基于位置电磁指纹的定位技术研究与设计

来源 :上海工程技术大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:asicsyao
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随着信息技术向更广泛、更数字化的领域发展,越来越多的联网终端、飞速发展的泛在无线技术给室内定位技术带来前所未有的机遇和挑战。但是至今为止室内定位技术“百家争鸣”,没有哪一种定位技术可以在复杂的室内环境中胜出其他方法,精度再高的方法也可能在硬件成本或者普及性方面存在天然劣势,所以需要因地制宜的选择合适的室内定位技术。针对室内环境中Wi-Fi指纹定位定位结果误差较大、定位区域受限的问题,提出了一种基于位置电磁指纹的定位算法。利用室内无处不在的地磁特征,建立地磁指纹定位系统来保障用户在室内定位的过程中,无论使用何种定位方式都能获得不错的定位结果。利用改进的垂直切换算法较单一指纹定位系统性能有大幅度提升,证明了该定位方法具有一定的可行性与先进性。本文首先通过对研究课题调研,分析了电磁指纹定位技术的原理和指纹分类器中的匹配算法。简明的阐述了位置指纹的基本概念,介绍了主要的基于Wi-Fi的定位技术,此外还分析了电磁信号的室内特征,从时域、距离衰减、异构设备等角度进行分析和实验验证,影响Wi-Fi、地磁等电磁信号指纹定位算法精度的等因素。其次提出了基于动态WKNN的Wi-Fi指纹的算法。利用全向的Wi-Fi指纹降低人员对信号遮挡效应,该算法利用对数-距离路径衰减模型估计空白采样区域无线信号特征,有效提高信号采样密度。传统KNN算法所有采样点的权重相同以及固定K值带来较大的系统误差,本文提出动态加权的思想确定K值,优化KNN匹配算法。针对Wi-Fi在室内环境中信号波动较大,比较了几种常用的数字信号滤波技术。本文将采集的Wi-Fi信号进行复合滤波,该滤波方法结合多种滤波方法得到较好的滤波效果。然后研究了地磁指纹定位算法,通过蒙特卡罗定位算法将移动连续定位的问题作为马尔可夫过程,并使用自举粒子滤波器解决地磁匹配问题。设计了地磁匹配实验来比较基于KNN的地磁指纹匹配和基于MCL的地磁指纹匹配算法,仿真实验表明,基于MCL的地磁指纹定位算法十次随机定位误差均在3m以内。与KNN匹配算法相比,引入误差圆限制对定位结果漂移有很好的改善,提升了系统的可靠性。最后,介于室内区域电磁信号的不连续现象,提出了基于垂直切换的室内电磁指纹无缝衔接的定位方法,解决了单一定位方式在室内环境中存有定位盲区的问题。通过上述研究设计了一套试验系统,验证在室内进行电磁指纹定位方式切换下,区域内平均定位误差为1.8243米,引入垂直切换算法,切换时间小于4.5s,实现了室内区域中泛在无线环境的定位,验证了本文提出的模型和定位算法是可行且可靠的。
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