一种基于TOA的室内楼层定位方法

摘要

本发明提供了一种基于TOA的室内楼层定位方法，属于定位技术领域，通过控制AP的发射功率，能够根据定位AP所在的楼层号对待求MT所在的楼层位置进行预估计，然后对特定算法求得的MT楼层位置进行修正，实现了待求MT的楼层定位，所采用的定位AP少，降低了系统负担，节约了定位的成本，定位AP的布置简单快速，定位原理简单，且定位准确度高，不用考虑收发机增益的差异，降低了对收发机天线的物理要求，定位复杂度低，不用为待定位的多楼层建筑事先建立数据库，简化了定位的过程，可移植性高，可以和各种不同的平面定位方法相结合实现待定位目标的三维空间定位。

主权项

一种基于TOA的室内楼层定位方法，其特征在于包括下述步骤：步骤1：楼层定位AP布局将楼层地板及天花板所在平面视为与水平面平行，对楼层AP的布局作如下假定：在各楼层天花板的下表面上每间隔不超过20m固定布置一个AP，每个AP的坐标信息均为已知并存储于AP中；位于相邻两楼层天花板的两个AP作为一组参与定位的AP，二者水平距离不超过0.6m，即位于不同楼层的两个AP在同一水平面上的投影点间的距离不超过0.6m；步骤2：AP功率控制调节AP的发射功率，令其发出的无线信号能够覆盖AP所在楼层及其相邻的两个楼层，即保证位于任一楼层的MT它不仅能够检测到本楼层AP发出的无线信号，还能够检测到上一楼层以及下一楼层AP发出的无线信号；在满足上述条件的前提下，使得AP的发射功率尽可能小，以降低无线信号之间的相互干扰；步骤3：TOA数据收集待定位的MT接入到建筑内的无线网络后，接收来自所有AP的无线信号，选出其中信号强度最高即接受信号强度指示(RSSI，Received Signal Strength Indication)值之和最大的一组AP作为本次定位所用的AP(AP₀，AP₁)，并计算这组AP发出的无线信号到达MT所经历的时间(t₀，t₁)；步骤4：楼层预估计根据步骤3所选本次定位AP所在的楼层号对MT所在的楼层位置进行预估计，缩小MT的定位范围，具体包括以下两步：1)确定AP₀、AP₁所在的楼层号分别为F₀、F₁，设F₁>F₀；2)将MT所在的楼层号预估计为AP₀或AP₁所在的楼层号即F₀或F₁；步骤5：MT竖直坐标的求解根据AP0和AP1分别到MT的时间值t₀和t₁，建立球面方程，求得MT的竖直坐标；所属方程由空间中的欧式距离公式建立，方程如下：$\sqrt{{(x_0-x)}^2+{(y_0-y)}^2+{(z_0-z)}^2}=l_0---\left(1\right)$$\sqrt{{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2}=l_1---\left(2\right)$以建筑物一楼的地板所在平面为xoy平面建立空间直角坐标系，其中，(x₀,y₀,z₀)为参与定位的AP₀的坐标，(x₁,y₁,z₁)为参与定位的AP₁的坐标，(x,y,z)为待求MT的坐标，l₀＝c×t₀为AP₀到MT的距离，l₁＝c×t₁为AP₁到MT的距离，其中c为光速；公式(1)和公式(2)的求解过程如下：若公式(1)和公式(2)刻画的两球面相切，则切点的z坐标即为待求MT的竖直坐标；若公式(1)和公式(2)刻画的两球面相交，则其交线为一圆形，可分以下两种情况讨论：1)当AP0，AP1水平面坐标相同时，圆形所在平面上任意一点的z坐标处处相等，故可用该平面上任意一点的z坐标作为待求MT的竖直坐标；2)当AP₀，AP₁水平面坐标不同时，圆形所在平面上z坐标并不是处处相等，在两AP水平面坐标偏差ε≤0.6m的情况下用相交圆的圆心的z坐标代替待求MT的竖直坐标，其中综合1)、2)所述，待求MT的竖直坐标z_⊥具体由下式确定：$z_{\perp }=\frac{(l_0^2-l_1^2)(z_1-z_0)+(z_1+z_0)({(x_1-x_0)}^2+{(y_1-y_0)}^2+{(z_1-z_0)}^2)}{2({(x_1-x_0)}^2+{(y_1-y_0)}^2+{(z_1-z_0)}^2)}---\left(3\right)$步骤6：楼层判断利用已求得的MT的竖直坐标并结合步骤4中的楼层预估计，最终判断出MT的楼层位置，具体判断方法为：1)利用步骤5得到的MT的竖直坐标初步计算其所在的楼层号为F_M，计算方法如下：设每层楼的高度即相邻两楼层地板间距为h，每层楼的夹层厚度即每一楼层的天花板到上一楼层的地板之间的距离为H；①令q＝[z_⊥/h]，r＝z_⊥‑q×h，其中[]为取整运算符；②若r≤h‑H/2，则F_M＝q+1，反之，F_M＝q+2；2)若F_M＝F₀或者F_M＝F₁，则F_M即为MT所在的楼层号；3)若F_M>F₁，则将F_M修正为F₁，F₁即为MT所在的楼层号；4)若F_M<F₀，则将F_M修正为F₀，F₀即为MT所在的楼层号；至此，可获得多楼层环境中MT的楼层定位。