基于位置融合的WiFi室內定位新策略

王華強,魯晶,張海濤

(61175部隊,湖北 武漢 430000)

基于位置融合的WiFi室內定位新策略

王華強,魯晶,張海濤

(61175部隊,湖北 武漢 430000)

基于接收信號強度(RSS)的WiFi室內定位技術由于其成本低、易部署的特點成為近年來的一個研究熱點。基于RSS的WiFi室內定位由于受到室內環境復雜、動態變化性強的特性,位置估計精度和可靠度較低,因此本文提出了一種新的位置融合定位策略進一步改善基于RSS的WiFi室內定位的精度。新的位置估計策略融合三種AP選取策略的位置估計結果,試驗結果表明，新提出的位置融合定位策略能夠提高位置估計的精度,同時保證定位結果的可靠性,其整體定位性能更優。

RSS;WiFi室內定位;AP選取;融合

0 引 言

近年來,室內基于位置的服務(BS)應用不斷發展,其涉及人們的工作、學習和生活等各方面,例如員工的位置跟蹤、商場自助導購、突發情況的人員定位等[1]。目前,低成本、高精度的室內定位解決方案成為LBS應用進一步發展的關鍵因素[2]。由于全球廣泛部署的AP(Access Points)以及智能移動設備的普適普及,基于RSS的WiFi指紋定位逐步成為一個研究熱點。考慮到室內環境復雜,AP發射的信號衰落除了與距離有關外,還受到多徑效應以及非通視(LOS)的影響。RSS接收器接收到的實際信號相比于其理論值產生了嚴重畸變,因此基于RSS的WiFi室內定位精度較低,一般為3～5 m[3]。本文結合目前已有的基于RSS的WiFi室內定位中的AP選取算法[4-5],提出了一種新的位置融合定位策略,從而在提高定位精度的同時兼顧定位延時影響,進一步改善基于RSS的WiFi室內定位系統的整體性能。新的位置估計策略融合三種AP選取策略的位置估計結果,從而提高位置估計的精度。三種AP選取策略分別為:線下階段完成的基于聯合信息增益(IG) 的AP選取策略,位置估計精度較高的基于標準方差(TD)的AP選取策略,以及線上階段耗時較小的基于信號丟失率(LR)的AP選取策略。

1 不同AP選取算法原理

1.1基于JIG的AP選取策略

基于JIG最大化的AP選取依據AP對于位置區分度的貢獻大小進行最優AP的選取,它將AP的RSS觀測值看作特征,利用信息增益衡量特征為指紋點分類帶來的信息量大小,帶來的信息越多,AP越重要。本文選取JIG進行分析,從整體性考慮AP子集對于位置區分度大小,選取JIG最大的AP子集作為最優AP子集。JIG計算過程如下:

對于任意的離散隨機變量X,假定離散值的可能取值為x1,x2,…,xN,則X的信息熵H(X)計算公式為

(1)

式中:p(xi)為隨機變量X取值xi的離散概率;NX表示離散隨機變量X不同的可能取值的個數; log表示對數函數,信息熵的底數一般取值2,自然數e或者10,不同底數求取的信息熵之間可以相互轉換,這里取以10為底的對數。

基于RSS的WiFi指紋定位中N個AP構成的子集的JIG計算公式為

JIG(AP1,AP2,…,APN)=H(L)-

H(L|AP1,AP2,…,APN),

(2)

(3)

(4)

式中:p(RSSi|Lj)為校準點Lj處RSSi出現的概率。

1.2基于SLR的AP選取策略

類似于基于最大均值(MM)的AP選取策略,基于SLR的AP選取策略考慮環境動態變化引起的AP信號丟失問題。相比基于MM的AP選取策略,基于SLR的AP選取策略對線上觀測時間的要求更為“寬松”,因此其更加適用于實時定位要求較高的室內定位需求。信號丟失率的計算公式為

(5)

式中:n表示線上階段移動設備的掃描次數;nloss表示AP丟失的觀測次數。

1.3基于STD的AP選取策略

基于STD的AP選取策略認為RSS的標準差直接反映了RSS序列的抖動情況,STD越小RSS的不規則衰落效應越小,對應的AP越有利于位置估計。假定目標點觀測了N個AP的k個歷元的觀測數據,則基于均值最大的AP選取算法主要分為以下兩步:

1) 計算各個AP的k個歷元觀測數據的STD;

2) 對N個AP按照均值從大到小的順序進行降序排列,選取出均值最大的M個AP作為最有AP子集。

2 位置融合定位策略及性能評估

2.1位置融合定位策略

本文提出了一種新的位置融合定位策略。新的位置估計策略融合三種AP選取策略的位置估計結果,從而提高位置估計的精度。步驟如下:

1) 分別利用三種AP選取策略選取最優AP子集,并分別計算定位點的位置,依次記為(xJIG,yJIG)、(xSTD,ySTD)和(xSLR,ySLR);

2) 設置定位結果X軸向和Y軸向的差異閾值β=0.5 m,對三個位置結果進行融合,由于X軸向和Y軸向的融合步驟一致,因此以X坐標計算過程為例對融合算法進行說明;

3) 對三個X坐標值xJIG、xSTD和xSLR從小到大進行排序,依次記為xmin、xmedian和xmax;

5) 若差值大于軸向差異閾值β=0.5 m,計算Δx1=xmedian-xmin和Δx2=xmax-xmedian,最終的X坐標計算公式為

(6)

2.2性能評估指標

(7)

MSE的計算公式為:

(8)

式中:n表示目標點的個數。

RMS的計算公式如下:

(9)

由于不同AP選取策略會引起定位階段的位置估計延時,因此本文引入了定位延時的性能評估指標,即線上階段移動設備位置估計所消耗的時間。

3 實驗分析

為了對新的定位算法性能進行評估分析,本文在圖1所示的場景中進行數據采集。實驗中的指紋點和定位點的分布如圖1所示,表1示出了融合定位策略與融合前的位置估計結果的精度對比。

實驗場景選取某機房,實驗采用大樓內所有可觀測的AP作為信號發射源,信號的接收器采用小米手機。實驗中采樣點的高度盡量保持一致,高度方向的差異不超過0.1 m.數據采集時,手機的WiFi信號掃描間隔設置為1 s,即大約每1 s記錄一個RSS觀測值。分別在6個指紋點上和18個定位點持續觀測了3 min,每個采樣點上觀測歷元個數約為180個,相鄰兩個指紋點間的間隔為4 m,相鄰兩個定位點之間的間隔為1 m. 由于手機WiFi掃描信號存在時延,因此實際觀測樣本數略小于180. 實驗方案分布如圖1所示(圖中,‘▲’表示指紋點,‘○’表示定位點。):

圖1 AP選取實驗方案圖

表1 融合定位策略與融合前的位置估計結果的精度對比

表中,JIG、SLR和STD分別表示利用三種不同AP選取策略選取出的AP子集進行位置估計的定位結果,融合定位表示新提出的位置融合定位策略的位置估計精度。從表中可以看出,融合定位策略的平均定位誤差為1.707 6 m,明顯小于融合前的其它定位結果的MSE。同時,融合定位的定位誤差的最大值和RMS也優于其它三種定位策略。盡管融合定位的線上耗時大于其它幾種策略,綜合而言,位置融合定位策略精度明顯優于融合前的其它三種定位策略。圖2示出了融合定位策略與融合前三種定位策略的誤差累積分布圖。

圖2 融合定位策略與融合前三種定位策略的誤差累積分布

從圖中可以看出整體而言,融合定位策略和基于SLR的定位結果的可靠度要優于其它兩種定位結果。表2示出了定位誤差限差為1 m、2 m、3 m和4 m時的不同定位策略的可靠度。

表2 定位誤差限差為1 m、2 m、3 m和4 m時的不同定位策略的可靠度

從表中可以可出,誤差限差為2 m時,基于JIG的位置估計策略的定位結果的可靠度為72.22%,優于其它三種定位策略。然而誤差限差為1 m、3 m和4 m時,基于JIG的位置估計策略的定位結果的可靠度比其它三種定位策略低。此外表中融合定位策略和基于SLR的定位結果的所有可靠度一致,因此綜合定位精度的分析可以發現新提出的位置融合定位策略能夠提高位置估計的精度,同時保證定位結果的可靠性,其整體定位性能更優。

4 結束語

本文提出了一種新的位置融合定位策略。新的位置估計策略融合三種AP選取策略的位置估計結果,從而提高位置估計的精度。盡管融合定位的線上耗時略大于其它幾種策略,綜合而言,新提出的位置融合定位策略能夠提高位置估計的精度,同時保證定位結果的可靠性,其整體定位性能更優。

[1] RAPER J,GARTNER G,KARIMI H,etal.Applications of location based services;a selected review [J].Journal of location based services,2007,1(2):89-111.

[2] DENG Z,MA L,XU Y. Intelligent AP selection for indoor positioning in wireless local area network,International ICST Conference on Communications and NETWORKING in China.New York[J].IEEE Computer Society,2011:257-261.

[3] RETSCHER G,MOSER E,VREDEVELD D,etal.Performance and accuracy test of a WiFi indoor positioning system[J].Journal of Applied Geodesy Jag,2007,1(2):103-110.

[4] 程金晶,魏東巖,唐陽陽.WLAN指紋定位中AP選擇策略研究[J].計算機技術與發展,2015(3):1-5.

[5] 尹海波,衛文學.基于WiFi的室內定位中AP選擇方法研究[J].電腦知識與技術:學術交流,2016,12(21):242-244.

ANewStrategyforWiFiIndoorLocationBasedonLocationFusion

WANGHuaqiang,LUJing,ZHANGHaitao

(ThePLA61175,Wuhan430000,China)

WiFi indoor location technology based on RSS (

Signal Strength) has become a research hotspot in recent years due to its low cost and easy deployment. WiFi indoor location based on RSS due to indoor environment is complex, dynamic characteristics, position estimation accuracy and reliability is low, so this paper proposes a new fusion positioning strategy to further improve the position of the WiFi indoor positioning precision based on RSS. Three kinds of AP fusion strategy selection strategy position estimation results to estimate the new position, the test results show that the new proposed position fusion positioning strategy can improve the accuracy of position estimation, reliability and guarantee the positioning results, and the overall performance is better.

RSS; WiFi indoor location; AP selection; fusion

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.05.006

P228

A

1008-9268(2017)05-0029-04

2017-06-30

聯系人: 張海濤 E-mail:393167330@qq.com

王華強(1982-),男,山東文登人,工程師,主要從事大地測量和衛星導航定位研究。

魯晶(1982-),女,黑龍江呼蘭人,工程師,主要從事航空攝影測量研究。

張海濤(1987-),男,湖南澧縣人,助理工程師,主要從事導航時頻研究。