一种基于无线自组网的室内定位方法和系统

技术领域

本申请涉及室内定位技术领域，特别涉及一种基于无线自组网的室内定位方法和系统。

背景技术

当前，位置服务(LBS)产业迅猛发展，高精度位置信息是提供高质量位置服务的基础。传统卫星定位系统，如全球定位系统(GPS)、北斗定位系统等，在室外空旷环境下拥有较高的定位精度。但是，由于在室内环境下，卫星定位信号很容易受到遮挡或干扰，导致卫星定位系统在城市峡谷及室内环境下定位不准甚至无法定位。

为了解决室内环境下的定位问题，近年来出现了很多室内定位技术。常用的室内定位代表技术有：Wi-Fi定位、蓝牙定位、射频识别(RFID)定位、紫峰(ZigBee)定位、陀螺仪定位等。上述室内定位技术大致可以分为以下三种技术路线：

第一种是信标定位：通过在室内部署多个位置信标，测量定位终端到位置信标(至少3个)的间距，通过位置算法解算定位终端位置。比较常用的位置解算方法如三边定位。WI-FI、蓝牙信标、RFID一般采用这类技术。

第二种是指纹定位：通过在室内部署多个位置信标，预先在室内全区域测量信标的无线信号强度，构造信标信号指纹数据库，定位终端通过比对信标指纹库来确定其位置。蓝牙指纹、ZigBee定位采用指纹定位技术。

第三种是惯性导航定位：通过定位终端上的惯性导航模块测量加速度，然后基于起始位置对加速度进行积分计算，最后计算出定位终端的速度和位置。陀螺仪定位采用惯性导航定位技术。

上述现有技术主要存在以下技术问题：

技术问题1：

需要在室内提前部署定位信标，无法满足应急救援、快速部署等临时性定位场景的应用需求。例如：现有的信标定位技术和指纹定位技术都需要提前部署信标。

由于信标定位和指纹定位都是基于位置信标作为计算定位终端的基准点，因此，都需要预先在室内局域部署位置信标。而在应急救援、快速部署或城市峡谷等定位场景下，往往无法提前部署位置信标，这就使得信标定位技术和指纹定位技术在上述定位场景下无法使用。

技术问题2：

定位系统需要定期校准，工作量大，增加了维护成本。例如：现有的指纹定位法就需要定期校准信标指纹信号。

指纹定位是通过比对室内预先部署的信标的信号指纹来推算定位终端的位置，在长期使用下，由于信标电池电量衰减或因为电磁环境变化等原因，导致指纹变形，从而影响定位精度，因此，需要定期校准信标指纹信号。而在实际使用中，很难保证指纹信号不漂移，指纹不变形。

技术问题3：

惯性导航定位技术的定位误差将随时间逐渐积累。

在无法利用信标定位的场景，可以采用惯性导航定位技术进行定位，但是，随着工作时间的增加，惯性导航定位技术的定位误差将越来越大，这种误差对于某些应用场景是不能容忍的，比如建筑物火灾救援现场。

惯性导航需要有校准机制，如通过GPS校准，但是，在室内环境、临时定位应用中，很难利用其它定位技术来进行校准。

发明内容

本申请提供了一种基于无线自组网的室内定位方法和系统，以实现高精度的室内定位。

本申请公开了一种基于无线自组网的室内定位方法，包括：

在目标区域预先部署至少3部无线自组网终端作为基准位置终端；

通过测量基准位置终端与室内终端之间的无线信号接收强度RSSI，解算各室内终端的位置坐标。

较佳的，所述在目标区域预先部署至少3部无线自组网终端作为基准位置终端包括：

根据无线自组网终端的卫星定位信号强度，选择信号强度最强的至少3部无线自组网终端作为基准位置终端；

或者，手动设定已知位置的至少3部无线自组网终端作为基准位置终端。

较佳的，手动设定的方式包括以下的至少一种：通过电子地图点取、输入终端局域坐标值、或设定终端经纬度。

较佳的，所述通过测量基准位置终端与室内终端之间的RSSI，解算各室内终端的位置坐标包括：

在所述无线自组网终端之间建立无线动态互联；

以各无线自组网终端之间的间距建立位置矩阵；

测量各无线自组网终端之间的RSSI，以测量得到的RSSI刷新所述位置矩阵中的数值，并求解所述位置矩阵，获得各未知坐标的无线自组网终端的位置。

较佳的，所述以各无线自组网终端之间的间距建立位置矩阵包括：

按照(X

以所述Dij构造局域无线自组网终端之间的全网终端位置矩阵：

其中，Dii＝0，如果无线自组网终端之间无法建立连接，则对应的矩阵分量为0。

较佳的，所述以测量得到的RSSI刷新所述位置矩阵中的数值包括：

以测量得到的RSSI采用循环迭代动态刷新的方式刷新所述位置矩阵中的数值。

本申请还公开了一种基于无线自组网的室内定位系统，

该系统中包括若干无线自组网终端，其中，在目标区域预先部署有至少3部无线自组网终端作为基准位置终端；

所述系统通过测量基准位置终端与室内终端之间的RSSI，解算各室内终端的位置坐标。

较佳的，根据无线自组网终端的卫星定位信号强度，选择信号强度最强的至少3部无线自组网终端作为基准位置终端；

或者，手动设定已知位置的至少3部无线自组网终端作为基准位置终端。

较佳的，所述无线自组网终端之间建立无线动态互联；

所述系统以各无线自组网终端之间的间距建立位置矩阵，测量各无线自组网终端之间的RSSI，以测量得到的RSSI刷新所述位置矩阵中的数值，并求解所述位置矩阵，获得各未知坐标的无线自组网终端的位置。

较佳的，所述系统按照(X

所述系统以所述Dij构造局域无线自组网终端之间的全网终端位置矩阵：

其中，Dii＝0，如果无线自组网终端之间无法建立连接，则对应的矩阵分量为0。

由上述技术方案可见，本发明通过在目标区域预先部署至少3部无线自组网终端作为基准位置终端，然后利用无线自组网终端之间动态无线网络自组网连接，通过测量终端之间的RSSI信号，动态刷新终端之间的间距，最后通过三边定位法解算整个网络所有终端的位置。

采用本发明，在应急救援，临时布控等应用场景可实现快速、灵活、无中心的室内定位系统部署，无需事先部署定位信标，这些应用场景一般具有突发性、无预知性、或者现场无预设性等特点。

本发明无线自组网室内定位系统各部终端的位置基于现场临时设置的基准位置终端进行实时刷新解算(基准位置终端数量≥3部)，定位精度高，能够避免定位误差累计。

本发明所公开的技术方案，能够降低室内定位系统的部署难度，降低部署成本，提高定位精度，特别在应急救援、快速部署等临时室内定位应用中可以更好发挥其灵活性，体现其无中心、快速部署等技术优势。

附图说明

图1为三边定位法的原理示意图；

图2为本发明基于无线自组网的室内定位方法的流程示意图；

图3为本发明基于无线自组网的室内定位方法的示例图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本申请作进一步详细说明。

三边定位法是采用3个已知位置点定位1个未知定位点，下面简要描述三边定位法的原理。

如图1所示，无线自组网终端UE1、UE2、UE3的位置坐标已知，分别为(X1,Y1)、(X2,Y2)和(X3,Y3)，求终端UE0的坐标(X0，Y0)。通过UE之间的无线信号接收强度(RSSI)可以得到各终端之间的间距D01、D02、D03，其中：D01是UE0与UE1之间的间距，D02是UE0与UE2之间的间距，D03是UE0与UE3之间的间距。RSSI和间距之间的关系可以通过无线信号传输模型确定，可以表达成间距的单调函数，即：

RSSI＝f(Dij)

其中，Dij为标号为i和j无线自组网终端之间的间距；

无线自组网终端之间的RSSI可以通过空口接收功率获得。

求解以下方程，可以求得UE0的坐标(X0，Y0)：

(x

(x

(x

在实际定位中，由于RSSI的信号测量误差，导致定位精度不准，因此实际应用中采用多个已知位置点(超过3个)来修正终端UE0的位置，已知位置点越多，定位精度越准。

本发明基于三边定位法，提出一种基于无线自组网的室内定位方法，该方法的主要思想在于：在目标区域预先部署至少3部无线自组网终端作为基准位置终端，通过测量基准位置终端与室内终端之间的RSSI，解算各室内终端的位置坐标。

本发明基于无线自组网的室内定位方法的流程图如图2所示，该方法在目标区域部署有N部无线自组网终端，部署区域包括室内和室外，该方法具体包括以下步骤：

步骤1：在目标区域预先部署至少3部无线自组网终端作为基准位置终端。

下面以建筑物室内定位应用场景为例进行说明。本例中部署3部无线自组网终端作为基准位置终端，如图3所示，其中的UE1、UE2和UE3为基准位置终端。可以通过自动或手动模式进行部署，后面将对此进行详细说明。这些基准位置终端可预设在室外，从而能够接收到良好的卫星定位信号(例如：GPS或北斗信号)，其位置坐标通过卫星定位信号精确定位。图3所示处于目标区域室内的无线自组网终端UE4、UE5、UE6和UE7由于建筑物遮挡，无法接收GPS和北斗信号。

步骤2：通过测量基准位置终端与室内终端之间的RSSI，解算各室内终端的位置坐标。具体而言，循环迭代执行以下过程，动态刷新无线自组网终端的位置：

首先，在无线自组网终端之间建立无线动态互联；

然后，以各无线自组网终端之间的间距建立位置矩阵DN；

最后，测量各无线自组网终端之间的RSSI，以测量得到的RSSI刷新位置矩阵DN中的数值，并求解DN，获得各未知坐标的无线自组网终端的位置。

以如图3为例，可以按照以下方式解算各室内终端的位置坐标：

1)求解UE4的位置：UE4可以和室外的基准定位终端UE1、UE2和UE3建立无线连接，并通过三边定位法求解UE4的位置；

2)求解UE6的位置：由于UE6只能和室外的基准定位终端UE1和UE3建立无线连接，无法通过3部室外终端确定其位置，但是，UE6可以和UE4建立无线连接，根据上一步计算可知UE4位置已求出，因此可以通过室外基准定位终端UE1和UE3，以及室内终端UE4的位置求解UE6位置。

3)同理，UE5可以通过室外基准定位终端UE2、以及室内终端UE4和UE6求解其位置。

4)同理，UE7可以通过室内终端UE4、UE5和UE6求解其位置。

根据三边定位法原理，如目标区域的无线自组网终端数为N(N＞3)部，可得任意两部无线自组网终端之间的间距Dij，(3＜i，j≤N)：

(X

其中，(X,Y)为无线自组网终端的坐标，下标i，j为无线自组网终端标号，3＜i，j≤N，N为所述目标区域中无线自组网终端的总数。

以任意两部无线自组网终端之间的间距Dij构造一个局域无线自组网终端之间的全网终端位置矩阵：

其中，Dii＝0，如无线自组网终端之间无法建立连接，则对应的矩阵分量为0。

在位置矩阵DN中，如有3部终端的位置坐标确定，则可求出位置矩阵上所有分量值，从而确定目标区域所有无线自组网终端的位置。根据无线自组网终端之间建立的无线连接关系和终端间的RSSI测量值，刷新DN矩阵中的数值，求解矩阵位置分量，最终获得各室内无线自组网终端的位置信息。

实际使用中，无线自组网至少有3部终端作为位置基准点，设定基准位置终端有两种模式：

1)自动模式：根据无线自组网终端的GPS和北斗信号强度自动优选至少3部终端作为位置基准终端。这种模式适用于全网有≥3部终端可通过接收GPS或北斗信号确定位置的应用场景，如至少3部终端部署于室外。

2)手动模式：手动设定已知位置的终端为基准位置终端。这种模式适用于全网可接收GPS或北斗信号终端数＜3部，可以把若干部终端手动设置在指定位置。手动设定方法包括但不限于以下方法：通过电子地图点取、输入终端局域坐标值、或设定终端经纬度。

对应于上述方法，本申请还提供了一种基于无线自组网的室内定位系统，其中：

该系统中包括若干无线自组网终端，其中，在目标区域预先部署有至少3部无线自组网终端作为基准位置终端；

所述系统通过测量基准位置终端与室内终端之间的RSSI，解算各室内终端的位置坐标。

较佳的，根据无线自组网终端的卫星定位信号强度，选择信号强度最强的至少3部无线自组网终端作为基准位置终端；

或者，手动设定已知位置的至少3部无线自组网终端作为基准位置终端。

较佳的，所述无线自组网终端之间建立无线动态互联；

所述系统以各无线自组网终端之间的间距建立位置矩阵，测量各无线自组网终端之间的RSSI，以测量得到的RSSI刷新所述位置矩阵中的数值，并求解所述位置矩阵，获得各未知坐标的无线自组网终端的位置。

较佳的，所述系统按照(X

所述系统以所述Dij构造局域无线自组网终端之间的全网终端位置矩阵：

其中，Dii＝0，如果无线自组网终端之间无法建立连接，则对应的矩阵分量为0。

无线自组网技术说明：无线自组网是一种无中心自组织网络，由一组带有无线收发装置的移动终端组成，每部终端具有终端主机和路由功能。根据路由协议和路由表，每部终端都能完成数据转发和路由维护功能，从而实现无线自组网独立组网、动态路由及无中心网络功能。本发明利用无线自组网终端之间动态无线网络自组网连接，通过测量终端之间的RSSI信号，动态刷新终端之间的间距，通过三边定位法解算整个网络所有终端的位置。

本发明所公开的技术方案，能够降低室内定位系统的部署难度，降低部署成本，提高定位精度，特别在应急救援、快速部署等临时室内定位应用中可以更好发挥其灵活性，无中心、快速部署等技术优势。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。