文摘
无线信号传输过程是一个复杂的过程,提高室内定位精度,这项工作提出了一种新颖的室内定位技术根据接收信号的强度。首先,建筑的室内环境是区域化在训练阶段的室内定位。然后,室内空间的邻近点相同的无线信号传输特性聚集到相同的区域,和相应的参数集和每个区域构造的决策领域。之后,在定位阶段,区域的信心和接收信号的强度是用来预测室内移动电台所在的地方。最后,测距结果和解决方案的传统三面定位过程约束获得最优解。与传统的定位技术,将整个复杂的室内环境作为一个整体,提出室内空间区划等预处理方法可以有效地降低错误。与重心的不加选择的数据融合方法,将数据过滤方法基于区域信心更有针对性。在实验中,一个实际的办公区域是用来测试我们的建议的性能,实验结果表明,我们的方法可以有效地提高室内定位结果的准确性。
1。介绍
信息技术的进步和社会的发展,基于位置的服务(LBS)已成为一个基本服务要求人们的日常工作和生活1]。定位技术可以分为两种类型:室外定位技术和室内定位技术。在室外环境中,全球定位系统(GPS),北斗导航卫星系统(BDS),和其他全球导航卫星系统(GNSS)为用户提供meter-level定位服务,基本上解决了户外空间中的精确定位问题(2]。然而,在一个室内环境中,占据了80%的人类日常生活,GNSS信号强度的大幅减少是由于建筑物对无线信号的屏蔽效应。因此,定位精度大大降低,不能满足室内定位服务的需要。这个问题特别突出大型购物中心、综合交通枢纽、地下矿山、等,在大型和复杂的室内环境。因此,如何提高室内定位技术的准确性在一个大而复杂的室内环境是当前研究领域的焦点定位技术(3]。室内定位技术基于接收信号强度(RSS)已经成为主流的室内定位技术因为它所具有的特性,它可以直接使用现有的广泛部署WLAN设备和硬件的低成本很容易部署。
基于RSS的室内定位技术主要可以分为基于测距的定位技术和基于位置指纹定位技术4]。基于位置指纹定位方法来检测某个特定位置的无线信号特点,构建一个基于这个位置指纹数据库。在定位阶段,检测到无线信号特征和特定的匹配算法用于遍历位置指纹数据库通过计算来估算目标节点的位置信息。位置指纹定位方法不需要参考点的具体信息和具有独特优势在特定场合是不可能的或不方便校准参考点。然而,位置指纹定位方法需要相当大的工作量,建立和维护的位置指纹数据库。基于范围定位方法在传输过程中使用无线信号的衰减特征来确定目标节点之间的距离和多个参考点的位置是已知的。在此基础上,获得目标节点的位置信息是通过进一步计算。基于距离测量的定位方法易于部署、低成本、低维护、容易推广。然而,由于无线信号传播路径的复杂性和多样性,在室内环境中,一个单一的无线信号传播模型不能描述无线信号的传播特性不同的点在室内,导致大错误和降低定位精度。为了准确地确定点的面积来衡量,进一步提高定位精度,本文设计和实现了一个基于区域的判断方法的信心。 This method uses the error vector of the equation and the degree of compatibility to filter out the irrelevant combination of regions; thus, making the determination position of the point to be measured is more accurate.
2。室内定位技术
随着信息技术的蓬勃发展和电子技术、室内定位方法不断涌现并被应用。广泛使用的室内定位方法包括间接检测,三角,极性点方法,航迹推算,手指印,multilateration [5]。距离检测方法检测覆盖范围的发射目标所在点确定近似范围目标的位置,精度较低。三角定位法和杆法主要是通过观察角度来判断目标的坐标之间的关系目标和已知的参考点。航迹推算定位通过收购的移动速度,方向,和时间的测量目标。方便使用,但积累的错误。一个室内环境中使用时,它有一个行人航迹推算为行人定位场景(PDR)算法。指纹定位方法事先建立指纹图谱数据库,收集到的信号指纹匹配数据与数据库数据记录在定位来确定目标的位置。指纹定位不需要参考点位置信息,非常适合特殊场合不能校准参考点的位置信息。然而,指纹数据库建立和维护的工作量非常大,和实现有效的数据匹配一直是一个困难的问题,已引起了许多学者的注意。一些学者取得了其他进展领域的本体研究,取得了一些进展6- - - - - -15]。多边定位方法是预先校准几个参考点的位置,然后确定点的位置被测量通过测量点之间的距离来衡量和参考点。在实际应用程序中,三个参考点通常用于定位,也称三面定位。
不同的定位方法需要选择不同的观察结果。常见的观察包括到达时间(TOA),到达时差(辐射源脉冲),增强观察时差(EOTD),和往返时间(RTT),到达角(AOA),接收信号的强度(RSS),等指纹定位方法,三边定位法、和多边定位法通常使用RSS作为定位的观测方法。
基于这些室内定位方法,各种室内定位技术已经衍生和发展(16),而在表1。
基于RSS的三边定位技术主要包括Wifi,蓝牙、射频识别、无线个域网等等。因为它方便的数据收集,少量的计算,和广泛的网络部署中,它具有良好的应用前景。
3所示。无线信号传播模型和三边定位算法
计算测量的点之间的距离和参考点使用的距离测量方法,然后利用三边测量算法计算点的位置来衡量是一个典型的基于rss的定位技术的方法,计算简单,具有良好的通用性。
3.1。无线信号传播模型
无线信号传播模型是一个数学模型,在该模型中,无线信号传播通过介质在一定介质环境。通过无线信号传输模型,定量关系造成的信号衰减程度的无线信号传播过程中可以获得空间和传输距离,和一个合理的选择信号传输模型和传输模型参数适用于当前环境满意的室内定位性能是至关重要的。无线信号在自由空间的传播模型表明,接收信号的强度可以由以下公式来表达(16]: 在哪里是信号功率发射机,无线信号的波长,是在发射机天线增益,在接收机的天线增益,是分离发射机和接收机之间的距离,然后呢是系统损耗系数。麻烦直接使用范围的自由空间传播模型和定位,因此对数距离损失模型通常被用于室内定位(17]:
上面的公式由接收端接收到的信号强度距离源(发射机)是谁的 ,也就是说,RSS的值。由接收机接收到的信号强度从源的距离是什么时候 。 路径损耗指数,通常是通过实际测量获得。一般来说,传播路径上的障碍越多,更大的价值 ,所以无线信号传播距离减少更多的单位(18]。是参考距离,它依赖于现场实际情况。为方便计算和测量,通常是1。是dBm的高斯随机变量的均值为0,方差从4到10 (19]。
在工程应用中,下面的对数距离损失的简化形式模型是常用的20.]:
这个论点源和接收器之间的距离,由接收机接收到的信号强度,接收到的信号强度1 m从源,然后呢路径损耗。在应用程序中,有必要提前选择几个采样点在不同的位置,然后确定和通过回归分析模型的参数,从而建立RSS和之间的定量关系接收端检测到的。在定位阶段,距离点之间的测量和基于RSS源可以确定收到的价值来衡量。
3.2。三边定位算法
目前广泛使用的定位方法是三边定位算法(21]。在一个二维平面上,如果点之间的距离来衡量和三个参考点(即。,源s) with known positions can be determined, the three reference points are used as the center of the circle to measure the distance between the source and the reference point. A circle is made for the radius. Figure1显示了一个示例的三面定位技术。
在三维空间中,需要四个参考点定位计算球面相交。传统的RSS室内定位技术认为整个室内环境作为一个整体在整个定位过程中,只使用一个无线信号传输距离计算模型和相应的模型参数。与许多障碍,在复杂的室内环境不可避免地会产生一个大的错误,和由于测距误差的影响,三面定位算法可能不相交三圈在一个点,而是一个共同的地方。在极端的情况下,他们也可能完全脱节,导致大量错误定位的计算结果。即使一些方法如重心法用于修改和近似位置,结果并不令人满意。本文改进并提出了一种新的方法,它使用室内空间区域预处理方法和区域信心歧视方法来解决上述问题。
4所示。改进的RSS室内定位技术
传统的低精度的主要原因RSS基于三角形的室内定位方法定位是室内环境复杂。障碍物的情况在无线信号的传播路径从源到室内点是不同的。每次传播路径,无线信号强度的衰减率是非常不同的。单一的传播模型参数中使用这种方法忽略了这些差异和自然带来了大量的错误。为此,本文首先进行分区处理,将室内环境划分为几个区域根据无线信号传输特性。每一个点在同一地区选择相同的传输模型参数,和不同区域对应于不同的传播模型参数。为了简化计算,每个地区的传播模式被设置为对数距离损失模型。在定位阶段,该地区指向被测量的位置是由该地区信心判断方法,和该地区相对应的模型参数选择对准确定位计算。由于无线信号传输路径的差异从房间里的每一个点到源在室内环境的空间布局充分考虑,可以大大提高定位精度。
4.1。区域化的室内空间
路径损耗因子对数距离损失模型的描述无线信号的衰减率等单元传输路径和固定困难障碍墙影响参数的值 。根据这个,室内空间可分为几个领域根据障碍物的数量和规模的无线信号传输路径。
如图2,在一个特定的室内空间,三个来源 部署。房间里有两个墙,即墙和墙 。简化元素分析和突出问题,假设墙厚度是0。从图可以看出,从源发送无线信号通过两个代表性的路径,即路径和路径 。显然,两条路径之间的差异是显著的,障碍(墙)的数据在每个路径是不同的,每个路径和无线信号传输特性也不同;即每条路径中相应的参数相应地改变。根据无线信号传输路径上的阻塞,室内空间根据来源可分为区域 ,如图3。
从图可以看出3,室内空间分为三个区域 , ,和据源 ,和对数距离损失模型的参数值对应于每个地区(的值和 )是不同的,由实际情况决定。这些方面构成了室内空间,基于源分为区域和记录作为他们的联盟,这是定义如下:
显然,众所周知,和室内空间的实际大小一一对应,完全一致。本文将它定义为飞机对应于源 。从上述可以看出,无线信号传播模型的参数对应于每个区域包括在平面上通常是不同的, 是一组传输参数对应区域吗 。其中,参数的估计价值吗和在该地区在公式(3)。同样,它可以被构造成 , ,和 。让相对应的参数集平面上 ,然后 。同样,基于源和源 ,这架飞机和飞机和相应的参数设置和可以构造。从图可以看出3,是一个由多个多边形线段。总的来说,该地区定义如下: 在哪里 是直线的分析公式,构成一个多边形的轮廓该地区是5吗 。
记录为正常的点之间的距离吗和 ,这一点 在任何时候 ,和点 是一个源的位置在哪里吗 。然后,从方程(3)和(5)、RSS最小值基于源可以获得的所有点位于该地区如下:
显然,方程(7)是一个线性规划问题,和的最小值单纯形法可以解决的,这是记录为 。同样,最大值的可以获得。假设RSS价值计算基于源对应于任意点 在是 。考虑到区域的连通性的单调性公式(3),很明显
通过这种方式,该地区有一个对应的关系和值。摘要值的范围由一组对应的区域被定义为决定区域面积。例如,上述决定的是 ,表示为 。类似地,域的决定和对应于剩下的地区和飞机的可以建立。记住决策域的集合中包含在该地区的飞机是 ,然后 。与参考平面的加工过程 ,相同的处理也可以在飞机上执行和构造边界范围、参数设置和决策领域的地区和飞机。到目前为止,室内空间的区域化已经完成。
4.2。定位
实际的定位过程之后才可进行室内空间区划的过程就完成了。为了便于解释,本文定义了前室内定位培训阶段,后者作为定位阶段。
假定室内区域化的预处理已经完成在训练阶段,三源的位置 , ,和决心,点的地方 来衡量坐落 ,和RSS的价值发现的三个来源 是 , ,和 ,分别和飞机 ,参数集 ,和决策域设置对应于每个源构造。在定位阶段,根据不同的情况 , ,和检测到的位置 来衡量属于决策域对应各自地区的飞机 , 和下面将分别解释。
4.2.1。准备理想的定位
首先,考虑最简单的情况下,也就是说, , ,和 ,只属于相应的一个域的三个平面上的决定 , ,和 ,也就是说,
其中, ,和在该地区相应的判断域吗 ,和 ,很明显,
因此,传输参数可以得到相对于三个来源作为 ,和 。从方程(3),结合已知的条件下,可以得到以下方程:
这是方程组和 ,在哪里和的位置坐标点吗 测量, ,和 源的位置坐标吗 ,源 ,和源 ,分别是已知的常数。 ,和点之间的距离来衡量吗 每个源,计算通过使用传输参数 ,和的相对于每个源,结合公式(3)。根据标题,只有3来源部署在室内环境中,这样的价值n在方程(11)是3。
执行线性变换方程(11), 消除二次项和整理,然后结果可以表示如下:
在这里, 和定义如下: 在哪里点的位置测量,预计将获得。当来源的数量大于3 ,方程的形式(11)保持不变。由于硬件限制和测量精度,如果方程(11)用于解决点的位置 测量在工程应用中,可能没有解决方案。以下利用最大似然法将方程(11)。
让 ,和分别是矩阵的元素 和 ,然后方程(11)可以表示为
因为RSS的测量值的每个源点 测量是相互独立的,
然后,我们得到
最后,联合密度是
当最大的价值,相应的估计位置的价值来衡量,并设置
两边取对数并考虑签署和常数项,很明显,得到的最大价值相当于获得的最小值 。为方便后续计算,变换成矩阵形式:
扩大和组织正确的公式术语(18)
然后,双方导数的方程(19):
让方程(20.)是0,转移条款后,我们得到了
从方程(21),让矩阵的秩 ,也就是说,
然后,必须有
与此同时,增广矩阵方程(21)可以表示为 因为
此外, 有更多的比列 ;很明显,
所以,必须有
因此,可以看出,方程(21)不得出现没有解决方案。点的位置来测量可以获得解决从方程(21)。
4.2.2。一般定位处理
如果某个源的RSS价值发现的位置 来衡量不属于任何一个决策域相应的决策域设置通过遍历检索,这种情况表明,RSS测量误差太大,导致一个错误和需要remeasurement,或者它可能是传输模型的参数标定在训练阶段造成了一个错误,需要仔细检查和重新执行。以下讨论的重点是更多的一般情况;也就是RSS价值分为多个决策域相应的决策域的每个源。
假设RSS的值 和检测到的点的三个来源 来衡量属于多个决策域域设置相应的决定 ,考虑到一般情况下,有
据源平面之间的通信和决策域设置 ,有
从上面的公式可以看出,该地区的点 来衡量是在平面上 区域满足条件,地区在平面上满足条件,地区在平面上满足条件。因此,要解决的方程的数量
很明显,有解决方案根据方程(21)。简单,您可以考虑使用重心法合成所有的计算结果来估计点的位置 测量: 在哪里的解决方案吗 - - - - - -th方程系统中由方程(方程系统29日)。然而,考虑问题的已知条件,更准确的筛查可以进一步提高定位精度。
根据已知的条件下,在理想情况下,方程(11)必须是可以解决的,只能在一个地区 ,和 ;也就是说,方程的情况(9)必须发生。然而,现在占据了多个地区 ,和 。也就是说,公式的情况(29日)出现,所以我们有理由相信,由于某些因素的影响,公式的可能的解决方案(11)倾斜,从而出现方程的结果(29日)。研究各种参数的方程(3)只能由引入的错误造成的 - - - - - -测量值。可以看出从常识的具体位置(坐标价值) 来衡量都有且只有一个特定的时间,所以只有一个方程系统的解决方案中由方程(方程系统30.)是最接近客观现实。方程不相容的程度(11)作为衡量在多大程度上解决方程是接近客观现实。最低的方程不相容度是最好的选择方程,解决方案是最优的解决方案。
定义区域的信心如下: 在哪里是一个衡量在多大程度上解决方案方程系统的相应区域接近程度和目的是值的方程系统 - - - - - -地区。显然,的价值在[0,1],参数的值下面的决定。
根据上述错误分析,误差向量介绍了,下面的公式是:
代入(33),并解决 由于
根据这个话题,源的位置 ,和是相互独立的,因此形成的向量群吗是线性无关的,很明显,
因此,这个词右侧的方程(36)必须存在。使
用公式(32)终于获得 在哪里是误差向量的对应于 - - - - - -方程组。为组合由方程(29日),根据方程(排序36)和(39)和排序,最大的方程组值是最好的选择,然后根据方程(计算21)是待测点的优化解决方案 。
5。实验
实验环境选择一个办公区办公大楼的三楼。办公室的面积大约是一个矩形区域的长度和宽度大约50米×25米,如图4。
图的左上角作为坐标原点,右边的水平方向是水平轴,纵轴和垂直方向建立坐标系。相比较而言,实验分为两组。第一组实验采用传统三面定位方法进行测试。整个室内环境视为一个整体。在测试环境中,50个测试点是随机选择的位置校准,如图5。
然后,进一步评估和校准传输模型参数的值一个和n表达的方程(3)。然后,选择30随机位置定位测试和记录的实际坐标和定位结果随机位置。在第二组实验中,本文提出的改进方法是用来进行区域预处理的室内空间,进而构建区域设置,参数设置,和决策域设置对应于每架飞机,应用区域信心的测距和定位方法定位阶段。解决方案结果约束和过滤,定位结果记录下来。为了减少干扰因素,两组实验使用相同的测试点集模型参数的估计和校正。出于同样的原因,定位测试点数据的两组实验也是一样的。
假设点的实际位置来衡量 ,定位的结果解决了传统三面定位方法在第一组实验中 ,改进的方法和定位结果解决在第二组实验中 , 。也就是说,是传统三面定位方法的定位误差通过实验,然后呢定位误差的改进方法。过程的两组实验的测试数据根据上面的公式,计算和绘制定位误差对应于每个测试点,并设置水平轴的测试点数量和纵轴定位误差,如图6。
从图可以看出,传统的三面定位方法的定位误差相对较大,个别测试点的定位误差甚至超过10米,和错误的波动相对较大,这表明传统三面定位方法的定位误差相对离散。定位误差范围本文使用改进的方法基本上是控制在2米左右。
设置水平轴定位误差和垂直轴的累积误差概率。情节图相应的累计误差概率分布,如图7。和累积误差的分布概率的第一和第二组实验数据,分别。它可以清楚地看到从图累积误差概率分布曲线的第二组,使用改进的定位方法达到峰值水平轴穿过2米后不久,这表明定位误差主要分布在2.2米,而累积误差概率分布曲线的第一组使用传统定位相对平稳,随着距离的增加,误差收敛慢。相对而言,第二组的定位效果,使用改进的方法显然是更好的。
6。结论和未来的工作
无线信号的传播在一个室内环境中是一个相当复杂的过程。RSS的价值在特定的室内无线信号位置是受很多因素的限制。传统的室内定位技术基于RSS认为室内环境作为一个统一的整体。因为它忽略了各个点的无线信号传输路径上的差异在室内环境中,定位效果不令人满意。方法提出了需要充分考虑这些差异,并利用先验知识的布局算法的室内环境,通过室内环境的定位和即将到来的定位来解决这个问题。值得注意的是,在应用程序中,需要解决的第一个问题是建筑的室内环境数据的采集在训练阶段。在当前的建筑和建筑领域,建筑信息模型(BIM)已成为流行,许多建筑物被BIM在设计阶段进行。因此,可以使用BIM获得室内环境数据,节省了不少复杂的在早期阶段工作。此外,在室内环境中,由于不可预知的屏蔽效应的室内行人无线信号传输路径和多路径效应引起的反射无线信号的壁板在建筑,这些因素会降低定位精度。因此,添加高斯滤波和卡尔曼滤波的RSS数据采集模块RSS室内定位装置可以削弱这种影响在某种程度上,这个后续工作需要在未来的进一步发展。
数据可用性
请求的数据通讯作者Xingsi雪,是谁的电子邮件(电子邮件保护)。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作是支持的广西重点实验室的自动检测技术和仪器(没有。YQ20206),新世纪优秀人才计划在福建大学(没有。GY-Z18155),福建理工大学的科学研究基础(没有。GY-Z17162),在福州市科技计划项目(没有。2019 - g - 40),在福建省(不对外合作项目。2019 i0019)。