[发明专利]一种基于室内地磁场信息和智能手机的室内区域定位系统

说明书

一种基于地磁场和智能手机的室内地磁定位系统，其特征在于：包括搜集特征信息的采集模块，运行在服务器端的定位计算模块，数据处理模块，智能手机和服务器端之间的通信模块。所述地磁定位系统利用智能手机上嵌入的地磁传感器预先搜集室内区域内的地磁场分布特征，从中提取出不同位置地磁场信息以及不同路径上地磁场的变化情况，建立地磁场和位置间的关联；同时设计了灵活的定位方式，包括基于欧几里得距离的单个位置定位，以及基于豪斯多夫距离的轨迹信息匹配。本发明在普通的单层室内建筑内能够在1m的定位精度下达到85%的准确率，且无需在室内部署额外的设施，应用成本低且易于推广。

技术领域

本发明属于室内定位领域，涉及一种结合室内区域地磁场信息与智能手机上多种传感器的室内定位系统。

背景技术

基于位置的服务随着经济的发展和城市建设的不断完善而迅速发展并呈现出广阔的前景。室外区域下借助卫星和基站提供的位置服务是精准而有效的，但在室内区域内，受限于建筑物对信号的遮挡、在室内区域内信号的多径效应和信号的非视距传播方式等原因，基于CELL-ID、卫星等的传统室外定位手段存在着信号差、定位不准确等缺陷，无法满足室内定位在定位精度和响应时间等方面的需求。

在空间范围更小的室内区域，用户对于定位精度、响应时间等的要求都要高于室外区域。为了实现这种高精度的定位，在基于卫星或基站等的定位手段原本在室内区域就受到不小干扰，精度受限的前提下，常见的室内定位方法是利用在室内区域内有差别性分布的信号源如WiFi、蓝牙和RFID等实现小范围内的位置匹配。这些技术都是利用各自射频信号在室内传播时信号强度等信息在不同位置上呈现的差异，通过待定位设备和区域内的信号源的交互进行匹配和定位得到结果。但要使得信号源覆盖整个室内范围需要事先布置信号发射装置，对于基础设施的要求高，这一点并不利于技术在实际应用上的推广。其中的WiFi热点尽管已经广泛的布置于室内建筑特别是商场和住房等建筑内，但其信号的精度受信号衰减、人体阻挡和多径效应等的影响，单独作为位置指纹也存在着一定的缺陷。此外，行人航机推算技术(PDR)，是一种利用上一次的位置信息预估经过一段变化后位置的定位导航方法，尽管这种定位方法不需要额外的信号源，但需要预先确定初始位置，此外，也存在着误差会逐渐累积的缺点。

地球周围分布着天然的地球磁场，而在室内区域内，受钢筋混泥土墙体和建筑物结构等因素对磁场带来的干扰，室内区域内的地磁场呈现出独特的分布特点，不同位置的磁场有所不同，这使得利用每个位置独特的地磁信息作为位置指纹进行定位成为了可能。再加上随着智能手机的逐渐普及和智能手机上丰富的传感器，利用智能手机上装载的地磁传感器能方便有效的收集室内的地磁信息，使得无需另外布置设备进行室内定位成为了可能。

在利用地磁场进行定位上，大多数的方法是将地磁和WiFi定位、行人航迹推算(PDR)等结合，在利用WiFi信号强度或者行人航迹推算的基础上把地磁信号作为一种辅助手段。在结合惯性信息比如上一次定位结果、行走的步数、步长和移动方向，通过粒子滤波等方式来推断可能的位置能够有效的缩小匹配的范围，但这一方法要求连续的采集信息，更适合用于在一段时间内的室内导航。

在定位方法上，为了满足单点匹配的需求，设计了一种基于欧几里得距离的最邻近法。最邻近法是一种简单而又直接的匹配方法，也可以看作是k最邻近法（KNN）的一种特殊情况，假定待计算的数值能够用欧式空间里的点来表示，根据最优解判断准则，选择欧几里德空间中和待匹配点之间距离最近的点作为结果。欧几里德距离即欧式距离，是一种通用的定义距离的方法，能够代表某一确定维度中所处的两个点的实际的距离，欧几里德空间可以被扩展到任何维度。最邻近法通过欧式距离来进行衡量，是一种确定性的匹配。对于轨迹的匹配，选择了能够计算空间内真子集之间距离的豪斯多夫距离作为轨迹所包含数据集的度量标准。

针对室内定位的实际需求和现有技术的不足，利用地磁场受环境影响而在室内呈现出的独特分布，通过地磁场在不同位置的数值以及地磁场的变化作为位置指纹，在无需额外部署设备的情况下实现了室内区域的高精度定位。

发明内容