江聰世,劉佳興

(1.武漢大學(xué) 遙感信息工程學(xué)院,湖北 武漢 430072;2.地理空間信息與數(shù)字技術(shù)國家測繪地理信息局工程技術(shù)研究中心,湖北 武漢 430079)

0 引 言

智能終端隨著科技的發(fā)展和人們生活水平的提高逐漸得到普及,基于位置的服務(wù)(LBS)也迅速發(fā)展并呈現(xiàn)出廣闊的前景.借助衛(wèi)星和基站,利用智能手機(jī)進(jìn)行定位和導(dǎo)航極大地方便了我們的日常生活,但在室內(nèi)區(qū)域內(nèi),受限于建筑物對信號的遮擋、在室內(nèi)區(qū)域內(nèi)信號的多徑效應(yīng)和信號的非視距傳播方式等原因,傳統(tǒng)的定位手段如基于CELL-ID和衛(wèi)星的定位方式存在著信號差、定位不準(zhǔn)確等缺陷,無法滿足室內(nèi)定位在定位精度和響應(yīng)時間等方面的需求.在室內(nèi)定位技術(shù)的研究上,WIFI、藍(lán)牙和紅外線等技術(shù)的研究是當(dāng)今的熱點之一,然而這些定位技術(shù)都需要事先布設(shè)足夠多的基礎(chǔ)設(shè)施,不利于技術(shù)在實際應(yīng)用上的推廣,其中WIFI熱點(AP)盡管廣泛的布置于室內(nèi)建筑中,但WIFI信號的精度受信號衰減、人體阻擋和多徑效應(yīng)等的影響,精度受到了限制.地球表面空間分布有天然的地球磁場,而在室內(nèi)區(qū)域內(nèi),受鋼筋混泥土墻體和建筑物本身結(jié)構(gòu)對磁場的干擾,局部室內(nèi)區(qū)域的地磁場呈現(xiàn)出獨特的分布,這使得在室內(nèi)區(qū)域利用地磁場信息作為位置指紋進(jìn)行定位成為了可能,借助智能手機(jī)上裝載的多種傳感器預(yù)先采集信號信息,能夠在無需另外架設(shè)設(shè)備的情況下即可實現(xiàn)室內(nèi)定位.

在室內(nèi)地磁定位的研究中,利用智能手機(jī)實現(xiàn)定位的研究較少,主要還是集中在地磁匹配算法及其仿真研究上,如謝仕民等人研究了以平均絕對差、平均平方差、歸一化積相關(guān)和Hausdorff距離等幾種原理的匹配方法,并在MATLAB上通過仿真實驗進(jìn)行對比和比較,最終結(jié)果顯示平均絕對差和平均平方差的方法要優(yōu)于其他方法[1];Subbu在地磁信號的分類特征的基礎(chǔ)上提出一種結(jié)合地磁和PDR方法的LocateMe系統(tǒng),通過動態(tài)時間規(guī)劃的方法來解決用戶行走速度的變化[2];熊明亮等設(shè)計了基于地磁的室內(nèi)定位系統(tǒng),在粒子濾波的重采樣過程中通過復(fù)制重要粒子以及重新采樣低權(quán)值粒子提高了定位的性能[3].而近些年來,隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展,利用智能終端實現(xiàn)地磁定位的研究開始得到重視,芬蘭奧盧大學(xué)(Universityof Oulu)的一個研究團(tuán)隊開發(fā)了基于地磁的室內(nèi)地圖應(yīng)用InDoorAtlas[4];姜浩等人提出基于Hausdorff距離的地磁匹配的算法[5].黃鶴等人以Arduino Mega 2560 板為基礎(chǔ)設(shè)計了一套采集地磁數(shù)據(jù)的移動平臺,采用了克里金地磁圖數(shù)據(jù)差值算法輸出2cm間隔大小的柵格地磁圖作為定位基準(zhǔn)圖[5].另外,關(guān)于通過混合多種定位方法來實現(xiàn)更高精度定位的研究也逐漸得到關(guān)注,宋鏢等人使用慣導(dǎo)技術(shù)作為地磁定位的輔助手段,通過組合定位方式顯著提高了匹配效率,通過實驗驗證,其定位精度達(dá)到了1 m[6];Shu等提出Magicol室內(nèi)定位和跟蹤系統(tǒng),通過設(shè)計一種雙向的粒子濾波算法來提高精度,并使用動態(tài)WIFI掃描策略以節(jié)省開銷,實驗證實混合WIFI信號后能有效提升定位精度[7];Han-Sol Kim和Mei Zhang 都利用地磁場和粒子濾波實現(xiàn)室內(nèi)導(dǎo)航和定位[8-9],其中Han-Sol Kim等通過機(jī)器人進(jìn)行實驗證實了粒子濾波有效的提高了定位精度,Mei Zhang則借助WIFI信號縮小了初始定位范圍,并在Android手機(jī)上實現(xiàn)了應(yīng)用進(jìn)行實驗.

本文提出了實現(xiàn)室內(nèi)定位的基本步驟和實現(xiàn)流程,設(shè)計的定位系統(tǒng)包括服務(wù)器端和部署在Android手機(jī)上的移動端兩個部分,以室內(nèi)地磁場信息為基礎(chǔ)提出了兩種構(gòu)建位置指紋的方式,并設(shè)計了相應(yīng)的匹配算法,并將待定位區(qū)域以網(wǎng)格的形式劃分,以每個劃分的網(wǎng)格為基準(zhǔn)采集地磁信息和確定位置.最后通過實驗驗證了系統(tǒng)的有效性,并分析比較了兩種位置指紋各自的特點.

1 定位原理和定位系統(tǒng)的設(shè)計

地球表面不同區(qū)域的地磁場是不同的,這種不同在較小區(qū)域如室內(nèi)也具有相同的特性.這種差異性代表著不同區(qū)域具有各自區(qū)別于其它區(qū)域的地磁場特征,利用該特征,通過智能手機(jī)采集每一個位置獨特的地磁數(shù)據(jù),把這一特征作為指紋實現(xiàn)室內(nèi)定位功能.室內(nèi)地磁定位算法實質(zhì)是數(shù)字地磁匹配,這種通過度量測量序列和基準(zhǔn)圖中任意子圖相關(guān)性程度來實現(xiàn)的方法稱作相關(guān)分析方法[10].可以把實現(xiàn)室內(nèi)定位的過程分為離線訓(xùn)練和在線匹配兩個階段,具體過程如圖1所示.

離線訓(xùn)練階段的主要內(nèi)容為生成位置指紋圖.為此需要在指定區(qū)域內(nèi)采集地磁信號,記錄下不同位置處獨特的地磁信號,不同位置處的地磁信息就像每個人獨特的指紋信息,離線訓(xùn)練階段需要采集室內(nèi)地磁數(shù)據(jù)并建立位置信息和地磁信號間的關(guān)聯(lián),從而利用對地磁信號的匹配來確定在室內(nèi)的位置.由于受采集時的設(shè)備形態(tài)、測量誤差等帶來的影響,通過多次的測量和濾波算法、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等預(yù)處理來提高數(shù)據(jù)的精度.

在得到位置指紋圖的基礎(chǔ)上,在線定位階段實現(xiàn)定位功能.為此需要設(shè)計合適的匹配算法,對于移動設(shè)備實時采集的信息,通過匹配算法和位置指紋圖中的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配計算,找出匹配度最高的點作為定位結(jié)果返回.

而室內(nèi)地磁定位系統(tǒng)可以分為采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、定位模塊和通信模塊幾個部分構(gòu)成,其示意圖如圖2所示.

采集模塊在預(yù)采集和定位時通過智能手機(jī)采集當(dāng)前位置下地磁傳感器讀數(shù)等信息;數(shù)據(jù)處理模塊則負(fù)責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,并生成地磁指紋圖;定位運(yùn)算模塊則在接收到智能手機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后進(jìn)行匹配運(yùn)算,得到的定位結(jié)果并返回;而通信模塊主要是前后端之間的數(shù)據(jù)的通信,包括智能手機(jī)傳輸采集到的地磁信息和服務(wù)器端返回定位的結(jié)果.

定位系統(tǒng)的流程如圖3所示,移動設(shè)備分兩步采集數(shù)據(jù),一是收集室內(nèi)的地磁分布信息,構(gòu)建位置指紋圖,二是記錄實時的地磁信息用于定位匹配;借助濾波算法和匹配算法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和地磁匹配,并在智能手機(jī)上顯示定位結(jié)果.

2 位置指紋和算法的設(shè)計

室內(nèi)地磁定位系統(tǒng)的涉及兩個方面,一是如何建立手機(jī)采集的信號信息和室內(nèi)不同位置間的聯(lián)系,即確定利用哪些信息來構(gòu)建區(qū)域的位置指紋圖;二是如何進(jìn)行數(shù)據(jù)的匹配,即度量地磁數(shù)據(jù)間的相關(guān)度的算法.設(shè)計合適的位置指紋是實現(xiàn)定位的基礎(chǔ),合適的定位算法則有助于提高定位精度和準(zhǔn)確度并減少定位的時間.

2.1 位置指紋設(shè)計

室內(nèi)的地磁信號雖然有著良好的區(qū)分度,磁通門磁力計也具有高分辨率和良好的魯棒性[11],但手機(jī)上的地磁信號讀數(shù)是以手機(jī)坐標(biāo)系為基準(zhǔn)的,Android智能手機(jī)的手機(jī)坐標(biāo)系如圖4所示,其x軸指向手機(jī)屏幕的右方,y軸指向手機(jī)屏幕的正上方,而z軸垂直于手機(jī)屏幕,指向手機(jī)屏幕之外[12],手機(jī)坐標(biāo)系與地面坐標(biāo)系.手機(jī)坐標(biāo)系不受設(shè)備的運(yùn)動或轉(zhuǎn)動的影響,坐標(biāo)系的改變跟隨著手機(jī)姿態(tài)的變化.

智能手機(jī)上的地磁傳感器利用的是霍爾效應(yīng),地磁傳感器產(chǎn)生的電壓受傳感器三個軸上的磁場強(qiáng)度和極性影響,將電壓轉(zhuǎn)換數(shù)字信號來表示三個方向上的磁場強(qiáng)度.智能手機(jī)中的地磁傳感器被封裝在一個小型電子芯片中,傳感器的數(shù)值是基于智能手機(jī)的三軸坐標(biāo)系來表示的.隨著手機(jī)的翻轉(zhuǎn)、移動、傾斜等變化,手機(jī)坐標(biāo)系相對于地面坐標(biāo)系發(fā)生了改變,地磁傳感器的數(shù)值也隨著手機(jī)坐標(biāo)系變化.這使得在同一位置上,智能手機(jī)不同的姿態(tài)對應(yīng)著不同的地磁傳感器信息,這為地磁定位帶來了困擾.為此我們在進(jìn)行定位和數(shù)據(jù)采集時盡量使手機(jī)保持水平的狀態(tài)以減少姿態(tài)所帶來的影響.在位置指紋的設(shè)計上,也需要考慮到如何減小這一因素對定位帶來的影響,為此設(shè)計了兩種不同的處理方法.

2.1.1 水平化位置指紋

在記錄下地磁數(shù)據(jù)的同時記錄下陀螺儀的信息,Android系統(tǒng)中陀螺儀的讀數(shù)正代表著手機(jī)相較水平面的偏轉(zhuǎn)[13],而地磁傳感器采集到的數(shù)據(jù)是以手機(jī)坐標(biāo)系為基準(zhǔn)的,借助陀螺儀得到的手機(jī)偏轉(zhuǎn)信息,將地磁數(shù)據(jù)投影到水平坐標(biāo)系,即將地磁信息由圖4右所示的手機(jī)坐標(biāo)系投影到圖4左的地球坐標(biāo)系的x軸和y軸所在平面,而分解后x軸和y軸的數(shù)值是原始數(shù)據(jù)在其上投影的和,水平化的步驟如下:

設(shè)地磁傳感器采集的原始數(shù)據(jù)分別為Magx、Magy、Magz,陀螺儀采集的數(shù)據(jù)為Dirx、Diry、Dirz.

sinDirz×sinDirx×sinDiry),

(1)

(2)

sinDirz×sinDirx×cosDiry)

(3)

(4)

在y軸方向上的地磁分量My

cosDiry)-cosDirz×sinDirx×

sinDiry),

(5)

(6)

(cosDirz×sinDirx×cosDiry)),

(7)

(8)

通過以上處理后,每一個位置處得到形式為(Mx,My)的一條數(shù)據(jù),所有位置數(shù)據(jù)的集合作為定位的地磁指紋圖供后續(xù)定位使用.

這種處理方法每個位置只需存儲一條數(shù)據(jù),且位置指紋不依賴于手機(jī)在這個位置處的偏轉(zhuǎn)和朝向,當(dāng)然,在將原本傳感器采集的三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成二維數(shù)據(jù),在加快了定位計算速度的同時也降低了數(shù)據(jù)的區(qū)分度.而且經(jīng)試驗,陀螺儀采集的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度還不足以準(zhǔn)確的反應(yīng)出手機(jī)的實際形態(tài),這使得上述計算中用到的各個方向角信息不夠準(zhǔn)確,使經(jīng)過綜合處理后的位置指紋有著較大的誤差.

2.1.2 方向和地磁的混合位置指紋

進(jìn)行水平轉(zhuǎn)換的處理會降低原有地磁數(shù)據(jù)的辨識度,且這樣處理的位置指紋要求準(zhǔn)確的得到手機(jī)的姿態(tài)信息,這為位置指紋的搭建帶來了困擾.我們在要求定位時智能手機(jī)保持相對地面水平的前提下,可以只考慮手機(jī)的朝向,即方向,這樣一來,在一個位置上,智能手機(jī)只存在著方向上的差異,通過預(yù)先收集手機(jī)在每一個方向上地磁傳感器的讀數(shù),記錄下每一個位置上智能手機(jī)在各個方向上的地磁信息.智能手機(jī)方向的判定可以通過方向傳感器實現(xiàn),這樣一種方向信息和地磁信息相結(jié)合的定位方法,包括了智能手機(jī)在一個位置上地磁數(shù)據(jù)的多種可能,能夠有效的減少手機(jī)姿態(tài)變化對地磁傳感器讀數(shù)的影響.

位置指紋以如下的形式構(gòu)建,在每一個位置的數(shù)據(jù),都以如下形式存儲:

(9)

其中，i代表在這一位置采集的數(shù)據(jù)的條數(shù).

這種處理方法在完整保存原始地磁數(shù)據(jù)的同時又能夠結(jié)合手機(jī)的方向信息做判斷,在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時,在每個位置,持智能手機(jī)繞原地旋轉(zhuǎn)一周,記錄下手機(jī)在不同方向時的地磁場信息,在進(jìn)行定位計算時,通過調(diào)節(jié)方向信息和地磁信息的權(quán)重值達(dá)到最好效果.這種方法的缺點在于在每一個位置都需要繞原地一圈,采集不同方向的地磁數(shù)據(jù),在室內(nèi)區(qū)域較大,需要采集的點夠多的時候,需要更長的時間來收集室內(nèi)的地磁場分布信息,也增加了匹配計算的數(shù)據(jù)量.此外,實際的采集過程中,如果是由人來操作,在旋轉(zhuǎn)的過程中比較難把握住手機(jī)方向的細(xì)微變化.

2.2 算法設(shè)計

地磁匹配實質(zhì)上就是利用已經(jīng)建立的地磁矢量信息與實時采集的某點的地磁特征信息按照一定的、人為規(guī)定的方法與準(zhǔn)則進(jìn)行比較,計算出兩者之間的相似度或相關(guān)性,從而找出位置指紋中和待定位數(shù)據(jù)匹配度最高的點.本文中的匹配算法以歐式距離為基礎(chǔ),針對兩種位置指紋的特點設(shè)計了兩種匹配方法.

2.2.1 最鄰近法

最鄰近法是一種簡單而又直接的匹配方法,適用于多種位置指紋.鄰近算法也可以看作是k最鄰近法(KNN)的一種特殊情況,假定待計算的數(shù)值能夠用歐式空間里的點來表示,根據(jù)最優(yōu)解判斷準(zhǔn)則,選擇歐式空間,即歐幾里德空間中和待匹配點之間距離最近的點作為結(jié)果.最鄰近法中計算主要以歐幾里德度量為標(biāo)準(zhǔn),即歐式距離,是一種通用的定義距離的方法,能夠代表某一確定維度中所處的兩個點的實際的距離.最鄰近法通過歐式距離來進(jìn)行衡量,是一種確定性的匹配.

針對進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)格式為(Mx,My)的位置指紋,位置指紋數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)可以表示為

(10)

式中，n代表地磁矢量圖中點的總數(shù)

計算待定位數(shù)據(jù)和地磁矢量圖中每個矢量間的歐式距離Li:

(11)

找出Lmin=min{Li}.此時Lmin對應(yīng)的點作為定位的結(jié)果.

2.2.2 范圍搜尋定位算法

對于結(jié)合了方向和地磁數(shù)據(jù)的位置指紋,地磁矢量圖存儲的數(shù)據(jù)可以表示為

(12)

式中：m代表地磁矢量圖中點的總數(shù)；n為整個位置指紋數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的條數(shù)，一個位置信息Lock代表這m個點中的一個,它對應(yīng)著方向信息Ori和地磁信息Mx,My,Mz不同的多條數(shù)據(jù).

由于引入了手機(jī)的方向信息,而在同一個位置,手機(jī)的方向也會影響地磁傳感器的讀數(shù),因而先由手機(jī)當(dāng)前的方向信息從位置指紋庫中篩選出方向相近的數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)是每一個位置相同方向上的地磁傳感器數(shù)據(jù),再以歐式距離為基礎(chǔ)計算待定位數(shù)據(jù)和這些數(shù)據(jù)間的相關(guān)性.

|Ori0-Orii|>λ(其中λ為預(yù)先設(shè)定的閾值,i為從1到n的整數(shù))

則從這次定位計算的位置指紋數(shù)據(jù)集中剔除該條數(shù)據(jù).

對于篩選后的數(shù)據(jù)集,計算待定位數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)集中的每一組數(shù)據(jù)的歐式距離:

Li=

(13)

找出Lmin=min{Li}.此時Lmin對應(yīng)的點作為定位的結(jié)果.

3 實 驗

3.1 實驗設(shè)計

為了驗證本文提出的地磁數(shù)據(jù)處理算法和地磁定位算法的性能,設(shè)計實驗進(jìn)行全面的評估.實驗地點選擇武漢大學(xué)信息學(xué)部圖書館三樓的社會科學(xué)圖書借閱區(qū),如圖5所示.因圖書館有精確的平面圖,能準(zhǔn)確獲取每個館室的長寬信息,利于精確計算定位的精度,且圖書館整齊擺放的書架為選取定位參考點提供了便利.

圖5中,確定了定位區(qū)域后,將大小為約為100 m2的區(qū)域劃分成11×8的網(wǎng)格,網(wǎng)格間的間隔約為1 m,這也代表著定位結(jié)果能夠達(dá)到的最高區(qū)分度.在每個網(wǎng)格的中心處采集數(shù)據(jù),采集時手機(jī)盡量保持水平.

由于定位方法的不同,在每個網(wǎng)格處需要用不同的兩種方式來采集信息.對于由水平化處理生成的指紋,智能手機(jī)在同一位置處多次采集信息;對于結(jié)合了方向和地磁的混合指紋,在采集數(shù)據(jù)時,在網(wǎng)格中心處握著智能手機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈,在旋轉(zhuǎn)的過程中記錄下數(shù)據(jù),得到了在每一個位置,手機(jī)指向不同的方向時地磁傳感器的數(shù)值.采集的過程和采集得到的數(shù)據(jù)如圖6所示.采集完所有位置的傳感器數(shù)據(jù)后,使用個人電腦架設(shè)服務(wù)器,將地磁指紋圖存儲在服務(wù)器端,由服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理.

由于外界環(huán)境的影響、傳感器自身的誤差和移動設(shè)備的影響,地磁數(shù)據(jù)中摻雜噪聲信號,濾波算法用以剔除或減少數(shù)據(jù)中的干擾量,如移動設(shè)備在實際采集數(shù)據(jù)的過程中由于狀態(tài)不穩(wěn)定如突然的抖動和傾斜,地磁數(shù)據(jù)指紋中可能會出現(xiàn)波動過大的點,這會影響定位的準(zhǔn)確度和精度.差值濾波算法用以剔除地磁數(shù)據(jù)中的異常點.此外,使用中值濾波對信號數(shù)據(jù)作平滑處理,中值濾波的理論是基于排序理論基礎(chǔ)的,它將一連串連續(xù)信號的信號值用鄰域內(nèi)所有信號值的中值來替代.這樣混雜在信號量中的隨機(jī)脈沖噪聲所帶來的影響就會大大降低,所以采用中值濾波,能在很好的保護(hù)原始信號值的情況,又能很好的消除隨機(jī)脈沖噪聲的干擾.

在對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理后,存儲的原始數(shù)據(jù)如圖7所示,針對不同的位置指紋采取不同的構(gòu)建方法,從處理后的數(shù)據(jù)中提取出不同的信息.

對于前一種二維位置指紋,從數(shù)據(jù)中提取出方向傳感器和地磁傳感器的數(shù)值,通過式(1)到式(8)所示的處理方法進(jìn)行水平化,對于每一個網(wǎng)格,都得到了一條形式為(Mx,My)的數(shù)據(jù)代表這一個網(wǎng)格的地磁信息,所有網(wǎng)格處數(shù)據(jù)的集合構(gòu)成了由水平化處理方法生成的位置指紋.

對于混合方向和地磁信息的位置指紋,對每一條采集的數(shù)據(jù),提取出采集的位置點信息、采集時手機(jī)的方向信息和地磁傳感器三個軸的數(shù)值,提出得到的數(shù)據(jù)以式(12)所示的形式,將這些存儲在服務(wù)器端.

在完成了上述步驟,也就是離線訓(xùn)練階段后,得到了代表一個室內(nèi)區(qū)域內(nèi)地磁場分布的數(shù)據(jù)集,數(shù)據(jù)集中的每一條數(shù)據(jù)都代表著室內(nèi)某一位置的地磁信息,例如對應(yīng)方向和地磁混合的位置指紋的數(shù)據(jù)集,其中的每一條數(shù)據(jù)存儲的是室內(nèi)某一位置上手機(jī)在某一個方向上的地磁場信息.利用這些信息,在室內(nèi)定位階段,通過實時的地磁信息和預(yù)先存儲的地磁信息之間的匹配來實現(xiàn)定位.

3.2 地磁室內(nèi)定位實驗

智能手機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器建立連接.在預(yù)先采集并制作了地磁指紋圖的室內(nèi)區(qū)域,手持安裝地磁定位程序的智能手機(jī),在任意位置點擊移動設(shè)備上的定位按鈕進(jìn)行定位,移動設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器,服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計算后,將定位的結(jié)果返回給移動端,兩種位置指紋進(jìn)行定位時智能手機(jī)的顯示如圖8所示.記錄下服務(wù)器端返回的定位結(jié)果和當(dāng)前實際所處位置.

圖8定位頁面及定位結(jié)果的顯示在這一區(qū)域內(nèi)進(jìn)行足夠多次的定位實驗,定位結(jié)果的統(tǒng)計如表1所示.其中,定位的準(zhǔn)確率是實驗過程中定位結(jié)果和實際所在的位置相一致的次數(shù)和定位總次數(shù)間的比率,定位的精度是定位所劃分的網(wǎng)格相鄰中心點間的距離,定位的計算時間指服務(wù)器接受到智能手機(jī)傳來的數(shù)據(jù)到計算出定位結(jié)果的時間,而網(wǎng)絡(luò)傳輸時間由智能手機(jī)端發(fā)送數(shù)據(jù)到接收到服務(wù)器返回的結(jié)果的時間間隔減去定位計算時間得到.

表1 地磁定位實驗的結(jié)果

從定位結(jié)果表中可以看出,兩種位置指紋都成功的借助地磁數(shù)據(jù)實現(xiàn)了室內(nèi)定位,而在網(wǎng)絡(luò)良好的情況下定位的速度也能滿足實時性的要求.結(jié)果顯示,水平化處理方法的定位準(zhǔn)確率并不高,只有64%,這一方面是這種水平化的處理方法抹去了原始數(shù)據(jù)中的很多差異化信息,降低了位置指紋的區(qū)分度,此外手機(jī)形態(tài)的變化是由陀螺儀得到的,雖然陀螺儀能夠很好的反映出手機(jī)變化的趨勢,但并不能非常準(zhǔn)確的代表智能手機(jī)當(dāng)前的形態(tài),這使得計算時用到的陀螺儀的數(shù)據(jù)信息原本就有較大的誤差.

對于方向與地磁混合的位置指紋的定位結(jié)果,86%的定位準(zhǔn)確率已經(jīng)能夠滿足室內(nèi)定位的實際需求了,進(jìn)一步分析每次定位時實際進(jìn)行定位的位置在劃分的網(wǎng)格中的相對位置,在這50次定位實驗中,有11條是在靠近網(wǎng)格中心處進(jìn)行的,有12條是在靠近網(wǎng)格邊緣處進(jìn)行的,有27條是在二者之間的區(qū)域.處于不同相對位置的定位準(zhǔn)確率如表2所示.

表2 相對網(wǎng)格不同位置的定位結(jié)果表

可以看到定位時若處于網(wǎng)格中心區(qū)域,其定位的準(zhǔn)確率高于處于網(wǎng)格間邊緣處的準(zhǔn)確率,即越靠近預(yù)先采集數(shù)據(jù)的位置,定位的準(zhǔn)確率越高.這說明將區(qū)域劃分成網(wǎng)格的位置指紋生成法,雖然減少了需要采集的數(shù)據(jù),簡化了地磁指紋生成的流程,但網(wǎng)格中心處的數(shù)據(jù)無法準(zhǔn)確的反映網(wǎng)格邊緣處的信息.

4 結(jié)束語

實驗結(jié)果證實了地磁定位系統(tǒng)的可行性,也驗證了本文提出的地磁定位算法和數(shù)據(jù)處理算法的效果,特別結(jié)合方向和地磁信息的定位方法.通過預(yù)先采集區(qū)域內(nèi)的信息建立位置指紋圖,移動設(shè)備通過采集實時的信息進(jìn)行匹配,能夠獲得當(dāng)前所在的位置.在衛(wèi)星定位或基站定位等方式受限的區(qū)域能作為一種很好的代替手段,同時也使得室內(nèi)定位技術(shù)有了更多的實現(xiàn)手段.本文提出的是以地磁信號為基礎(chǔ)的定位方式,如果能進(jìn)一步優(yōu)化位置指紋的設(shè)計,例如結(jié)合室內(nèi)定位的其他熱點技術(shù)如基于WIFI、RFID和藍(lán)牙等的定位方式進(jìn)行混合定位,綜合各自的特點,能有效提高定位精度,推動實際應(yīng)用的發(fā)展.