一种基于混合WIFI与航迹推算的室内定位方法与流程

本发明属于室内定位领域，短距离通信与惯性导航领域。

背景技术：

随着智慧城市概念的推广与相关技术的飞速发展，人们越来越意识到位置信息的重要性，它是移动互联网、物联网时代最重要的基本应用元素。对于位置信息的需求，促进了定位技术，特别是室内定位领域的快速发展。室内定位技术发展至今，常见的主流技术有：Wi-Fi、蓝牙、红外线、超宽带(UWB，Ultra Wide Band)、射频识别RFID(Radio Frequency Identification)、ZigBee、超声波、惯导等等。

基于WIFI技术的室内定位是目前应用场景最广的一种方式，如大型的商场、超市、大型集会、机场等等，系统往往通过用户连接入WIFI的接入点(AP，access point)，根据WIFI接入点的位置坐标和用户的WIFI信号强度进行定位。基于MEMS(Micro-ElectroMechanical System)的惯性导航系统也获得了快速发展，并在民用领域得到了广泛应用，如普通的智能手机中，基于各类传感器(加速度计、陀螺仪等等)的航迹应用、位置应用等。结合WIFI与惯导技术来进行室内定位，既可以发挥WIFI技术覆盖广，应用范围广的特点，又能发挥惯导技术高精度定位特性与航迹模拟的特点。但是目前真正意义上混合两种定位技术的方法不多，且在实际应用上还存在应用难度较大的问题。

技术实现要素：

本发明提出了一种混合WIFI与PDR的室内定位方法，该方法通过简单有效的线性时间窗效用函数将WIFI技术和惯导技术融合在一起，兼顾了WIFI室内定位技术与PDR轨迹的特点，解决了WIFI室内定位波动性大与惯导器件长时间运行后性能会发生弥散的问题，提升了系统的定位精度，具有广泛的应用场景。

为了实现上述目的，本发明的内容包括以下三个部分：

一、混合WIFI与PDR的室内定位方法总流程

步骤1：对于待测目标，其初始位置坐标默认采用WIFI定位技术来进行定位。本发明中，基于WIFI定位的位置坐标可通过如下方法获得，包括但不限于：三边法、TOA测距法、TDOA测距法、指纹匹配算法。本发明中不针对WIFI定位技术和方法进行任何限定。

步骤2：当获得待测目标的初始位置之后，系统中两套定位子系统将分别输出待测目标的位置。基于WIFI定位子系统输出的待测目标位置坐标，记为基于PDR定位子系统(待测目标的初始位置由步骤1获得)输出的待测目标的位置坐标，记为

步骤3：系统采用一个时间窗效用函数，将WIFI定位子系统输出的坐标以及基于PDR的定位子系统输出的坐标进行有效的线性加权，加权之后再通过卡尔曼(Kalman)滤波进行处理，最终得到混合WIFI和PDR的全局定位坐标

步骤4：算法结束。

二、时间窗效用函数的取值状态图

在本发明中，时间窗效用函数是一个关键与核心，它不仅简单，并且定位性能高效，能够充分利用WIFI系统与PDR系统的定位性能特点。

数学建模：系统全局定位坐标的表达形式如下表示：

式(1)中，ρ₁和ρ₂分别是PDR定位子系统和WIFI定位子系统的加权系数，在这个线性加权中满足：ρ₁+ρ₂＝1。

初始定位状态：当系统为待测目标进行初始状态的定位时，由于PDR系统需要一个参照坐标系才能进行后续的定位，因此，必须通过WIFI定位子系统来判断初始的位置。对于有ρ₁＝0，ρ₂＝1，则：

混合定位状态：在混合定位状态中，包含如下两种状态：

状态1：在此阶段，待测目标的位置刚刚进行过修正，其PDR系统的定位和轨迹精度高，在此状态中，待测目标的定位坐标应以PDR定位子系统输出的结果为主，的权值应占得高，即满足：ρ₁＞ρ₂：假定状态1能够持续的时间为T1。

状态2：在这一阶段，由于PDR系统在一段时间之后，传感器输出特性开始发散，需要对待测目标的轨迹进行校准，WIFI定位子系统的输出就相当关键，理论上，此状态中的权值应该占比较高。但WIFI系统本身的波动性也较大，定位精度有限，因此，在这个时间段内，需要WIFI定位子系统与PDR定位子系统相互配合，ρ₁与ρ₂的取值差异不能太大，得满足：ρ₁＜ρ₂且|ρ₁-ρ₂|＜δ。假定状态2能够持续的时间为T2。

从两个状态的意义和作用看，一般情况下，状态1持续的时间会更长，通常满足：T1＞T2。

因此，最终的时间窗效用函数的取值表达形式如下：

三、基于PDR的定位方法流程

基于PDR的定位方法的步骤包括：

步骤1：通过加速度计读取的三轴加速度模值，利用平滑时间窗在一段时间内判定其所述三轴加速度模值的波峰值，波谷值，并通过波峰波谷值的差值门限和间隔时间判定待测目标的步态；

步骤2：在估计出步态的基础上，在一步的范围内，通过三轴加速度模值的最大值、最小值，以及系统设定的校准系数，来估计待测目标的步长；

步骤3：对于包含电子罗盘的智能终端，待测目标的航向角可以直接通过电子罗盘读取出；对于不包含电子罗盘的智能终端，待测目标的航向角通过四元素法获得。

步骤4：基于待测目标的初始位置，步态估计、步长估计、以及航向角的计算，输出基于PDR定位子系统的位置坐标

步骤5：算法结束。

本发明的有益效果：

本发明提出的一种混合WIFI与PDR的室内定位方法，兼顾了WIFI室内定位技术与PDR轨迹的特点，解决了WIFI室内定位波动性大与惯导器件长时间运行后性能会发生弥散的问题，提升了系统的定位精度。

附图说明

图1是一种混合WIFI与PDR的室内定位方法总流程

图2a是时间窗效用函数取值状态图

图2b是时间窗效用函数状态转移条件

图3是基于PDR的定位方法流程

图4是实施例1的示意图

图5是实施例2的示意图

具体实施方式

实施例1：

假定待测目标为普通的智能手机，其系统示意图如图4所示：

在本实施例中，时间窗效用函数的取值可为：

实施例2：

假定待测目标为其它智能终端，其系统示意图如图5所示：

在本实施例中，时间窗效用函数的取值可为：