基于FM与DTMB信号的室内位置指纹定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于调频信号(FM)和地面数字电视广播信号(DTMB)的室内位置指纹定位方法。包括步骤：依据室内环境选取采样点，并选取FM与DTMB信号的不同频率作为参考频率，记录各个采样点参考频率上信号的强度信息，构建接收信号强度指示(RSSI)指纹数据库；获取待定位点FM与DTMB信号的RSSI指纹信息，根据联合定位算法，匹配最佳位置信息。本发明专利技术使用信号强度稳定的FM和DTMB信号作为定位信号，覆盖范围广，维护成本低；本发明专利技术采用不同频率作为参考，克服了人员及物体的运动对定位精度的影响，提高系统的抗干扰性；本发明专利技术提出的联合定位算法，增加定位信息的多样性，有效抵消部分误差，实现室内高精度定位。

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.

【技术实现步骤摘要】
基于FM与DTMB信号的室内位置指纹定位方法
本专利技术涉及一种基于FM与DTMB信号的利用位置指纹来确定室内环境空间位置的高精度定位方法。
技术介绍
目前，随着无线通信技术的快速发展和智能移动终端的普及，基于位置的服务(LBS)也在不断发展。室外情况下，卫星定位系统(GNSS)以其高精度(一般的典型误差不超过10m)，低成本等优势成为了主流的定位技术。而室内定位方面，由于建筑物遮挡，多径干扰，GNSS信号强度低等原因，基于到达时间或到达角度的卫星定位技术在室内定位中会产生很大的多径误差。室内环境下，空间中每个点都有一个唯一的信号强度与之对应。基于接受信号强度(RSSI)的位置指纹定位技术利用室内环境对信号衰落的特异性，通过将实测信号强度与数据库中的先验信号强度比较可以实现室内的精确定位。综合考虑信号覆盖的区域和部署成本等因素，Wi-Fi信号成为了位置指纹定位技术的首选信号。但研究中发现Wi-Fi信号在定位实践中也存在着很大不足。首先，单个Wi-Fi信号源的覆盖范围有限，而位置指纹定位技术需要一定数量的信号源(不少于三个)才能保证定位精度，这大大增加了设备部署的成本。其次，Wi-Fi信号的频率在2.4GHz左右，恰好与水的共振频率重合，而人体成分的70％是水，这使得接收到的Wi-Fi信号强度很容易受到人员走动，甚至天气的影响，进而干扰定位结果。所以目前国外很多研究者尝试使用调频广播(FM)代替Wi-Fi作为定位信号。FM信号强度稳定，覆盖范围非常广，其所在的频率范围也不易受到干扰，是一种非常理想的定位信号。国外相关研究人员已经可以单独使用FM信号达到与使用Wi-Fi信号相同量级(＜10m)的定位精度。目前，国内利用FM信号定位的研究少见报道，这主要是受到国内外不同的国情影响。国外同一区域内可接受的FM信号源个数多，分布广，这有助于提高FM室内定位的精度。而我国FM广播则统一由指定的发射站发射，同一区域内可接收的FM信号均为同一信号发射塔所发，使得在我国利用FM信号进行室内定位的精度较低。针对Wi-Fi室内定位的不足和我国在FM信号发射方面的国情，本专利技术提出同时使用数字电视地面广播(DTMB)信号与FM信号组成新的联合定位系统，提升室内定位的精度。DTMB信号由电视信号发射塔发出，其频率比FM信号高很多，以天津地区为例，DTMB信号的两个频段的中心频率为660MHz和740MHz，波长在0.41m到0.45m之间。这一波长的电磁波信号在建筑物转角处都会发生折射。所以当定位目标转过转角时，DTMB信号的传播长度会发生非常明显的变化，此时信号的RSS值也会发生较大变化，有利于对目标进行定位。考虑到建筑物内的复杂情况，引入DTMB信号会在很大程度上提高FM信号定位的精度。
技术实现思路
鉴于上述各种方法的缺陷，本专利技术提出一种基于FM与DTMB信号的室内位置指纹定位方法，克服了传统上利用Wi-Fi信号进行定位的局限性与不稳定性，解决了以FM信号作为单个定位信号的精度偏低的问题，实现室内高精度定位。实现本专利技术的技术方案如下：该方法通过接收FM与DTMB信号不同频率的强度信息，确定室内环境待定位点的空间位置，具体步骤为：(1)根据室内环境选取采样点，并选取FM与DTMB信号的不同频率作为参考频率；(2)利用天线在各采样点接收FM与DTMB信号，记录参考频率上信号的强度信息，构建FM与DTMB信号的RSSI指纹数据库；(3)利用天线在待定位点接收FM与DTMB信号，记录参考频率上信号的强度信息，得到待定位点FM与DTMB信号的RSSI指纹信息；(4)通过联合定位算法，将待定位点FM与DTMB信号的RSSI指纹信息与RSSI指纹数据库进行匹配，得到定位结果。进一步地，本专利技术所述的FM信号统一由指定的发射站发射，同一区域内可接收的FM信号均来自同一信号发射塔，且FM信号频率范围从87.5MHz到108MHz。进一步地，本专利技术所述的步骤(1)中的FM与DTMB信号不同频率是依据信道环境来进行选取的。FM和DTMB信号都包含多个频率，并不是每个频率上的信号强度都适用于特定信道环境的定位，并且若将所有频率的强度信息都放入RSSI指纹数据库，则会加大计算量，也会影响后期对指纹信息的匹配，降低系统的效率。所以本专利技术依据不同波长的信号对障碍物的穿透损耗与绕射损耗的不同，将FM与DTMB信号的各个频率值换算为波长，换算公式为：λ＝c/f，其中c为光速，其值为299792458m/s。选取波长大于障碍物最大尺寸的信号和波长小于障碍物最小尺寸的信号进行最优组合。进一步地，本专利技术所述FM与DTMB信号不同频率的强度信息表示为一向量，在区域内选取N个采样点，每个点上测量接收到的P个参考频率的信号强度，则第r个采样点的信号强度表示为：其中为第i个频率进行Q次测量后的平均值，即进一步地，本专利技术所述步骤(4)中的联合定位算法，结合了确定性信息与概率性信息这两种相互独立的信息。由近邻参考点，得到定位结果的确定性信息；由信号强度的概率分布，得到定位结果的概率性信息。将两种信息赋予不同权重值，得到最终定位结果。具体的公式为：loc＝ω1loc1+ω2loc2其中，loc1是定位结果的确定性信息，loc2是定位结果的概率性信息，ω1和ω2分别是两种信息的权值。进一步地，本专利技术所述的确定性信息是利用真实的测量值与位置的先验测量强度进行比较而得到的，其具体实现方式是：评估待定位点到所有采样点的欧氏距离，选择最近的K个距离，这K个距离所对应的点为近邻参考点。同时，考虑到这K个距离与实时测量的信号强度的差别大小，将K个近邻参考点赋予不同的权重值。进一步地，本专利技术所述的概率性信息是基于概率模型来估测的，其具体实现方式是：在测量采样点FM与DTMB信号强度时，多次测量该点的信号强度并对该点的信号强度分布进行估计；在定位时，将待定位点的位置作为一个独立的随机变量，通过分析测量信号强度出现的概率，来估计出测定强度出现概率最大的位置作为定位结果。根据贝叶斯公式，当测量信号强度为rss时，定位位置在LOCr的概率P(LOCr|rss)为：其中，P(rss)是测量值为rss的概率，P(LOCr)为待定位点出现在LOC的概率，P(rss|LOCr)为LOCr点出现rss强度的概率。利用高斯分布来拟合各采样点信号强度的分布：其中Q为实际测量的样本数，RSSrq服从N(rssr，σ)的正态分布。本专利技术提出的室内定位方法与已有的技术相比，有以下优点：(1)本专利技术所采用的定位信号FM与DTMB信号，覆盖范围广，信号强度稳定，频率范围不易受干扰，相比于Wi-Fi信号，本专利技术的方法定位稳定性更强，维护成本更低；相比于单独使用FM信号，本专利技术的方法定位精度更高。(2)在构建FM与DTMB信号的RSSI指纹数据库时，通过对信号不同频率的选择，在简化系统工作量的同时，克服人员及物体的运动对系统定位精度的影响，提高定位方法的抗干扰性能。(3)本专利技术将确定性信息与概率性信息相结合，两种信息机理不同，两者的误差也相互独立，联合利用这两种信息可以有效增加定位信息的多样性，有效抵消部分误差，提高定位方法的稳定性。(4)本专利技术所采用的方法适用于任何可同时接收到FM与DTMB信号的环境，克服了现有方法仅局本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于FM与DTMB信号的室内位置指纹定位方法，其特征在于，通过接收FM与DTMB信号不同频率的强度信息，确定室内环境待定位点的空间位置，包括以下步骤：1)根据室内环境选取采样点，并选取FM与DTMB信号的不同频率作为参考频率；2)利用天线在各采样点接收FM与DTMB信号，记录参考频率上信号的强度信息，构建FM与DTMB信号的RSSI指纹数据库；3)利用天线在待定位点接收FM与DTMB信号，记录参考频率上信号的强度信息，得到待定位点FM与DTMB信号的RSSI指纹信息；4)通过联合定位算法，将待定位点FM与DTMB信号的RSSI指纹信息与指纹数据库进行匹配，得到定位结果。

【技术特征摘要】
1.一种基于FM与DTMB信号的室内位置指纹定位方法，其特征在于，通过接收FM与DTMB信号不同频率的强度信息，确定室内环境待定位点的空间位置，包括以下步骤：1)根据室内环境选取采样点，并选取FM与DTMB信号的不同频率作为参考频率；2)利用天线在各采样点接收FM与DTMB信号，记录参考频率上信号的强度信息，构建FM与DTMB信号的RSSI指纹数据库；3)利用天线在待定位点接收FM与DTMB信号，记录参考频率上信号的强度信息，得到待定位点FM与DTMB信号的RSSI指纹信息；4)通过联合定位算法，将待定位点FM与DTMB信号的RSSI指纹信息与指纹数据库进行匹配，得到定位结果。2.如权利要求1所述的基于FM与DTMB信号的室内位置指纹定位方法，其特征在于，所述的FM信号统一由指定的发射站发射，同一区域内可接收的FM信号均来自同一信号发射塔。3.如权利要求1所述的基于FM与DT...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵迎新，吴虹，王琦琦，马肖旭，杨梦焕，穆巍炜，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：天津,12