本发明专利技术提供了一种基于TOA的室内楼层定位方法，属于定位技术领域，通过控制AP的发射功率，能够根据定位AP所在的楼层号对待求MT所在的楼层位置进行预估计，然后对特定算法求得的MT楼层位置进行修正，实现了待求MT的楼层定位，所采用的定位AP少，降低了系统负担，节约了定位的成本，定位AP的布置简单快速，定位原理简单，且定位准确度高，不用考虑收发机增益的差异，降低了对收发机天线的物理要求，定位复杂度低，不用为待定位的多楼层建筑事先建立数据库，简化了定位的过程，可移植性高，可以和各种不同的平面定位方法相结合实现待定位目标的三维空间定位。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于定位
，尤其是室内楼层的定位方法。
技术介绍
现代生活中，人们的日常工作、休闲、娱乐等越来越多地集中于高层楼宇中，因此，楼层及其包含的信息逐渐受到人们的关注。当用户处于商业中心、车站等建筑结构复杂、人员密集的室内环境时，往往不能快速地确定自己所处的楼层位置，这时就希望通过定位应用获取相关楼层信息。近几年，室内平面定位技术日趋成熟，各种平面定位系统层出不穷。然而，在实际定位需求中，二维平面的室内定位技术往往无法满足用户的定位需求，这样的情况下，三维定位逐渐成为新的研究热点，而楼层定位对于未来生活中的三维定位将起到很大的作用，因为很多时候楼层信息比具体的高度信息更具有实用价值。目前，国内外对于楼层定位方面所做的研究还不是很多。现如今的楼层定位方法大多是基于位置指纹库的，需要事先对特定的场景进行采样，建立比较完善的指纹库。该方法虽然能够达到一定的定位准确度，但是其前期准备工作耗费时间长，需要的定位节点(Access Point，AP)多，成本高，并且定位精度与所建指纹库数据的完善程度密切相关，还需定期更新指纹数据库，因此并不适合大范围推广应用
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种简单易实现的基于到达时间(TOA，Time Of Arrival)的室内楼层定位方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：步骤1：楼层定位AP布局将楼层地板及天花板所在平面视为与水平面平行，对楼层AP的布局作如下假定：在各楼层天花板的下表面上每间隔不超过20m固定布置一个AP，每个AP的坐标信息均为已知并存储于AP中；位于相邻两楼层天花板的两个AP作为一组参与定位的AP，二者水平距离不超过0.6m，即位于不同楼层的两个AP在同一水平面上的投影点间的距离不超过0.6m；步骤2：AP功率控制调节AP的发射功率，令其发出的无线信号能够覆盖AP所在楼层及其相邻的两个楼层，即保证位于任一楼层的MT它不仅能够检测到本楼层AP发出的无线信号，还能够检测到上一楼层以及下一楼层AP发出的无线信号；在满足上述条件的前提下，使得AP的发射功率尽可能小，以降低无线信号之间的相互干扰；步骤3：TOA数据收集待定位的MT接入到建筑内的无线网络后，接收来自所有AP的无线信号，选出其中信号强度最高即接受信号强度指示(RSSI，Received Signal Strength Indication)值之和最大的一组AP作为本次定位所用的AP(AP0，AP1)，并计算这组AP发出的无线信号到达MT所经历的时间(t0，t1)；步骤4：楼层预估计根据步骤3所选本次定位AP所在的楼层号对MT所在的楼层位置进行预估计，缩小MT的定位范围，具体包括以下两步：1)确定AP0、AP1所在的楼层号分别为F0、F1，设F1>F0；2)将MT所在的楼层号预估计为AP0或AP1所在的楼层号即F0或F1；步骤5：MT竖直坐标的求解根据AP0和AP1分别到MT的时间值t0和t1，建立球面方程，求得MT的竖直坐标；所属方程由空间中的欧式距离公式建立，方程如下：(x0-x)2+(y0-y)2+(z0-z)2=l0---(1)]]>(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2=l1---(2)]]>以建筑物一楼的地板所在平面为xoy平面建立空间直角坐标系，其中，(x0,y0,z0)为参与定位的AP0的坐标，(x1,y1,z1)为参与定位的AP1的坐标，(x,y,z)为待求MT的坐标，l0＝c×t0为AP0到MT的距离，l1＝c×t1为AP1到MT的距离，其中c为光速；公式(1)和公式(2)的求解过程如下：若公式(1)和公式(2)刻画的两球面相切，则切点的z坐标即为待求MT的竖直坐标；若公式(1)和公式(2)刻画的两球面相交，则其交线为一圆形，可分以下两种情况讨论：1)当AP0，AP1水平面坐标相同时，圆形所在平面上任意一点的z坐标处处相等，故可用该平面上任意一点的z坐标作为待求MT的竖直坐标；2)当AP0，AP1水平面坐标不同时，圆形所在平面上z坐标并不是处处相等，在两AP水平面坐标偏差ε≤0.6m的情况下用相交圆的圆心的z坐标代替待求MT的竖直坐标，其中综合1)、2)所述，待求MT的竖直坐标z⊥具体由下式确定：z⊥=(l02-l12)(z1-z0)+(z1+z0)((x1-x0)2+(y1-y0)2+(z1-z0)2)2((x1-x0)2+(y1-y0)2+(z1-z0)2)---(3)]]>步骤6：楼层判断利用已求得的MT的竖直坐标并结合步骤4中的楼层预估计，最终判断出MT的楼层位置，具体判断方法为：1)利用步骤5得到的MT的竖直坐标初步计算其所在的楼层号为FM，计算方法如下：设每层楼的高度即相邻两楼层地板间距为h，每层楼的夹层厚度即每一楼层的天花板到上一楼层的地板之间的距离为H；①令q＝[z⊥/h]，r＝z⊥-q×h，其中[ ]为取整运算符；②若r≤h-H/2，则FM＝q+1，反之，FM＝q+2；2)若FM＝F0或者FM＝F1，则FM即为MT所在的楼层号；3)若FM>F1，则将FM修正为F1，F1即为MT所在的楼层号；4)若FM<F0，则将FM修正为F0，F0即为MT所在的楼层号；至此，可获得多楼层环境中MT的楼层定位。本专利技术的有益效果是通过控制AP的发射功率，从而能够根据定位AP所在的楼层号对待求MT所在的楼层位置进行预估计，然后对特定算法求得的MT楼层位置进行修正，实现了待求MT的楼层定位，所采用的定位AP少，降低了系统负担，节约了定位的成本；定位AP的布置简单，快速；定位原理简单，且定位准确度高；不用考虑收发机增益的差异，降低了对收发机天线的物理要求；定位复杂度低，不用为待定位的多楼层建筑事先建立数据库，简化了定位的过程；可移植性高，可以和各种不同的平面定位方法相结合实现待定位目标的三维空间定位。附图说明图1是本专利技术提供的室内楼层定位方法流程图。图2是两AP水平面坐标相同时定位示意图，其中MT(x，y，z)为移动终端坐标，AP1(x1,y1,z1)为AP1的坐标，AP0(x0,y0,z0)为AP0的坐标；图3是两AP水平面坐标不同时定位示意图。图4是楼层定位过程示意图，其中，h为每层楼的高度即相邻两楼层地板间距，H为每层楼的夹层厚度即每一楼层的天花板到上一楼层的地板之间的距离。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。多楼层建筑中我们主要关心移动终端(MT，Mobile Terminal)在第几楼层，所以如何采用较少的定位AP来确定MT的竖直坐标，进而确定其所在楼层是一个非常重要的问题，本专利技术提供了一种简单易实现的基于TOA的室内楼层定位方法。步骤1：楼层定位节点(AP，Access Point)布局针对现有的传统多楼层建筑的构造情况，将楼层地板及天花板所在平面视为与水平面平行，对楼层AP的布局作如下假定：在各楼层天花板的下表面上每间隔不超过20m固定布置一个AP，每个AP的坐标信息均为已知并存储于AP中；位于相邻两楼层天花板的两个AP作为一组参与定位的AP，二者水平距离不超过0.6m，即位于不同楼层的两个AP在同一水平面上的投影点间的距离不超过0.6m；步骤2：AP功率控制由于AP发出的无线信本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于TOA的室内楼层定位方法，其特征在于包括下述步骤：步骤1：楼层定位AP布局将楼层地板及天花板所在平面视为与水平面平行，对楼层AP的布局作如下假定：在各楼层天花板的下表面上每间隔不超过20m固定布置一个AP，每个AP的坐标信息均为已知并存储于AP中；位于相邻两楼层天花板的两个AP作为一组参与定位的AP，二者水平距离不超过0.6m，即位于不同楼层的两个AP在同一水平面上的投影点间的距离不超过0.6m；步骤2：AP功率控制调节AP的发射功率，令其发出的无线信号能够覆盖AP所在楼层及其相邻的两个楼层，即保证位于任一楼层的MT它不仅能够检测到本楼层AP发出的无线信号，还能够检测到上一楼层以及下一楼层AP发出的无线信号；在满足上述条件的前提下，使得AP的发射功率尽可能小，以降低无线信号之间的相互干扰；步骤3：TOA数据收集待定位的MT接入到建筑内的无线网络后，接收来自所有AP的无线信号，选出其中信号强度最高即接受信号强度指示(RSSI，Received Signal Strength Indication)值之和最大的一组AP作为本次定位所用的AP(AP0，AP1)，并计算这组AP发出的无线信号到达MT所经历的时间(t0，t1)；步骤4：楼层预估计根据步骤3所选本次定位AP所在的楼层号对MT所在的楼层位置进行预估计，缩小MT的定位范围，具体包括以下两步：1)确定AP0、AP1所在的楼层号分别为F0、F1，设F1>F0；2)将MT所在的楼层号预估计为AP0或AP1所在的楼层号即F0或F1；步骤5：MT竖直坐标的求解根据AP0和AP1分别到MT的时间值t0和t1，建立球面方程，求得MT的竖直坐标；所属方程由空间中的欧式距离公式建立，方程如下：(x0-x)2+(y0-y)2+(z0-z)2=l0---(1)]]>(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2=l1---(2)]]>以建筑物一楼的地板所在平面为xoy平面建立空间直角坐标系，其中，(x0,y0,z0)为参与定位的AP0的坐标，(x1,y1,z1)为参与定位的AP1的坐标，(x,y,z)为待求MT的坐标，l0＝c×t0为AP0到MT的距离，l1＝c×t1为AP1到MT的距离，其中c为光速；公式(1)和公式(2)的求解过程如下：若公式(1)和公式(2)刻画的两球面相切，则切点的z坐标即为待求MT的竖直坐标；若公式(1)和公式(2)刻画的两球面相交，则其交线为一圆形，可分以下两种情况讨论：1)当AP0，AP1水平面坐标相同时，圆形所在平面上任意一点的z坐标处处相等，故可用该平面上任意一点的z坐标作为待求MT的竖直坐标；2)当AP0，AP1水平面坐标不同时，圆形所在平面上z坐标并不是处处相等，在两AP水平面坐标偏差ε≤0.6m的情况下用相交圆的圆心的z坐标代替待求MT的竖直坐标，其中综合1)、2)所述，待求MT的竖直坐标z⊥具体由下式确定：z⊥=(l02-l12)(z1-z0)+(z1+z0)((x1-x0)2+(y1-y0)2+(z1-z0)2)2((x1-x0)2+(y1-y0)2+(z1-z0)2)---(3)]]>步骤6：楼层判断利用已求得的MT的竖直坐标并结合步骤4中的楼层预估计，最终判断出MT的楼层位置，具体判断方法为：1)利用步骤5得到的MT的竖直坐标初步计算其所在的楼层号为FM，计算方法如下：设每层楼的高度即相邻两楼层地板间距为h，每层楼的夹层厚度即每一楼层的天花板到上一楼层的地板之间的距离为H；①令q＝[z⊥/h]，r＝z⊥‑q×h，其中[]为取整运算符；②若r≤h‑H/2，则FM＝q+1，反之，FM＝q+2；2)若FM＝F0或者FM＝F1，则FM即为MT所在的楼层号；3)若FM>F1，则将FM修正为F1，F1即为MT所在的楼层号；4)若FM<F0，则将FM修正为F0，F0即为MT所在的楼层号；至此，可获得多楼层环境中MT的楼层定位。...
【技术特征摘要】
1.一种基于TOA的室内楼层定位方法，其特征在于包括下述步骤：步骤1：楼层定位AP布局将楼层地板及天花板所在平面视为与水平面平行，对楼层AP的布局作如下假定：在各楼层天花板的下表面上每间隔不超过20m固定布置一个AP，每个AP的坐标信息均为已知并存储于AP中；位于相邻两楼层天花板的两个AP作为一组参与定位的AP，二者水平距离不超过0.6m，即位于不同楼层的两个AP在同一水平面上的投影点间的距离不超过0.6m；步骤2：AP功率控制调节AP的发射功率，令其发出的无线信号能够覆盖AP所在楼层及其相邻的两个楼层，即保证位于任一楼层的MT它不仅能够检测到本楼层AP发出的无线信号，还能够检测到上一楼层以及下一楼层AP发出的无线信号；在满足上述条件的前提下，使得AP的发射功率尽可能小，以降低无线信号之间的相互干扰；步骤3：TOA数据收集待定位的MT接入到建筑内的无线网络后，接收来自所有AP的无线信号，选出其中信号强度最高即接受信号强度指示(RSSI，Received Signal Strength Indication)值之和最大的一组AP作为本次定位所用的AP(AP0，AP1)，并计算这组AP发出的无线信号到达MT所经历的时间(t0，t1)；步骤4：楼层预估计根据步骤3所选本次定位AP所在的楼层号对MT所在的楼层位置进行预估计，缩小MT的定位范围，具体包括以下两步：1)确定AP0、AP1所在的楼层号分别为F0、F1，设F1>F0；2)将MT所在的楼层号预估计为AP0或AP1所在的楼层号即F0或F1；步骤5：MT竖直坐标的求解根据AP0和AP1分别到MT的时间值t0和t1，建立球面方程，求得MT的竖直坐标；所属方程由空间中的欧式距离公式建立，方程如下：(x0-x)2+(y0-y)2+(z0-z)2=l0---(1)]]>(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2=l1---(2)]]>以建筑物一楼的地板所在平面为xoy平面...
【专利技术属性】
技术研发人员：贺宏锟，王晓飞，许炎，雷阳，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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