本發(fā)明涉及一種基于加權卡方距離的wifi位置指紋定位方法，屬于位置定位技術領域。

背景技術：

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，以及智能設備和移動通訊的廣泛使用，使得基于用戶位置服務的需求也日益增長，隨之人們對位置信息及時、準確、快速的要求也越來越高。如今，室外定位技術已經(jīng)發(fā)展較為成熟。gps已經(jīng)廣泛使用于室外環(huán)境，能為用戶提供比較精確的位置服務，并普遍應用于人們的生產(chǎn)生活中(比如百度地圖及共享單車)。gps技術主要依賴于信號在空中及建筑物的傳播，但由于傳播信號的折射、衍射等多徑傳播及多址傳播現(xiàn)象，會造成信號幅頻的改變，因此限制了gps技術在室內(nèi)環(huán)境中的使用。然而為了滿足室內(nèi)定位的需求(比如大型地下車庫車輛的引導系統(tǒng)和大型超市的購物導航系統(tǒng))，許多研究者使用室內(nèi)無線通訊技術(比如uwb、rfid、藍牙、zigbee以及wifi)去解決gps技術在室內(nèi)場所使用的局限性問題，并且室內(nèi)定位技術的研究對實現(xiàn)全球室內(nèi)外無縫定位具有重大意義。

wifi是一種無線接入技術，它可以將電腦、手持設備(如手機、平板)等終端通過無線的方式將其互相連接起來。wifi傳輸數(shù)據(jù)的速度非常快、其網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和良好的可靠性以及輻射半徑范圍廣等優(yōu)點為室內(nèi)定位技術提供了條件。wifi定位的精度通常是5-15米，其定位精度受到信號是否穿過墻壁、天花板、人員的走動以及ap接入點數(shù)量的影響。wifi網(wǎng)絡基礎設施部署十分方便且成本低廉，在各學校、大型超市、飯店及大型公司工廠等公共區(qū)域都已基本實現(xiàn)wifi網(wǎng)絡的全覆蓋。

wifi是一種無線接入技術，它可以將電腦、手持設備(如手機、平板)等終端通過無線的方式將其互相連接起來。wifi傳輸數(shù)據(jù)的速度非常快、其網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和良好的可靠性以及輻射半徑范圍廣等優(yōu)點為室內(nèi)定位技術提供了條件。wifi定位的精度通常是5-15米，其定位精度受到信號是否穿過墻壁、天花板、人員的走動以及ap接入點數(shù)量的影響。wifi網(wǎng)絡基礎設施部署十分方便且成本低廉，在各學校、大型超市、飯店及大型公司工廠等公共區(qū)域都已基本實現(xiàn)wifi網(wǎng)絡的全覆蓋。

本發(fā)明之所以選擇wifi無線技術，是因為相比其他技術，wifi技術有著其獨特的優(yōu)勢：

a.成本低：因為2.4ghz是各國共同的ism頻段，應用這些頻段無需許可證或者費用，只需要遵守一定的發(fā)射功率，并且不要對其它頻段造成干擾即可。

b.安裝簡易：相對于有線網(wǎng)絡來說，wifi的安裝不需要布線，甚至可以直接利用現(xiàn)場環(huán)境中已經(jīng)存在的wifi網(wǎng)絡來實現(xiàn)定位，這樣就大大降低了人力、物力、財力成本，特別適合在室內(nèi)應用，如停車場、辦公室、學校圖書館、家庭等。

c.有效范圍廣：wifi系統(tǒng)中的ap熱點信號的覆蓋半徑理想情況下能達到100米左右。如果室內(nèi)的面積較大，只需通過增加ap的個數(shù)就能完成整個室內(nèi)的有效覆蓋。目前，智慧城市、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等技術都離不開wifi的使用。

d.對環(huán)境要求低：其實wifi定位不局限于室內(nèi)，室外定位也是可以的，只要有足夠強的wifi信號覆蓋。同時，因為wifi信號受非視距影響相對較小，即使在定位環(huán)境中有障礙物的情況下也能夠正常使用。

但是，現(xiàn)有技術的缺陷包括：例如專利號201610695797.0，專利名稱：一種wifi指紋室內(nèi)定位方法，但是該專利必須劃定定位區(qū)域，而且需要建立所述l個采樣點的位置指紋庫lfdb，并且位置指紋庫lfdb進行k-means聚類，必須以歐式距離作為相似度的評價準則。這樣，指紋庫里指紋的不可靠和不穩(wěn)定。例如專利號201310348095.1，專利名稱：指紋定位方法與服務器，但是該專利必須預先建立不同環(huán)境下的多套指紋庫，而且在實際定位過程中，需要根據(jù)實時參考點當前的指紋信息匹配出最佳指紋庫，還有根據(jù)最佳指紋庫最終估計出終端當前的位置。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于針對上述現(xiàn)有技術的不足，提供了一種基于加權卡方距離的wifi位置指紋定位方法，該方法建立一個可靠穩(wěn)定的指紋數(shù)據(jù)庫，能夠有效地提高定位精度和定位的有效性。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種基于加權卡方距離的wifi位置指紋定位方法，該方法包括如下步驟：

步驟1：在離線測量階段，建立指紋數(shù)據(jù)庫。

步驟2：在在線定位階段，根據(jù)待定位點獲取到的各個無線接入點ap的信號強度向量，并計算待定位點的信號強度向量與指紋數(shù)據(jù)庫中指紋向量的加權卡方距離。

步驟3：將計算所得的加權卡方距離進行從大到小排序，選擇k個參考點(k表示個數(shù))。

步驟4：根據(jù)參考點的位置坐標估算待定位點的位置坐標。

進一步地，本發(fā)明上述步驟1中包括如下子步驟：

步驟1-1：在離線測量階段，將待定位區(qū)域離散化，形成參考點網(wǎng)格，每個網(wǎng)格的四個頂點作為參考點，在待定位區(qū)域部署無線接入點。

步驟1-2：利用移動終端在待定位區(qū)域的每個參考點處采集無線接入點發(fā)射的信號強度值，并將信號強度值和參考點的位置坐標組成指紋向量，利用所有參考點的指紋向量構成指紋數(shù)據(jù)庫。

進一步地，本發(fā)明上述步驟1-2中的每個參考點處在進行n次采集，使用方差濾波的方法過濾離群值再求平均值，然后將信號強度值的平均值和參考點的位置坐標組成指紋向量，構建指紋數(shù)據(jù)庫。

進一步地，本發(fā)明上述步驟2中的加權卡方距離的計算公式為：

其中，表示待定位點接收到第j(j表示第幾個)個ap信號強度值經(jīng)過方差濾波后的平均值，表示第i(i表示第幾個)個參考點接收到第j個ap信號強度值經(jīng)過方差濾波后的平均值，wi是特定參考點在第i個ap接入點處的權值系數(shù)，與參考點處對應ap接入點的方差相關，以方差作為系數(shù)，并對特定參考點上所有ap的系數(shù)做歸一化處理，如下式所示：

進一步地，本發(fā)明上述步驟4中待定位點的位置坐標估計公式是

wi為第i個參考點的權重值，(xi,yi)為第i個參考點的坐標，其中

本發(fā)明上述第i(i表示第幾個)個參考點的權重值為：

其中，di為待定位點信號強度向量到第i個參考點信號強度向量的卡方距離，ε為一個很小的正實數(shù)。

本發(fā)明在構建指紋數(shù)據(jù)庫時，因為人的隨意走動、墻壁的遮擋、人拿手機的方向、同頻干擾等復雜環(huán)境的影響，會對接收到的無線接入點的ap信號強度值產(chǎn)生一定程度的波動，因此必須對參考點采集到的無線接入點的ap信號強度值進行預處理。在離線階段使用方差濾波的方法過濾離群值，降低信號采集過程中離群值對建立指紋數(shù)據(jù)庫帶來的影響；在在線定位階段使用加權卡方距離計算待定位點與參考點之間的距離，按照距離從大到小順序排列，選出k(k表示個數(shù))個參考點，計算出待定位點的位置坐標。本發(fā)明能夠有效提高定位系統(tǒng)的定位精度和穩(wěn)定性。

有益效果：

1、本發(fā)明在離線測量階段采用方差濾波的方法能夠有效剔除了在參考點處接收到的信號強度值中存在的噪聲值，提高了指紋庫里指紋的準確性。

2、本發(fā)明在在線定位階段使用卡方距離是因為充分考慮了卡方距離可以有效反映特征量之間的相對距離的變化，而相對距離在分類中更有實際意義這一因素。相對于傳統(tǒng)的歐式距離而言，使用卡方距離能夠有效地提高定位精度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的基于加權卡方距離的wifi位置指紋定位方法的總體設計圖。

圖2是本發(fā)明提供的待定位區(qū)域的ap布置示意圖。

圖3是本發(fā)明提供的移動終端離線測量階段的流程圖。

圖4是本發(fā)明提供的移動終端在線定位階段的流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

圖1所示的是wifi室內(nèi)定位系統(tǒng)的總體設計框架。本發(fā)明采用典型的c/s(客戶端/服務器)架構，系統(tǒng)由移動定位終端、服務器兩部分組成。移動定位終端與服務器端采用http進行通信，ap采用現(xiàn)有的路由器。

圖2所示，選取8m*5m的空間作為待定位區(qū)域，按照1m*1m的網(wǎng)格劃分待定位區(qū)域，選擇網(wǎng)格的四個頂點作為參考點，在待定位區(qū)域布置4個ap點。

離線階段的流程如圖3所示，在離線測量階段構建指紋數(shù)據(jù)庫，在待定位區(qū)域建立合適的網(wǎng)格選取參考點，利用android手機客戶端在待定位區(qū)域的參考點處多次采集周圍ap的信號強度值進行方差濾波，將經(jīng)過方差濾波的信號強度向量與參考點的位置坐標以一定的格式組成指紋向量，并且把這指紋向量發(fā)送到服務器，構成指紋數(shù)據(jù)庫。

在線階段的流程如圖4所示，android定位終端向服務器發(fā)送連接請求進行連接，并將android定位終端所在位置的信號強度值多次采集并進行方差濾波，將方差濾波后的信號強度向量發(fā)送給服務器，將服務器接收到的信號強度向量通過匹配算法與指紋數(shù)據(jù)庫里的指紋進行比較計算出android定位終端所在位置的坐標，并把定位坐標發(fā)送給android定位終端。匹配算法采用加權卡方距離算法，計算服務器接收到的信號強度向量與指紋數(shù)據(jù)庫里的卡方距離，按照卡方距離從大到小排序，選擇出前k(k＝3)相似度較大的參考點，根據(jù)卡方距離的大小給k個參考點賦予不同的權重計算估計android定位終端所在位置的坐標，將獲得的定位終端的坐標在室內(nèi)地圖上實時的顯示并標記出來。

本實施例采用方差濾波的方法構建指紋數(shù)據(jù)庫，利用加權卡方距離方法來計算用戶的位置坐標，具體步驟如下所示：

(1)構建指紋數(shù)據(jù)庫。具體包括：在離線測量階段，將待定位區(qū)域離散化，形成參考點網(wǎng)格，將每個網(wǎng)格的四個頂點作為參考點，并且在待定位區(qū)域部署無線接入點。利用移動終端在待定位區(qū)域的每個參考點處進行多次采集無線接入點發(fā)射的信號強度值，并且使用方差濾波計算出每個參考點處信號強度的平均值，并將該信號強度值和參考點的位置坐標組成指紋向量，存儲在指紋數(shù)據(jù)庫中。

本發(fā)明方差濾波的做法如下：預先設定一方差閾值vd，在同一個參考點上進行多次采集，獲得參考點上的多組數(shù)據(jù)。對每一個特定的ap接入點，計算其參考點上多組數(shù)據(jù)的平均值avr和方差var。如果計算所得的方差小于設定的方差閾值，則方差濾波結(jié)束；否則，從在參考點處采集到的特定ap接入點的信號強度值中刪除距離其平均值最遠的信號強度值，再計算其平均值和方差，重復以上步驟，滿足條件結(jié)束。

計算在同一個參考點處采集到的特定ap接入點信號強度的平均值公式為：

其中，rss(i)表示在同一個參考點處采集到的特定ap的第i次信號強度值，n表示采集特定ap信號強度的總次數(shù)。

計算在同一個參考點處采集到的特定ap接入點信號強度的方差公式為：

因此，每個參考點的指紋信息由多個ap信號強度均值組成的向量和多個ap信號強度方差的向量σ構成，二者如下所示

σ＝(σ1,σ2,…σn)

最后，將每一個參考點處的各個ap的信號強度均值和方差建立指紋數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫格式為其中表示第i個參考點接收到第j個ap信號強度值經(jīng)過方差濾波后的平均值，σi,j表示第i個參考點接收到第j個ap信號強度值的方差，m為參考點總數(shù)，n為ap接入點總數(shù)。

(2)根據(jù)在待定位點接收到無線接入點的信號強度向量，并計算所述信號強度向量與指紋數(shù)據(jù)庫中指紋向量的距離。其中距離計算公式為

表示待定位點接收到第j(j表示第幾個)個ap信號強度值經(jīng)過方差濾波后的平均值，表示第i(i表示第幾個)個參考點接收到第j(j表示第幾個)個ap信號強度值經(jīng)過方差濾波后的平均值。wi是特定參考點在第i(i表示第幾個)個ap接入點處的權值系數(shù)，與參考點處對應ap接入點的方差相關，以方差作為系數(shù)，并對特定參考點上所有ap的系數(shù)做歸一化處理，如下所示

(3)將上述(2)計算所得的距離進行降序排列，選取k個相似度較大的參考點。

(4)根據(jù)選擇出的k個相似參考點利用坐標估算公式計算出待定位點的坐標。其中坐標估算公式為

wi為第i個參考點的權重值，(xi,yi)為第i個參考點的坐標。

，其中

上述第i個參考點的權重值

其中，di為待定位點信號強度向量到第i個參考點信號強度向量的距離，ε為一個很小的正實數(shù)。

本發(fā)明在構建指紋數(shù)據(jù)庫的過程中使用了方差濾波的方法來創(chuàng)建每個參考點的指紋信息，有效的避免了奇異值對參考點指紋信息的影響，從而在一定程度上提升了定位精度；在實時定位階段，使用卡方距離代替歐式距離，有效的提高了分類的效果。

應當理解上述具體實施方式僅用于說明而不用于限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍以權利要求書的記載范圍為準。