教學樓內人員移動定位系統方案研究*

牛磊，李靜婷

(1.河南城建學院測繪工程學院，河南平頂山467036;2.平頂山學院資源與環境科學學院，河南平頂山467036)

獲得教學樓等建筑物內的人員位置信息，能夠為多種位置相關服務提供用戶的空間坐標數據。這樣，我們就能夠實現基于位置服務的室內空間分析功能，諸如幫助學生選擇周邊空閑自習教室和規劃應急狀態下的疏散路徑。這些服務都需要獲得用戶所在具體空間位置后，才能提供所需周邊空間的動態信息。然而，獲得建筑物內的人員位置需要克服兩大技術難題(見圖1):

(1)全球定位系統(GPS)在室內信號缺失。

眾所周知，目前使用最為廣泛的GPS定位技術需要通過終端獲得相應衛星發射信號才能進行定位。非常遺憾的是GPS衛星信號在穿過建筑物樓板或者墻壁時，由于鋼筋和混凝土等建筑材料的信號屏蔽作用會受到嚴重的強度削弱。這直接導致了室內GPS系統部署的困難性。

(2)室內定位較高的精度要求。

圖1 室內定位技術難題示意圖

由于技術和成本原因導致建筑物室內空間與室外空間相比更加緊湊。這種緊湊室內空間決定了其可接受定位精度必須高于室外空間，這樣才能夠用所得坐標數據確定用戶所處具體空間范圍。舉例來說，精度低于10 m的定位技術由于連用戶所在樓層都無法確定，所以其對于室內定位來說沒有實際應用意義。

本文提出的室內人員定位方案由兩種定位技術融合而成:分別是無線信號強度地圖匹配技術和慣性導航技術。前者主要是通過在測量范圍內部署已測得精確位置和Wi-Fi信號強度的參考點，然后在實際測量過程中將實測Wi-Fi信號數值和參考點的Wi-Fi信號值進行比對，之后利用特定的距離-信號強度計算公式得出當前測量位置坐標［1-3］。慣性導航技術則是首先利用微機電傳感器偵測并記錄加速度數據和陀螺儀數據等數值，然后利用相應的算法來計算傳感器所在平臺的持續移動軌跡和姿態［4，5］。在本文方案中，無線信號強度地圖匹配技術用于確定用戶的初始位置，而慣性導航技術則用于持續更新用戶的連續移動軌跡。

2 室內定位方案工作流程

圖2 利用Wi-Fi信號強度定位流程

在本文提出的室內定位方案中，測得的Wi-Fi信號需要通過和若干已測得Wi-Fi信號強度的參考點數據進行匹配(見圖2)。其主要流程如下:

①建立無線信號基準參考點集。

為了達到室內定位目的，我們需要在若干關鍵點進行坐標測量和Wi-Fi信號采集，這些采集的信息將會被納入參考點坐標集A={P1，P2，…，Pn}和參考點Wi-Fi信號集S={{S1}t，{S2}…{Sn}}中。

②根據信號匹配程度進行模式匹配。

實時測得任意點處的Wi-Fi信號都需要和參考點的信號集進行模式匹配。在此過程中，首先根據所測得的Wi-Fi信號發射基站的服務集標識符(SSID)進行篩選，即選出與當前測量位置掃描信號列表中強度排名前三的信號對應基站SSID。然后將所選基站SSID集合與參考點信號集中的SSID進行匹配，以篩選出信號強度差異最小的參考點集合，之后將其作為三角測量備選參考點。這個過程的公式為:

式中:fm代表相應的信號匹配過程函數;A代表參考點坐標集合;S代表參考點對應的無線信號強度集;Ss代表待測位置的無線信號強度集;B={Pm1，Pm2，Pm3}代表篩選出的三角測量備選參考點集。

③利用信號強度和三角測量公式進行定位。

下面就是利用三角測量法處理信號匹配過程中所得的三個參考點的位置，以得到待測位置坐標。需要獲得至少兩個測量中間點Pg1和Pg2才能完成當前位置的測量，這兩個中間點由以下公式計算得到:

最終得到測量點坐標:

以上公式中Ss代表測量點處信號值，Sm1、Sm2和Sm3則分別代表選中的三個參考點位置的Wi-Fi信號測量值。

在利用Wi-Fi無線信號強度獲得室內移動位置的初始坐標之后，就需要使用加速傳感器數據以獲得持續運動軌跡，來達到實時更新人員坐標的目的。這種作法是基于兩個原因:首先，Wi-Fi定位精度較低，無法獨立作為待測位置坐標數據來源;其次，手機等移動設備對于Wi-Fi信號掃描有最低時間間隔，所以Wi-Fi設備不能獲得連續信號更新。因而必須引入其它技術以進行定位精度提升。

在利用加速傳感器獲得持續運動軌跡過程中，主要包括以下兩個步驟:

由于加速傳感器在移動過程中獲得的加速度信息受到隨機信號噪音影響會出現較大的抖動，所以必須對其進行濾波處理才能應用于室內定位。在本文中，我們采用高通濾波去除隨機噪聲對于測得瞬時加速度值的影響。這其中包括處理之前的原始加速度數據集合C={a1，a2…an}以及處理之后的加速度數據集合C'={a'1，a'2…a'n}。從集合C轉換到集合C'的函數是由公式5-7聯立完成:

式中:ff代表從集合C到C'的映射;as代表初始加速度值;a'F代表加速度計算中間變量;K代表高通濾波系數。

②利用加速度和時間積分得出運動軌跡。

由于加速度傳感器獲得數據均為測量時的瞬時加速度數值，那么必須將加速度在時間上積分才能得出對應運動起點坐標的相對位移。這個過程的計算公式如下:

式中:D代表移動距離;V代表速度;T代表測得加速度的時間;PI代表初始位置坐標;Ps代表最終位置坐標。在計算過程中假設初始速度V0=0，定位過程示意圖見圖3。

圖3 利用加速度和時間標簽進行慣性導航定位流程

在完成了以上兩個過程之后，就可以利用測得Wi-Fi信號強度和加速度數值計算室內人員初始位置和連續移動軌跡。

3 實驗和分析

實驗區域是河南城建學院七號教學樓C座一樓東側部分。實驗采用的設備是兩臺安卓智能手機，型號分別是聯想A60和索尼LT26i。測量使用的傳感器是手機內置的無線網卡和三軸加速傳感器。測量軟件是基于Android Development Tools平臺開發的程序，界面參見圖4。實驗場景和結果參見圖5，圖5中使用菱形圖標表示無線信號參考點，用十字圖標表示利用Wi-Fi信號測得坐標點，用矩形圖標表示加速傳感器測得連續移動軌跡中的采樣點。從圖5中可以看出，由于Wi-Fi掃描間隔較大，所以測得點位置明顯不連續，而加速傳感器所測得坐標受到隨機噪聲影響較大，隨著移動距離增加明顯偏離移動軌跡。

圖4 移動設備端界面截圖

圖5 室內定位實驗數據結果示意圖

4 總結和展望

本文提出的室內位置測量方案能夠結合無線信號強度地圖匹配技術和慣性導航技術給出用戶在室內的初始位置和移動軌跡。因而，該技術可以被廣泛應用于基于教學樓內人員位置的服務中。諸如學生上課簽到系統和教室實時使用率統計系統都可以利用該方案提供的室內位置進行深層次的空間關系分析和應用。

當然，本方案還存在一些不足，在以后的應用中需要加以改進:

1)需要考慮不同設備之間對于無線信號測量的差異性。

2)需要增加無線信號采樣點的密度以提高測量精度。

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［3］蔣華勤，李靜.基于LANDMARC的RFID室內定位算法優化［J］.科技通報，2013，29(6):206-208.

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