基于WIFI与GPS组合的无缝定位.docx

基于WIFI与GPS组合的无缝定位基于WIFI与GPS组合的无缝定位 无线局域网络是一种全新的无线信号传输平台，该文在总结目前无缝定位与导航技术的研究现状、分析存在的问题和发展趋势的基础上，提出了联合GPS和无线局域网络的组合定位方法，以实现室内外的无缝定位与导航。同时，在深入研究卫星导航定位和无线传感器网络定位原理与算法基础上，针对定位环境的不同，提出了无缝定位的解决方案、转换机制和切换策略，并以WIFI网与GPS组合定位算法为例，进行了详细分析和深入讨论，所用算法可以实现无GPS、少于颗可用卫星以及GPOP值不满足定位情况下的定位，与单独WIFI网络定位算法相比，该算法可以提高定位精度。 随着生活水平的提高，人们对位置信息服务中的定位精度和可用性等要求越来越高。为了保证各 种场景下定位精度和覆盖范围的平滑过渡和无缝连接，无缝定位技术应运而生。然而，由于接收设备和信号传输等原因，无缝定位技术的实现还面临一些亟待解决的问题。例如，难以依靠单一的无线定位技术实现无缝定位,各种定位信号无法同时覆盖不同定位场景，非视距环境下无线电波传输受限，以及不同定位技术联合定位时的空间坐标系和时间坐 标系统一等问题。 无线局域网络是一种全新的无线信号传输平台，通过布网可以在室内外或者封闭空间内实现定位、监测等，其定位基础是移动网络节点的自身定位。当前比较流行的WIFI定位技术是无线局 域网络系列标准的一种定位解决方案，采用经验测试和信号路径损耗传输模型相结合的方式实现移动节点的定位。由于GPS定位技术易受遮挡，WIFI定位技术定位精度有限，而且室外大区域范围内由于无WIFI信号或者WIFI信号弱而无法实现定位服务，故单独采用任一种都无法确保定位服务的时空连续性。本文结合GPS和WIFI两者的优势，研发基于GPS和WIFI的组合定位系统，并提出合理的切换策略，实现室内外无缝定位。 一、无缝定位解决方案 每种定位环境下均可实现定位是保证各种场景下提供连续性的定位服务的前提。定位系统可根据不同的定位场景提供不同的解决方案。为了覆盖尽可能大的定位范围，本文将定位环境分为 种情 况：在仅有 信号环境下，采用 单独定位；有 和 信 号 但 不 满 足 定 位 要 求 的 环 境 下，采用 和 网组合定位；同时有信号 和信号且可单独定位的环境下，采用 网 辅助 定位；有 信号无 信号的环境下，采用 网单独定位。在实际定位中，可根 据接收的信号情况及特定的切换策略进行环境判 定，并进行定位方案的转换，实现无缝定位的需求。 采 用 基 于 进行 网定位，需要前期测 量和后期处理两个步骤；在 卫星数目小于，或者卫星数目大于 但 值很大的情况下，采 用 网组 合 的 定 位 方 法，移 动 装 置 同 时 接 收 卫星数据和 网 点的 值，将接收到的 网 值转化为伪距后，与 伪距 联立 方 程 组，并 采 用 卡 尔 曼 滤 波 进 行 定 位 解 算；当 卫星数目大于，且 值满足定位要求时， 采用 网辅助 定 位 方 法，采用联邦卡尔曼 滤波进行位置解算，得到组合定位系统的位置、速度 和其他信息的最优估计，并根据各子系统的估计信 息分别对各子系统进行信息分配，并对估计结果进 行校正。 二、切换策略 切换是指由于卫星的运行或用户的移动，使用户接收到的卫星数目或无线接入点发生变化的情况。其实质是定位模式重新选择的过程，对定位精度和定位可用性具有重要影响，故关于组合定位系 统中的定位切换研究引起越来越多人的重视。 切换策略的一个基本原则就是具有较低的时延、较小的切换频率、较少的切换次数。在组合定位系统中，可采用的切换准则主要有：最大可用性准则、最大定位精度准则、最小负荷准则。如图所示，定位环境的变化可能有种情况。 根据前述的切换准则，本文提出了根据接收到的GPS卫星数目、WIFI信号数目以及GPS卫星的GDOP值制定定位算法切换策略。 ）根据卫星数目 信息以及 网信息，选择不同的定位方案。当卫 星数为时，选择 网单独定位；当卫星数小于 时，选择 网组合定位方案；当卫星数目大 于时，结合GDOP值，可选择GPS单独定位或者网组合定位方案。 ）采用 定位时，进行 点数和室内外环境的判断。在本文的试验 环境下，室内 定位只需获得个以上 点的值 即 可 实 现 三 维 位 置 的 解 算，而 在 室 外 网定位中，需至少接收到个以上 点的信息，才 能获得移动端的三维位置信息。）通过步骤判断接收到的 卫星数，如果卫星数目大于，则进 行 值的判定，如果 值大小满足可定位 条件，执 行 网 辅 助 的 定 位 程 序。 如 果 值大 小 不 满 足 可 定 位 条 件，则 执 行 和 网组合定位程序。 三、WIFI网与GPS组合定位 为了验证GPS和WIFI网组合定位系统的定位性能，对组合定位系统进行了试验，选择室外、室内外交界以及室内等环境，以测试组合定位系统的定位精度和定位可用性。 3.1定位试验 在实际定位时，移动节点发送定位请求，并启动定位流程。定位流程首先通过接收到的 信号和 信号对移动节点所处环境进行判断，并 将定位环境及 、网信号基础信息发送给定 位程序。其中，定位请求包括定位精度和定位时间 需求等；基础信息包括用户所处环境、导航数据 及 网信息等。通过对定位请求和定位环境的 判断选择定位方法，系统调用相应的定位程序进行 定位解算。在定位解算中，采用最小二乘、卡尔曼滤波及联邦卡尔曼滤波方法获得最优位置估计。 试验设备包括WIFI接收模块、GPS接收模块、N个WIFI网的AP点，其坐标经过长时间GPS测 算并存入定位服务器的数据库中。在试验中，选用GPS信号，WIFI网的的无线信号。 在 网辅助 定位方法中，为 满 足 室 内 外无缝定位要求，需利用 网灵活设置的特性来 改善定位卫星的几何布局，使定位卫星的 值 足够小。在实际操作中，网 点的布置需满 足以下条件：）当定位卫星都位于同一纬度时，系统 的几何分布很差，值极大。因此，在设计 网增强系统时，应使 网 点处在不同的纬度 上；）用 户 的 纬 度 坐 标 须 介 于 两 个 网 点 间，否则会因为用户到两个 网 点的视线方 向基本相同而导致几何精度衰减因子极大。 本文研究表明，在由多颗卫星组成的卫 星星座 中增设伪 卫 星 后，在 同 等 条 件 下，可 改 善 其 值，即系统的导航性能。在精密测量中，高度角低于°的导航卫星通常要舍弃，这从一定程度上造成了 垂直精度的损失。而利用伪卫星可布设于低高度 角地区的特点，则可有效降低整个系统的 值。 .2定位结果分析 对于定位系统的性能可用两个指标衡量：精 度 和可用性，其中可用性是指成功定位的概率，精度可 定义水平误差、垂向误差 可用性分析定位系统的可用性是无缝定 位方案中重要的考核指标，图表示单独采用 、单独采用 以及采用 和 网组合的定 位可用 性。 本 次 试 验 环 境 下，单 独 采 用 定 位 时，在室外，单独定位成功概率为，单 独定位的成功概率达，而 和 网组合 定位系统的定位成功概率可达。本试验选择 了已知的 环境，如 环境未知，其成功定位 概率将降低，因 未 知 环 境 下 需 要 更 多 的 点 来 实 现位置解算。在室内外交界处室外环境受遮挡的情 况下，单独定位的成功概率降为 ，单 独定位的成 功 概 率 却 提 高 至 ， 和 网 组合定位系统的成功定位概率为。同样，在室 内外交界处的室内环境，单独定位的成功概率 再次 降 低 为 ，单独定位的成功概率为 ，和 网组合定位系统的成功定位概率 为。在室内环境下，由于接收卫星数小 于而无法实现定位，采用 单独定位却可实现 的成功概率，而 和 网的组合定位，由 于接 收 不 到 卫 星 信 号，其成功定位概 率即为 单独定位的成功概率。通过以上数值分析可明显看出，相对于 单 独定位，和 网的组合定位系统其可用性大 大提高。同时，相对于 单独定位，其可用性也 有一定程度的提高。需要指出的是，本 文 提 到 的 可 用性是在试验环境下得到，实际定位中，由于 点 不同，接收模块不同，模块天线阵列不同，都会影响组合定位系统的可用性及定位精度。 3.2.2定位精度分析 在本文的无缝定位方法中，囊括了 有 信 号 无 信 号、有 信 号 但 无法单独定位、有信号且 可以单独定位以及仅有 网信号等情况。为了验证方法 的有效性，选择了在城市室外环境、室内外交界处以 及室内等环境下进行试验，并对提出的定位模式和 方法进行了验证，同时与 单独定位以及无 信号情况下 单独定位对比，结果表明，组合定 位方法有效可行。 图为在 网辅助 定位方 法 中，垂 向 定位误差随着可见卫星数的变化情况。从 图 可 知，移动节点单独采用 进行定位时，随着 可 用 卫星数的增加，定位误差在减小，最终为 的 系 统定位误 差。从 图 还 可 得 知，采 用 和 网组合定位时，当 网 点 个 数 不 变，观 测 到 卫星数增加时，垂向误差反而越来越大，但总体垂向 误差小于 单 独 采 用 时 的 误 差。对 于 垂 向 误 差 随着观测卫星数增加而变大，可能的原因是在 观测定位中，高度角低于°的予以滤除，故 卫 星在高程上的定位精度稍低于 网的。此外，图 和预想有些差别，即误差曲线并不十分平滑，原因 可能是数据量少，仅有个数据点。 结论 GPS和WIFI定位各有优缺点，本文在研究GPS定位原理以及WIFI定位原理的基础上，提出了可以在无GPS信号、GPS卫星数目小于、GPS卫星数目大于但GDOP值不满足定位以及GPS定位环境良好等情况下均可实现无缝定位方案，最终达到室内外无缝定位的目标。试验结果表明，与传统的GPS定位相比，该算法增加了定位的适用范围，可以实现无GPS、少于颗可用卫星以及GDOP值不满足定位情况下的定位。与单独WIFI网络定位算法相比，该算法可以提高定位精度。此外，为了获得更好的定位性能，也可将AGPS嵌入混合定位系统中。