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CN113365217B - 一种基于wifi-rtt测距的监听定位系统及方法 - Google Patents

一种基于wifi-rtt测距的监听定位系统及方法 Download PDF

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CN113365217B
CN113365217B CN202110422561.0A CN202110422561A CN113365217B CN 113365217 B CN113365217 B CN 113365217B CN 202110422561 A CN202110422561 A CN 202110422561A CN 113365217 B CN113365217 B CN 113365217B
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Abstract

本发明公开一种基于WIFI‑RTT测距的监听定位系统及方法，包括中央处理器、数据采集系统、监听系统、定位系统和显示界面，数据采集系统采集数据并将数据传递给中央处理器，中央处理器将数据预处理并将处理结果传递给监听系统，监听系统包括监听算法，监听算法通过定时观测和突变量警报两种策略对数据进行监测，在确定返回值改变状态时刻后，对异常状态及时进行警报并向中央处理器发送，中央处理器将数据改变信息提供给定位系统，定位系统包括半系统误差约束模型及改进式定位算法，半系统误差约束模型对半系统误差进行预先估计，求得半系统误差估计结果参与改进式定位算法，定位系统将数据结果传输入中央处理器，显示界面实时反馈位置信息。

Description

一种基于WIFI-RTT测距的监听定位系统及方法
技术领域
本发明属于室内定位的技术领域，具体涉及一种基于WIFI-RTT测距的监听定位系统及方法。
背景技术
基于位置服务的应用使得定位技术受到越来越多的关注，同时对定位结果的精度提出了更高的要求。随着智能手机的普及和应用，提供多种基于位置服务的手机会成为未来大众高精度定位的主要载体。由于基于全球导航卫星系统(GNSS)的导航信号在室内很难被接收到，因此不能被用于室内定位。为解决室内定位问题，已经提出了多种技术方案，如基于WIFI、超宽带、蓝牙、惯性传感器等，与其它技术相比，WIFI因庞大的受众和低廉的价格受到更多的关注。ToA、TDoA等测距方式因时钟误差使得测距结果偏差严重，以此用来定位是极度不合理的。RTT测距方式因消除钟差带来的影响可以提供更精确的测距结果，又因存在半系统误差不能获得很好的定位结果。使用过程中，路由器返回值状态的频繁变化给室内高精度定位增加了困难，目前尚未提出合理的解决方案。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于WIFI-RTT测距的监听定位系统及方法，能够实现室内高精度定位。
实现本发明的技术方案如下：
一种基于WIFI-RTT测距的监听定位系统，包括数据采集系统、中央处理器、监听系统、定位系统和显示界面，
所述数据采集系统采集数据并将数据传输给所述中央处理器；
所述中央处理器对数据进行预处理并将数据处理结果传递给监听系统；
所述监听系统包括监听算法模块，所述监听算法模块通过定时观测和突变量警报两种策略对数据进行监测，在确定返回值改变状态时刻后，对异常状态及时进行警报并向所述中央处理器发送警报信号和数据改变信息，所述中央处理器将所述数据改变信息提供给所述定位系统；
所述定位系统包括半系统误差约束模型及改进式定位算法模块，通过所述半系统误差约束模型对半系统误差进行预先估计，将求得的半系统误差估计结果输入所述改进式定位算法模块进行定位解算，所述定位系统将定位结果传输给所述中央处理器，所述中央处理器将定位结果传入所述显示界面以实时反馈位置信息。
进一步地，所述数据采集系统采集所得的数据包含但不限于wifi RTT、rtt方差、时间戳、wifi rssi、请求次数、成功次数、掼性导航系统数据和路由器位置信息。
进一步地，所述定时观测表示从上一次数据状态改变时刻或上一次定时观测时刻开始计时，若在计时过程中有所述突变量警报触发，则计时清零，也即所述突变量警报的处理优先级高于所述定时观测。
进一步地，所述半系统误差约束模型通过半参数模型模拟短期数据下不同半系统误差下处理结果，通过比较代价函数值，获得小于设定阈值下的代价函数结果，对数据结果进行等权重平均处理，认为处理后结果为标准位置，再用标准位置估计每一个路由器的半系统误差，选择三组数据处理结果的半系统误差平均值作为每一个路由器的真实半系统误差，所述每一个路由器的真实半系统误差作为所述半系统误差约束模型的输出结果参与所述改进式定位算法运算。
进一步地，所述改进式定位算法通过加权最小二乘法进行初步位置解算，并且将待估参量向量从只包含三维坐标改正量拓展为三维坐标改正量和当前时刻能够和手机进行通讯的所有路由器的半系统误差，即此时不认为所述半系统误差约束模型的输出结果能够消除所有半系统误差，在位置解算中将所述当前时刻能够和手机进行通讯的所有路由器的半系统误差作为待估参数进行估计，因此在所述改进式定位算法的输出向量包含所述三维坐标改正量和所述当前时刻能够和手机进行通讯的所有路由器的半系统误差。
进一步地，所述改进式定位算法中设置有三个阈值：定位误差阈值、静态阈值和动态阈值方程；所述定位误差阈值用于限定相邻两次迭代解的改变阈值，如果两次迭代解的差距超过所述定位误差阈值，则执行下一次迭代，直至两次相邻迭代解的差距小于等于所述定位误差阈值；所述静态阈值误差为常数值阈值，所述静态阈值用于限定相邻两次静态定位数值解的改变阈值，如果三次静态定位数值解的差距超过所述静态阈值，则执行平滑，直至三次静态定位数值解的差距小于等于所述静态阈值；所述动态阈值方程为变量阈值，具体函数方程与当前速度有关，所述函数方程的获得需要调用当前位置解数据与惯性传感器数据结果，所述动态阈值方程用于限定相邻两次静态定位数值解的改变阈值，如果三次动态定位数值解的差距超过所述动态阈值方程，则执行平滑，直至三次动态定位数值解的差距小于等于所述动态阈值方程。
进一步地，所述改进式定位算法，包括以下步骤：
1.获得数据采集系统采集所得的数据集，同时提取所有信息，将所述半系统误差约束模型的输出结果进行初步半系统误差修正；
2.判断是否有预设位置，若有则进入步骤3，否则通过最小二乘法对需处理数据中的随机一组数据进行位置解算，将最小二乘法获得的结果作为预设位置，进入步骤3；
3.按照平滑窗口的理论，根据指数下滑函数对不同时间的数据进行数据定权，认为最近数据有更大的信息量，确保每次平滑窗口均包含一秒数据，将一秒数据进行校正，同时通过所述加权最小二乘法进行初步位置解算，获得所述三维坐标改正量和所述当前时刻能够和手机进行通讯的所有路由器的半系统误差，并传输给中央处理器；
4.判断步骤3获得的半参数解算结果与步骤2得到的预设结果位置差是否小于定位误差阈值；如果小于等于定位误差阈值，则输出位置结果，并保存数据结果进入数据集；如果大于定位误差阈值，将平差结果作为预设结果并返回步骤2；
5.获得所述数据集，同时提取所有信息，经过数据预处理判定位置接收器是否移动，如果没有移动则进入步骤6，否则进入步骤7；
6.比较相邻三次数据结果，数据结果偏差超过设置所述静态阈值，回调数据结果，利用两秒数据进行重新运算，直至数据偏差小于等于所述静态阈值，再用数据结果平均值作为输出结果，并代回数据，重新确定半系统误差；
7.比较相邻三次数据结果，数据结果偏差超过设置所述动态阈值方程，回调数据结果，利用两秒数据进行重新运算，直至数据偏差小于等于所述动态阈值方程，再用数据结果平均值作为输出结果，并代回数据，重新确定半系统误差；
8.将数据结果传入所述中央处理器，所述中央处理器将数据结果和半系统误差传入所述显示界面以实时反馈路由器的位置信息和半系统误差信息。
有益效果：
本发明方案通过返回值状态的监听、半系统误差约束模型的建立和改进式定位算法，与之前方案相比，改进式定位算法不再将半系统误差约束模型数值结果当作准确数值参与解算，而是作为初始值参与改进式定位算法，通过对每个时刻下的半系统误差进行二次吸收，经过验算，改进式定位算法包含的Fisher信息量到达Cramer-Rao下界，是线性模型估计中的最优估计，该系统能够提供亚米级精度的定位结果，同时运算效率提高超过24％。
附图说明
图1为根据本发明实施例的一种改进式WIFI-RTT测距监听定位系统及方法的系统结构示意图。
图2是根据本发明实施例的一种改进式WIFI-RTT测距监听定位系统及方法中改进式定位算法的结构流程示意图。
其中，1-中央处理器；2-数据采集系统；3-监听系统；4-定位系统；5-监听算法；6-定时观测；7-突变量警报；8-警报信号；9-数据改变信息；10-半系统误差约束模型；11-改进式定位算法；12-显示界面。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如图1-2，根据本发明实施例的一种改进式WIFI-RTT测距监听定位系统及方法，包括中央处理器1，对于所述中央处理器1来说，所述中央处理器1上分别连接有数据采集系统2、监听系统3、定位系统4和显示界面12，其中，所述数据采集系统2采集数据并将数据传递给所述中央处理器1，所述中央处理器1对数据进行预处理并将数据处理结果传递给监听系统3，对于所述监听系统3来说，所述监听系统3包括监听算法5，对于所述监听算法5来说，所述监听算法5通过定时观测6和突变量警报7两种策略对数据进行监测，在确定返回值改变状态时刻后，对异常状态及时进行警报并向所述中央处理器1发送警报信号8和数据改变信息9，所述中央处理器1将所述数据改变信息9提供给所述定位系统4，对于所述定位系统4来说，所述定位系统4包括半系统误差约束模型10及改进式定位算法11，对于所述半系统误差约束模型10来说，通过所述半系统误差约束模型10可以对半系统误差进行预先估计，求得半系统误差估计结果参与所述改进式定位算法11，对于所述改进式定位算法11来说，改进式定位算法11通过对每个时刻下的半系统误差进行二次吸收，经过验算，改进式定位算法包含的Fisher信息量到达Cramer-Rao下界，是线性模型估计中的最优估计，最后所述定位系统4将数据结果传输入所述中央处理器1，所述中央处理器1将数据结果传入所述显示界面12以实时反馈位置信息。
进行数据采集时，认为所述数据采集系统2采集得WIFI-RTT测距数据结果包含半系统误差，其中，半系统误差服从均值为0，方差为0.26m的正态分布，在每次测距开始时便唯一确定直至状态改变，同时，受到相位噪声和热噪声的影响，时间戳会出现波动，这也造成路由器返回值状态的变化，每次路由器返回值变化使得CPU处理时间不确定，因此路由器返回值状态会变化，半系统误差随之变化，因此需要对数据进行监听。
进行数据状态监听时，所述监听算法5通过定时观测6和突变量警报7两种策略对数据进行监测，其中所述定时观测6表示从上一次数据状态改变时刻或上一次定时观测时刻开始计时，若在计时过程中有所述突变量警报7触发，则计时清零，也即所述突变量警报7的处理优先级高于所述定时观测6。
进行半系统误差约束时，所述半系统误差约束模型10通过半参数模型模拟短期数据下不同半系统误差下处理结果，通过比较代价函数值，获得小于阈值下的代价函数结果，对数据结果进行等权重平均处理，认为处理后结果为标准位置，再用标准位置估计每一个路由器的半系统误差，选择三组数据处理结果的半系统误差平均值作为每一个路由器的真实半系统误差，所述每一个路由器的真实半系统误差作为所述半系统误差约束模型10的输出结果参与所述改进式定位算法11运算。
进行定位解算时，与最小二乘法相比，所述改进式定位算法11通过加权最小二乘法进行初步位置解算，并且将待估参量向量从只包含三维坐标改正量拓展为三维坐标改正量和当前时刻能够和手机进行通讯的所有路由器的半系统误差，即此时不认为所述半系统误差约束模型10的输出结果能够消除所有半系统误差，在位置解算中将所述当前时刻能够和手机进行通讯的所有路由器的半系统误差作为待估参数进行估计，因此在所述改进式定位算法11的输出向量包含所述三维坐标改正量和所述当前时刻能够和手机进行通讯的所有路由器的半系统误差。
在具体应用时，对于所述改进式定位算法11来说，所述改进式定位算法11内置三个阈值：定位误差阈值、静态阈值和动态阈值方程；所述定位误差阈值用于限定相邻两次迭代解的改变阈值，如果两次迭代解的差距超过所述定位误差阈值，则执行下一次迭代，直至两次相邻迭代解的差距小于等于所述定位误差阈值；所述静态阈值误差为常数值阈值，所述静态阈值用于限定相邻两次静态定位数值解的改变阈值，如果三次静态定位数值解的差距超过所述静态阈值，则执行平滑，直至三次静态定位数值解的差距小于等于所述静态阈值；所述动态阈值方程为变量阈值，具体函数方程与当前速度有关，所述函数方程的获得需要调用当前位置解数据与惯性传感器数据结果，所述动态阈值方程用于限定相邻两次静态定位数值解的改变阈值，如果三次动态定位数值解的差距超过所述动态阈值方程，则执行平滑，直至三次动态定位数值解的差距小于等于所述动态阈值方程；
在具体应用时，对于所述改进式定位算法11来说，所述改进式定位算法11可以通过对半系统误差的二次吸收以提高定位精度，所述改进式定位算法11具体包括以下步骤：
步骤S101，获得数据采集系统所采集的数据集，同时提取所有信息，将所述半系统误差约束模型10的输出结果进行初步半系统误差修正。
步骤S102，判断是否有预设位置。若有则进入步骤S103，否则通过最小二乘法对需处理数据中的随机一组数据进行位置解算，将最小二乘法获得的结果作为预设位置。进入步骤S103。
步骤S1013，按照平滑窗口的理论，根据指数下滑函数对不同时间的数据进行数据定权，认为最近数据有更大的信息量，确保每次平滑窗口均包含一秒数据，将一秒数据进行校正，同时通过所述加权最小二乘法进行初步位置解算，获得所述三维坐标改正量和所述当前时刻能够和手机进行通讯的所有路由器的半系统误差，并传输给中央处理器1。
步骤S104，判断步骤S103获得的半参数解算结果与步骤S102得到的预设结果位置差是否小于定位误差阈值。如果小于等于定位误差阈值，则输出位置结果，并保存数据结果进入数据集；如果大于定位误差阈值，将平差结果作为预设结果并返回步骤S102。
步骤S105，获得所述数据集，同时提取所有信息，经过数据预处理判定位置接收器是否移动，如果没有移动则进入步骤S106，否则进入步骤S107。
步骤S106，比较相邻三次数据结果，数据结果偏差超过设置所述静态阈值，回调数据结果，利用两秒数据进行重新运算，直至数据偏差小于等于所述静态阈值，再用数据结果平均值作为输出结果，并代回数据，重新确定半系统误差。
步骤S107，比较相邻三次数据结果，数据结果偏差超过设置所述动态阈值方程，回调数据结果，利用两秒数据进行重新运算，直至数据偏差小于等于所述动态阈值方程，再用数据结果平均值作为输出结果，并代回数据，重新确定半系统误差。
步骤S108，将数据结果传入所述中央处理器1，所述中央处理器1将数据结果和半系统误差传入所述显示界面12以实时反馈路由器的位置信息和半系统误差信息。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于WIFI-RTT测距的监听定位系统，其特征在于，包括数据采集系统、中央处理器、监听系统、定位系统和显示界面，
所述数据采集系统采集数据并将数据传输给所述中央处理器；
所述中央处理器对数据进行预处理并将数据处理结果传递给监听系统；
所述监听系统包括监听算法模块，所述监听算法模块通过定时观测和突变量警报两种策略对数据进行监测，在确定返回值改变状态时刻后，对异常状态及时进行警报并向所述中央处理器发送警报信号和数据改变信息，所述中央处理器将所述数据改变信息提供给所述定位系统；
所述定位系统包括半系统误差约束模型及改进式定位算法模块，通过所述半系统误差约束模型对半系统误差进行预先估计，将求得的半系统误差估计结果输入所述改进式定位算法模块进行定位解算，所述定位系统将定位结果传输给所述中央处理器，所述中央处理器将定位结果传入所述显示界面以实时反馈位置信息；
所述半系统误差约束模型通过半参数模型模拟短期数据下不同半系统误差下处理结果，通过比较代价函数值，获得小于设定阈值下的代价函数结果，对数据结果进行等权重平均处理，认为处理后结果为标准位置，再用标准位置估计每一个路由器的半系统误差，选择三组数据处理结果的半系统误差平均值作为每一个路由器的真实半系统误差，所述每一个路由器的真实半系统误差作为所述半系统误差约束模型的输出结果参与所述改进式定位算法运算；
所述改进式定位算法，包括以下步骤：
步骤1.获得数据采集系统采集所得的数据集，同时提取所有信息，将所述半系统误差约束模型的输出结果进行初步半系统误差修正；
步骤2.判断是否有预设位置，若有则进入步骤3，否则通过最小二乘法对需处理数据中的随机一组数据进行位置解算，将最小二乘法获得的结果作为预设位置，进入步骤3；
步骤3.按照平滑窗口的理论，根据指数下滑函数对不同时间的数据进行数据定权，认为最近数据有更大的信息量，确保每次平滑窗口均包含一秒数据，将一秒数据进行校正，同时通过加权最小二乘法进行初步位置解算，获得三维坐标改正量和当前时刻能够和手机进行通讯的所有路由器的半系统误差，并传输给中央处理器；
步骤4.判断步骤3获得的半参数解算结果与步骤2得到的预设结果位置差是否小于定位误差阈值；如果小于等于定位误差阈值，则输出位置结果，并保存数据结果进入数据集；如果大于定位误差阈值，将平差结果作为预设结果并返回步骤2；
步骤5.获得所述数据集，同时提取所有信息，经过数据预处理判定位置接收器是否移动，如果没有移动则进入步骤6，否则进入步骤7；
步骤6.比较相邻三次数据结果，数据结果偏差超过设置静态阈值，回调数据结果，利用两秒数据进行重新运算，直至数据偏差小于等于所述静态阈值，再用数据结果平均值作为输出结果，并代回数据，重新确定半系统误差；
步骤7.比较相邻三次数据结果，数据结果偏差超过设置动态阈值方程，回调数据结果，利用两秒数据进行重新运算，直至数据偏差小于等于所述动态阈值方程，再用数据结果平均值作为输出结果，并代回数据，重新确定半系统误差；
步骤8.将数据结果传入所述中央处理器，所述中央处理器将数据结果和半系统误差传入所述显示界面以实时反馈路由器的位置信息和半系统误差信息。
2.如权利要求1所述的一种基于WIFI-RTT测距的监听定位系统，其特征在于，所述数据采集系统采集所得的数据包含wifi RTT、rtt方差、时间戳、wifi rssi、请求次数、成功次数、掼性导航系统数据和路由器位置信息。
3.如权利要求1所述的一种基于WIFI-RTT测距的监听定位系统，其特征在于，所述定时观测表示从上一次数据状态改变时刻或上一次定时观测时刻开始计时，若在计时过程中有所述突变量警报触发，则计时清零，也即所述突变量警报的处理优先级高于所述定时观测。
4.如权利要求1所述的一种基于WIFI-RTT测距的监听定位系统，其特征在于，所述改进式定位算法通过加权最小二乘法进行初步位置解算，并且将待估参量向量从只包含三维坐标改正量拓展为三维坐标改正量和当前时刻能够和手机进行通讯的所有路由器的半系统误差，即此时不认为所述半系统误差约束模型的输出结果能够消除所有半系统误差，在位置解算中将所述当前时刻能够和手机进行通讯的所有路由器的半系统误差作为待估参数进行估计，因此在所述改进式定位算法的输出向量包含所述三维坐标改正量和所述当前时刻能够和手机进行通讯的所有路由器的半系统误差。
5.如权利要求1所述的一种基于WIFI-RTT测距的监听定位系统，其特征在于，所述改进式定位算法中设置有三个阈值：定位误差阈值、静态阈值和动态阈值方程；所述定位误差阈值用于限定相邻两次迭代解的改变阈值，如果两次迭代解的差距超过所述定位误差阈值，则执行下一次迭代，直至两次相邻迭代解的差距小于等于所述定位误差阈值；所述静态阈值误差为常数值阈值，所述静态阈值用于限定相邻两次静态定位数值解的改变阈值，如果三次静态定位数值解的差距超过所述静态阈值，则执行平滑，直至三次静态定位数值解的差距小于等于所述静态阈值；所述动态阈值方程为变量阈值，具体函数方程与当前速度有关，所述函数方程的获得需要调用当前位置解数据与惯性传感器数据结果，所述动态阈值方程用于限定相邻两次静态定位数值解的改变阈值，如果三次动态定位数值解的差距超过所述动态阈值方程，则执行平滑，直至三次动态定位数值解的差距小于等于所述动态阈值方程。
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