一种三维立体指纹分布室内定位方法及结构与流程

本发明涉及基于指纹法的室内定位技术领域，尤其是一种三维立体指纹分布室内定位方法及结构。

背景技术：

随着计算机技术和网络技术的不断发展，基于位置服务的需求得到了越来越多的研究和应用。由于大型商场、展馆等大面积建筑物空间内的gps信号受到遮挡，导致gps系统无法较好的满足于室内环境，因此，基于wlan、蓝牙、zigbee等室内定位技术得到了广泛的研究和应用。其中，基于接收信号强度(rss，receivedsignalstrength)的指纹定位方法由于其定位设备成本较低和定位精度较高从而广泛应用于室内定位。

在特殊情况下，当二维平面定位效果不能满足需求时，则需要对其三维的位置进行定位，然而，传统的基于rss的指纹室内定位法在进行三维定位时，存在以下问题：

一、由于指纹分布通常采用网格分布结构导致离线工作量无法降低，并且指纹点潜在的价值信息利用率较低；

二、由于网格分布法通常将定位空间划分为多个定位子网格空间，若定位点位于两个相邻的定位子网格空间的边界处的附近时，则定位点在定位过程中由于信号强度rss的时变性导致容易选错定位子网格空间，从而导致定位精度无法提高。

因此，如何提高定位精度和如何降低离线数据采集工作量是目前基于rss的指纹室内定位法进行三维定位时需要解决的难题。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种三维立体指纹分布室内定位方法，在确保定位精度的同时，减小约75％的指纹点，降低离线数据采集工作量，提高定位数据处理效率，本发明还通过引入校正定位指纹点，提高定位精度。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：

一种三维立体指纹分布室内定位方法，包括以下步骤：

s1，对传统三维立体网格分布结构进行重构，得到新的三维立体网格分布结构；

所述传统三维立体网格分布结构是指：在目标定位空间中进行空间网格划分，将目标定位空间划分为多个正方体网格空间；将每个正方体网格空间的顶点作为所述传统三维立体网格分布结构中的定位指纹点；

所述重构的具体方式为：将所述传统三维立体网格分布结构中的上下左右前后互为相邻的八个正方体网格空间组合为一个新的正方体网格空间，将该新的正方体网格空间作为所述新的三维立体网格分布结构中的正方体定位空间，将所述正方体定位空间的八个顶点作为所述新的三维立体网格分布结构中的一次定位指纹点，将此八个正方体网格空间的一个公共顶点作为所述新的三维立体网格分布结构中的校正定位指纹点，所述校正定位指纹点位于所述正方体定位空间的正中心；

所述新的三维立体网格分布结构包括：一次定位指纹点和校正定位指纹点；

所述新的三维立体网格分布结构是指：所述一次定位指纹点将所述新的三维立体网格分布结构划分为多个正方体定位空间；所述校正定位指纹点将其对应的正方体定位空间划分为若干个四面体定位空间；所述四面体定位空间由该正方体定位空间中的校正定位指纹点，以及该正方体定位空间中任意三个一次定位指纹点构成；

所述新的三维立体网格分布结构中相邻的两个正方体定位空间存在重合的定位指纹点即存在公共顶点，但没有重合的空间；

s2，在所述新的三维立体网格分布结构中一次定位指纹点和校正定位指纹点上分别采集指纹点的信号强度信息和位置信息；

s3，根据一次定位指纹点上的信号强度信息和位置信息构建一次定位指纹数据库rf；根据校正定位指纹点上的信号强度信息和位置信息构建校正定位指纹数据库rc；

s4，采集定位点的信号强度信息rssx，将所述定位点的信号强度信息rssx与一次定位指纹数据库rf中的各指纹点的信号强度信息进行对比即进行一次定位处理，在多个正方体定位空间中选取出距离该定位点最近的正方体定位空间作为一次定位空间；所述定位点为待确定位置的点；

s5，将所述定位点的信号强度信息rssx与校正定位指纹数据库rc中的各指纹点的信号强度信息进行对比，在多个校正定位指纹点中选取出距离该定位点最近的校正定位指纹点作为最佳校正定位指纹点，且该最佳校正定位指纹点所位于的正方体定位空间即为校正定位空间；

s6，计算该最佳校正定位指纹点与所述一次定位空间内的校正定位指纹点之间的距离d，对所选取的一次定位空间和校正定位空间的位置关系进行判断，若校正定位空间与一次定位空间重合时，即d＝0时，则所采集的定位点的信号强度信息rssx可靠，该一次定位空间可靠，即一次定位空间为准确一次定位空间，且该准确一次定位空间为六面体空间即正方体空间，包括八个一次定位指纹点和一个校正定位指纹点即该最佳校正定位指纹点；

若校正定位空间与一次定位空间不重合，且0＜d≤θ时，则所采集的定位点的信号强度信息rssx可靠，但该一次定位空间不可靠，即该一次定位空间不是准确一次定位空间，利用该两个校正定位指纹点即该最佳校正定位指纹点与该一次定位空间内的校正定位指纹点之间的位置关系重新构建出准确一次定位空间；

若校正定位空间与一次定位空间不重合，且d＞θ时，则所采集的定位点的信号强度rssx不可靠，重新采集定位点的信号强度信息rssx，即重新执行步骤s4～s6；

其中，θ表示距离阈值，所述距离阈值l表示所述正方体定位空间的边长；

s7，在所述准确一次定位空间中确定所述定位点的位置。

步骤s6中，所述0＜d≤θ时，其中，

若d＝l时，则校正定位空间与一次定位空间之间有四个公共一次定位指纹点，由该两个校正定位指纹点，以及该四个公共一次定位指纹点作为顶点构成一个八面体空间，将该八面体空间作为准确一次定位空间；所述准确一次定位空间包括两个校正定位指纹点和四个一次定位指纹点。

步骤s6中，所述0＜d≤θ时，其中，

若时，则校正定位空间与一次定位空间之间有两个公共一次定位指纹点，由该两个校正定位指纹点，该两个公共一次定位指纹点，以及与该两个校正定位指纹点之间的中心位置相距最近的两个校正定位指纹点作为顶点构成一个八面体空间，将该八面体空间作为准确一次定位空间；所述准确一次定位空间包括四个校正定位指纹点和两个一次定位指纹点。

步骤s6中，所述0＜d≤θ时，其中，

若时，则校正定位空间与一次定位空间之间仅有一个公共一次定位指纹点，由与该一个公共一次定位指纹点相距最近的八个校正定位指纹点作为顶点构成一个正方体空间即六面体空间，将该正方体空间作为准确一次定位空间；所述准确一次定位空间包括八个校正定位指纹点和一个一次定位指纹点，且该一个一次定位指纹点位于所述准确一次定位空间的正中心位置。

步骤s3中，还根据一次定位指纹点的信号强度信息和位置信息，以及根据校正指纹定位点的信号强度信息和位置信息构建二次定位指纹数据库

步骤s7中，通过二次定位处理在准确一次定位空间内确定该定位点的位置；所述二次定位处理是利用二次定位指纹数据库将该定位点的信号强度信息rssx与准确一次定位空间中所包含的各指纹点的信号强度信息进行对比，在准确一次定位空间中选择四个点作为二次定位空间的顶点，得到二次定位空间；所述二次定位空间为四面体空间；

根据所述二次定位空间即四面体空间上的四个顶点确定该定位点的位置i，具体方式如下所示：

分别计算该四面体空间上的四个顶点对定位点的贡献度即权值，分别得到该四面体空间上的四个顶点对定位点的贡献度依次为且该四面体空间上的四个顶点的位置分别为

该定位点的位置

所述位置均为三维坐标。

若准确一次定位空间是根据d＝0的情况所得到，则在该准确一次定位空间中选取出距离该定位点较近的三个一次定位指纹点；所述二次定位空间由该准确一次定位空间中的一个校正定位指纹点，以及距离所述定位点较近的该三个一次定位指纹点构成。

若准确一次定位空间是根据d＝l的情况所构建，则在该准确一次定位空间中的两个校正定位指纹点中选取出距离该定位点最近的一个校正定位指纹点，在该准确一次定位空间中的四个一次定位指纹点中选取出距离该定位点较近的三个一次定位指纹点；所述二次定位空间由距离所述定位点最近的该一个校正定位指纹点，以及距离所述定位点较近的该三个一次定位指纹点构成。

若准确一次定位空间是根据的情况所构建，则在该准确一次定位空间中的两个一次定位指纹点中选取出距离该定位点最近的一个一次定位指纹点，在该准确一次定位空间中的四个校正定位指纹点中选取出距离该定位点较近的三个校正定位指纹点；所述二次定位空间由距离所述定位点最近的该一个一次定位指纹点，以及距离所述定位点较近的该三个校正定位指纹点构成。

若准确一次定位空间是根据的情况所得到，则在该准确一次定位空间的六个面中选取出距离该定位点最近的一个面，且在该最近的一个面上选取出距离该定位点较近的三个校正定位指纹点；所述二次定位空间由该准确一次定位空间中的一个一次定位指纹点，以及位于该同一个面上的距离所述定位点较近的该三个一次定位指纹点构成。

本发明还提供了一种三维立体指纹分布室内定位结构，所述三维立体指纹分布室内定位结构包括：一次定位指纹点和校正定位指纹点；其中，

将所述传统三维立体网格分布结构中的上下左右前后互为相邻的八个正方体网格空间组合为一个新的正方体网格空间，将该新的正方体网格空间作为所述三维立体指纹分布室内定位结构中的正方体定位空间，将所述正方体定位空间的顶点作为所述三维立体指纹分布室内定位结构中的一次定位指纹点，将此八个正方体网格空间的公共顶点作为所述三维立体指纹分布室内定位结构中的校正定位指纹点，即所述校正定位指纹点位于所述正方体定位空间的正中心；所述传统三维立体网格分布结构是指：在目标定位空间中进行空间网格划分，将目标定位空间划分为多个正方体网格空间；将每个正方体网格空间的顶点作为所述传统三维立体网格分布结构中的定位指纹点；

所述新的三维立体网格分布结构是指：所述一次定位指纹点将所述新的三维立体网格分布结构划分为多个正方体定位空间；所述校正定位指纹点将其对应的正方体定位空间划分为若干个四面体定位空间；所述四面体定位空间由该正方体定位空间中的校正定位指纹点，以及该正方体定位空间中任意三个一次定位指纹点构成；

所述三维立体指纹分布室内定位结构中相邻的两个正方体定位空间之间存在重合的定位指纹点即存在公共顶点，且不存在重合的空间。

本发明的优点在于：

本发明通过对传统网格分布指纹点重新选取、排布和分类，利用四面体定位空间定替代传统正方体定位空间，在确保定位精度的条件下，可减小约75％的指纹点和离线数据采集工作量，指纹数据样本的减少，提高了定位数据处理效率；同时，本发明在减小工作量的条件下，还通过引入校正点的方法提高了定位精度，适用于基于指纹法的室内定位技术，可有效减少由于定位空间边缘的定位点的信号时变性从而带来的定位误差较大的情况。

附图说明

图1为本发明的一种三维立体指纹分布室内定位方法的方法流程图。

图2(a)为传统三维立体网格分布结构的示意图。

图2(b)为新的三维立体网格分布结构的示意图。

图3为本发明的一种三维立体指纹分布室内定位结构的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由图1所示，一种三维立体指纹分布室内定位方法，包括以下步骤：

s1，对传统三维立体网格分布结构进行重构，得到新的三维立体网格分布结构，所述新的三维立体网格分布结构即为本发明的三维立体指纹分布室内定位结构。

由图2(a)所示，所述传统三维立体网格分布结构是指：在目标定位空间中进行空间网格划分，将目标定位空间划分为多个正方体网格空间；将每个正方体网格空间的顶点作为所述传统三维立体网格分布结构中的定位指纹点。

由图2(a)和图2(b)所示，所述重构的具体方式为：将所述传统三维立体网格分布结构中的上下左右前后互为相邻的八个正方体网格空间组合为一个新的正方体网格空间，将该新的正方体网格空间作为所述新的三维立体网格分布结构中的正方体定位空间，将所述正方体定位空间的顶点作为所述新的三维立体网格分布结构中的一次定位指纹点，将此八个正方体网格空间的公共顶点作为所述新的三维立体网格分布结构中的校正定位指纹点，所述校正定位指纹点位于所述正方体定位空间的正中心。

由图3所示，所述新的三维立体网格分布结构包括：一次定位指纹点和校正定位指纹点；其中，白色的点为一次定位指纹点，黑色的点为校正定位指纹点。

所述新的三维立体网格分布结构是指：所述一次定位指纹点将所述新的三维立体网格分布结构划分为多个正方体定位空间；所述校正定位指纹点将其对应的正方体定位空间划分为若干个四面体定位空间；所述四面体定位空间由该正方体定位空间中的校正定位指纹点，以及该正方体定位空间中任意三个一次定位指纹点构成。

所述新的三维立体网格分布结构中相邻的两个正方体定位空间存在重合的定位指纹点即存在公共顶点，但没有重合的空间。

为了便于描述整个技术方案，本实施例中，以目标定位空间为正方体为例，且所述新的三维立体网格分布结构中共包括n个一次定位指纹点和m个校正定位指纹点；将所述目标定位空间划分为m个正方体定位空间；但是，本发明并不局限于目标定位空间为正方体的情况。

s2，在所述新的三维立体网格分布结构中一次定位指纹点和校正定位指纹点上分别采集指纹点的信号强度信息和位置信息。其中，

将n个一次定位指纹点的信号强度信息构成集合rssf，且集合将n个一次定位指纹点的位置信息构成集合lf，且集合

其中，集合rssf中的每个元素均表示该元素对应的一次定位指纹点的信号强度信息；集合lf中的每个元素均表示该元素对应的一次定位指纹点的位置信息即三维位置坐标；f表示一次定位指纹点；集合rssf中每个元素的下标数字均表示该元素的序号即表示该元素对应的一次定位指纹点的序号。

将m个校正定位指纹点的信号强度信息构成集合rssc，且集合将m个校正定位指纹点的位置信息构成集合lc，且集合

其中，集合rssc中的每个元素均表示该元素对应的校正定位指纹点的信号强度信息；集合lc中的每个元素均表示该元素对应的校正定位指纹点的位置信息即三维位置坐标；c表示校正定位指纹点；集合rssc中每个元素的下标数字均表示该元素的序号即表示该元素对应的校正定位指纹点的序号。

s3，根据一次定位指纹点上的信号强度信息和位置信息构建一次定位指纹数据库rf。具体方式如下所示：

将每个正方体定位空间上的八个顶点即八个一次定位指纹点的信号强度信息的集合作为一次定位指纹数据库rf中的子集，得到一次定位指纹数据库即其中，i表示第i个正方体定位空间；z表示该目标定位空间共划分为z个正方体定位空间；本实施例中，z＝m，即

其中，是由第i个正方体定位空间上的八个顶点即八个一次定位指纹点的信号强度信息所构成集合，表示一次定位指纹数据库rf中的第i个子集；且一次定位指纹数据库rf中的每个子集均包含有八个一次定位指纹点的信号强度信息。

s4，将由m个校正定位指纹点的信号强度信息所构成的集合rssc作为校正定位指纹数据库rc，即

s5，根据一次定位指纹数据库和校正定位指纹数据库构建二次定位指纹数据库具体方式如下所示：

将每个正方体定位空间上的八个顶点即八个一次定位指纹点的信号强度信息，以及该正方体定位空间中的校正定位指纹点的信号强度信息的集合作为二次定位指纹数据库的子集，得到即且即

其中，是由第i个正方体定位空间上的八个顶点即八个一次定位指纹点的信号强度信息，以及第i个正方体定位空间中的校正定位指纹点的信号强度信息构成的集合，表示二次定位指纹数据库的第i个子集；且二次定位指纹数据库中的每个子集均包含有八个一个定位指纹点和一个校正定位指纹点的信号强度信息。

s6，采集定位点即待确定位置的点的信号强度信息rssx，将该定位点的信号强度信息rssx依次与一次定位指纹数据库rf中的每个子集进行对比即进行一次定位处理，在多个正方体定位空间中即在多个子集中选取出距离该定位点最近的正方体定位空间作为一次定位空间。具体方式如下所示：

分别计算该定位点与子集中的八个一次定位指纹点之间的距离，分别得到八个距离差，对该八个距离差的绝对值取平均值，将该平均值作为该定位点与该子集之间的距离，即该定位点与该子集所对应的正方体定位空间之间的距离；

依次类推，分别得到该定位点与每个正方体定位空间之间的距离，选取距离最小的正方体定位空间作为一次定位空间。

s7，将该定位点的信号强度信息rssx与校正定位指纹数据库rc中进行对比，分别计算该定位点与校正定位指纹数据库rc中的每个校正定位指纹点之间的距离值，选取距离的绝对值为最小的校正定位指纹点作为最佳校正定位指纹点，且该最佳校正定位指纹点所位于的正方体定位空间即为校正定位空间。

s8，设定距离阈值θ；所述距离阈值l表示所述正方体定位空间的边长。

s9，计算该最佳校正定位指纹点与所述一次定位空间内的校正定位指纹点之间的距离d，对所选取的一次定位空间和校正定位空间的位置关系进行判断。其中，

若校正定位空间与一次定位空间重合时，即d＝0时，则所采集的定位点的信号强度信息rssx可靠，且该一次定位空间可靠，即该一次定位空间为准确一次定位空间，且该准确一次定位空间为六面体空间，包括八个一次定位指纹点和一个校正定位指纹点即该最佳校正定位指纹点。

若校正定位空间与一次定位空间不重合，且d＞θ时，则所采集的定位点的信号强度rssx不可靠，重新采集定位点的信号强度信息rssx，即重新执行步骤s6～s9。

若校正定位空间与一次定位空间不重合，且0＜d≤θ时，则所采集的定位点的信号强度信息rssx可靠，但该一次定位空间不可靠，即该一次定位空间不是准确一次定位空间，利用该两个校正定位指纹点即该最佳校正定位指纹点与该一次定位空间内的校正定位指纹点之间的位置关系重新构建出准确一次定位空间；

所述0＜d≤θ中，若d＝l时，则校正定位空间与一次定位空间之间有四个公共一次定位指纹点，由该两个校正定位指纹点，以及该四个公共一次定位指纹点作为顶点构成一个八面体空间，将该八面体空间作为准确一次定位空间；所述准确一次定位空间包括两个校正定位指纹点和四个一次定位指纹点；

所述0＜d≤θ中，若时，则校正定位空间与一次定位空间之间有两个公共一次定位指纹点，由该两个校正定位指纹点，该两个公共一次定位指纹点，以及与该两个校正定位指纹点之间的中心位置相距最近的两个校正定位指纹点作为顶点构成一个八面体空间，将该八面体空间作为准确一次定位空间；所述准确一次定位空间包括四个校正定位指纹点和两个一次定位指纹点；

所述0＜d≤θ中，若时，则校正定位空间与一次定位空间之间仅有一个公共一次定位指纹点，由与该一个公共一次定位指纹点相距最近的八个校正定位指纹点作为顶点构成一个正方体空间即六面体空间，将该正方体空间作为准确一次定位空间；所述准确一次定位空间包括八个校正定位指纹点和一个一次定位指纹点，且该一个一次定位指纹点位于所述准确一次定位空间的正中心位置。

s10，利用所述二次定位指纹数据库将该定位点的信号强度信息rssx与准确一次定位空间中所包含的各指纹点的信号强度信息进行对比即进行二次定位，在准确一次定位空间中选择四个点作为二次定位空间的顶点构成二次定位空间，所述二次定位空间为四面体空间。其中，

若准确一次定位空间是根据d＝0的情况所得到，则在该准确一次定位空间的选取出距离该定位点较近的三个一次定位指纹点；所述二次定位空间由该准确一次定位空间中的一个校正定位指纹点，以及位于该同一个面上的距离所述定位点较近的该三个一次定位指纹点构成；

若准确一次定位空间是根据d＝l的情况所构建，则在该准确一次定位空间中的两个校正定位指纹点中选取出距离该定位点最近的一个校正定位指纹点，在该准确一次定位空间中的四个一次定位指纹点中选取出距离该定位点较近的三个一次定位指纹点；所述二次定位空间由距离所述定位点最近的该一个校正定位指纹点，以及距离所述定位点较近的该三个一次定位指纹点构成；

若准确一次定位空间是根据的情况所构建，则在该准确一次定位空间中的两个一次定位指纹点中选取出距离该定位点最近的一个一次定位指纹点，在该准确一次定位空间中的四个校正定位指纹点中选取出距离该定位点较近的三个校正定位指纹点；所述二次定位空间由距离所述定位点最近的该一个一次定位指纹点，以及距离所述定位点较近的该三个校正定位指纹点构成；

若准确一次定位空间是根据的情况所得到，则在该准确一次定位空间的六个面中选取出距离该定位点最近的一个面，且在该最近的一个面上选取出距离该定位点较近的三个校正定位指纹点；所述二次定位空间由该准确一次定位空间中的一个一次定位指纹点，以及位于该同一个面上的距离所述定位点较近的该三个一次定位指纹点构成。

s11，在所述二次定位空间上即四面体空间上利用质心法确定该定位点的位置。具体方式如下所示：

根据该四面体空间上的四个顶点确定该定位点的位置i，分别计算该四面体空间上的四个顶点对定位点的贡献度即权值，分别得到该四面体空间上的四个顶点对定位点的贡献度依次为且该四面体空间上的四个顶点的位置分别为

该定位点的位置

所述位置均为三维坐标。

本发明所提出的新的三维立体网格分布结构与传统的三维立体网格分布结构不同，本发明通过对传统的正方体网格空间进行重组，将传统三维立体网格分布结构中的上下左右前后互为相邻的八个正方体网格空间组合为一个新的正方体网格空间，将该新的正方体网格空间作为所述新的三维立体网格分布结构中的正方体定位空间，并对该正方体定位空间进行划分，可将该正方体定位空间分解成若干个四面体定位空间，当定位空间体积较大时，定位指纹点个数可降低75％左右，具体由下表1所示：

表1

本发明的一种三维立体指纹分布室内定位结构及方法，该方法通过对传统网格分布指纹点重新选取、排布和分类，利用四面体定位空间定替代传统正方体定位空间，在保证定位精度的条件下，可降低指纹点和数据采集工作量；同时，将部分定位指纹点作为定位校正点，用于校正和二次定位，提高定位精度。

具体的，本发明在确保定位精度的条件下，可减小约75％的指纹点和离线数据采集工作量，指纹数据样本的减少，提高了定位数据处理效率；同时，本发明在减小工作量的条件下，还通过引入校正点的方法提高了定位精度，适用于基于指纹法的室内定位技术，可有效减少由于定位空间边缘的定位点的信号时变性从而带来的定位误差较大的情况。

以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。