一种基于地磁信号极值检测与特征匹配的定位方法技术

本发明专利技术提出了一种基于地磁信号极值检测与特征匹配的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：1)按一定时间周期获得待测位置的地磁信号强度。2)对地磁信号强度进行平滑滤波。3)对滤波后地磁信号强度进行极值点检测，若检测到极值点，构建待匹配地磁特征向量；否则，当前时刻不输出定位结果。4)将待匹配地磁特征向量与已建数据库中的地磁特征向量进行相似度匹配，若匹配成功，将匹配点的位置坐标输出为当前时刻的定位结果；否则，当前时刻不输出定位结果。本方法利用少量地磁极值信息，可有效避免连续定位时信号序列的比例缩放问题，具有定位精度高、鲁棒性强、计算量小等优点，既可独立使用，也可与其它方法融合，广泛应用在多种室内外场景。

A location method based on extreme value detection and feature matching of geomagnetic signal

The invention provides a location method based on the extreme value detection and feature matching of geomagnetic signals, which is characterized by the following steps: 1) the intensity of the geomagnetic signal to be measured in a certain time period is obtained. 2) smooth filtering of the intensity of geomagnetic signal. 3) to detect the intensity of the magnetic signal after filtering, if the extreme points are detected, the matching geomagnetic feature vectors are constructed; otherwise, the location results are not output at the present time. 4) the matching geomagnetic feature vector is matched with the geomagnetic feature vector in the built database. If the matching is successful, the position coordinates of the matching point are output to the location result of the current time; otherwise, the location result is not output at the present time. Using a small amount of geomagnetic extreme value information, this method can effectively avoid the scaling problem of signal sequence in continuous positioning. It has the advantages of high positioning precision, strong robustness and small computation. It can be used independently and can be integrated with other methods, and is widely used in various indoor and outdoor scenes.

【技术实现步骤摘要】
一种基于地磁信号极值检测与特征匹配的定位方法
本专利技术属于定位领域。
技术介绍
随着智慧城市概念的推广与相关技术的飞速发展，位置信息的重要性不言而喻，大大促进了定位技术的快速发展，衍生出多种基于不同信号源的定位技术。基于地磁信号的定位技术目前处于起步阶段。根据地磁场理论，地磁场是地球的基本物理场，处在地球近地空间内任意一点都具有磁场强度，且其强度和方向会随着不同的经、纬度和高度而不同。同时，根据磁场理论，磁性物质对磁场会有影响。现代的建筑大都是钢筋混凝土或钢结构，它们会在局部空间上弯曲地磁场，具有一定的独特性，并且在时间上具有较好的稳定性。此外，地磁信号采集不需要借助基础设施，能耗也相对较小。因此，利用不同空间的磁场差异性可以进行精准有效的实时定位，具有很好的应用价值和发展空间。常见的地磁定位方法大多基于匹配的方法，通过实时采样的地磁数据与数据库中已知位置的地磁特征进行匹配来获取相应的位置信息，但实际应用中还存在一些问题需要解决：(1)地磁强度不具备唯一性，存在多个物理位置对应相同的地磁信号强度，因此，基于单点匹配的方法往往需要结合其它定位方法进行定位，无法独立存在。(2)基于线匹配的连续定位方法多以最小均方误差为目标函数寻找最优解，但得到的可能并非真实轨迹，并且该类方法往往计算量较大。(3)由于待定位目标的移动速度不同，实时定位时采集的地磁信号序列和数据库中的地磁信号序列往往存在时间长度上的比例缩放问题，给基于线匹配的定位方法带来一定困难。
技术实现思路
本专利技术提出了一种基于地磁信号极值检测与特征匹配的定位方法，通过对实时采集的地磁信号进行有效的极值点检测，并构成待匹配地磁特征向量，与已建数据库中的地磁特征向量进行相似度匹配，输出匹配成功的地磁点所对应的位置坐标作为当前时刻的定位结果。本方法利用少量的地磁极值点信息，有效避免了连续定位时地磁信号序列的比例缩放问题，具有鲁棒性强、定位精度高、计算量小等优点，既可作为独立的定位方法，也可与其它定位方法进行融合，广泛应用在多种室内外场景。为了实现上述目的，本专利技术的内容主要包括：一、基于地磁信号极值检测与特征匹配的定位方法总流程步骤1：对于待定位目标，按一定时间周期T获取其所在位置的地磁信号强度。步骤2：对地磁信号强度进行平滑滤波处理，抑制信号采集过程中的噪声。平滑滤波可以包括但不限于如下方法：均值滤波、高斯滤波、中值滤波、最值滤波、或者以上其中几种的组合方式。步骤3：对地磁信号强度进行极值点检测。若未检测到极值点，当前时刻不输出地磁定位结果，并返回步骤1；若检测到极值点，则构建待匹配地磁特征向量，并执行步骤4。步骤4：将待匹配地磁特征向量与已建数据库中的地磁特征向量进行相似度匹配。若匹配失败，当前时刻不输出地磁定位结果，并返回步骤1；若匹配成功，则将对应匹配点的位置坐标作为当前时刻输出的地磁定位结果。二、地磁信号强度的极值点检测本专利技术中所述的极值点，是指某一时刻的地磁信号强度大于(或小于)其所在一段时间内的任何其它时刻的地磁信号强度，并且与其位置相邻的其它极值点的信号强度差值超过设定的阈值。极值点检测可以是地磁信号强度的极大值、极小值或二者共同。假设输出检测标识为mFlag：若mFlag＝1，表示当前时刻检测到极大值点；若mFlag＝-1，表示当前时刻检测到极小值点；若mFlag＝0，表示当前时刻未检测到极值点。本专利技术中的极值点检测方法，根据地磁信号强度在上一时刻的升降状态(上升或下降)及当前时刻与上一时刻的大小比较，确定当前时刻的升降状态，从升降状态的转移情况来判断是否出现极值点。具体包括以下4种情况：Case1：上一时刻处于上升状态，且当前时刻信号强度≥上一时刻。此时，地磁信号强度继续保持上升，当前时刻并非是极值点。Case2：上一时刻处于上升状态，且当前时刻信号强度＜上一时刻。此时，地磁信号强度停止上升且转为下降，上一时刻可能为极大值点。Case3：上一时刻处于下降状态，且当前时刻信号强度≤上一时刻。此时，地磁信号强度继续保持下降，当前时刻并非是极值点。Case4：上一时刻处于下降状态，且当前时刻地磁强度＞上一时刻。此时，地磁信号强度停止下降且转为上升，上一时刻可能为极小值点。进一步地，可对以上Case2和Case4中检测到的点进行筛选。通过计算该点与上一极值点的地磁信号强度差值，若小于设定的阈值门限ThrD，则认为是由于采样噪声导致的“伪”极值点，当前时刻并未检测到极值点。三、地磁特征向量的相似度匹配流程步骤1：根据当前检测到的极值点构建待匹配地磁特征向量。步骤2：判断待匹配地磁特征向量是否满足相似度匹配所需长度，若满足，执行步骤3；否则，当前时刻不输出地磁定位结果。步骤3：计算待匹配地磁特征向量与已建数据库中已知位置坐标的地磁特征向量的相似度。步骤4：选出相似度最大值及数据库中与相似度最大值所对应地磁点的位置坐标。步骤5：比较上述相似度最大值与设定的阈值门限ThrS的大小。若超过ThrS，则认为匹配成功，输出对应地磁点的位置坐标作为当前时刻的定位结果；否则，认为匹配失败，当前时刻不输出地磁定位结果。四、地磁特征向量的构建地磁特征向量和相似度度量的选择是本专利技术的一个关键，直接决定了定位的性能优劣。本专利技术中，待匹配和数据库中的地磁特征向量都是由N个连续的地磁极值点以及两两相邻之间的M等分位置处的地磁信号强度值所构成的(MN-M+1)维向量。特别的，当取M＝1时，特征向量只包括N个连续的地磁极值点。可选的，地磁特征向量中还可以包括这N个地磁极值点的相对距离值。五、相似度度量的选择由于发现地磁信号强度随时间会出现整体漂移，因此本专利技术中选择相关系数ρ1作为特征匹配的相似度度量。相关系数ρ1具有平移不变性，取值范围为[-1，1]，值越接近1，表示两个特征向量的相似度越大。可选的，若地磁特征向量中还包括这N个地磁极值点的相对距离值，对由这些相对距离值构成的特征向量选择采用余弦系数ρ2作为相似度度量。余弦系数ρ2具有比例缩放不变性，取值范围为[0，1]，值越接近1，表示两个特征向量的相似度越大。最终，通过ρ1和ρ2的组合形式判断是否匹配成功。附图说明图1是一种基于地磁信号极值检测与特征匹配的定位方法总流程。图2是地磁信号强度的极值点示意图。图3是地磁极值点检测的状态转移图。图4是地磁特征向量的相似度匹配流程。具体实施方式实施例1：假定待定位目标为智能手机，定位环境为室内走廊。在本实施例中，地磁采样周期T＝0.05s，地磁特征向量是由地磁信号强度的极大值和极小值共同构成的向量。相关参数的取值为：M＝1，N＝7，ThrS＝0.95，ThrD＝1实施例2：假定待定位目标为其它智能终端，定位环境为室外。在本实施例中，地磁采样周期T＝0.1s，地磁特征向量不仅包括由地磁信号强度的极大值和极小值，还通过加速度计获取两两相邻极值点之间的行走步数来代替它们的相对距离，最终的相似度度量选择ρ1和ρ2的乘积形式。相关参数的取值为：M＝2，N＝5，ThrS＝0.9，ThrD＝1。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于地磁信号极值检测与特征匹配的定位方法，其特征在于：按一定时间周期获取待定位目标所在位置的地磁信号强度；对地磁信号强度进行平滑滤波，抑制信号采集噪声；对地磁信号强度进行极值点检测，若未检测到极值点，则当前时刻不输出地磁定位结果；若检测到极值点，则构建待匹配地磁特征向量；将待匹配地磁特征向量与已建数据库中的地磁特征向量进行相似度匹配，若匹配失败，则当前时刻不输出地磁定位结果；若匹配成功，则将对应匹配点的位置坐标作为当前时刻输出的地磁定位结果。

【技术特征摘要】
1.一种基于地磁信号极值检测与特征匹配的定位方法，其特征在于：按一定时间周期获取待定位目标所在位置的地磁信号强度；对地磁信号强度进行平滑滤波，抑制信号采集噪声；对地磁信号强度进行极值点检测，若未检测到极值点，则当前时刻不输出地磁定位结果；若检测到极值点，则构建待匹配地磁特征向量；将待匹配地磁特征向量与已建数据库中的地磁特征向量进行相似度匹配，若匹配失败，则当前时刻不输出地磁定位结果；若匹配成功，则将对应匹配点的位置坐标作为当前时刻输出的地磁定位结果。2.如权利要求1所述的极值点，其特征在于：本发明中所述的极值点，可以是地磁信号强度的极大值点、极小值点或两者共同。所述的极大值点(或极小值点)是指某一时刻的地磁信号强度大于(或小于)其所在一段时间内的任何其它时刻的地磁信号强度，并且与其位置相邻的其它极小值点(或极大值点)的信号强度差值超过设定的阈值。3.如权利要求1所述的极值点检测，其特征在于：根据地磁信号强度在上一时刻的升降状态(上升状态或下降状态)，以及当前时刻的地磁信号强度与上一时刻的大小比较，确定当前时刻的升降状态，并从升降状态的转移情况来判断是否出现极值点。4.如权利要求1所述的地磁特征向量，其特征在于：待匹配和数据库中的地磁特征向量都是由若干...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢敏，李强，王培重，魏强，吴彤，肖登坤，
申请(专利权)人：北京金坤科创技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11