基于FM與DTMB信號的室內(nèi)位置指紋定位方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種基于調(diào)頻信號(FM)和地面數(shù)字電視廣播信號(DTMB)的室內(nèi)位置指紋定位方法。包括步驟：依據(jù)室內(nèi)環(huán)境選取采樣點(diǎn)，并選取FM與DTMB信號的不同頻率作為參考頻率，記錄各個(gè)采樣點(diǎn)參考頻率上信號的強(qiáng)度信息，構(gòu)建接收信號強(qiáng)度指示(RSSI)指紋數(shù)據(jù)庫；獲取待定位點(diǎn)FM與DTMB信號的RSSI指紋信息，根據(jù)聯(lián)合定位算法，匹配最佳位置信息。本發(fā)明專利技術(shù)使用信號強(qiáng)度穩(wěn)定的FM和DTMB信號作為定位信號，覆蓋范圍廣，維護(hù)成本低；本發(fā)明專利技術(shù)采用不同頻率作為參考，克服了人員及物體的運(yùn)動對定位精度的影響，提高系統(tǒng)的抗干擾性；本發(fā)明專利技術(shù)提出的聯(lián)合定位算法，增加定位信息的多樣性，有效抵消部分誤差，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)高精度定位。

Indoor location fingerprinting method based on FM and DTMB signals

The invention discloses an indoor position fingerprint positioning method based on an FM signal (FM) and a ground digital television broadcast signal (DTMB). According to the indoor environment comprises the following steps: selecting sampling points, different frequencies and select FM and DTMB signal as the reference frequency, recording each sampling intensity information signal reference frequency, construct the received signal strength indicator (RSSI) fingerprint database; RSSI fingerprint information to obtain positioning points FM and DTMB signal, according to the localization algorithm. The best matching position information. The invention uses signal strength stable FM and DTMB signal as the location signal, wide coverage, low maintenance cost; the invention adopts different frequency as reference, to overcome the influence of personnel and the movement of objects on the positioning accuracy, improve the anti-interference of the system; joint positioning algorithm provided by the invention, increase the diversity of location information the effective offset part of the error, high precision positioning of the interior.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
基于FM與DTMB信號的室內(nèi)位置指紋定位方法
本專利技術(shù)涉及一種基于FM與DTMB信號的利用位置指紋來確定室內(nèi)環(huán)境空間位置的高精度定位方法。
技術(shù)介紹
目前，隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展和智能移動終端的普及，基于位置的服務(wù)(LBS)也在不斷發(fā)展。室外情況下，衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GNSS)以其高精度(一般的典型誤差不超過10m)，低成本等優(yōu)勢成為了主流的定位技術(shù)。而室內(nèi)定位方面，由于建筑物遮擋，多徑干擾，GNSS信號強(qiáng)度低等原因，基于到達(dá)時(shí)間或到達(dá)角度的衛(wèi)星定位技術(shù)在室內(nèi)定位中會產(chǎn)生很大的多徑誤差。室內(nèi)環(huán)境下，空間中每個(gè)點(diǎn)都有一個(gè)唯一的信號強(qiáng)度與之對應(yīng)。基于接受信號強(qiáng)度(RSSI)的位置指紋定位技術(shù)利用室內(nèi)環(huán)境對信號衰落的特異性，通過將實(shí)測信號強(qiáng)度與數(shù)據(jù)庫中的先驗(yàn)信號強(qiáng)度比較可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的精確定位。綜合考慮信號覆蓋的區(qū)域和部署成本等因素，Wi-Fi信號成為了位置指紋定位技術(shù)的首選信號。但研究中發(fā)現(xiàn)Wi-Fi信號在定位實(shí)踐中也存在著很大不足。首先，單個(gè)Wi-Fi信號源的覆蓋范圍有限，而位置指紋定位技術(shù)需要一定數(shù)量的信號源(不少于三個(gè))才能保證定位精度，這大大增加了設(shè)備部署的成本。其次，Wi-Fi信號的頻率在2.4GHz左右，恰好與水的共振頻率重合，而人體成分的70％是水，這使得接收到的Wi-Fi信號強(qiáng)度很容易受到人員走動，甚至天氣的影響，進(jìn)而干擾定位結(jié)果。所以目前國外很多研究者嘗試使用調(diào)頻廣播(FM)代替Wi-Fi作為定位信號。FM信號強(qiáng)度穩(wěn)定，覆蓋范圍非常廣，其所在的頻率范圍也不易受到干擾，是一種非常理想的定位信號。國外相關(guān)研究人員已經(jīng)可以單獨(dú)使用FM信號達(dá)到與使用Wi-Fi信號相同量級(＜10m)的定位精度。目前，國內(nèi)利用FM信號定位的研究少見報(bào)道，這主要是受到國內(nèi)外不同的國情影響。國外同一區(qū)域內(nèi)可接受的FM信號源個(gè)數(shù)多，分布廣，這有助于提高FM室內(nèi)定位的精度。而我國FM廣播則統(tǒng)一由指定的發(fā)射站發(fā)射，同一區(qū)域內(nèi)可接收的FM信號均為同一信號發(fā)射塔所發(fā)，使得在我國利用FM信號進(jìn)行室內(nèi)定位的精度較低。針對Wi-Fi室內(nèi)定位的不足和我國在FM信號發(fā)射方面的國情，本專利技術(shù)提出同時(shí)使用數(shù)字電視地面廣播(DTMB)信號與FM信號組成新的聯(lián)合定位系統(tǒng)，提升室內(nèi)定位的精度。DTMB信號由電視信號發(fā)射塔發(fā)出，其頻率比FM信號高很多，以天津地區(qū)為例，DTMB信號的兩個(gè)頻段的中心頻率為660MHz和740MHz，波長在0.41m到0.45m之間。這一波長的電磁波信號在建筑物轉(zhuǎn)角處都會發(fā)生折射。所以當(dāng)定位目標(biāo)轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)角時(shí)，DTMB信號的傳播長度會發(fā)生非常明顯的變化，此時(shí)信號的RSS值也會發(fā)生較大變化，有利于對目標(biāo)進(jìn)行定位。考慮到建筑物內(nèi)的復(fù)雜情況，引入DTMB信號會在很大程度上提高FM信號定位的精度。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
鑒于上述各種方法的缺陷，本專利技術(shù)提出一種基于FM與DTMB信號的室內(nèi)位置指紋定位方法，克服了傳統(tǒng)上利用Wi-Fi信號進(jìn)行定位的局限性與不穩(wěn)定性，解決了以FM信號作為單個(gè)定位信號的精度偏低的問題，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)高精度定位。實(shí)現(xiàn)本專利技術(shù)的技術(shù)方案如下：該方法通過接收FM與DTMB信號不同頻率的強(qiáng)度信息，確定室內(nèi)環(huán)境待定位點(diǎn)的空間位置，具體步驟為：(1)根據(jù)室內(nèi)環(huán)境選取采樣點(diǎn)，并選取FM與DTMB信號的不同頻率作為參考頻率；(2)利用天線在各采樣點(diǎn)接收FM與DTMB信號，記錄參考頻率上信號的強(qiáng)度信息，構(gòu)建FM與DTMB信號的RSSI指紋數(shù)據(jù)庫；(3)利用天線在待定位點(diǎn)接收FM與DTMB信號，記錄參考頻率上信號的強(qiáng)度信息，得到待定位點(diǎn)FM與DTMB信號的RSSI指紋信息；(4)通過聯(lián)合定位算法，將待定位點(diǎn)FM與DTMB信號的RSSI指紋信息與RSSI指紋數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配，得到定位結(jié)果。進(jìn)一步地，本專利技術(shù)所述的FM信號統(tǒng)一由指定的發(fā)射站發(fā)射，同一區(qū)域內(nèi)可接收的FM信號均來自同一信號發(fā)射塔，且FM信號頻率范圍從87.5MHz到108MHz。進(jìn)一步地，本專利技術(shù)所述的步驟(1)中的FM與DTMB信號不同頻率是依據(jù)信道環(huán)境來進(jìn)行選取的。FM和DTMB信號都包含多個(gè)頻率，并不是每個(gè)頻率上的信號強(qiáng)度都適用于特定信道環(huán)境的定位，并且若將所有頻率的強(qiáng)度信息都放入RSSI指紋數(shù)據(jù)庫，則會加大計(jì)算量，也會影響后期對指紋信息的匹配，降低系統(tǒng)的效率。所以本專利技術(shù)依據(jù)不同波長的信號對障礙物的穿透損耗與繞射損耗的不同，將FM與DTMB信號的各個(gè)頻率值換算為波長，換算公式為：λ＝c/f，其中c為光速，其值為299792458m/s。選取波長大于障礙物最大尺寸的信號和波長小于障礙物最小尺寸的信號進(jìn)行最優(yōu)組合。進(jìn)一步地，本專利技術(shù)所述FM與DTMB信號不同頻率的強(qiáng)度信息表示為一向量，在區(qū)域內(nèi)選取N個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)上測量接收到的P個(gè)參考頻率的信號強(qiáng)度，則第r個(gè)采樣點(diǎn)的信號強(qiáng)度表示為：其中為第i個(gè)頻率進(jìn)行Q次測量后的平均值，即進(jìn)一步地，本專利技術(shù)所述步驟(4)中的聯(lián)合定位算法，結(jié)合了確定性信息與概率性信息這兩種相互獨(dú)立的信息。由近鄰參考點(diǎn)，得到定位結(jié)果的確定性信息；由信號強(qiáng)度的概率分布，得到定位結(jié)果的概率性信息。將兩種信息賦予不同權(quán)重值，得到最終定位結(jié)果。具體的公式為：loc＝ω1loc1+ω2loc2其中，loc1是定位結(jié)果的確定性信息，loc2是定位結(jié)果的概率性信息，ω1和ω2分別是兩種信息的權(quán)值。進(jìn)一步地，本專利技術(shù)所述的確定性信息是利用真實(shí)的測量值與位置的先驗(yàn)測量強(qiáng)度進(jìn)行比較而得到的，其具體實(shí)現(xiàn)方式是：評估待定位點(diǎn)到所有采樣點(diǎn)的歐氏距離，選擇最近的K個(gè)距離，這K個(gè)距離所對應(yīng)的點(diǎn)為近鄰參考點(diǎn)。同時(shí)，考慮到這K個(gè)距離與實(shí)時(shí)測量的信號強(qiáng)度的差別大小，將K個(gè)近鄰參考點(diǎn)賦予不同的權(quán)重值。進(jìn)一步地，本專利技術(shù)所述的概率性信息是基于概率模型來估測的，其具體實(shí)現(xiàn)方式是：在測量采樣點(diǎn)FM與DTMB信號強(qiáng)度時(shí)，多次測量該點(diǎn)的信號強(qiáng)度并對該點(diǎn)的信號強(qiáng)度分布進(jìn)行估計(jì)；在定位時(shí)，將待定位點(diǎn)的位置作為一個(gè)獨(dú)立的隨機(jī)變量，通過分析測量信號強(qiáng)度出現(xiàn)的概率，來估計(jì)出測定強(qiáng)度出現(xiàn)概率最大的位置作為定位結(jié)果。根據(jù)貝葉斯公式，當(dāng)測量信號強(qiáng)度為rss時(shí)，定位位置在LOCr的概率P(LOCr|rss)為：其中，P(rss)是測量值為rss的概率，P(LOCr)為待定位點(diǎn)出現(xiàn)在LOC的概率，P(rss|LOCr)為LOCr點(diǎn)出現(xiàn)rss強(qiáng)度的概率。利用高斯分布來擬合各采樣點(diǎn)信號強(qiáng)度的分布：其中Q為實(shí)際測量的樣本數(shù)，RSSrq服從N(rssr，σ)的正態(tài)分布。本專利技術(shù)提出的室內(nèi)定位方法與已有的技術(shù)相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)本專利技術(shù)所采用的定位信號FM與DTMB信號，覆蓋范圍廣，信號強(qiáng)度穩(wěn)定，頻率范圍不易受干擾，相比于Wi-Fi信號，本專利技術(shù)的方法定位穩(wěn)定性更強(qiáng)，維護(hù)成本更低；相比于單獨(dú)使用FM信號，本專利技術(shù)的方法定位精度更高。(2)在構(gòu)建FM與DTMB信號的RSSI指紋數(shù)據(jù)庫時(shí)，通過對信號不同頻率的選擇，在簡化系統(tǒng)工作量的同時(shí)，克服人員及物體的運(yùn)動對系統(tǒng)定位精度的影響，提高定位方法的抗干擾性能。(3)本專利技術(shù)將確定性信息與概率性信息相結(jié)合，兩種信息機(jī)理不同，兩者的誤差也相互獨(dú)立，聯(lián)合利用這兩種信息可以有效增加定位信息的多樣性，有效抵消部分誤差，提高定位方法的穩(wěn)定性。(4)本專利技術(shù)所采用的方法適用于任何可同時(shí)接收到FM與DTMB信號的環(huán)境，克服了現(xiàn)有方法僅局本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于FM與DTMB信號的室內(nèi)位置指紋定位方法，其特征在于，通過接收FM與DTMB信號不同頻率的強(qiáng)度信息，確定室內(nèi)環(huán)境待定位點(diǎn)的空間位置，包括以下步驟：1)根據(jù)室內(nèi)環(huán)境選取采樣點(diǎn)，并選取FM與DTMB信號的不同頻率作為參考頻率；2)利用天線在各采樣點(diǎn)接收FM與DTMB信號，記錄參考頻率上信號的強(qiáng)度信息，構(gòu)建FM與DTMB信號的RSSI指紋數(shù)據(jù)庫；3)利用天線在待定位點(diǎn)接收FM與DTMB信號，記錄參考頻率上信號的強(qiáng)度信息，得到待定位點(diǎn)FM與DTMB信號的RSSI指紋信息；4)通過聯(lián)合定位算法，將待定位點(diǎn)FM與DTMB信號的RSSI指紋信息與指紋數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配，得到定位結(jié)果。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于FM與DTMB信號的室內(nèi)位置指紋定位方法，其特征在于，通過接收FM與DTMB信號不同頻率的強(qiáng)度信息，確定室內(nèi)環(huán)境待定位點(diǎn)的空間位置，包括以下步驟：1)根據(jù)室內(nèi)環(huán)境選取采樣點(diǎn)，并選取FM與DTMB信號的不同頻率作為參考頻率；2)利用天線在各采樣點(diǎn)接收FM與DTMB信號，記錄參考頻率上信號的強(qiáng)度信息，構(gòu)建FM與DTMB信號的RSSI指紋數(shù)據(jù)庫；3)利用天線在待定位點(diǎn)接收FM與DTMB信號，記錄參考頻率上信號的強(qiáng)度信息，得到待定位點(diǎn)FM與DTMB信號的RSSI指紋信息；4)通過聯(lián)合定位算法，將待定位點(diǎn)FM與DTMB信號的RSSI指紋信息與指紋數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配，得到定位結(jié)果。2.如權(quán)利要求1所述的基于FM與DTMB信號的室內(nèi)位置指紋定位方法，其特征在于，所述的FM信號統(tǒng)一由指定的發(fā)射站發(fā)射，同一區(qū)域內(nèi)可接收的FM信號均來自同一信號發(fā)射塔。3.如權(quán)利要求1所述的基于FM與DT...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：趙迎新，吳虹，王琦琦，馬肖旭，楊夢煥，穆巍煒，
申請(專利權(quán))人：南開大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：天津,12