空間場(chǎng)景約束的室內(nèi)定位方法研究.pdf

1、隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能移動(dòng)終端技術(shù)、移動(dòng)計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，公眾對(duì)室內(nèi)位置服務(wù)的需求日益強(qiáng)烈，使得室內(nèi)定位技術(shù)成為智能位置服務(wù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。為了解決定位導(dǎo)航服務(wù)的“最后一公里”及“最后一米”問題，科技巨頭和研究機(jī)構(gòu)如Google、蘋果、百度等，在室內(nèi)定位技術(shù)及推廣方面開展了大量的研究工作;室內(nèi)定位技術(shù)也以室內(nèi)導(dǎo)航、導(dǎo)游、導(dǎo)購等形式逐漸開始影響人們的生活。特別是“羲和計(jì)劃”，作為“北斗”定位導(dǎo)航的室內(nèi)配套工程，更是以廣域范圍內(nèi)高精度的室內(nèi)

2、定位為目標(biāo)，反映了國家對(duì)這一領(lǐng)域的深度支持。
　　然而，和室外空間不同，室內(nèi)空間的結(jié)構(gòu)和實(shí)體構(gòu)成更加復(fù)雜和多變，普遍存在著定位信號(hào)被遮擋，多徑傳輸和非視距傳輸?shù)痊F(xiàn)象，導(dǎo)致廣域信號(hào)如FM/GSM/GPRS的定位誤差較大?；诰钟蛐盘?hào)如藍(lán)牙、WiFi、RFID的射頻定位技術(shù)可以達(dá)到5m以內(nèi)的定位精度，輔以重力傳感器、加速度傳感器、地磁傳感器等全定位源混合方法定位，可以實(shí)現(xiàn)更高精度的定位。然而，這種全源定位的方式容易導(dǎo)致定位終端的耗電量

3、加劇，帶來系統(tǒng)持續(xù)服務(wù)能力顯著下降、綜合成本上升等問題。室內(nèi)定位問題的根本原因在于室內(nèi)環(huán)境的特殊性對(duì)室內(nèi)定位信號(hào)傳輸?shù)男纬啥嘀丶s束，與室內(nèi)定位高精度和高效率需求之間存在明顯差距，且是現(xiàn)階段尚未解決的一個(gè)矛盾體。從室內(nèi)結(jié)構(gòu)分析的角度，通過建立更加精細(xì)的定位信號(hào)傳播模型和衰減模型，理論上可以獲得較高的定位精度，但實(shí)際中尚沒有突破性的研究進(jìn)展。
　　本文以智能手機(jī)平臺(tái)，以及藍(lán)牙(iBeacon)、WiFi等低成本、低功耗、普適性的技術(shù)條

4、件為基礎(chǔ)，以室內(nèi)空間場(chǎng)景化分析為手段，以室內(nèi)定位優(yōu)化提高為目標(biāo)，研究和探討室內(nèi)定位技術(shù)更加適應(yīng)實(shí)際空間環(huán)境約束，具有更高定位精度、穩(wěn)定性的室內(nèi)定位技術(shù)和方法，滿足室內(nèi)行人定位高精度、低成本、低功耗的基本需求。
　　本文的主要研究?jī)?nèi)容和主要成果有如下幾個(gè)方面:
　　1.初步構(gòu)建了室內(nèi)空間約束定位的理論體系。(1)系統(tǒng)梳理當(dāng)前室內(nèi)定位的優(yōu)化技術(shù)研究成果，對(duì)比錨節(jié)點(diǎn)校正，地圖校正，GIS約束等定位約束方法，提出了室內(nèi)定位的點(diǎn)、線、

5、面型空間約束分類;從而能夠優(yōu)化室內(nèi)空間定位過程及簡(jiǎn)化定位約束過程，把傳統(tǒng)不同空間場(chǎng)景的定位切換方法研究，如緩沖區(qū)方法化簡(jiǎn)為點(diǎn)型或線型約束定位等;(2)基于點(diǎn)/線/面的定位約束分類，提出室內(nèi)空間的EPC劃分，將室內(nèi)空間劃分為出入口空間，通道空間以及容器空間，給出了EPC劃分的語義和類結(jié)構(gòu)，構(gòu)建EPC G圖模型;從而加強(qiáng)了定位空間和室內(nèi)物理實(shí)體之間在位置上的一一對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)，進(jìn)一步把定位過程限定在通道內(nèi)，容器內(nèi)，以及出入口定位過程，實(shí)現(xiàn)了分而治

6、之;EPC的基礎(chǔ)性在于面向不同定位精度的定位技術(shù)，提供室內(nèi)空間的高區(qū)分度支撐，適應(yīng)EPC子空間內(nèi)適用不同模式的定位技術(shù)，提供一致的室內(nèi)空間定位約束;(3) EPC室內(nèi)空間劃分在數(shù)據(jù)來源和空間特征細(xì)分方面和IndoorGML相一致，通過IndoorGML的多層體系結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)源關(guān)聯(lián)方法，出入口、通道、容器空間劃分模式具有實(shí)際的應(yīng)用前景。
　　2.構(gòu)建了室內(nèi)空間定位約束的場(chǎng)景化分析方法。(1)從位置、定位約束、空間幾何特征、空間行人約束

7、一體化的角度，提出了面向室內(nèi)定位的空間場(chǎng)景概念，具體給出了出入口場(chǎng)景，通道場(chǎng)景以及容器場(chǎng)景的形式化定義;(2)以定位信號(hào)有效傳播距離和室內(nèi)空間幾何特征為出發(fā)點(diǎn)，討論了EPC的細(xì)分特征的劃分和定位約束及方法;(3)討論了關(guān)鍵技術(shù)如實(shí)時(shí)RSSI值和信標(biāo)的篩選算法，空間場(chǎng)景識(shí)別算法，空間場(chǎng)景定位的約束項(xiàng)及參數(shù)量化算法。
　　3.提出了一個(gè)空間場(chǎng)景約束的室內(nèi)定位模式。(1)從基礎(chǔ)和前提、模式優(yōu)化、算法優(yōu)化、定位實(shí)現(xiàn)的角度，全方位討論了場(chǎng)景

8、約束室內(nèi)定位的優(yōu)化架構(gòu)，模塊組成和關(guān)鍵技術(shù)，包括RSSI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)濾波處理優(yōu)化，RSSI可信信標(biāo)優(yōu)選，場(chǎng)景定位子特征識(shí)別，場(chǎng)景約束方法等;(2)設(shè)計(jì)了與場(chǎng)景分析匹配的場(chǎng)景傳感器、定位傳感器、雙性傳感器等傳感器分類方法，及場(chǎng)景傳感器、定位傳感器的部署、合并方法;(3)明確了基于場(chǎng)景分析預(yù)設(shè)定位空間，初估定位，優(yōu)化定位等三個(gè)定位階段。
　　4.具體討論了面向出入口場(chǎng)景、通道場(chǎng)景、容器場(chǎng)景的空間場(chǎng)景約束的定位方法。(1)基于出入口雙場(chǎng)景傳

9、感器部署，通過分析其RSS和距離映射特征，提出了雙RF傳播的“啞鈴現(xiàn)象”和VQueue模型，討論了啞鈴現(xiàn)象的唯一性;(2)基于VQueue模型，給出了垂直方向樓層定位、水平方向初次定位的方法，以及樓梯、電梯、門等出入口場(chǎng)景定位方法;(3)給出了基于RSSI和距離映射的三邊測(cè)量定位技術(shù)優(yōu)化思路，即識(shí)別空間細(xì)分特征，最優(yōu)信標(biāo)篩選，初步顧及定位，結(jié)果優(yōu)化等方法;(4)給出了基于RSSI位置指紋定位技術(shù)優(yōu)化思路，包括顧及空間細(xì)分特征的位置格網(wǎng)劃

10、分，指紋片段的篩選，位置指紋匹配，匹配結(jié)果優(yōu)化等方法。
　　實(shí)驗(yàn)表明:本文所提出空間場(chǎng)景約束的室內(nèi)定位模式、算法和技術(shù)具有正確性和有效性。(1)基于VQueue模型的出入口場(chǎng)景進(jìn)、出判斷，進(jìn)入\離開樓層的定位判斷實(shí)現(xiàn)了90％的正確定位，時(shí)間延遲在2秒內(nèi);能夠爭(zhēng)取判斷進(jìn)入\離開房間;(2)場(chǎng)景約束的RSSI測(cè)距定位方法，在狹長(zhǎng)通道，如在寬度為2米走廊內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了精度優(yōu)于1米的穩(wěn)定定位;(3)場(chǎng)景約束的RSSI指紋定位方法，在寬廣通道和

11、容器內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了待定位點(diǎn)和位置指紋格網(wǎng)一致性的匹配結(jié)果;同時(shí)，位置格網(wǎng)空間減少30％，實(shí)時(shí)指紋匹配空間減少50％，實(shí)現(xiàn)了定位效率的顯著提升。
　　在本文研究過程中，緊密面向室內(nèi)空間行人定位，以WiFi和iBeacon等RF信號(hào)源定位等低成本、普適性的基礎(chǔ)條件，更加注重了研究方法、過程和結(jié)果的基礎(chǔ)性和代表性:硬件方面定位源傳感器采用了工業(yè)化生產(chǎn)的iBeacon seekey產(chǎn)品，智能手機(jī)采用了華為P7、三星S5、coolpad Y75