一種運動加無線的融合定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線定位技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種運動加無線的融合定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有技術(shù)中無線定位指的是通過無線網(wǎng)絡(luò)定位用戶位置，從早期的飛行器導(dǎo)航到 如今的電子地圖、社交網(wǎng)絡(luò)、交通控制、環(huán)境監(jiān)測等應(yīng)用，無線定位技術(shù)正在被越來越廣泛 的應(yīng)用于社會生產(chǎn)生活的各個方面。
[0003] 常用的無線定位系統(tǒng)包括衛(wèi)星定位(如GPS)、基站定位(如3G定位）、無線局域網(wǎng)定 位(如WiFi定位)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位。運些系統(tǒng)各有不同，但原理基本類似。它們都擁有 一套完整的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、手機基站網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)等。網(wǎng) 絡(luò)中的一些定位節(jié)點，如衛(wèi)星、基站、接入點、和錯節(jié)點等位置都是確定的。運些定位節(jié)點能 夠向用戶發(fā)送或接受來自用戶的無線電信號。通過測量信號，可W推算出用戶相對于定位 節(jié)點的位置，既實現(xiàn)對用戶的定位。
[0004] 在實際應(yīng)用中，無線定位信號的常常會受到干擾，干擾可W來自于自然環(huán)境，如障 礙物的阻擋;也可W來自惡意用戶，如惡意用戶發(fā)送的欺騙信號，運些干擾將影響到無線定 位信號的測量，進(jìn)而導(dǎo)致定位結(jié)果出現(xiàn)偏差，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致無法定位。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明目的是：提供一種即不需要用戶的運動方向信息，也不需要對用戶運動的 準(zhǔn)確描述和測量的運動加無線的融合定位方法，將用戶在過去某一時刻的位置和運動距離 作為先驗知識，融入到當(dāng)前的無線定位中，幫助用戶在無線信號受到干擾的情況下實現(xiàn)高 精度定位。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種運動加無線的融合定位方法，具體方法如下：
[0007] 步驟1)獲取無線定位信息，計算定位誤差，若定位誤差超出設(shè)定范圍，則分析定位 誤差，鑒定誤差來源；
[000引步驟2)將超出設(shè)定誤差范圍的定位節(jié)點剔除，保留其他剩余定位節(jié)點，通過用戶 隨身攜帶的運動傳感器獲取用戶的運動信息，并融合剩余定位節(jié)點，計算用戶當(dāng)前位置；
[0009] 假設(shè)在t-1時刻，用戶的無線定位結(jié)果已知，且不存在誤差，那么在此后的t時刻， 無線定位信息和運動信息的融合定位方法如下：
[0010] 1)獲取用戶在t-1時刻位置；
[0011] 2) W t-1時刻用戶為基礎(chǔ)，建立虛擬節(jié)點；
[0012] 3)利用虛擬節(jié)點+剩余定位節(jié)點構(gòu)建定位網(wǎng)絡(luò)；
[0013] 4)基于虛擬節(jié)點的最小二乘位置計算方法如下：
[0014]假設(shè)用戶的位置為(x，y，z)，定位節(jié)點、虛擬節(jié)點的位置為X(Xi，yi，Zi)i=(i,2..n)，定 位節(jié)點到用戶的距離為ri(i4,2, . . .η),假設(shè)跨(讀)，改進(jìn)后的最小二乘算法形式如下：
[0015] (x，y，z) = WTH)-iHTb
進(jìn)部分。
[0018] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述無線定位信息包括各定位節(jié)點的位置，W及無線定位 信號的傳播特征，所述傳播特征包括定位信號的到達(dá)時間、到達(dá)時間差、到達(dá)角度。
[0019] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述鑒定誤差來源的具體方法如下：
[0020] 把無線定位節(jié)點分組，對比不同組別的定位結(jié)果，發(fā)現(xiàn)偏差超過設(shè)定范圍的定位 節(jié)點組。
[0021 ]作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述鑒定誤差來源的具體方法如下：
[0022] 對定位信號進(jìn)行時間序列分析，發(fā)現(xiàn)存在時間不連貫性的定位節(jié)點信號。
[0023] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述運動傳感器選自車速表或計步器。
[0024] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述運動信息為運動速度或距離信息。
[0025] 本發(fā)明的具體工作原理如下：與無線定位節(jié)點相比，虛擬節(jié)點到用戶的距離要小 得多，前者通常是1〇7米數(shù)量級的，而后者通常是1〇1米數(shù)量級，運種巨大的差別在，可能會造 成非線性計算過程中的奇點，從而造成傳統(tǒng)的最小二乘算法失效，然后改進(jìn)后的算法在遇 到奇點時不是采用傳統(tǒng)的線性優(yōu)化，而是選取了線性優(yōu)化結(jié)果相垂直的估計作為最優(yōu)估 計，其垂直的特性確保了方程組的可解，從而確保了位置的可計算性。
[00%]本發(fā)明的優(yōu)點是：
[0027] 1.本發(fā)明運動加無線的融合定位方法即不需要用戶的運動方向信息，也不需要對 用戶運動的準(zhǔn)確描述和測量，同時將用戶在過去某一時刻的位置和運動距離作為先驗知 識，融入到當(dāng)前的無線定位中，幫助用戶在無線信號受到干擾的情況下實現(xiàn)高精度定位。
【附圖說明】
[0028] 下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述：
[0029] 圖1為本發(fā)明定位網(wǎng)絡(luò)示意圖；
[0030] 圖2為實施例一現(xiàn)有技術(shù)車載GPS信號受到干擾的定位軌跡示意圖；
[0031] 圖3為實施例一本發(fā)明方法車載GPS信號受到干擾的定位軌跡示意圖；
[0032] 圖4為實施例二現(xiàn)有技術(shù)行人GI^信號受到干擾的定位軌跡示意圖；
[0033] 圖5為實施例二本發(fā)明方法行人GI^信號受到干擾的定位軌跡示意圖；
【具體實施方式】
[0034] WSiRF GPS忍片組為平臺，對本發(fā)明方法進(jìn)行了實地驗證，同時采取對比測試，即 在同樣環(huán)境下，比較現(xiàn)有技術(shù)最小二乘定位算法和本發(fā)明方法的性能差別，兩類方法將同 時獲得GPS測量信息，計算定位結(jié)果，具體的測量信息包括衛(wèi)星星座和偽距信息。
[0035] 試驗分別選取了城市高樓環(huán)境中的車載定位和丘陵環(huán)境中的行人定位兩個場景， 具體實施如下：
[0036] 實例一:車載定位，實驗環(huán)境選取在城市密集高樓：
[0037] GPS信號由于受到建筑物的干擾產(chǎn)生了較大的波動，運種波動會造成現(xiàn)有技術(shù)的 最小二乘定位算法的定位誤差，體現(xiàn)在本實施例中就是行駛軌跡的不連續(xù)性，如圖2顯示了 一段在高樓密集區(qū)域行駛的車輛軌跡，箭頭所指處出現(xiàn)了明顯的軌跡跳躍即定位誤差。
[0038] 本方案的實施方法如下：W車輛最初時刻的定位結(jié)果為基礎(chǔ)，建立虛擬定位節(jié)點， 虛擬定位節(jié)點到用戶的距離(米）=車輛行駛速度(公里/小時)/3.6。虛擬節(jié)點每1秒更新一 次。定位計算使用改進(jìn)的最小二乘算法。通過上述方案獲得的車輛行駛軌跡如圖3。顯然，此 段軌跡沒有明顯的跳躍。運說明本發(fā)明方法能夠有效改善車載GPS在城市環(huán)境下的定位精 度。
[0039] 在實施例中，車輛運動距離通過從車速表獲得的速度乘W運動時間獲得。
[0040] 實例二:行人定位，實驗環(huán)境選取在緊鄰山丘的室外運動場：
[0041] 當(dāng)遠(yuǎn)離山丘時，GPS信號穩(wěn)定，獲得的定位軌跡有較好的連續(xù)性；當(dāng)靠近山丘一側(cè) 時，由于GI^信號受到阻擋，定位軌跡出現(xiàn)了嚴(yán)重的跳躍，如圖4所示。
[0042] 本方案的實施方法如下：W行人最初時刻的定位結(jié)果為基礎(chǔ)，建立虛擬定位節(jié)點。 虛擬定位節(jié)點到用戶的距離由之前的運動軌跡推算獲得，具體數(shù)值為0.98米/秒。虛擬節(jié)點 每1秒更新一次。定位計算使用改進(jìn)的最小二乘算法。通過上述方案獲得的步行軌跡如圖5。 顯然，此段軌跡沒有明顯的跳躍。運說明本發(fā)明方法能夠有效改善行人GI^在山丘環(huán)境下的 定位精度。
[0043] 本實施例用到的運動距離為行人步行距離，由于直接測量比較困難，我們首先設(shè) 計了一種基于卡爾曼濾波的步行速度估算方法，它在GPS定位沒有收到嚴(yán)重干擾時推算行 人的步行速度，步行距離通過速度乘時間獲得。通過實地驗證我們發(fā)現(xiàn)，即使沒有準(zhǔn)確的步 行速度信息，而是簡單的將其設(shè)置為1-2米每秒，本算法仍然能夠獲得幾乎相同的定位結(jié) 果，運說明偽節(jié)點的距離測量誤差不會嚴(yán)重影響本發(fā)明方法的定位性能。
[0044] 綜合上述兩個實施例，本發(fā)明方法可W成功用于車載和行人，在GPS信號收到干擾 的時候消除干擾的影響，改善定位精度。
[0045] 上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟 悉此技術(shù)的人±皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進(jìn)行修飾或改變。因 此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所掲示的精神與技術(shù)思想下所完 成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【主權(quán)項】
1. 一種運動加無線的融合定位方法，其特征在于，具體方法如下： 步驟1)獲取無線定位信息，計算定位誤差，若定位誤差超出設(shè)定范圍，則分析定位誤 差，鑒定誤差來源； 步驟2)將超出設(shè)定誤差范圍的定位節(jié)點剔除，保留其他剩余定位節(jié)點，通過用戶隨身 攜帶的運動傳感器獲取用戶的運動信息，并融合剩余定位節(jié)點，計算用戶當(dāng)前位置； 假設(shè)在t-Ι時刻，用戶的無線定位結(jié)果已知，且不存在誤差，那么在此后的t時刻，無線 定位信息和運動信息的融合定位方法如下： 1) 獲取用戶在t-Ι時刻位置； 2) 以t-Ι時刻用戶為基礎(chǔ)，建立虛擬節(jié)點； 3) 利用虛擬節(jié)點+剩余定位節(jié)點構(gòu)建定位網(wǎng)絡(luò)； 4) 基于虛擬節(jié)點的最小二乘位置計算方法如下： 假設(shè)用戶的位置為(X，y，Z)，定位節(jié)點、虛擬節(jié)點的位置為X(Xi，yi，Zi)i=(l,2..r〇,定位節(jié) 點到用戶的距離為r1(1=1,2,. ^，假設(shè)％ + 改進(jìn)后的最小二乘算法形式如下： (x,y,z) = (HTH)^HTb，其中b為改進(jìn)部 分。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的運動加無線的融合定位方法，其特征在于，所述無線定位信息 包括各定位節(jié)點的位置，以及無線定位信號的傳播特征，所述傳播特征包括定位信號的到 達(dá)時間、到達(dá)時間差、到達(dá)角度。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的運動加無線的融合定位方法，其特征在于，所述鑒定誤差來源 的具體方法如下： 把無線定位節(jié)點分組，對比不同組別的定位結(jié)果，發(fā)現(xiàn)偏差超過設(shè)定范圍的定位節(jié)點 組。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的運動加無線的融合定位方法，其特征在于，所述鑒定誤差來源 的具體方法如下： 對定位信號進(jìn)行時間序列分析，發(fā)現(xiàn)存在時間不連貫性的定位節(jié)點信號。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的運動加無線的融合定位方法，其特征在于，所述運動傳感器選 自車速表或計步器。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的運動加無線的融合定位方法，其特征在于，所述運動信息為運 動速度或距離信息。
【專利摘要】<b>本發(fā)明公開了一種運動加無線的融合定位方法，具體方法如下：步驟</b><b>1</b><b>）獲取無線定位信息，計算定位誤差，若定位誤差超出設(shè)定范圍，則分析定位誤差，鑒定誤差來源；步驟</b><b>2</b><b>）將超出設(shè)定誤差范圍的定位節(jié)點剔除，保留其他剩余定位節(jié)點，通過用戶隨身攜帶的運動傳感器獲取用戶的運動信息，并融合剩余定位節(jié)點，計算用戶當(dāng)前位置；本發(fā)明的優(yōu)點在于，即不需要用戶的運動方向信息，也不需要對用戶運動的準(zhǔn)確描述和測量，同時將用戶在過去某一時刻的位置和運動距離作為先驗知識，融入到當(dāng)前的無線定位中，幫助用戶在無線信號受到干擾的情況下實現(xiàn)高精度定位。</b>
【IPC分類】G01S19/47, H04W4/02, H04W64/00
【公開號】CN105491527
【申請?zhí)枴緾N201510982113
【發(fā)明人】劉大為
【申請人】西交利物浦大學(xué)
【公開日】2016年4月13日
【申請日】2015年12月24日