WiFi與GPS組合的定位算法

山東華宇工學(xué)院 孫德剛

本文針對(duì)無(wú)縫定位方案與切換策略的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行大體分析，將基于WiFi網(wǎng)與GPS的組合定位方案連同WiFi定位、GPS定位兩種單獨(dú)定位方案進(jìn)行定位成功概率與定位精度誤差的比較，試驗(yàn)結(jié)果表明組合定位方案的定位成功概率高達(dá)96%以上，且定位精度誤差控制在1m以內(nèi)，可有效提高定位精度。

無(wú)縫定位適用于不同場(chǎng)景、滿足定位精度與可用性需求，但在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上仍受單一技術(shù)條件、信號(hào)覆蓋范圍有限、無(wú)線電波傳輸受限的局限。考慮到現(xiàn)有GPS技術(shù)仍受區(qū)域空間范圍、WiFi信號(hào)強(qiáng)度、有無(wú)遮擋物的影響，本文擬提出一種WiFi與GPS組合定位策略，致力于滿足無(wú)縫定位需求、提升定位服務(wù)質(zhì)量。

1 無(wú)縫定位方案設(shè)計(jì)

1.1 方案描述

現(xiàn)階段技術(shù)革新使得大眾對(duì)于位置信息服務(wù)質(zhì)量提出更高要求，為保證向用戶提供連續(xù)性、高精度定位服務(wù)，需確保面向不同類型的場(chǎng)景進(jìn)行無(wú)縫定位方案的設(shè)計(jì)。為最大限度擴(kuò)大定位環(huán)境的覆蓋范圍，本文擬設(shè)計(jì)以下四類定位場(chǎng)景：其一是定位環(huán)境中有WiFi信號(hào)、無(wú)GPS信號(hào)，在此環(huán)境中利用WiFi網(wǎng)單獨(dú)定位，基于最小二乘法進(jìn)行算法設(shè)計(jì)；其二是定位環(huán)境中無(wú)WiFi信號(hào)、GPS衛(wèi)星數(shù)目超過(guò)4個(gè)，在此環(huán)境中選用GPS單獨(dú)定位，基于最小二乘法或卡爾曼濾波法進(jìn)行算法設(shè)計(jì)；其三是定位環(huán)境中有WiFi信號(hào)、GPS衛(wèi)星數(shù)目小于4個(gè)，在此環(huán)境下利用WiFi網(wǎng)與GPS組合定位，采用卡爾曼濾波算法進(jìn)行位置計(jì)算；其四是定位環(huán)境中有WiFi信號(hào)、GPS衛(wèi)星數(shù)目超過(guò)4個(gè)，在此環(huán)境下采用WiFi網(wǎng)輔助GPS定位方案，選用聯(lián)邦卡爾曼濾波法進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，方案整體系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 WiFi與GPS組合無(wú)縫定位系統(tǒng)架構(gòu)圖

在無(wú)縫定位方案設(shè)計(jì)上，基于RSSI進(jìn)行WiFi網(wǎng)的定位處理，結(jié)合GPS衛(wèi)星數(shù)目進(jìn)行分情況討論：當(dāng)GPS衛(wèi)星數(shù)目＜4個(gè)時(shí)，選用WiFi網(wǎng)和GPS組合定位方案，利用移動(dòng)信號(hào)接收裝置分別接收GPS衛(wèi)星信號(hào)與WiFi網(wǎng)的RSSI數(shù)值，并將信號(hào)接收強(qiáng)度數(shù)值轉(zhuǎn)化為偽距，將兩偽距值聯(lián)立建立方程組，再基于卡爾曼濾波進(jìn)行算法分析；當(dāng)GPS衛(wèi)星數(shù)目＞4個(gè)、精度因子符合定位要求時(shí)，選用WiFi網(wǎng)輔助GPS定位方案，基于聯(lián)邦卡爾曼濾波算法求解出組合定位系統(tǒng)及其子系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)的最優(yōu)估計(jì)值，并完成估計(jì)值的分配與估算結(jié)果的校正，滿足適用性要求。

1.2 定位切換策略

考慮到在衛(wèi)星運(yùn)行、用戶位置移動(dòng)等情況下將使GPS衛(wèi)星數(shù)目和WiFi網(wǎng)的AP點(diǎn)發(fā)生改變，涉及到定位模式的切換問(wèn)題，因此需完成定位算法切換策略的編制。首先根據(jù)衛(wèi)星數(shù)目與GDOP數(shù)值進(jìn)行定位模式的選擇，當(dāng)衛(wèi)星數(shù)目為0時(shí)，選用WiFi網(wǎng)定位方案；當(dāng)衛(wèi)星數(shù)目＜4時(shí)，選用WiFi網(wǎng)+GPS組合定位方案；當(dāng)衛(wèi)星數(shù)目＞4時(shí)，既可沿用組合定位方案，也可使用GPS單獨(dú)定位。其次在使用WiFi單獨(dú)定位方案時(shí)，應(yīng)綜合考量所處定位環(huán)境、AP點(diǎn)數(shù)目等影響因素，當(dāng)定位環(huán)境位于室內(nèi)時(shí)，僅需接收到3個(gè)AP點(diǎn)、獲取其RSSI數(shù)值即可完成位置解算；當(dāng)定位環(huán)境位于室外時(shí)，則需接收到6個(gè)RSSI數(shù)值方可完成三維位置的解算。最后在GDOP值的判定上，當(dāng)GDOP值符合定位精度要求時(shí)，可采用WiFi網(wǎng)輔助GPS定位方案；當(dāng)GDOP值與定位精度要求不符時(shí)，則采用組合定位方案。

2 基于無(wú)縫定位需求的WiFi網(wǎng)與GPS組合定位算法分析與應(yīng)用

2.1 無(wú)縫定位流程設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)方案是否滿足無(wú)縫定位需求，擬針對(duì)基于WiFi網(wǎng)與GPS的組合定位系統(tǒng)開展定位試驗(yàn)。在無(wú)縫定位流程設(shè)計(jì)上，首先由移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)出定位請(qǐng)求，系統(tǒng)根據(jù)接收到的WiFi網(wǎng)的2.4GHz無(wú)線信號(hào)和GPS的L1信號(hào)進(jìn)行定位環(huán)境的判斷，結(jié)合定位條件從四種定位方案中選擇定位方法，并運(yùn)用相應(yīng)算法計(jì)算出最優(yōu)位置估計(jì)值，將定位結(jié)果輸出。在試驗(yàn)過(guò)程中，主要需運(yùn)用到WiFi接收裝置、GPS接收裝置與WiFi網(wǎng)AP點(diǎn)，通過(guò)利用系統(tǒng)完成位置坐標(biāo)的測(cè)算后，將生成的定位結(jié)果存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。在采用WiFi網(wǎng)輔助GPS定位方案時(shí)，需結(jié)合GPS衛(wèi)星所處位置進(jìn)行AP點(diǎn)的精確布置，保證AP點(diǎn)位于不同緯度，避免GDOP值過(guò)大影響到系統(tǒng)的幾何分布狀態(tài)，并且確保用戶的緯度坐標(biāo)位于兩相鄰的AP點(diǎn)之間，防止在相同視線方向上增大幾何精度的衰減因子。通過(guò)在衛(wèi)星星座系統(tǒng)的低高度角區(qū)域增設(shè)偽衛(wèi)星，能夠有效改良GDOP數(shù)值、減少垂直精度損失，優(yōu)化導(dǎo)航性能。

2.2 組合定位系統(tǒng)可用性比較

以組合定位系統(tǒng)定位成功的概率作為衡量指標(biāo)，將采用WiFi定位、GPS定位、WiFi網(wǎng)與GPS組合定位三種方案分別設(shè)為方案A、B、C，針對(duì)三種方案的實(shí)際定位結(jié)果進(jìn)行比較分析。在WiFi環(huán)境已知的室外試驗(yàn)環(huán)境下，A方案定位成功的概率為85%、B方案為76%、C方案為100%。在室內(nèi)外交叉地帶、室外環(huán)境中存在遮擋物的試驗(yàn)環(huán)境下，A方案定位成功的概率增至94%、B方案定位成功的概率降至47%、C方案定位成功的概率為96%；在同等條件的室內(nèi)試驗(yàn)環(huán)境下，A、B、C三種方案定位成功的概率分別為97%、16%和97.5%。在接收衛(wèi)星數(shù)目＜4的室內(nèi)試驗(yàn)環(huán)境下，A、C方案定位成功的概率均達(dá)到99%，B方案因無(wú)法接收到衛(wèi)星信號(hào)而定位失敗。通過(guò)觀察上述三種方案的試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，C方案在三種場(chǎng)景下的可用性明顯優(yōu)于其余兩種方案，因此可確定WiFi網(wǎng)與GPS組合定位方案具備較好的可用性，但在實(shí)際定位環(huán)境中AP點(diǎn)、WiFi接收裝置及其天線陣列存在的差異均會(huì)影響到定位成功概率，因此還需結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行具體分析測(cè)算。

2.3 定位算法精度分析

針對(duì)不同定位方案的定位精度進(jìn)行比較分析，將可用衛(wèi)星數(shù)目和可用AP節(jié)點(diǎn)數(shù)目均設(shè)為0-12個(gè)。通過(guò)觀察B、C方案可用衛(wèi)星數(shù)目與垂向定位誤差的變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，伴隨可用衛(wèi)星數(shù)目的增加，定位誤差呈持續(xù)減小趨勢(shì)，直至回歸到GPS系統(tǒng)自身定位誤差；在WiFi網(wǎng)AP點(diǎn)數(shù)目恒定的條件下，當(dāng)可用衛(wèi)星數(shù)目增加時(shí)，C方案的垂向誤差呈增大趨勢(shì)，但誤差數(shù)值整體小于B方案，造成該現(xiàn)象的原因?yàn)镚PS在精密測(cè)量時(shí)將高度角＜15°的導(dǎo)航衛(wèi)星濾除，造成垂直精度損失，由此說(shuō)明GPS定位精度小于WiFi網(wǎng)定位精度。通過(guò)觀察A方案與C方案可用AP節(jié)點(diǎn)數(shù)目與垂向定位誤差的變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，伴隨AP點(diǎn)數(shù)目的增加，垂向定位誤差呈整體下降趨勢(shì)，且C方案的垂向精度更高。在此基礎(chǔ)上針對(duì)B方案、C方案在可用衛(wèi)星數(shù)目與水平誤差值的變化規(guī)律進(jìn)行分析，從中可以看出伴隨可用衛(wèi)星數(shù)目的增加，B、C兩方案的水平定位誤差整體上均呈減小趨勢(shì)，并且C方案的誤差值明顯低于B方案。通過(guò)觀察A、C兩方案的可用AP節(jié)點(diǎn)數(shù)目與水平定位誤差的變化規(guī)律可知，伴隨AP節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，兩方案誤差同樣呈減小趨勢(shì)，當(dāng)AP節(jié)點(diǎn)＞6個(gè)時(shí)誤差變化幅度較小，C方案的水平定位誤差相對(duì)更低，可控制在1m以內(nèi)。

結(jié)論：總體來(lái)看，采用WiFi單獨(dú)定位方案的水平、垂直定位誤差均保持在2m以內(nèi)，采用GPS單獨(dú)定位方案的垂直定位誤差約為水平定位誤差的1-2倍，而采用WiFi網(wǎng)與GPS組合方案可將定位誤差控制在1m以內(nèi)，并且成功概率保持在96%-100%之間，具備較強(qiáng)的性能優(yōu)勢(shì)。