jié)果的個數(shù)根據(jù)實際情況設(shè)定，可W包括歷史定 位軌跡中所有定位結(jié)果。
[0015] 本發(fā)明中W本次定位結(jié)果和歷史定位軌跡中本次定位結(jié)果之前的K-1次定位結(jié) 果作為定位集合，其中K等于所述的次數(shù)闊值。K的取值范圍為5?20。為保證定位的實 時性，作為優(yōu)選，所述K的取值為5。
[0016] 本發(fā)明中所述的置信度闊值為0. 6?0. 8。作為優(yōu)選，所述置信度闊值為0. 7。
[0017] 基于信號傳播衰減原理計算定位集合中各個定位結(jié)果的置信度，具體如下：
[0018] (1)從所述定位集合中選出一個定位結(jié)果作為起始節(jié)點并賦W初始置信度；
[0019] (1-1)計算定位集合中各個定位結(jié)果的局部密度，第i個定位結(jié)果Si的局部密度 density 咕）；
[0020] i'ftiiiypy =
[002U 其中，d(Si)為各個為定位結(jié)果S劇其第m鄰近點的距離；
[0022] (1-2)比較各個定位結(jié)果的局部密度，W局部密度最大的定位結(jié)果作為起始節(jié)點。
[0023] (2)按就近原則在定位集合中確定選擇m個定位結(jié)果作為起始節(jié)點的鄰近節(jié)點，m 為K/2的上確界（即K/2向上取整）；
[0024] (3)根據(jù)起始節(jié)點的初始置信度，按照傳播衰減公式對各個鄰近節(jié)點賦W置信 度；
[0025] 其中，傳播衰減公式如下：
[0026] p(Sy) =p(Sx)* 曰 *e_d姑'SW。
[0027] 其中，d(S,，Sy)為當(dāng)前定位結(jié)果S,與定位結(jié)果Sy之間的距離，
[002引 P(S,)為當(dāng)前定位結(jié)果的置信度，P(Sy)為由定位結(jié)果S,傳播給定位結(jié)果Sy的置 信度，
[0029] a為傳播衰減因子，a的取值范圍為0?1，傳播衰減因子為0.8?0.95,進(jìn)一步 優(yōu)選，所述的傳播衰減因子為0. 9 ;
[0030] 0為調(diào)節(jié)因子，所述調(diào)節(jié)因子為當(dāng)前定位結(jié)果到其m個鄰近點的平均距離。
[0031] a為傳播衰減因子，a的取值范圍為0?1，傳播衰減因子為0.8?0.95,進(jìn)一步 優(yōu)選，所述的傳播衰減因子為0. 9 ;
[0032] 0為調(diào)節(jié)因子，所述調(diào)節(jié)因子為當(dāng)前定位結(jié)果到其m個鄰近點的平均距離。
[003引 （4)各個鄰近節(jié)點獲取置信度后均循環(huán)操作一次步驟似和步驟做；
[0034] 每個節(jié)點選取獲取的置信度中的最大值作為相應(yīng)的定位結(jié)果的最終置信度。
[0035] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明基于地磁場和歷史定位軌跡的新型室內(nèi)定位方法，該方 法不僅能夠進(jìn)行室內(nèi)位置的定位，而且能夠?qū)Χㄎ唤Y(jié)果進(jìn)行驗證，去歷史定位軌跡中錯誤 的定位結(jié)果，費用低廉、定位精度顯著優(yōu)于W往的室內(nèi)定位方法。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0036] 圖1為本實施例的基于地磁場和歷史定位軌跡的室內(nèi)定位方法的與定位原理示 意圖；
[0037] 圖2為本實施例的定位結(jié)果位置分布示意圖。

【具體實施方式】
[003引下面將結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0039] 本實施例的室內(nèi)定位算法基于特定的定位系統(tǒng)實現(xiàn)，該定位系統(tǒng)包括移動終端和 服務(wù)器，移動終端用于采集地磁場數(shù)據(jù)，服務(wù)器用于進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和定位計算。
[0040] 如圖1所示，本實施例的基于地磁場和歷史定位軌跡的室內(nèi)定位方法如下：
[0041] 步驟1 ;建立指紋庫，指紋庫中的數(shù)據(jù)既包含磁場強度信息（即地磁場特征數(shù)據(jù)）， 又包含該磁場強度對應(yīng)的真實位置信息（參考點的坐標(biāo)）。
[0042] 在建筑物內(nèi)設(shè)置若干個參考點在每個參考點進(jìn)行100?200次地磁場數(shù)據(jù)掃描， 使用小波變換對掃描結(jié)果進(jìn)行去噪，對去噪后的結(jié)果求平均值作為該參考點的地磁場特征 數(shù)據(jù)，將各個參考點的地磁場特征數(shù)據(jù)和對應(yīng)的坐標(biāo)存入后臺服務(wù)器（即服務(wù)器），形成該 建筑物地磁強度的指紋庫。
[0043] 設(shè)定參考點時相鄰兩個參考點之間的距離為3?10m。
[0044] 為提高定位效率，本實施例中進(jìn)一步根據(jù)各個參考點的對應(yīng)地磁場特征數(shù)據(jù)和對 應(yīng)的坐標(biāo)構(gòu)建定位算法模型，定位算法模型主要有兩類：
[0045] 一類強調(diào)差別程度的平均絕對值差算法、平均方差算法、最小距離算法等；
[0046] 另一類為分類器模型，即通過訓(xùn)練得到分類器，該分類器可W對未知的地磁場數(shù) 據(jù)進(jìn)行多類分類，多類分類的結(jié)果其實就是位置標(biāo)簽。
[0047] 值得說明的是，移動終端（包括手機(jī)等）中其他傳感器采集的加速度，方向角等數(shù) 據(jù)也可W作為輔助數(shù)據(jù)加入訓(xùn)練過程，W得到更精確的定位算法模型。
[0048] 步驟2 ;按照預(yù)設(shè)的定位周期基于地磁場定位法對當(dāng)前位置進(jìn)行定位得到相應(yīng)的 定位結(jié)果，每次定位時如下：
[0049] 先采集當(dāng)前時刻所處位置的地磁場信息，然后與指紋庫進(jìn)行匹配進(jìn)而得到定位結(jié) 果。
[0050] 本實施例的定位方法當(dāng)定位此時達(dá)到預(yù)設(shè)的次數(shù)闊值時，得到定位結(jié)果后還進(jìn)行 如下操作：
[0051] (S1) W本次定位結(jié)果和歷史定位軌跡中本次定位結(jié)果之前的K-1次定位結(jié)果作 為定位集合，其中K等于所述的次數(shù)闊值；
[0052] (S2)計算定位集合中各個定位結(jié)果的置信度，本實施例中基于信號傳播衰減原理 計算定位集合中各個定位結(jié)果的置信度，具體如下：
[0053] (1)從定位集合中選出一個定位結(jié)果作為起始節(jié)點并賦W初始置信度（本實施例 中初始置信度為1)。
[0化4] (1-1)計算定位集合中各個定位結(jié)果的局部密度，第i個定位結(jié)果Si的局部密度 density 化）；
[005引 Cf 段!巧的< A ) =
[0056] 其中，d(Si)為各個d(Si)為定位結(jié)果S劇其第m鄰近點的距離；
[0057] (1-2)比較各個定位結(jié)果的局部密度，W局部密度最大的定位結(jié)果作為起始節(jié)點。 (2)按就近原則在定位集合中確定選擇m個定位結(jié)果作為起始節(jié)點的鄰近節(jié)點，m為K/2的 上確界；
[005引 （3)根據(jù)起始節(jié)點的初始置信度，按照傳播衰減公式對各個鄰近節(jié)點賦W置信 度；
[0化9] (4)各個鄰近節(jié)點獲取置信度后均循環(huán)操作一次步驟（2)和步驟（3);
[0060] 每個節(jié)點選取獲取的置信度中的最大值作為相應(yīng)的定位結(jié)果的最終置信度。
[0061] 本實施例中K = 6,則m = 3, W第六次定位結(jié)果或為例，形成的定位集合S = 怯1，Sg, S3, S4, Sg,Sg}，各個定位結(jié)果的位置關(guān)系如圖2所不。
[0062] 本實施例中計算得到定位集合中，定位結(jié)果Si的局部密度最大，被確定為定位置 信度最高的位置，作為起始節(jié)點，記為0。
[0063] 置信度傳播時，從起始節(jié)點0出發(fā)，將0的置信度傳遞給0的m個最近鄰，0的近鄰 再將其獲得的置信度傳遞給自己的m個最近鄰。置信度在傳播中有衰減因子，且傳遞的置 信度反比于兩近鄰間的距離。精確地講，設(shè)位置S,的定位置信度為P (S ,)，位置Sy是S ,的 m近鄰節(jié)點（即歐氏距離最小的前m個節(jié)點）之一，則Sy接收到的來自Sy傳遞來的置信度 為：
[0064] P (Sy) = P 化)* 曰 *e_d姑' SW。
[0065] 其中，a為傳播衰減因子，一般取0.9 ;d(Sx，Sy)為位置S,與位置S之間的距離； 0為調(diào)節(jié)因子化到其m近鄰節(jié)點的距離的平均值）。
[0066] 定位置信度依此規(guī)律從0開始向外傳播直至收斂（直至遍歷一遍所有的可W接收 到置信度的定位結(jié)果）。
[0067] 假如在傳播過程中某個位置有多個路徑都傳遞給它一個置信度，則只取其中最大 的作為其置信度。
[0068] 如圖2中所示，定位結(jié)果Si會將其置信度傳遞給定位結(jié)果S 2、S3、S4,定位結(jié)果S, 又會把其得到的置信度傳遞給定位結(jié)果Si，S4, Sg，定位結(jié)果S3, S4也會將得到的置信度傳遞 給自己的3個最近鄰的定位結(jié)果。
[0069] 另外，舉例來說，對于定位結(jié)果S4,既有來自定位結(jié)果Si傳遞過來的置信度，也有 定位結(jié)果S,傳遞過來的置信度，定位結(jié)果S4只會取其中最高的作為其置信度，并進(jìn)行傳播。
[0070] 本實施例中對于未接收到其他定位結(jié)果傳遞過來的置信度的定位結(jié)果，直接令其 置信度為0。
[0071] (S3)比較定位集合中各個定位結(jié)果的置信度，并得到如下結(jié)果：
[0072] 若本次定位結(jié)果的置信度最低，且小于設(shè)定的置信度闊值（本實施例中為0. 7)， 則舍棄本次定位結(jié)果；
[0073] 否則，認(rèn)為本次定位結(jié)果有效并添加至歷史定位軌跡，獲得有效的定位結(jié)果后，在 定位集合中的選擇置信度最低的定位結(jié)果，若其置信度小于置信度闊值，則在歷史定位軌 跡中剔除該定位結(jié)果。
[0074] 置信度最低的定位結(jié)果往往對應(yīng)于錯誤定位的位置。分析和糾正該些錯誤定位的 位置能夠使避免錯誤的位置定位，提升定位精度。如果當(dāng)前定位結(jié)果得到的置信度最低，貝U 說明當(dāng)前位置定位出錯，可W將其糾正為正確定位的歷史定位軌跡趨勢所指示的位置。
[0075] 如圖2所示，本次定位結(jié)果Se，因為該定位結(jié)果不是其他五個定位結(jié)果的m鄰近 點，傳播結(jié)束后其置信度為0,會被發(fā)現(xiàn)為錯誤的定位結(jié)果，因此直接舍棄。對于第7次定位 結(jié)果S,，由于第六次的定位結(jié)果Se被舍棄，因此歷史定位軌跡中不存在定位結(jié)果S e。因此 對定位結(jié)果S,進(jìn)行驗證時，直接在歷史軌跡中向前依次選擇5個定位結(jié)果（即）與本次定 位結(jié)果S,形成定位集合，即此時的定位集合S =怯1，S2, S3, S4, Ss，S,}，之后按照如下步驟操 作計算即可。
[0076] 本實施例的定位方法中，還可W在定位驗證本次定位結(jié)果錯誤后，根據(jù)歷史定位 軌跡和本次定位時的運動速度計算當(dāng)前定位結(jié)果，并添加至歷史定位軌跡：
[0077] 根據(jù)歷史定位軌跡確定本次定位時的運動方向，并根據(jù)速度傳感器采集自身的運 動速度，然后結(jié)合定位周期計算得到本次定位的定位結(jié)果。
[007引 W上所述的【具體實施方式】對本發(fā)明的技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了詳細(xì)說明，應(yīng)理 解的是W上所述僅為本發(fā)明的最優(yōu)選實施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則范 圍內(nèi)所做的任何修改、補充和等同替換等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于地磁場和歷史定位軌跡的室內(nèi)定位方法，按照預(yù)設(shè)的定位周期基于地磁場 定位法對當(dāng)前位置進(jìn)行定位得到定位結(jié)果，其特征在于，當(dāng)定位次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)的次數(shù)閾值 時，對每次定位結(jié)果進(jìn)行驗證，驗證時以本次定位結(jié)果和歷史定位軌跡中若干個定位結(jié)果 作為定位集合，計算并比較定位集合中各個定位結(jié)果的置信度： 若本次定位結(jié)果的置信度最低，且小于設(shè)定的置信度閾值，則舍棄本次定位結(jié)果； 否則，認(rèn)為本次定位結(jié)果有效并添加至歷史定位軌跡，每次獲得有效的定位結(jié)果后，在 定位集合中選擇置信度最低的定位結(jié)果，若其置信度小于置信度閾值，則在歷史定位軌跡 中剔除該定位結(jié)果。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于地磁場和歷史定位軌跡的室內(nèi)定位方法，其特征在于，以 本次定位結(jié)果和歷史定位軌跡中本次定位結(jié)果之前的K-I次定位結(jié)果作為定位集合，其中 K等于所述的次數(shù)閾值。
3. 如權(quán)利要求2所述的基于地磁場和歷史定位軌跡的室內(nèi)定位方法，其特征在于，K的 取值范圍為5?20。
4. 如權(quán)利要求2或3所述的基于地磁場和歷史定位軌跡的室內(nèi)定位方法，其特征在于， 基于信號傳播衰減原理計算定位集合中各個定位結(jié)果的置信度，具體如下： (1) 從所述定位集合中選出一個定位結(jié)果作為起始節(jié)點并賦以初始置信度； (2) 按就近原則在定位集合中確定選擇m個定位結(jié)果作為起始節(jié)點的鄰近節(jié)點，m為 K/2的上確界； (3) 根據(jù)起始節(jié)點的初始置信度，按照傳播衰減公式對各個鄰近節(jié)點賦以置信度； (4) 各個鄰近節(jié)點獲取置信度后均循環(huán)操作一次步驟（2)和步驟（3); 每個節(jié)點以獲取的置信度中的最大值作為所述定位集合中相應(yīng)定位結(jié)果的最終置信 度。
5. 如權(quán)利要求4所述的基于地磁場和歷史定位軌跡的室內(nèi)定位方法，其特征在于，所 述步驟（1)通過如下步驟確定起始節(jié)點： (1-1)計算定位集合中各個定位結(jié)果的局部密度，第i個定位結(jié)果Si的局部密度density(Si)：
其中，Cl(Si)為定位結(jié)果Si到其第m鄰近的定位結(jié)果的距離； (1-2)比較各個定位結(jié)果的局部密度，以局部密度最大的定位結(jié)果作為起始節(jié)點。
6. 如權(quán)利要求4所述的基于地磁場和歷史定位軌跡的室內(nèi)定位方法，其特征在于，所 述的傳播衰減公式如下： P(Sy) =p(Sx)*a*e-d(Sx'Sy)/。 其中，d(Sx，Sy)為當(dāng)前定位結(jié)果Sx與定位結(jié)果Sy之間的距離， P(Sx)為當(dāng)前定位結(jié)果的置信度，p(Sy)為由定位結(jié)果\傳播給定位結(jié)果Sy的置信度， a為傳播衰減因子，a的取值范圍為〇?1， 〇為調(diào)節(jié)因子，。大于零。
7. 如權(quán)利要求6所述的基于地磁場和歷史定位軌跡的室內(nèi)定位方法，其特征在于，傳 播衰減因子為0.8?0.95。
8. 如權(quán)利要求6所述的基于地磁場和歷史定位軌跡的室內(nèi)定位方法，其特征在于，所 述調(diào)節(jié)因子為當(dāng)前定位結(jié)果到其m個鄰近點的距離的平均值。
9. 如權(quán)利要求5?8中任意一項所述的基于地磁場和歷史定位軌跡的室內(nèi)定位方法， 其特征在于，所述的置信度閾值為0. 6?0. 8。
【文檔編號】G01C21/08GK104501807SQ201410843377
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月30日
【發(fā)明者】劉振廣, 黃步添, 焦穎穎, 邢蘭濤, 鄭博侖, 王毅, 鮑宗亮 申請人:杭州云象網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司