
















摘 要:針對在狹長空間下傳統的行人航跡推算(Pedestrian Dead Reckoning,PDR)方法易受傳感器擾動與環境干擾,導致傳感器數據存在誤差累積無法實現行人位置精確估計的問題,結合室內走廊狹長空間典型場景下北斗偽衛星(Pseudosatellite,PL)的信號特征,提出了一種基于北斗信標輔助的PDR 狹長空間定位方法。通過提取空間下確定性位置PL 觀測量數據特征,建立了數據特征與空間位置的指紋位置對應關系。設計了一種北斗PL 與PDR 組合的拐點檢測方法。以北斗信標節點為基礎,結合PDR 適用范圍大與應用性強的特性,將方向信息組合到卡爾曼濾波算法中完成設計。通過實測驗證,與PDR 定位方法相比,在室內狹長空間情況下組合系統的均方根誤差(Root Mean Squared Er-ror,RMSE)定位精度提高了54% 。
關鍵詞:狹長空間;北斗偽衛星;行人航跡推算;卡爾曼濾波;室內信標
中圖分類號:TN228. 1 文獻標志碼:A 開放科學(資源服務)標識碼(OSID):
文章編號:1003-3114(2024)06-1244-07
0 引言
現有的全球導航衛星系統能夠為室外用戶提供有效高精度的位置服務,但在相對封閉的室內環境下,大眾用戶難以利用已有終端實現有效的位置服務[1]。調查表明,人們日常在室內活動的時間占比較大,對室內定位的需求日益增加。
狹長空間作為室內空間典型的一類場景,是難以解決定位的一類場景。無線信號傳播通常受空間強反射和環境噪聲疊加的影響,導致在狹長空間難以實現有效的位置估計。目前常見的室內定位技術有無線連接(Wireless-Fidelity,WiFi)[2]、超寬帶(Ultra-wideband,UWB)[3]、藍牙(Bluetooth,BLE)[4]以及射頻識別(RFID)[5]等,但受定位精度和適用場景等方面的約束,傳統、單一的定位手段很難在大眾應用中得到推廣。文獻[6]使用平滑算法融合WiFi、行人航跡推算(Pedestrian Dead Reckoning,PDR)和地圖匹配提高定位精度。文獻[7]提出連續臨近校正與基于擴展卡爾曼濾波器(Extendedkalman Filter,EKF)的自適應抗差算法融合PDR 與BLE,限制PDR 累積誤差和BLE 定位粗差的效果,提高融合定位精度和穩健性。文獻[8]分別發揮了UWB 與PDR 技術的優勢,并采用卡爾曼濾波算法進行融合,實現多技術融合的室內高精度定位。可見,以多種室內定位技術的優點進行融合是當前研究的主流。基于現有已經集合多種環境感知傳感器的智能手機,眾多科研學者利用PDR 定位算法,一定程度上解決了室內場景下的定位問題。但在狹長空間下智能手機易受機電設備產生的電磁干擾,且在長時間維度下受自身傳感器功能的限制,導致難以長周期保持高精度的定位服務。北斗偽衛星(Pseudosatellite,PL)可以結合量測數據特征提供準確的絕對位置,通過融合一定程度上可以消除長周期累計誤差的影響。由此研究以北斗PL[9]輔助的PDR 融合定位方法對于大眾用戶的室內位置服務應用具有重要意義。
本文結合行人在走廊狹長空間運動的典型場景,針對上述PDR 長時間維度下易受到干擾導致的位置偏差問題,利用北斗PL 載波相位與信噪比量測信息特征和位置穩定的對應關系,探討基于北斗PL 信標點位修正的PDR 融合定位過程,并設計了以卡爾曼為基礎的組合定位方法。
1 算法原理
PDR[10]利用集成了加速度傳感器、角速度傳感器等多種傳感器的智能手機終端,根據所測得的行人數據計算步長與航向實現對目標位置的推算,其定位原理為:
2 信標輔助的PDR 定位方法
2. 1 室內北斗信標構建
信標位置節點[14]是一種可以提供準確絕對位置的節點式區域。通過在行人確定性通過位置設置信標節點的方式實現信號觀測量與空間位置的對應關系。
在不同歷元下對信標位置節點采集多組室內信標位置的北斗PL 數據觀測量以生成數據庫[15]。為便于分析,將二維的特征參考點用[Plbref1 ,Plbref2 ,…,PlbrefN ]表示,N 表示參考點的個數。每個參考點接收的數據包括載噪比、陣元間載波相位差值。設定第l 個參考點的特征數據集為[RawDat1l,RawDat2l,…,RawDatvl],v 表示采集的次數,則室內信標節點特征圖譜庫如表1 所示。
根據WKNN 算法[16]實現信標節點位置的獲取,具體為:
式中:RawDatvl為室內信標節點的觀測量特征數組,RawDatt 為待測點信號特征,Di 為二者的歐氏距離,i 表示個數,之后利用式(11)和式(12)進行權值計算。
式中:Pi 為第i 個點計算的權重,(xj,yj)為大權重的位置點,(X,Y)為信標節點的二維位置。
2. 2 融合卡爾曼的北斗信標/ PDR 組合定位方法
狹長空間下的定位過程可以理解為一維空間的位置獲取過程。結合上節構建的室內北斗信標節點,設計北斗信標與手機傳感器[17-18]結合的卡爾曼濾波定位方法。同時針對狹長空間普遍存在的拐角場景,利用傳感器與北斗信標信息實現拐點的有效判斷,具體流程如下。
(1)初始化過程
利用手機接收來自北斗PL 區域下間距為1 m的兩點一段時間的載噪比與載波相位差數據,并計算2 個參考點觀測量差值的平均值diff_avg,將此差值作為拐點臨近判別的閾值。
利用式(13)計算各運動狀態下前n1 次最大角速度的平均值TH,n1 為40,Datt 為角速度數據,利用式(14)計算在每個運動狀態下多次測試的最大角速度的平均值TSmvavg 作為閾值,mv 表示運動狀態,n2 為10。
(2)位置推算過程
建立狀態方程和觀測方程。狀態方程為:
讀取此時X^ t中的航向信息,結合推算的步長,利用式(22)實現位置的更新與傳遞,即:
(X,Y)= (xt +SLsin(Orit),yt +SLcos(Orit))。(22)
(3)拐點檢測過程
在運動過程中對拐點判斷,對加速度數據與角速度數據進行預處理,利用自適應峰值檢測[19]判斷行人的運動狀態,之后判斷當前的合角速度數值|Anv| t,若|Anv| t≥TSmvavg,進行PL 閾值判定,若Di≤diff_avg,則視為通過拐點。否則,判定為非拐點進行PDR 定位。
利用上述過程實現對拐點的檢測。當檢測到拐點時,北斗PL 節點會對當前位置進行糾正,即:
(X,Y)= (PLgx,PLgy), (23)
式中:PLg 表示第g 個位置處的信標節點位置,在當前場景下有4 個拐點。
(4)位置遞推過程
利用式(24)對Pt 進行更新,繼續循環輸出下一時刻X ^ t中的航向信息,用于對行人位置的更新:
Pt =(I-Kt H)Pt。(24)
組合定位系統結構示意如圖1 所示。
3 實測分析
3. 1 測試場景
本文實驗以典型的環形走廊空間為測試場景,選定的實驗測試場景在長27 m、寬24 m 的環形走廊空間內進行,如圖2 所示在走廊的拐角處設置了4 組信標節點,其中藍色橢圓區域為信標節點標定區域,信標節點區域長3 m、寬0. 3 m,分別按60 cm與100 cm 間隔設置了兩列,共部署了8 個參考點。對其中一處藍色區域進行拐點檢測,行人由多種運動狀態從走廊2 中部通過拐點運動到走廊3 中部,同時對每種運動狀態各采集20 組數據,10 組用作生成閾值,10 組用作拐點驗證。設定初始位置的坐標為P1(0,0),行人以正常運動狀態進行實驗。測試場景如圖3 所示,本次測試環境分為4 組走廊,使用的測試設備為小米10S 手機,測試人員利用手機由標號1 場景按順序運動到標號4 場景。在二維平面上只需對x 和y 橫向、縱向完成位置估計,手機對PL 數據的采集頻率為1 Hz,對手機傳感器的采集頻率為100 Hz。
3. 2 實驗結果
3. 2. 1 北斗信標定位結果
為了驗證北斗PL 信標的定位性能,需要對指紋定位結果有效性進行分析,對當前位置進行測試驗證。信標定位精度及誤差結果如圖4 所示。圓形標記為真實點位置,叉形標記為測試參考點位置,測量參考點位置圍繞在真實位置周圍,這里r 設置為3,參考點1 的X 方向誤差在0. 06 m 以內,Y 方向誤差在0. 16 m 以內,參考點2 的X 方向誤差在0. 06 m 以內,Y 方向誤差在0. 21 m 以內,2 個位置點在當前信標區域下進行有效精度匹配的指紋定位結果均方根誤差(Root Mean Squared Error,RMSE)分別為0. 26 m和0. 25 m,滿足本次實驗條件下的定位點精度需求。
3. 2. 2 多運動狀態拐點檢測結果
本文結合行人多運動狀態,從慢速加靜止狀態、慢速行走狀態、正常行走狀態和快速行走狀態4 種運動方式對拐點通過判定進行分析,如圖5 所示。圖5(a)為4 種運動狀態的加速度波形,圖5(b)為4 種運動狀態下的角速度波形。圖5 中橫向的紅色線段為設定的閾值,紅色圓圈為拐點檢測結果,通過設定角速度閾值的方法在一定程度上滿足拐點判定的需要。
為了驗證北斗PL 與PDR 組合的拐點檢測方法,進行10 次實驗,如表2 所示。利用PDR 與北斗信標組合檢測拐點的方式效果明顯好于僅利用PDR 的檢測效果,其中,在快速狀態下僅PDR 檢測率為100% ,其余3 種運動狀態的判斷效果都有所提升。通過組合檢測拐點的方法可以在一定程度上提高多種運動狀態下的拐點檢測效率,能夠滿足行人在狹長多拐點空間下的定位需求。
3. 2. 3 組合系統定位結果
PDR 的定位軌跡存在步數估計錯誤導致的位置偏移,組合定位方法可以對偏移位置進行矯正,如圖6 中放大部分所示。針對狹長空間下的典型環形空間,對每個過程的空間定位結果進行算法比對分析,如表3 所示。在圖6 所示的過程1 中,對兩種方法的4 組誤差判定標準進行了分析,PDR 方法與組合方法的最大誤差、最小誤差、平均誤差和RMSE 分別為0. 68、0、0. 35、0. 41 m,經卡爾曼濾波后的方向角在短周期內誤差較小。隨著時間推移,過程2、過程3 和過程4 的誤差都逐漸增大,在這3 個過程中組合方法的RMSE 分別為0. 84、1. 87、1. 12 m,要小于PDR 方法的1. 63、3. 14、3. 81 m,利用北斗PL 構建的北斗信標節點能夠有效減小定位誤差。對整體特征位置信息對比分析,組合方法平均定位誤差0. 97 m 小于PDR 平均定位誤差2. 15 m,組合定位方法在一定程度上可以避免誤差累積。
定位精度概率分布如圖7 所示,對PDR 與組合定位方法的定位結果進行分析,可以看出,PDR 的定位結果誤差在1 m 內的概率為27% ,加入北斗PL后的定位結果誤差在1 m 內的概率約為69% 。結合兩圖分析,在測試開始時兩種定位手段的定位結果近似,隨著時間的推移組合定位系統的整體效果要高于PDR 的定位效果,定位結果分析如表4 所示,組合定位方法的RMSE 定位精度為1. 17 m,較PDR 的RMSE 定位精度提升了54% 。
4 結束語
針對在室內狹長空間下PDR 定位手段易受到長時間維度上定位結果擾動造成位置點偏移的問題,根據北斗PL 載噪比與載波相位差觀測量,構建了指紋數據庫作為北斗信標位置節點,之后結合手機傳感器與北斗信標位置節點設計了行人多運動狀態的拐點檢測方法,最后利用PDR 算法可以進行連續推算定位的優勢,提出了一種北斗PL 輔助PDR定位的組合定位方法。在狹長空間情況下,組合系統的RMSE 定位誤差為1. 17 m 的精度,較PDR 定位方法提高了54% 定位精度。經過北斗PL 輔助后的PDR 定位結果可以滿足在較長時間條件下的使用需求。當前對北斗PL 與PDR 只進行了初步的融合,尚未考慮到行人持有終端的多種方式對定位結果的影響。在下一步工作中,計劃探究智能終端在多種持有方式下的數據特征,結合北斗PL 的多種觀測量類型,實現高精度智能終端持有模式識別算法。
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作者簡介:
王君綱 男,(1998—),碩士研究生。主要研究方向:室內定位。
易卿武 男,(1975—),碩士,研究員級高級工程師。
張光華 男,(1979—),博士,教授。主要研究方向:網絡與信息安全。
(*通信作者)蔡明偉 男,(1980—),碩士,實驗師。主要研究方向:電子技術。
張 衡 男,(1988—),博士,工程師。
黃 璐 男,(1991—),博士,工程師。
基金項目:國家重點研發計劃(2021YFB3900800,2021YFB3900801,2021YFB3900802)