专利权人 | 西北工业大学 | ||||
专利名称 | 多楼层环境下室内三维定位分步方法 | ||||
专利简介(摘要) | 本发明提供了一种多楼层环境下室内三维定位分步方法,涉及室内定位领域,采用分步和降维的思想,将三维定位分解为楼层定位和平面定位两个步骤来完成,利用基于TDOA的定位方法实现对于MT的准确定位,首先通过本发明的判断机制,判断测量值的符号,完成对MT的楼层定位,确定MT所在楼层,然后再对MT进行平面定位,确定移动终端位置的目标,本发明与现有技术相比,实现了待求移动终端的三维定位,使得定位AP的布置简单快速,定位原理简单,且定位准确度高,定位复杂度低,不用为待定位的多楼层建筑事先建立数据库,简化了定位的过程,可移植性高,可以用于各种对于楼层信息和位置信息的定位应用中。 | ||||
专利类型 | 发明专利 | ||||
专利号 | CN201610424791.X | 申请日 | 2016-6-15 | 有效期限 | 20年 |
技术领域 | 其它, | ||||
解决的技术问题 | 随着无线通信技术和无线网络的发展,人们对于定位特别是室内定位的需求日益增加。室内场景比较复杂,存在空间小,物体多的特点。因此,在室内场景中,获取目标的位置信息就极具挑战性。 目前,在室内定位技术的研究中,二维平面的定位技术居多,而三维空间的室内定位技术研究相对较少,在实际定位需求中,二维平面的室内定位技术往往无法满足用户的定位需求。因此,研究三维定位技术尤为重要。 传统的室内三维定位方法中,通常采用的方法有基于接收信号强度(ReceivedSignal Strength Indication,RSSI),基于到达时间(Time of Arrival,TOA),基于到达角度(Angle of Arrival,AOA),基于到达时间差(Time Difference of Arrival,TDOA)等。当直接使用TDOA进行三维室内定位时,除要求参与定位的各个测量节点,如接入点(AccessPoint,AP)不在同一水平面内、不在同一条直线上等之外,更主要的是直接三维定位计算量显著增大,并且定位精度很难达到平面定位的水平。 | ||||
发明内容 | 为了克服现有技术的不足,解决现有室内三维定位过程中遇到运算量大和定位精度低等问题,本发明采用分步和降维的思想,将三维定位分解为楼层定位和平面定位两个步骤来完成,利用基于TDOA的定位方法实现对于移动终端MT(Mobile Terminal,MT)的准确定位。首先通过本发明中提出的判断机制,判断测量值的符号,完成对MT的楼层定位,确定MT所在楼层;然后再对MT进行平面定位,实现快速准确地确定MT位置的目标。 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是: 步骤1:AP点布置 假设接入点AP位于天花板的下表面,在每层楼中,每间隔10m放置一个AP,MT可以检测到的AP中任意不同楼层的两个AP为一组,所选出的不同楼层的两个AP水平面投影距离偏差不超过0.5m,每层楼的楼层高度h为4m; 步骤2:楼层定位 2.1搜索所有检测得到的AP,将这些AP所位于的楼层作为MT可能的初始范围; 2.1.1若只有一层楼的AP,则该层即为MT所在楼层; 2.1.2若仅有两层楼的AP,采用基于到达时间(Time of Arrival,TOA)判断楼层:分别取这两层楼的一个AP,定义为AP0和AP1; 根据AP0和AP1分别到MT的时间值t0和t1,建立球面方程,求得MT的竖直坐标; 所属方程由空间中的欧式距离公式建立,方程如下: 以第一楼层地板所在平面为xoy平面建立空间直角坐标系;其中,(x0,y0,z0)为参与定位的AP0的坐标,(x1,y1,z1)为参与定位的AP1的坐标,(x,y,z)为待求MT的坐标,l0=c×t0为AP0到MT的距离,l1=c×t1为AP1到MT的距离,其中c为光速;由于只是确定MT位于哪一楼层,对z的精度要求并不是很高,在AP0和AP1水平坐标偏差不超过0.5m时,用相交圆圆心的z坐标代替待求MT的竖直坐标w; 2.1.3若存在三层及三层以上的搜索结果,则先随机选取其中相邻两层的AP准备测量并进入2.2; 2.2对2.1.3中随机选择出来的相邻两层的AP进行测量,并记录TDOA测量值d的符号,即正或者负,TDOA的测量值d规定为MT到随机选出来的两个相邻两层中高楼层AP的距离减去MT到随机选出来的两个相邻两层中低楼层AP的距离; 2.2.1若两个楼层的AP连线垂直于楼层地板平面,进入2.3; 2.2.2若两个楼层的AP连线不垂直于楼层地板平面,假设相邻两个AP分别为A和B,L代表A和B之间的连线,h为楼层高度,则当本次TDOA测量值d满足时,本次测量有效,进入2.3;否则,本次测量无效,则在A和B所在楼层重新各选择一个AP并重复本步骤直至测试有效; 2.3定义2.2中所选的相邻楼层分别为i和i-1,相应的两个AP为APi和APi-1,以这两个楼层所选AP的中垂面为界,TDOA的测量值d为正,则MT位于楼层i的中垂面及以下楼层;测量值d为负或者为零,则MT位于楼层i的中垂面及以上楼层: 2.3.1根据TDOA测量值d判断出的MT所在的楼层范围,若TDOA的测量值d为负,且楼层号数字区间的最小值大于等于当前候选楼层中的最高楼层号,则定位结果为最高楼层;若TDOA的测量值d为正,且确定的楼层号数字区间的最大值小于等于当前候选楼层的第二层,此时执行步骤2.1.2,得到MT的竖直坐标w; 2.3.2若所确定出来的MT所在的楼层范围没有出现大于等于候选楼层内的最高楼层或者小于等于候选楼层内的倒数第二层的情况,则记录本次测量结果的符号,即TDOA测量值为正或者负; 2.3.2.1若本次测量为第一次测量或者本次测量结果与本次测量的前一次测量结果的符号相同,则根据本次结果的符号选择AP,选择规则为: 如果测量结果为正,则重新选择AP,所选出来的AP的楼层号都在2.1.3选择出来的楼层号数字的基础上向下移一层; 如果测量结果为负,则重新选择AP,所选出来的AP的楼层号都在2.1.3选择出来的楼层号数字的基础上向上移一层, 之后返回步骤2.2; 2.3.2.2如果将本次测量与前一次测量的符号进行对比,测量结果的符号相反,此时MT的位置被局限在两层楼i和i-1内,选取两层楼中上层i的AP与比两层楼中下层AP更低一层i-2的AP,判断本次TDOA测量值是否满足即判断本次测量是否有效,若满足则有效,进入2.4;若不满足则无效,若本次测量无效,则重新在两层楼i和i-1内重新选取AP直到测量值有效后进入 步骤2.4; 2.4计算MT与楼层i的AP和楼层i-2的AP两者之间的距离差d,当d大于等于零,MT位于i层及以下楼层;当测量值为负,MT位于i-2层及以上楼层; 综合2.3.2确定的楼层范围和2.4确定的楼层范围,即可得到最终的MT所在楼层; 步骤3:平面定位 3.1若在楼层定位中没有通过2.1.2得到MT的竖直坐标w,则根据所确定的MT所在的楼层位置,估计出MT的竖直坐标w,具体估计规则为: 定义每层楼的楼层高度为h,若假设确定的MT所在楼层号为F,则MT的竖直坐标w值为(F-1/2)h,并在该楼层内选择4个AP参与定位,任意三个AP不共线,且每个AP所在高度相同; 3.2将3.1中四个AP其中的一个AP作为参考节点APs,测量待定位MT发出的无线信号到达四个AP中其他三个节点与到达参考节点APs的时间差值为tis;并计算时间差与光速的乘积,得到MT距离四个AP中其他三个节点与距离参考节点APs的距离差dis,并由此建立所需的定位方程: a)平移坐标系使得坐标原点与APs重合,坐标系平移后,四个AP中其他三个节点APi(i≠s)的坐标变为(xi,yi,0),特别地,APs的坐标为(0,0,0); b)建立距离差公式,方程如下: 其中(x0,y0,z0)为四个AP中参考AP,即APs坐标系平移后的坐标,(xi,yi,zi)为另外三个节点APi(i≠s)坐标系平移后的坐标,zi=z0=0,dis为MT距离四个AP中其他三个节点与距离参考节点APs的距离差,公式(3)中z的值取根据步骤3.1得到的MT的竖直坐标估计值w; 3.3通过三维定位得到MT的平面坐标x和y坐标,并将坐标系平移回原坐标系,得到MT在原坐标系下的平面坐标,通过步骤2的楼层定位过程和步骤3的平面定位过程最终实现多楼层环境中MT的三维定位。 | ||||
技术效果 | 本发明的有益效果是与现有技术相比,本发明通过分部定位和降维的思想,然后通过特定的算法,实现了待求MT的三维定位,使得定位AP的布置简单,快速;定位原理简单,且定位准确度高;定位复杂度低,不用为待定位的多楼层建筑事先建立数据库,简化了定位的过程;可移植性高,可以用于各种对于楼层信息和位置信息的定位应用中。 | ||||
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