城市环境下GNSS/WiFi组合定位方法研究

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随着全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)、移动通信技术的发展以及智能终端的加速普及,卫星定位的应用领域不断拓展,应用模式不断创新。在卫星导航应用领域,基于位置的服务(Location Based Service,LBS)占据了GNSS市场大部分的份额,并在城市区域得到广泛应用。LBS的基础是移动终端能够提供不间断的位置信息,这就要求定位不只是局限于户外,必须由室外向室内拓展,覆盖人们经常工作和活动的室内区域,实现无缝定位。  在城市环境下,GNSS信号容易受遮挡且在室内封闭环境中基本无信号,无法保证定位的连续性,这就需要发掘各类可利用的导航定位资源。基于无线保真(Wireless Fidelity, WiFi)的室内定位技术不仅传输距离远、无视距要求,室内定位精度可达米级。而且大部分移动终端都有WiFi模块,无需增加额外硬件,添加定位软件简单易行。与其它使用特定设备的定位技术相比,成本优势十分明显。结合GNSS与WiFi定位的优势,研究基于GNSS和WiFi的组合定位方法,可以为城市环境下的无缝定位提供一种技术解决方案。  本文以城市环境下用户对无缝定位导航的巨大需求为背景,以提高定位系统的准确度、拓展GNSS定位覆盖范围以及降低定位对移动设备的能耗为目标,探索基于个人移动终端的低成本、高精度导航定位解决方案,以满足在城市环境下用户对导航定位精度和连续性的要求。论文的主要工作和创新点如下:  (1)对WiFi信号的传播特征进行了分析,研究了接收信号强度(ReceivedSignal Strength Indicator, RSSI)与接收距离的变化关系、人对RSSI的影响、不同时间段RSSI的概率分布、不同终端的RSSI的差异等内容,根据分析结果制定了合理的RSSI采集方法。  (2)对传播模型法和位置指纹定位两种方式进行了阐述,并对两种定位方式的定位效果进行了比较,确定基于位置指纹的定位方式为城市环境下适宜的室内定位方法。  (3)利用实测数据对NN、KNN、加权KNN(Weighted KNN,WKNN)定位算法进行了分析比较,主要分析了定位参数q和K等对定位性能的影响。试验表明WKNN定位方法精度最高,在引入的参考点数目K大于5时,定位精度可达3米。随着K的增大,定位精度提高并不显著。  (4)提出了基于聚类的WKNN定位方法。从减少定位算法计算量、提高定位效率出发,提出了基于信号强度聚类的WKNN算法。通过实测数据验证表明改进后的WKNN算法可以提高定位精度,在减少了定位计算量的同时,保持了较好的定位精度,提高了WiFi定位系统的性能。  (5)提出了基于联邦卡尔曼滤波的GNSS、WiFi组合定位方法。针对GNSS在城市环境下定位不连续的问题,提出利用子系统互不相关的联邦Kalman滤波来对GNSS、WiFi两个系统的定位信息进行融合的方法。利用实测数据对融合效果进行分析表明该方法定位精度高于单个子系统定位精度,同时将定位范围扩展到室内、室外等任何有WiFi或GPS覆盖的场合,有效解决了GNSS应用范围有限的问题。  (6)以本文研究的定位算法为基础,设计并实现了基于Gmap.net地图控件C/S组合定位原型系统。
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