基于WiFi信號室內(nèi)定位技術(shù)的研究

靳 超，邱冬煒

(1. 北京建筑大學(xué)，北京 102616; 2. 北京市測繪設(shè)計研究院，北京 100038;3. 城市空間信息工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038)

基于WiFi信號室內(nèi)定位技術(shù)的研究

靳 超1,2,3，邱冬煒1

(1. 北京建筑大學(xué)，北京 102616; 2. 北京市測繪設(shè)計研究院，北京 100038;3. 城市空間信息工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038)

主要對基于WiFi信號的室內(nèi)定位技術(shù)中的三角形定位法進(jìn)行了研究。鑒于現(xiàn)有的三角形定位模型受信號強(qiáng)度和環(huán)境干擾的約束影響，定位精度不高，提出了一種結(jié)合室內(nèi)影響因素約束的權(quán)重改正定位模型，更加切合復(fù)雜的室內(nèi)定位環(huán)境。通過試驗(yàn)測試和數(shù)據(jù)分析，經(jīng)過加權(quán)去噪模型改正后的定位精度更高，適用性更廣。

室內(nèi)定位技術(shù)；WiFi定位；三角形定位法；定位精度；計算模型

室內(nèi)定位技術(shù)填補(bǔ)了GNSS技術(shù)所不能涉及的領(lǐng)域，在一些特定的場合，如大型的建筑物內(nèi)、車站、購物中心、地下停車場等室內(nèi)環(huán)境，室內(nèi)定位技術(shù)在應(yīng)用上被寄予更多的期望，它不但能進(jìn)行定位和導(dǎo)航，而且在此基礎(chǔ)上可以開發(fā)出更多的增值服務(wù)。室內(nèi)定位技術(shù)的應(yīng)用場景主要包括：

(1) 安全措施與防范。在車站和商業(yè)購物中心內(nèi)，如果發(fā)生了難以抗拒的突發(fā)事件，如火災(zāi)、地震、洪水、暴恐襲擊等，可以利用室內(nèi)定位與導(dǎo)航技術(shù)，準(zhǔn)確、快速地找到被困者并施救。

(2) 大型建構(gòu)筑物內(nèi)的定位與導(dǎo)航。當(dāng)進(jìn)入一個陌生的環(huán)境，想要找到某一個特定地點(diǎn)，如廁所、出口、地下停車場或某一個商鋪，利用室內(nèi)定位技術(shù)可以完成自身定位，并且可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航指引。

(3) 消息的推送與廣告投放。通過室內(nèi)定位技術(shù)，可以收集個人的行進(jìn)軌跡，通過其軌跡的分布和停留點(diǎn)的位置，可以精確地將個人感興趣的信息和廣告進(jìn)行推送[1]。

室內(nèi)定位技術(shù)的應(yīng)用極其廣泛，其商業(yè)價值十分可觀，因此，對于室內(nèi)定位技術(shù)的研究具有很高的價值和意義。

室內(nèi)定位技術(shù)的方法有很多種，包括無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、藍(lán)牙、紅外、RFID和行人航跡推算PDR(pedestrian dead reckoning)等[2]。不同的定位方法具有不同的定位原理，有基于傳播時間的定位法、基于電波傳播模型的定位法、位置指紋定位法等。不同的定位環(huán)境需要采用不同的定位方法?；赪iFi信號的三角形定位法定位精度高，建設(shè)費(fèi)用低，適用于人群密集的大型車站和地下停車場等環(huán)境；基于傳播時間的定位法需要很高的時間測量精度，對設(shè)備儀器的硬件條件很高，受外界的環(huán)境因素干擾較大，適合比較空曠的室內(nèi)環(huán)境下定位；基于位置指紋定位法定位精度高，適用的范圍廣，但是建設(shè)成本比較高，需要建立大量的數(shù)據(jù)庫作為定位的前提條件，花費(fèi)較大，前期投入高。

1 基于WiFi信號的三角形定位法

基于WiFi信號的三角形定位法是基于WiFi熱點(diǎn)信號強(qiáng)度來進(jìn)行定位的,相比于其他的定位方法，三角形定位法的建設(shè)成本低，運(yùn)行維護(hù)的投入小，適用的環(huán)境廣泛，計算模型比較簡單，受外界因素的干擾較小[3]。

1.1 三角形定位法的測距原理

在進(jìn)行測距階段的過程中，首先要確定至少3個WiFi熱點(diǎn)的坐標(biāo)信息，通過移動接收端接收到的信號強(qiáng)度，按照式(1)中無線電波傳輸過程中損耗模型公式計算出待定位點(diǎn)距離每一個WiFi熱點(diǎn)的距離[4]

(1)

在進(jìn)行定位的過程中，無線電波的信號會隨著定位距離的增加而減弱，根據(jù)式(1)中的等式可以看出它們之間的關(guān)系。但是，在實(shí)際定位過程中，由于定位的條件和環(huán)境都很復(fù)雜，電磁波在傳輸?shù)倪^程中出現(xiàn)損耗，也可能出現(xiàn)電磁波信號的衰落，由于受到種種因素的影響。在一般的環(huán)境下，通常采用式(2)的定位模型來代替式(1)的電磁波傳輸損耗模型

Pr(d)=k-10εlgd

(2)

式中，ε表示非自由空間的消耗系數(shù)；d代表信號接收端與發(fā)射端的距離；k可以用式(3)的常數(shù)表示

(3)

1.2 三角形定位法的定位原理

圖1中，A、B、C3個點(diǎn)為已知坐標(biāo)的WiFi熱點(diǎn)，AD、CD、BD3條邊分別是定位待定點(diǎn)到3個WiFi信號發(fā)射端的距離。分別以3個WiFi信號發(fā)射端作為圓心,AD、BD、CD3條邊為半徑作圓，使得這3個圓相交于一點(diǎn)，該點(diǎn)D的坐標(biāo)即為所需要的待定點(diǎn)位坐標(biāo)[6]。

將待定點(diǎn)位D的坐標(biāo)設(shè)為(x,y)，A、B、C3個已知WiFi熱點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)，通過式(1)計算出3個已知WiFi熱點(diǎn)到待定點(diǎn)D的距離分別為d1、d2、d3，通過以下方程組來確定D的位置(x,y)

圖1 定位示意圖

(4)

(5)

(6)

通過求解線性方程式(7)，得出目標(biāo)點(diǎn)位D的位置

(7)

在理想的條件下，根據(jù)以上的方程組來確定D的位置(x,y)。但是在現(xiàn)實(shí)的定位過程中，會受到外界環(huán)境因素的干擾和影響，在計算待定點(diǎn)位D到3個已知WiFi熱點(diǎn)的距離過程中，有可能出現(xiàn)3個圓不相交于一點(diǎn)的情況，那么在利用方程組求解的過程中就會出現(xiàn)無解的狀態(tài)。圖2和圖3是兩個典型的無解狀態(tài)[7]。

圖2 方程組無解情況1

圖3 方程組無解情況2

(8)

根據(jù)以上公式可以看出，在室內(nèi)定位過程中，對定位精度影響較大的是電波在空氣中的傳播模型及3個WiFi熱點(diǎn)的坐標(biāo)位置。當(dāng)在不同的環(huán)境下進(jìn)行定位時，影響因素各不相同，因此要想達(dá)到更精準(zhǔn)的定位精度，需要建立一個更加準(zhǔn)確和周全的算法模型,將環(huán)境影響因素和WiFi熱點(diǎn)坐標(biāo)信息進(jìn)行加權(quán)去噪處理，稱之為加權(quán)去噪模型。

2 加權(quán)去噪模型

2.1 三角形定位法的影響因素

在進(jìn)行室內(nèi)定位的過程中，由于受外界條件的影響和各種因素的干擾，定位的精度會隨之產(chǎn)生不同的變化，主要的影響因素如下[9]：

(1) 不同的障礙物對WiFi信號強(qiáng)度的影響。在WiFi信號的傳播過程中，會隨著距離的增加而減弱，遇到不同的障礙物會對信號的強(qiáng)度產(chǎn)生很大的影響，包括墻壁、家具、裝飾材料等。這些物體可能對信號產(chǎn)生反射或吸收，如果將這些影響因素代入公式計算，就會對定位精度產(chǎn)生很大影響。將障礙物對信號的影響改正稱為α。

(2) WiFi信號傳播的多路徑效應(yīng)。在WiFi信號傳播過程中，由于熱點(diǎn)發(fā)射器發(fā)出的信號是發(fā)散的，從信號發(fā)射到接收的過程中，遇到不同的障礙物，所產(chǎn)生的反射和散射影響就會不同，會造成信號在傳播過程中產(chǎn)生多個路徑，在不同的傳播路徑中， 到達(dá)的時間或相位就會不同，降低定位精度[10]。將多路徑對信號的影響改正稱為β，如圖4所示。

(3) 定位區(qū)域的大小對信號的影響。由于傳播信號在傳播過程中強(qiáng)度不斷遞減，如果定位的區(qū)域過大，在信號到達(dá)接收端時可能就會出現(xiàn)信號很弱甚至沒有的情況[11]。將信號遞減的影響改正稱為δ。

圖4 傳播示意圖

(4) 其他信號的干擾。在復(fù)雜的環(huán)境中，可能還伴隨著不同的信號在空氣中傳播，如手機(jī)、電視、電磁爐或微波爐的使用，這些信號都會對WiFi信號強(qiáng)度產(chǎn)生影響[12]。將其他因素的影響改正稱為γ。

如何消除或減弱這些噪音對信號的影響，以便達(dá)到精度最高的定位精度，是需要解決的問題。

2.2 加權(quán)去噪模型的建立

由于在室內(nèi)WiFi信號的傳播受到多種因素的干擾，信號強(qiáng)度的波動很大，需要將接收到的帶有噪聲的信號進(jìn)行消除[13]。筆者采用加權(quán)的方法對WiFi信號進(jìn)行去噪處理。

首先，要收集接收端的信號強(qiáng)度并與數(shù)據(jù)庫的信號進(jìn)行特征對比，選取距離熱點(diǎn)比較近的接收端坐標(biāo)為目標(biāo)位置[14]。由于WiFi信號在傳播的過程中有較大的波動，不會平穩(wěn)地傳輸?shù)礁鱾€收集端，因此在選取WiFi信號強(qiáng)度的過程中，不能將接收到的信號一一記錄，需要進(jìn)行試驗(yàn)，并且推算出每個信號接收端在接收過程中的變化區(qū)間，只有符合該區(qū)間內(nèi)的信號強(qiáng)度，才能進(jìn)行收集[15]。

在對收集信號進(jìn)行特征匹配前，首先必須建立一個特征數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容包括位置代碼、點(diǎn)位距離熱點(diǎn)的距離、WiFi信號強(qiáng)度和WiFi信號強(qiáng)度變化區(qū)間。位置代碼是每一個信號接收端的唯一代碼，利用這個代碼區(qū)分每一個接收點(diǎn)；點(diǎn)位距離熱點(diǎn)的距離是記錄每一個接收點(diǎn)的位置距離WiFi信號熱點(diǎn)的距離；WiFi信號強(qiáng)度指的是在該接收點(diǎn)上收集到的有意義的信號強(qiáng)度的平均數(shù)；WiFi信號強(qiáng)度變化區(qū)間指的是WiFi信號強(qiáng)度波動的半徑，WiFi信號強(qiáng)度加上或減去這個值，就可以得出此處信號強(qiáng)度的波峰、波谷值及變化區(qū)間。

根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的WiFi信號強(qiáng)度和WiFi信號強(qiáng)度變化區(qū)間，利用這兩個特征值對接收的位置進(jìn)行判斷。通過即時接收的信號與數(shù)據(jù)庫中的特征值進(jìn)行匹配，完成定位。筆者將收集到的信號來源和強(qiáng)度進(jìn)行記錄(AP1，STRONG1)、(AP2，STRONG2)、…、(APn，STRONGn)，將記錄的信息與數(shù)據(jù)庫中的信息進(jìn)行對比，采納符合變化區(qū)間內(nèi)的數(shù)值，并將該點(diǎn)位的權(quán)值加1。選取權(quán)值最大值Qmax的點(diǎn)位作為參考，將各個點(diǎn)的權(quán)值與權(quán)值最大值Qmax的差值在Δ以內(nèi)的點(diǎn)位作為預(yù)設(shè)點(diǎn)位。Δ的值會隨著不同的區(qū)域和位置而發(fā)生變化，在人流比較多的車站和商場，Δ的值就會比較大，Qmax-QP<Δ，Qp為第n個權(quán)值。

如果只得到一個預(yù)設(shè)點(diǎn)位，那么就可以認(rèn)為該點(diǎn)位與數(shù)據(jù)庫中的點(diǎn)位重合，數(shù)據(jù)庫中的點(diǎn)位即為該點(diǎn)位。

如果得到的預(yù)設(shè)點(diǎn)位不止一個，那么先按照權(quán)值進(jìn)行排列P1(Q1，D1),P2(Q2，D2),…，Pn(Qn，Dn),D為該點(diǎn)到WiFi信號熱點(diǎn)的距離，Q為該點(diǎn)的權(quán)值。然后可以利用式(9)計算得到WiFi信號熱點(diǎn)的距離

(9)

當(dāng)預(yù)設(shè)點(diǎn)為兩個時，套用式(9)

當(dāng)預(yù)設(shè)點(diǎn)為3個時，套用式(9)

式中，α為障礙物對信號的影響改正；β為多路徑效應(yīng)對信號的影響改正；δ為信號遞減的影響改正稱；γ為其他因素的影響改正稱。

利用以上模型可以得出該預(yù)設(shè)點(diǎn)位距離某一個熱點(diǎn)信號的距離，通過加權(quán)配賦之后的距離值，會大大削弱噪聲的影響，再利用三角形定位法計算該點(diǎn)坐標(biāo)，可大大提高該點(diǎn)的定位精度。

3 試驗(yàn)測試與分析

3.1 試驗(yàn)測試

為了驗(yàn)證加權(quán)去噪模型的定位精度，開展定量試驗(yàn)測試。試驗(yàn)地點(diǎn)選定為某單位的室內(nèi)定位檢測場，測試環(huán)境為一個20 m×15 m室內(nèi)場所，WiFi信號熱點(diǎn)為4個，將AP1作為原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系。在本次試驗(yàn)中選擇定位次數(shù)為15次，每一次定位都記錄下實(shí)際的坐標(biāo)，并且記錄下每一次的定位結(jié)果。在試驗(yàn)前期，通過多次測試，收集了在試驗(yàn)過程中所需要的數(shù)據(jù)庫，并且通過多次試驗(yàn)，得出了在試驗(yàn)過程中所需要的改正數(shù)α、β、δ、γ的數(shù)值。如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)示意圖

為了保障試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)平均選取了15個試驗(yàn)點(diǎn)，點(diǎn)位覆蓋了整個試驗(yàn)區(qū)，為試驗(yàn)的準(zhǔn)確性提供保障。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 結(jié)果對比

從結(jié)果對比圖上可以看出，在相對空曠的室內(nèi)檢測場，經(jīng)過加權(quán)減噪模型計算后的定位精度明顯好于未經(jīng)過改正的定位結(jié)果。在15個試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，改正后的平均點(diǎn)位誤差為0.80 m，超過1 m的點(diǎn)位誤差共有4個，定位精度在1 m以下的有11個，占總比例的73.33%，最大的點(diǎn)位誤差為1.35 m，最小的點(diǎn)位誤差為0.46 m。沒有經(jīng)過加權(quán)減噪模型計算的點(diǎn)位的平均點(diǎn)位誤差為1.22 m，超過1 m的點(diǎn)位誤差共有10個，定位精度在1 m及以下的有5個，占總比例的33.33%，最大的點(diǎn)位誤差為1.77 m，最小的點(diǎn)位誤差為0.79 m。

為了更好地檢定加權(quán)減噪模型的穩(wěn)定性，在相同的地點(diǎn)，增加定位區(qū)域內(nèi)的環(huán)境因素，即在定位區(qū)域內(nèi)，增加了攜帶手機(jī)的密集人員的流動，以及電腦、鐵皮柜、電子設(shè)備等干擾因素，在其他條件不變的情況下進(jìn)行試驗(yàn)，定位數(shù)據(jù)結(jié)果如圖7所示。

圖7 結(jié)果對比

從圖6、圖7可以看出，在這15個試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，改正后的平均點(diǎn)位誤差為1.08 m，沒有經(jīng)過加權(quán)減噪模型計算的點(diǎn)位的平均點(diǎn)位誤差為1.66 m。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

從上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，加權(quán)減噪模型在定位過程中提高了定位精度，不論是在空曠的條件下，還是在受到人員和電子設(shè)備干擾的情況下，加權(quán)減噪模型都起到了一定的作用，大大提升了定位的精度。除此之外，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)還可以看出，在復(fù)雜的條件下，加權(quán)減噪模型計算后的平均點(diǎn)位誤差，比在空曠條件下的平均點(diǎn)位誤差只增加了0.28 m，而沒有經(jīng)過加權(quán)減噪模型計算的那一組數(shù)據(jù)則增加了0.44 m。因此，加權(quán)減噪模型在抗干擾效果上穩(wěn)定性更高。

4 結(jié) 語

加權(quán)去噪模型通過加權(quán)剔除了噪點(diǎn)，提升了定位的精度。無論是普通環(huán)境，還是在復(fù)雜的條件下，加權(quán)去噪模型的穩(wěn)定性都得到了驗(yàn)證。隨著社會的發(fā)展，室內(nèi)定位的需求也會隨之增加，定位的精度也會越來越高，應(yīng)用的范圍將會越來越廣闊。

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Research on Indoor Localization Technology Based on WiFi Signal

JIN Chao1,2,3，QIU Dongwei1

(1. Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 102616, China; 2. Beijing Institute of Survey and Mapping,Beijing 100038, China; 3. Beijing Key Laboratory of Urban Spatial Information Engineering, Beijing 100038, China)

In this paper, we mainly study the triangle positioning method based on WiFi signal indoor positioning technology, in view of the existing model by triangle positioning signal strength and environmental interference, the positioning accuracy is not high, this paper proposes a weight correction model, which is based on the constraints of indoor influence factors. Through the experimental test and data analysis, the accuracy of the corrected model is higher and the applicability is wider.

indoor localization technology；WiFi positioning；triangle positioning；positioning accuracy；computational model

靳超,邱冬煒.基于WiFi信號室內(nèi)定位技術(shù)的研究[J].測繪通報，2017(5)：21-25.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0146.

2016-09-21；

2017-01-08

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目(2015-K8-050)

靳 超(1988—)，男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)楣こ虦y量。E-mail：891884943@qq.com

P208

A

0494-0911(2017)05-0021-05