[发明专利]一种基于MEMS传感器和FM广播信号的室内三维定位方法

说明书

本发明公开了一种基于MEMS传感器和FM广播信号的室内三维定位方法，通过融合FM广播信号与行人航位推算定位技术实现三维定位，所述方法包括：基于MEMS加速度计实现行人的步数检测和步长估计，基于MEMS传感器信号和FM广播信号提取特征并设计支持向量机分类器综合这些特征以识别行人的不同运动状态，再在状态判断的基础上进行方向估计和楼层定位，最后结合步数检测、步长估计、方向估计以及楼层定位结果计算运动轨迹，实现三维定位。本发明使用MEMS传感器与FM广播信号进行定位，无需使用建筑物内已有的辐射源信号或在建筑内外布设辐射源信号；并且无需预先构建信号特征指纹数据库或使用室内地图进行约束，可实现实时定位，实用性强。

技术领域

本发明涉及室内导航定位技术领域，具体涉及一种基于MEMS器件和FM广播信号的室内三维定位方法。

背景技术

基于位置的服务(Location Based Service,LBS)利用用户的位置信息来给用户提供有价值的信息和服务。随着近年来智能手机的大范围普及，LBS的应用也越来越广泛。定位系统是LBS的基础。定位系统主要可分为室外定位和室内定位，其中全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)经过几十年的发展已成为室外定位的事实上标准方案。然而，室内人员的移动比室外要频繁，一天中人们大部分时间在室内活动，频繁的人类活动与大量的墙壁、门、家具等因素导致GNSS信号在室内受到衰减和多径的严重影响，无障碍直线传播的条件常常难以达到。由此，GNSS系统在室内环境中接收卫星数量少，信号强度低，难以满足精确定位的要求，室内定位系统通常利用其他途径来实现精确定位。

在室内定位系统中，行人航位推算(Pedestrian Dead Reckoning,PDR)系统因其既不需要复杂的设备部署，也不需要费力的现场勘测而被广泛应用。PDR系统是一种基于惯性器件的定位系统。其建立在行人每一步行走都只有一个方向的假设之上，将行人行走过程按步数分割，将每一步视作一个位移矢量，赋予步长和方向，然后按顺序将它们按矢量规则相加，从而得到行人的行走轨迹。然而，尽管该领域已经进行了多年的研究，误差漂移仍然是这种方法的严重问题，特别是在使用智能手机中的MEMS传感器作为测量工具时，如果没有外部信息辅助，误差很快就会积累到系统不可用的程度。在PDR方法的三个主要部分中，航向误差漂移可能导致最大的轨迹误差。为了解决这一问题，有研究提出，建筑物内的许多走廊呈直线形状，这一特征可以对误差漂移起到一定的约束作用。为了利用直线特征，需要对轨迹中的直线和曲线部分进行精确分类。但大部分研究只使用角速度等传感器特征来区分直线状态与转弯状态。同样，在楼层定位领域，基于惯性传感器的方法一般先提取加速度特征以区分行人平面行走、上楼与下楼状态，然后在状态分类的基础上对楼层进行定位，因此准确的状态分类结果是得到精确定位结果的基础。然而，目前大部分研究也只用了单一加速度特征来实现这三种状态的分类。无论是直线/转弯状态分类还是平面/上楼/下楼状态分类，由于器件测量带来的噪声，特别是当选择低成本的MEMS惯性传感器作为测量工具时，若没有其他信息的辅助，测量精度会受到严重限制，这使得运动状态被误判，从而导致定位结果不准确。

调频((Frequency Modulation，FM)广播是用频率调制技术来传输声音信号的一种无线电广播技术。频率调制技术根据待传送信号的内容改变载波的频率，从而将信息存储在载波的频率之中传播。FM广播是当前主要的无线广播信号体制，在汽车、手机上有广泛应用。FM广播信号由广播站通过发射塔发出，可通过频率区分，在世界范围内达到了很高的覆盖率。室内的建筑结构可以影响FM广播信号的传播，FM信号的特征例如信号强度指数(Received Signal Strength Indication，RSSI)在室内环境下变化很大，因此可以用于室内定位。现有的基于调频广播信号的定位方法主要是指纹定位法，该方法通过在指定区域预先采集指定参考点的RSSI等信息，结合参考点的坐标构建出区域的指纹数据库进行训练；然后，采集当前位置的FM广播信号的RSSI指纹信息与数据库进行模式匹配，推算出当前的位置坐标。但是现有这种方案需要预先进行大量的测量，且信号的RSSI信息随时间变化，定位精度低，实用性差。