本發(fā)明涉及一種基于FM與DTMB信號的利用位置指紋來確定室內(nèi)環(huán)境空間位置的高精度定位方法。

背景技術(shù)：

目前，隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展和智能移動終端的普及，基于位置的服務(wù)(LBS)也在不斷發(fā)展。室外情況下，衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GNSS)以其高精度(一般的典型誤差不超過10m)，低成本等優(yōu)勢成為了主流的定位技術(shù)。而室內(nèi)定位方面，由于建筑物遮擋，多徑干擾，GNSS信號強(qiáng)度低等原因，基于到達(dá)時間或到達(dá)角度的衛(wèi)星定位技術(shù)在室內(nèi)定位中會產(chǎn)生很大的多徑誤差。室內(nèi)環(huán)境下，空間中每個點(diǎn)都有一個唯一的信號強(qiáng)度與之對應(yīng)?；诮邮苄盘枏?qiáng)度(RSSI)的位置指紋定位技術(shù)利用室內(nèi)環(huán)境對信號衰落的特異性，通過將實(shí)測信號強(qiáng)度與數(shù)據(jù)庫中的先驗(yàn)信號強(qiáng)度比較可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的精確定位。綜合考慮信號覆蓋的區(qū)域和部署成本等因素，Wi-Fi信號成為了位置指紋定位技術(shù)的首選信號。

但研究中發(fā)現(xiàn)Wi-Fi信號在定位實(shí)踐中也存在著很大不足。首先，單個Wi-Fi信號源的覆蓋范圍有限，而位置指紋定位技術(shù)需要一定數(shù)量的信號源(不少于三個)才能保證定位精度，這大大增加了設(shè)備部署的成本。其次，Wi-Fi信號的頻率在2.4GHz左右，恰好與水的共振頻率重合，而人體成分的70％是水，這使得接收到的Wi-Fi信號強(qiáng)度很容易受到人員走動，甚至天氣的影響，進(jìn)而干擾定位結(jié)果。所以目前國外很多研究者嘗試使用調(diào)頻廣播(FM)代替Wi-Fi作為定位信號。FM信號強(qiáng)度穩(wěn)定，覆蓋范圍非常廣，其所在的頻率范圍也不易受到干擾，是一種非常理想的定位信號。

國外相關(guān)研究人員已經(jīng)可以單獨(dú)使用FM信號達(dá)到與使用Wi-Fi信號相同量級(＜10m)的定位精度。目前，國內(nèi)利用FM信號定位的研究少見報(bào)道，這主要是受到國內(nèi)外不同的國情影響。國外同一區(qū)域內(nèi)可接受的FM信號源個數(shù)多，分布廣，這有助于提高FM室內(nèi)定位的精度。而我國FM廣播則統(tǒng)一由指定的發(fā)射站發(fā)射，同一區(qū)域內(nèi)可接收的FM信號均為同一信號發(fā)射塔所發(fā)，使得在我國利用FM信號進(jìn)行室內(nèi)定位的精度較低。

針對Wi-Fi室內(nèi)定位的不足和我國在FM信號發(fā)射方面的國情，本發(fā)明提出同時使用數(shù)字電視地面廣播(DTMB)信號與FM信號組成新的聯(lián)合定位系統(tǒng)，提升室內(nèi)定位的精度。DTMB信號由電視信號發(fā)射塔發(fā)出，其頻率比FM信號高很多，以天津地區(qū)為例，DTMB信號的兩個頻段的中心頻率為660MHz和740MHz，波長在0.41m到0.45m之間。這一波長的電磁波信號在建筑物轉(zhuǎn)角處都會發(fā)生折射。所以當(dāng)定位目標(biāo)轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)角時，DTMB信號的傳播長度會發(fā)生非常明顯的變化，此時信號的RSS值也會發(fā)生較大變化，有利于對目標(biāo)進(jìn)行定位?？紤]到建筑物內(nèi)的復(fù)雜情況，引入DTMB信號會在很大程度上提高FM信號定位的精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上述各種方法的缺陷，本發(fā)明提出一種基于FM與DTMB信號的室內(nèi)位置指紋定位方法，克服了傳統(tǒng)上利用Wi-Fi信號進(jìn)行定位的局限性與不穩(wěn)定性，解決了以FM信號作為單個定位信號的精度偏低的問題，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)高精度定位。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

該方法通過接收FM與DTMB信號不同頻率的強(qiáng)度信息，確定室內(nèi)環(huán)境待定位點(diǎn)的空間位置，具體步驟為：

(1)根據(jù)室內(nèi)環(huán)境選取采樣點(diǎn)，并選取FM與DTMB信號的不同頻率作為參考頻率；

(2)利用天線在各采樣點(diǎn)接收FM與DTMB信號，記錄參考頻率上信號的強(qiáng)度信息，構(gòu)建FM與DTMB信號的RSSI指紋數(shù)據(jù)庫；

(3)利用天線在待定位點(diǎn)接收FM與DTMB信號，記錄參考頻率上信號的強(qiáng)度信息，得到待定位點(diǎn)FM與DTMB信號的RSSI指紋信息；

(4)通過聯(lián)合定位算法，將待定位點(diǎn)FM與DTMB信號的RSSI指紋信息與RSSI指紋數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配，得到定位結(jié)果。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的FM信號統(tǒng)一由指定的發(fā)射站發(fā)射，同一區(qū)域內(nèi)可接收的FM信號均來自同一信號發(fā)射塔，且FM信號頻率范圍從87.5MHz到108MHz。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的步驟(1)中的FM與DTMB信號不同頻率是依據(jù)信道環(huán)境來進(jìn)行選取的。FM和DTMB信號都包含多個頻率，并不是每個頻率上的信號強(qiáng)度都適用于特定信道環(huán)境的定位，并且若將所有頻率的強(qiáng)度信息都放入RSSI指紋數(shù)據(jù)庫，則會加大計(jì)算量，也會影響后期對指紋信息的匹配，降低系統(tǒng)的效率。所以本發(fā)明依據(jù)不同波長的信號對障礙物的穿透損耗與繞射損耗的不同，將FM與DTMB信號的各個頻率值換算為波長，換算公式為：λ＝c/f，其中c為光速，其值為299792458m/s。選取波長大于障礙物最大尺寸的信號和波長小于障礙物最小尺寸的信號進(jìn)行最優(yōu)組合。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述FM與DTMB信號不同頻率的強(qiáng)度信息表示為一向量，在區(qū)域內(nèi)選取N個采樣點(diǎn)，每個點(diǎn)上測量接收到的P個參考頻率的信號強(qiáng)度，則第r個采樣點(diǎn)的信號強(qiáng)度表示為：

其中為第i個頻率進(jìn)行Q次測量后的平均值，即

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述步驟(4)中的聯(lián)合定位算法，結(jié)合了確定性信息與概率性信息這兩種相互獨(dú)立的信息。由近鄰參考點(diǎn)，得到定位結(jié)果的確定性信息；由信號強(qiáng)度的概率分布，得到定位結(jié)果的概率性信息。將兩種信息賦予不同權(quán)重值，得到最終定位結(jié)果。具體的公式為：

loc＝ω₁loc₁+ω₂loc₂

其中，loc₁是定位結(jié)果的確定性信息，loc₂是定位結(jié)果的概率性信息，ω₁和ω₂分別是兩種信息的權(quán)值。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的確定性信息是利用真實(shí)的測量值與位置的先驗(yàn)測量強(qiáng)度進(jìn)行比較而得到的，其具體實(shí)現(xiàn)方式是：評估待定位點(diǎn)到所有采樣點(diǎn)的歐氏距離，選擇最近的K個距離，這K個距離所對應(yīng)的點(diǎn)為近鄰參考點(diǎn)。同時，考慮到這K個距離與實(shí)時測量的信號強(qiáng)度的差別大小，將K個近鄰參考點(diǎn)賦予不同的權(quán)重值。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的概率性信息是基于概率模型來估測的，其具體實(shí)現(xiàn)方式是：在測量采樣點(diǎn)FM與DTMB信號強(qiáng)度時，多次測量該點(diǎn)的信號強(qiáng)度并對該點(diǎn)的信號強(qiáng)度分布進(jìn)行估計(jì)；在定位時，將待定位點(diǎn)的位置作為一個獨(dú)立的隨機(jī)變量，通過分析測量信號強(qiáng)度出現(xiàn)的概率，來估計(jì)出測定強(qiáng)度出現(xiàn)概率最大的位置作為定位結(jié)果。

根據(jù)貝葉斯公式，當(dāng)測量信號強(qiáng)度為rss時，定位位置在LOC_r的概率P(LOC_r|rss)為：

其中，P(rss)是測量值為rss的概率，P(LOC_r)為待定位點(diǎn)出現(xiàn)在LOC的概率，P(rss|LOC_r)為LOC_r點(diǎn)出現(xiàn)rss強(qiáng)度的概率。

利用高斯分布來擬合各采樣點(diǎn)信號強(qiáng)度的分布：

其中Q為實(shí)際測量的樣本數(shù)，RSS_rq服從N(rss_r，σ)的正態(tài)分布。

本發(fā)明提出的室內(nèi)定位方法與已有的技術(shù)相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明所采用的定位信號FM與DTMB信號，覆蓋范圍廣，信號強(qiáng)度穩(wěn)定，頻率范圍不易受干擾，相比于Wi-Fi信號，本發(fā)明的方法定位穩(wěn)定性更強(qiáng)，維護(hù)成本更低；相比于單獨(dú)使用FM信號，本發(fā)明的方法定位精度更高。

(2)在構(gòu)建FM與DTMB信號的RSSI指紋數(shù)據(jù)庫時，通過對信號不同頻率的選擇，在簡化系統(tǒng)工作量的同時，克服人員及物體的運(yùn)動對系統(tǒng)定位精度的影響，提高定位方法的抗干擾性能。

(3)本發(fā)明將確定性信息與概率性信息相結(jié)合，兩種信息機(jī)理不同，兩者的誤差也相互獨(dú)立，聯(lián)合利用這兩種信息可以有效增加定位信息的多樣性，有效抵消部分誤差，提高定位方法的穩(wěn)定性。

(4)本發(fā)明所采用的方法適用于任何可同時接收到FM與DTMB信號的環(huán)境，克服了現(xiàn)有方法僅局限于室內(nèi)環(huán)境，覆蓋范圍小的缺點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于FM與DTMB信號的室內(nèi)位置指紋定位方法的流程圖；

圖2為不同波長信號傳播路徑差異圖；

圖3為聯(lián)合定位算法的流程圖。

具體實(shí)施方式

結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明所述的方法作詳細(xì)闡述。

如圖1所示，基于FM與DTMB信號的室內(nèi)位置指紋定位方法，具體過程為：

(1)根據(jù)室內(nèi)環(huán)境選取采樣點(diǎn)，并選取FM與DTMB信號的不同頻率作為參考頻率。

對于一個確定的室內(nèi)定位環(huán)境，考慮到空間各個點(diǎn)信號強(qiáng)度的特異性和實(shí)際定位需求，對該空間進(jìn)行二維建模，再對該環(huán)境等距劃分，形成網(wǎng)格形態(tài)，其間隔距離依據(jù)室內(nèi)結(jié)構(gòu)和具體定位要求而定。以網(wǎng)格的中心位置作為采樣點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，得到采樣點(diǎn)的二維位置坐標(biāo)(x，y)，并將采樣點(diǎn)的序號與位置一一對應(yīng)，則第r個采樣點(diǎn)表示為：P_r(x_r，y_r)，r=1，2，...，N，N為采樣點(diǎn)的總個數(shù)。

FM與DTMB信號參考頻率的選取是構(gòu)建一個合理高效的RSSI指紋數(shù)據(jù)庫的重要前提。FM和DTMB信號都包含多個頻率，并不是每個頻率上的信號強(qiáng)度都適用于特定的信道環(huán)境，并且若將所有頻率的強(qiáng)度信息都放入RSSI指紋數(shù)據(jù)庫，則會加大計(jì)算量，也會影響后期對指紋信息的匹配，降低系統(tǒng)的效率。所以本發(fā)明依據(jù)不同波長的信號對障礙物的穿透損耗與繞射損耗的不同，從FM與DTMB信號的各個頻率中，選取在接收范圍內(nèi)的差異性較大的頻率作為參考頻率。

將FM與DTMB信號的各個頻率值換算為波長，換算公式為：λ＝c/f，其中c為光速，其值為299792458m/s。

在室內(nèi)環(huán)境下，障礙物的尺寸通常為2到3米。如圖2所示，不同波長的信號在遇到障礙物時，其傳播路徑是不同的。在本發(fā)明中，F(xiàn)M信號的頻率范圍是從87.5MHz到108MHz，則波長范圍在2.8m到3.5m之間，這一長度的電磁波在遇到小于3米的障礙物時不會產(chǎn)生折射，信號損耗較小，信號強(qiáng)度變化不夠明顯，不利于精確定位。而DTMB信號的頻率比FM信號要高很多，以天津地區(qū)為例，DTMB信號的兩個頻段的中心頻率為660MHz和740MHz，則其波長在0.41m到0.45m之間，該信號在遇到大于2米的障礙物時會發(fā)生折射，信號損耗較大，信號強(qiáng)度變化較大。

由于室內(nèi)的信道環(huán)境非常復(fù)雜，在選取不同波長的信號時，數(shù)量太多或者太少都會對定位結(jié)果產(chǎn)生不良的影響。經(jīng)過多次試驗(yàn)，當(dāng)選取波長大于障礙物的最大尺寸的信號和波長小于障礙物的最小尺寸的信號的組合時，定位效果最佳。所以本發(fā)明在FM和DTMB信號中分別選擇一部分參考頻率，再將兩者相結(jié)合。選取的參考頻率表示為F_l，i＝1，2，...，P，其中P為選取的參考頻率的個數(shù)。

(2)利用天線在各個采樣點(diǎn)接收FM與DTMB信號，記錄參考頻率上信號的強(qiáng)度信息，構(gòu)建FM與DTMB信號的RSSI指紋數(shù)據(jù)庫。

在采樣點(diǎn)接收FM與DTMB信號時，由于DTMB信號與FM信號頻率相差較大，因此選擇接收頻率范圍包含這兩種信號的天線來進(jìn)行接收，并在各個采樣點(diǎn)進(jìn)行多次測量，取其均值，并計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)差。

將測得的FM與DTMB信號不同頻率的強(qiáng)度信息表示為一向量，該向量的每一項(xiàng)代表一個頻率的信號強(qiáng)度均值。在區(qū)域內(nèi)選取N個采樣點(diǎn)，每個點(diǎn)上測量接收到的P個參考頻率的信號強(qiáng)度，則第r個點(diǎn)的信號強(qiáng)度表示為：

其中為第i個頻率進(jìn)行Q次測量后的平均值，即

由步驟(1)所得的采樣點(diǎn)位置P_r(x_r，y_r)與該步驟所得的信號強(qiáng)度RSS_r及其標(biāo)準(zhǔn)差σ_r共同構(gòu)建指紋數(shù)據(jù)庫。

(3)利用天線在待定位點(diǎn)接收FM與DTMB信號，記錄參考頻率上信號的強(qiáng)度信息，得到待定位點(diǎn)FM與DTMB信號的RSSI指紋信息。

在實(shí)際的定位環(huán)境中，在待定位點(diǎn)，利用接收頻率范圍包含F(xiàn)M與DTMB信號的天線接收FM與DTMB信號，記錄參考頻率上信號的強(qiáng)度信息，在每一個頻率上多次測量，取其均值。待測點(diǎn)的RSSI指紋信息表示為：

其中為待測點(diǎn)第i個頻率進(jìn)行多次測量后的平均值。

(4)通過聯(lián)合定位算法，將待定位點(diǎn)FM與DTMB信號的RSSI指紋信息與RSSI指紋數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配，得到定位結(jié)果。

聯(lián)合定位算法將確定性信息與概率性信息相結(jié)合，該算法的過程如圖3所示。

確定性信息是利用真實(shí)的測量值與位置的先驗(yàn)測量強(qiáng)度進(jìn)行比較而得到的，其具體實(shí)現(xiàn)方式是：評估待定位點(diǎn)到所有采樣點(diǎn)的歐氏距離，選擇最近的K個距離，這K個距離所對應(yīng)的點(diǎn)為近鄰參考點(diǎn)。同時，考慮到這K個距離與實(shí)時測量的信號強(qiáng)度的差別大小，將K個近鄰參考點(diǎn)賦予不同的權(quán)重值。具體的實(shí)現(xiàn)公式為：

其中rss為信號強(qiáng)度的測量值，為信號強(qiáng)度的先驗(yàn)估計(jì)值，LOC_k是近鄰參考點(diǎn)的實(shí)際位置，K是選擇的最近鄰的參考點(diǎn)的個數(shù)，D_k是待定位點(diǎn)與近鄰參考點(diǎn)間的歐氏距離。

室內(nèi)環(huán)境下信號強(qiáng)度會受到瑞利衰落的影響，而確定性信息難以抵抗瑞利衰落帶來的影響，只利用該信息進(jìn)行定位，效果不夠理想，所以本發(fā)明引入了概率性信息。

概率性信息是基于概率模型來估測的，其具體實(shí)現(xiàn)方式是：在測量采樣點(diǎn)FM與DTMB信號強(qiáng)度時，多次測量該點(diǎn)的信號強(qiáng)度并對該點(diǎn)的信號強(qiáng)度分布進(jìn)行估計(jì)；在定位時，將待定位點(diǎn)的位置作為一個獨(dú)立的隨機(jī)變量，通過分析測量信號強(qiáng)度出現(xiàn)的概率，來估計(jì)出測定強(qiáng)度出現(xiàn)概率最大的位置作為定位結(jié)果。

根據(jù)貝葉斯公式，當(dāng)測量信號強(qiáng)度為rss時，定位位置在LOC_r的概率P(LOC_r|rss)，可以計(jì)算如下：

其中，P(rss)是測量值為rss的概率，P(LOC_r)為待定位點(diǎn)出現(xiàn)在LOC的概率，P(rss|LOC_r)為LOC_r點(diǎn)出現(xiàn)rss強(qiáng)度的概率。考慮到各個頻率上的信號都是相互獨(dú)立的，則可用k個頻率對應(yīng)的似然概率函數(shù)的乘積表示采樣點(diǎn)上的似然概率：

利用高斯分布來擬合各頻率點(diǎn)信號強(qiáng)度的分布，即將P(rss_l|LOC_r)表示為：

其中Q為實(shí)際測量的樣本數(shù)，LOC_r位置的測量RSS_rq服從N(rss_r，σ)的正態(tài)分布。

通過高斯回歸可以估計(jì)采樣點(diǎn)受到瑞利衰落影響后的分布情況，則利用概率性信息進(jìn)行定位能克服瑞利衰落帶來的不良影響，但沒能充分利用定位點(diǎn)與鄰近點(diǎn)間的信息，所以抗干擾能力差。

本發(fā)明采用聯(lián)合定位算法，融合了確定性信息與概率性信息。這兩種信息的產(chǎn)生機(jī)理不同，引入的誤差也相互獨(dú)立，所以融合這兩種信息可以有效增加定位信息的多樣性，有效抵消部分誤差，提高定位的穩(wěn)定性。融合公式為：

loc＝ω₁loc₁+ω₂loc₂ (8)

其中，loc₁是定位結(jié)果的確定性信息，loc₂是定位結(jié)果的概率性信息，ω₁和ω₂分別是兩種信息的權(quán)值。

將步驟(3)得到的RSSI指紋信息與步驟(2)建立的RSSI指紋數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配，分別得到定位結(jié)果 的確定性信息與概率性信息，再利用融合公式，計(jì)算出最終定位結(jié)果。

以上只是對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，并非用以限制本專利的實(shí)施應(yīng)用，凡為本發(fā)明等效實(shí)施，均應(yīng)包含于本專利的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。