一種基于藍牙位置指紋的室內(nèi)定位系統(tǒng)及定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于藍牙位置指紋的室內(nèi)定位系統(tǒng)及定位方法，屬于定位的技術(shù) 領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，大中型城市的大型建筑和底下商場街道建設(shè)的越來 越多。人們生活和工作的大部分時間都集中在大樓、商場、餐廳等室內(nèi)環(huán)境，高精度的室內(nèi) 定位技術(shù)能夠有效地提高工作效率和生活質(zhì)量，室內(nèi)定位服務的需求量日益增長。藍牙作 為一種短距離的無線通信技術(shù)，發(fā)展成熟，價格便宜，性價比高，并且已經(jīng)成為移動設(shè)備上 的標配。在眾多室內(nèi)定位技術(shù)中，基于位置指紋的室內(nèi)定位技術(shù)可以在低成本的前提下取 得較為理想的定位精度。因此，研究基于藍牙位置指紋的室內(nèi)定位技術(shù)勢在必行。
[0003] 傳統(tǒng)的室內(nèi)定位方法是通過測量信號的到達時間（TOA)、信號的到達差（TDOA)、 信號的到達角度（DOA)及接收信號強度（RSSI)等方法直接應用到室內(nèi)定位環(huán)境中，并針對 室內(nèi)定位的實際環(huán)境和定位需求做數(shù)據(jù)的預處理和定位結(jié)果的后處理。但由于室內(nèi)定位環(huán) 境相對復雜，多徑傳播十分嚴重，傳統(tǒng)的室內(nèi)定位算法的性能往往不太理想。
[0004] 在《電子技術(shù)應用》2013年第39卷第3期中的《基于指紋技術(shù)的藍牙室內(nèi)定位系 統(tǒng)》，所記載的技術(shù)方案只通過接收信號強度RSSI值建立離線數(shù)據(jù)庫進行匹配，但是在復雜 的室內(nèi)環(huán)境下，RSSI的隨機性特別明顯，容易受到時間、空間、溫度、場景等變化的影響。因 此在很大程度上造成離線階段的建庫指紋與實時定位階段的實際RSSI值失配，從而使定 位精度急劇下降。而這種影響是無法通過大量測量的統(tǒng)計平均從根本上消除的。因此，采 用其他具有更好的統(tǒng)計特性的統(tǒng)計量構(gòu)建有效穩(wěn)健的指紋庫是解決該問題的根本途徑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于藍牙位置指紋的室內(nèi)定位系統(tǒng)；
[0006] 本發(fā)明還提供一種利用上述定位系統(tǒng)進行定位的方法。
[0007] 本發(fā)明解決傳統(tǒng)定位方法中因環(huán)境變化給室內(nèi)定位帶來的影響，提高定位精度。 同時無需投入大量的參考節(jié)點，減少工作量。
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0009] -種基于藍牙位置指紋的室內(nèi)定位系統(tǒng)，包括藍牙移動設(shè)備、藍牙錨節(jié)點和數(shù)據(jù) 服務器；
[0010] 所述藍牙移動設(shè)備與所述藍牙錨節(jié)點通信：向所述藍牙錨節(jié)點發(fā)送所述藍牙移動 設(shè)備的藍牙參數(shù)數(shù)據(jù)包，接收由藍牙錨節(jié)點返回的位置信息；所述藍牙移動設(shè)備如手機、平 板電腦等，將藍牙設(shè)置為可被搜索到；使用者可自由定義藍牙設(shè)備的名稱，最后能在定位程 序界面顯不；
[0011] 所述藍牙錨節(jié)點將所述藍牙移動設(shè)備的藍牙參數(shù)數(shù)據(jù)包通過藍牙路由節(jié)點發(fā)送 給所述數(shù)據(jù)服務器，最后把數(shù)據(jù)服務器處理后的定位信息通過一對多連接的藍牙錨節(jié)點發(fā) 送回藍牙移動設(shè)備；
[0012] 所述數(shù)據(jù)服務器接收各個藍牙錨節(jié)點獲取的藍牙參數(shù)數(shù)據(jù)包，采用基于主成分分 析法對所述藍牙參數(shù)數(shù)據(jù)包進行處理，并建立穩(wěn)健的指紋信息，計算出藍牙移動設(shè)備的坐 標位置，并將定位信息通過藍牙錨節(jié)點發(fā)送回藍牙移動設(shè)備并顯示定位。
[0013] 一種基于藍牙位置指紋的室內(nèi)定位方法，包括步驟如下：
[0014] 1)離線建庫：
[0015] 所述藍牙錨節(jié)點為參考點，所述參考點接收藍牙移動設(shè)備的藍牙參數(shù)數(shù)據(jù)包，并 建立空間譜數(shù)據(jù)庫，所述藍牙參數(shù)數(shù)據(jù)包包括RSSI、自相關(guān)函數(shù)、藍牙信號的功率譜密度、 信道狀態(tài)信息CSI、鏈路質(zhì)量值LQ、濕度和人口密度信息；
[0016] 所述自相關(guān)函數(shù)描述一個隨機過程在相隔t時間的兩個不同時刻取值的相關(guān)程 度；
[0017] 所述藍牙信號的功率譜密度是由自相關(guān)函數(shù)計算的結(jié)果作傅里葉變換得來的；
[0018] 采用主成分分析法，即通過降維的思想把所述藍牙參數(shù)的數(shù)據(jù)包中的RSSI、自相 關(guān)函數(shù)、藍牙信號的功率譜密度、信道狀態(tài)信息CSI、鏈路質(zhì)量值LQ、濕度和人口密度信息 轉(zhuǎn)化為穩(wěn)健的指紋信息，并存入空間譜指紋數(shù)據(jù)庫中；
[0019] 所述空間譜指紋數(shù)據(jù)庫還包括參考點的坐標及其方向；本發(fā)明采用該步驟對抗多 經(jīng)衰退：與傳統(tǒng)的基于RSSI方法相比，本發(fā)明加入更多信道脈沖響應函數(shù)的信息，比RSSI 有更穩(wěn)定的統(tǒng)計特征；
[0020] 其中，所述穩(wěn)健的指紋信息的提取生成步驟包括：
[0021] (1)采集n個參考點樣本信息：
[0022] 每個樣本有p個指標變量，構(gòu)成一個nXp的數(shù)據(jù)矩陣X= (XiJnxp，即
[0024] (2)將步驟⑴的參考點樣本信息，即X= (Xl])nXp標準化，得到標準化矩陣Z1]:
[0027] (3)計算步驟⑵所述標準化矩陣Zu的樣本相關(guān)系數(shù)矩陣
；其中
[0028](4)解樣本相關(guān)系數(shù)矩陣R的特征方程，得P個特征根A 2多…Ap，求出特
并對每個特征根求出相應的單位特征向量= 1,2,…;
[0029] (5)確定主成分個數(shù)m，確定主成分個數(shù)按照累積貢獻率，使指紋數(shù) 據(jù)庫信息利用率達到85%以上；
[0030] 所述主成分是對空間譜數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)通過主成分分析方法得到的貢獻率大的 主成分；
七= 1，2,…m以特征值貢獻率為權(quán)數(shù)，采用線性回歸法，計算各參考點的綜合得 分，存入空間譜指紋數(shù)據(jù)庫中，形成穩(wěn)健指紋信息；
[0032] 2)在線匹配階段
[0033] 將實時計算得到的指紋數(shù)據(jù)即采集點的樣本綜合得分與空間譜指紋數(shù)據(jù)庫中的 參考點穩(wěn)健指紋信息進行匹配，利用模式匹配算法計算采集點指紋與空間譜指紋數(shù)據(jù)庫中 的參考點穩(wěn)健指紋信息相似度，從而給出位置信息的估計。
[0034] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述給出位置信息的估計的具體步驟如下：
[0035] 首先，計算采集點指紋與空間譜指紋數(shù)據(jù)庫中參考點指紋的距離：假設(shè)空間譜指 紋數(shù)據(jù)庫中參考點指紋數(shù)據(jù)為m個，采集得到的指紋數(shù)據(jù)包含n個來自不同藍牙錨節(jié)點的 指紋，每個指紋數(shù)據(jù)表示為S]，j= 1…n，選取指紋數(shù)據(jù)中最大數(shù)值對應的藍牙錨節(jié)點為目 標錨節(jié)點sk，m個參考點指紋數(shù)據(jù)對應于n個藍牙錨節(jié)點的指紋表示為Su,i= 1…m,j= 1…n，選取接收目標藍牙錨節(jié)點信號的參考點指紋slk，對每個參考點，則采集得到的采集 點指紋數(shù)據(jù)與空間譜指紋數(shù)據(jù)庫中的參考點指紋數(shù)據(jù)的距離Llk= |Sk-Slk| ;
[0036] 其次，從采集點指紋數(shù)據(jù)與空間譜指紋數(shù)據(jù)庫中的參考點指紋數(shù)據(jù)的距離選取 其中最小的K個距離，由這K個參考點給出位置信息的估計假設(shè)K個參考點的位置為 (xi,yi)，i=I. . .K，則位置信息估計(又力，由此給出了位 置信息的估計。
[0037] 本發(fā)明的優(yōu)勢在于
[0038] 本發(fā)明所述一種基于藍牙位置指紋的室內(nèi)定位系統(tǒng)及定位方法，充分利用與信道 信息相關(guān)的高維空間譜信息以及環(huán)境信息，并利用主成分分析等手段提取穩(wěn)健的空間譜指 紋，具有更加穩(wěn)定的指紋意味著在指紋數(shù)據(jù)庫中的指紋數(shù)據(jù)可靠性增強，匹配定位時，對抗 室內(nèi)多徑的干擾的效果增強，提升了定位精度。在室內(nèi)多徑環(huán)境下，該指紋具有更好的對抗 多徑干擾的效用，統(tǒng)計學意義上，該隨機變量更加穩(wěn)定。
[0039] 本發(fā)明的重點在于離線建庫階段，對抗多經(jīng)衰退。與傳統(tǒng)的基于RSSI方法相比， 本發(fā)明加入更多信道脈沖響應函數(shù)的信息，比RSSI有更穩(wěn)定的統(tǒng)計特征。具體為利用參考 點的接收信號RSSI及其自相關(guān)函數(shù)、功率譜密度、信道狀態(tài)信息CSI、鏈路質(zhì)量值LQ、濕度、 人口密度等信息建立空間譜指紋數(shù)據(jù)庫，采用主成分分析法即通過降維的思想把多指標轉(zhuǎn) 化為少數(shù)幾個綜合指標，從而形成更加穩(wěn)健的指紋信息，并且存入待匹配的空間譜指紋數(shù) 據(jù)庫中。另外，空間譜指紋數(shù)據(jù)庫還包括參考點的坐標及其方向。
【具體實施方式】
[0040] 下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做詳細的說明，但不限于此。
[0041] 實施例1、
[0042] 一種基于藍牙位置指紋的室內(nèi)定位系統(tǒng)，包括藍牙移動設(shè)備、藍牙錨節(jié)點和數(shù)據(jù) 服務器；
[0043] 所述藍牙移動設(shè)備與所述藍牙錨節(jié)點通信：向所述藍牙錨節(jié)點發(fā)送所述藍牙移動 設(shè)備的藍牙參數(shù)數(shù)據(jù)包，接收由藍牙錨節(jié)點返回的位置信息；所述藍牙移動設(shè)備如手機、平 板電腦等，將藍牙設(shè)置為可被搜索到；使用者可自由定義藍牙設(shè)備的名稱，最后能在定位程 序界面顯不；
[0044] 所述藍牙錨節(jié)點將所述藍牙移動設(shè)備的藍牙參數(shù)數(shù)據(jù)包通過藍牙路由節(jié)點發(fā)送 給所述數(shù)據(jù)服務器，最后把數(shù)據(jù)服務器處理后的定位信息通過一對多連接的藍牙錨節(jié)點發(fā) 送回藍牙移動設(shè)備；
[0045] 所述數(shù)據(jù)服務器接收各個藍牙錨節(jié)點獲取的藍牙參數(shù)數(shù)據(jù)包，采用基于主