地磁室內(nèi)定位技術(shù)研究

，,， ，，

(1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)國(guó)土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116； 2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116； 3. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)以其定位精度高、定位速度快、全天候作業(yè)、能夠連續(xù)提供三維地心坐標(biāo)而廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)[1]。然而對(duì)于室內(nèi)場(chǎng)景，由于信號(hào)衰減與遮擋物的影響，GNSS難以滿足室內(nèi)定位需求[2-3]。室內(nèi)定位技術(shù)的研究日益受到重視，近年來(lái)取得了較大進(jìn)展，包括紅外技術(shù)、無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、WiFi等[4]，但這些技術(shù)仍存在定位成本高、精度低、穩(wěn)定性差等諸多問(wèn)題[5]。如何設(shè)計(jì)出高精度、低成本、安全可靠的具有普適性的手機(jī)室內(nèi)定位系統(tǒng)成為室內(nèi)定位技術(shù)研究的重中之重。

地磁定位作為一種新興的室內(nèi)定位方法，借助地球磁場(chǎng)強(qiáng)度在每個(gè)位置的唯一性實(shí)現(xiàn)定位功能[6]，其優(yōu)勢(shì)在于安全可靠、成本低廉、對(duì)環(huán)境要求低等[7-8]，只通過(guò)智能手機(jī)內(nèi)置的地磁傳感器即可實(shí)現(xiàn)定位。在生物界，許多動(dòng)物都是借助地磁場(chǎng)進(jìn)行方向定位和導(dǎo)航[9]。人們受到仿生學(xué)的啟發(fā)，將其應(yīng)用于室內(nèi)場(chǎng)景中，其中較為成功的為芬蘭IndoorAtlas公司，該公司提供的軟件可以進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，經(jīng)測(cè)試，其定位精度可達(dá)2～3 m[10]，但是當(dāng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，該軟件定位精度下降甚至無(wú)法定位。文獻(xiàn)[11]將地磁場(chǎng)定位與SLAM技術(shù)相結(jié)合，用于大型室內(nèi)場(chǎng)景中的定位，其定位精度甚至優(yōu)于視覺(jué)定位，但是該方法計(jì)算量較大，實(shí)時(shí)定位性能較差。文獻(xiàn)[12]利用地磁定位和路標(biāo)約束的方法解決了視力障礙人群的導(dǎo)航問(wèn)題，但是該定位方法需要借助專用的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，不利于推廣。

針對(duì)目前地磁定位存在的諸多缺點(diǎn)，本文提出一種基于智能手機(jī)的室內(nèi)定位方法，通過(guò)快速采集方式建立地磁數(shù)字基準(zhǔn)圖，采用地磁模值序列解決地磁特征不唯一的問(wèn)題，并利用動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整算法(dynamic time warping，DTW)完成地磁指紋匹配，實(shí)現(xiàn)用戶的自定位。

1 地磁定位方法

1.1 地磁定位原理

地磁定位是行進(jìn)中的載體實(shí)時(shí)采集地磁場(chǎng)的特征信息，并將實(shí)時(shí)采集的地磁數(shù)據(jù)與已經(jīng)存儲(chǔ)的地磁基準(zhǔn)圖進(jìn)行比較，根據(jù)相應(yīng)的準(zhǔn)則獲取最佳匹配結(jié)果，實(shí)現(xiàn)載體的自主定位[13]。目前，地磁室內(nèi)定位的研究主要基于地磁模值和三軸磁場(chǎng)強(qiáng)度兩種方式[14]，前者不需要考慮手機(jī)局部坐標(biāo)系與地固坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，但是地磁模值存在不唯一性，單點(diǎn)定位精度不高。如果考慮三軸方向，則需要實(shí)時(shí)計(jì)算手機(jī)的航向角、俯仰角和翻滾角，這些角度的計(jì)算本身就存在誤差，必然會(huì)給試驗(yàn)數(shù)據(jù)帶來(lái)誤差，影響定位精度。因此本試驗(yàn)選取磁場(chǎng)模值作為匹配數(shù)據(jù)，地磁模值可以利用式(1)計(jì)算得到。為了解決磁場(chǎng)模值不唯一性的缺點(diǎn)，本文將局部區(qū)域的地磁模值組合成指紋序列，這樣可以反映地磁場(chǎng)在該區(qū)域的變化情況，具有較好的唯一性，因此本試驗(yàn)選取地磁指紋序列作為匹配的最小單元，圖1為本次試驗(yàn)的地磁定位框架。

(1)

式中，M為任意一點(diǎn)的地磁模值；Mx、My、Mz分別為手機(jī)坐標(biāo)系中的3軸地磁數(shù)據(jù)。

1.2 地磁連續(xù)采集方法

在建立地磁數(shù)字基準(zhǔn)圖時(shí)，需采集試驗(yàn)區(qū)地磁數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的地磁數(shù)據(jù)采集方式為單點(diǎn)采集，即將采集設(shè)備固定在某一位置采集一段時(shí)間，然后計(jì)算平均值作為該點(diǎn)的地磁場(chǎng)強(qiáng)度，再利用插值算法將數(shù)據(jù)的分辨率提高，作為在線階段的基準(zhǔn)圖。這種采集方式可以較準(zhǔn)確地獲取每個(gè)位置的地磁場(chǎng)強(qiáng)度，但是建庫(kù)時(shí)需要消耗大量的時(shí)間和人員工作量，而且當(dāng)試驗(yàn)區(qū)域地磁場(chǎng)受到較大干擾時(shí)，需重新建庫(kù)，不利于數(shù)據(jù)的更新，因此單點(diǎn)采集方式的靈活性較低。

為了解決這一問(wèn)題，本文提出一種快速采集方法，通過(guò)智能手機(jī)內(nèi)置的磁力計(jì)不間斷采集試驗(yàn)區(qū)的地磁數(shù)據(jù)。由于每次采集時(shí)的速度存在差異，導(dǎo)致各數(shù)據(jù)帶長(zhǎng)短不一，因此需要截取相同的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)作為原始數(shù)據(jù)，并根據(jù)采集路線長(zhǎng)度為每個(gè)原始數(shù)據(jù)分配一個(gè)位置。本文采用運(yùn)動(dòng)控制數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的方法去控制分辨率，因此只需要對(duì)走廊X軸方向進(jìn)行插值。這種采集方式較為靈活，可以解決因地磁場(chǎng)的波動(dòng)而引起的數(shù)據(jù)更新問(wèn)題，而且減少了離線階段的建庫(kù)時(shí)間，提高了定位效率。但是需要注意的是，采集時(shí)應(yīng)盡量保持同一速度勻速直線行走，減小因各條帶數(shù)據(jù)量差異過(guò)大引起的位置分配誤差，圖2為快速采集示意圖。

1.3 動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整算法

指紋匹配是地磁定位的關(guān)鍵技術(shù)，用于計(jì)算實(shí)時(shí)采集的地磁序列與地磁數(shù)字基準(zhǔn)圖的相似度。本次試驗(yàn)所采用的匹配算法為動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整算法，該算法是語(yǔ)音識(shí)別中的經(jīng)典算法，用于解決發(fā)音長(zhǎng)短不一的模板匹配問(wèn)題[15]，由于地磁指紋序列在匹配時(shí)存在尺寸差異或非對(duì)稱現(xiàn)象，DTW算法更有效，故選用DTW算法進(jìn)行指紋匹配，地磁匹配過(guò)程中DTW算法的工作流程如圖3所示。其中，m為參考指紋序列的幀數(shù)，n為測(cè)試指紋序列的幀數(shù)。初始時(shí)刻，建立一個(gè)二維直角坐標(biāo)系，將測(cè)試指紋序列的各幀作為橫軸，將參考指紋序列的各幀作為縱軸，匹配時(shí)從原點(diǎn)出發(fā)，由于(i,j)只可能到達(dá)水平格點(diǎn)(i+1,j)、豎直格點(diǎn)(i,j+1)及對(duì)角格點(diǎn)(i+1,j+1)，因此可以得到該幀到下一幀的最短距離，通過(guò)遞推運(yùn)算，將所有的最短距離累加的距離為

D(m,n)=d(m,n)+min[D(m-1,n),

D(m,n-1),D(m-1,n-1)]

(2)

對(duì)地磁數(shù)字基準(zhǔn)圖進(jìn)行加窗分幀處理，獲得N個(gè)不同的參考指紋序列，計(jì)算測(cè)試指紋序列與每個(gè)參考指紋序列的累積距離{Di(m,n),i=1,2,…,N}，累積距離最小的匹配結(jié)果為最佳匹配。

2 試驗(yàn)測(cè)試與分析

為了實(shí)現(xiàn)地磁定位過(guò)程，選擇中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院4層長(zhǎng)60 m、寬2.4 m的走廊進(jìn)行定位測(cè)試，以走廊橫向?yàn)閄軸、縱向?yàn)閅軸建立相對(duì)平面直角坐標(biāo)系，如圖4所示。走廊兩側(cè)墻體主要采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，理論上地磁異?，F(xiàn)象明顯。在本次試驗(yàn)中，選擇單點(diǎn)和連續(xù)兩種采集方式收集試驗(yàn)場(chǎng)的地磁數(shù)據(jù)。單點(diǎn)采集時(shí)，采樣間隔為0.6 m，全區(qū)采樣點(diǎn)數(shù)為300個(gè)，每個(gè)采樣點(diǎn)采集20次地磁數(shù)據(jù)，計(jì)算同一個(gè)位置20次測(cè)量的地磁強(qiáng)度模值的平均值，作為該位置地磁強(qiáng)度值?？焖俨杉瘯r(shí)，試驗(yàn)人員從起點(diǎn)開始勻速行走至終點(diǎn)，手機(jī)朝向與坐標(biāo)系Y軸方向保持一致，并且盡量保持手機(jī)水平放置。手機(jī)采樣頻率可以根據(jù)數(shù)字基準(zhǔn)圖的分辨率和試驗(yàn)人員的行走速度進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)定。由于本次試驗(yàn)數(shù)字基準(zhǔn)圖的分辨率為0.1 m×0.1 m，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)人員在自然狀態(tài)下的平均速度約為1 m/s，因此將手機(jī)采樣頻率設(shè)置為10 Hz可以滿足行走方向上的分辨率要求。采集完成后，將磁場(chǎng)強(qiáng)度模值數(shù)據(jù)均勻地分配到試驗(yàn)區(qū)的每個(gè)位置。

為了實(shí)現(xiàn)上述采集過(guò)程，本文基于Android平臺(tái)設(shè)計(jì)了如圖5所示的數(shù)據(jù)采集界面，其中包括起始位置和終止位置的設(shè)定、數(shù)據(jù)采集和指紋庫(kù)生成按鈕及數(shù)據(jù)顯示等功能。

在建立數(shù)字基準(zhǔn)圖時(shí)，如果只依賴實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，分辨率較低，定位結(jié)果無(wú)法滿足精度要求，因此需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理來(lái)提高分辨率，目前用于建立地磁數(shù)字基準(zhǔn)圖的插值方法主要為克里金插值法，該方法在有限區(qū)域內(nèi)對(duì)區(qū)域化變量進(jìn)行無(wú)偏最優(yōu)估計(jì)。為驗(yàn)證克里金插值算法的可靠性，本文選擇反距離插值、克里金插值及三次樣條插值方法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，所使用的數(shù)據(jù)為單點(diǎn)采集的地磁強(qiáng)度，插值完成后隨機(jī)在線路上選擇20個(gè)測(cè)試點(diǎn)，與實(shí)測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行比較，結(jié)果見表1。

表1 插值算法比較 μT

從表1可以看出，3種插值算法平均誤差相差不大，均在1 μT之內(nèi)，但克里金插值法的平均誤差最小，插值效果最好，考慮地磁數(shù)據(jù)隨著采集設(shè)備的姿態(tài)變化而存在波動(dòng)現(xiàn)象，因此認(rèn)為克里金算法的插值誤差在誤差允許范圍之內(nèi)，故本次試驗(yàn)采用克里金插值算法建立地磁數(shù)字基準(zhǔn)圖。

圖6(a)和圖6(b)分別以單點(diǎn)采集和快速采集的地磁數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用克里金插值算法得到的試驗(yàn)區(qū)域地磁場(chǎng)總強(qiáng)度分布圖，圖中(x,y)坐標(biāo)表示走廊中每個(gè)插值點(diǎn)的位置，z表示每個(gè)位置對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度模值。結(jié)合地磁平面圖7(a)和圖7(b)可以看出，單點(diǎn)采集方式生成的地磁分布圖較為平滑，能夠反映試驗(yàn)區(qū)內(nèi)地磁場(chǎng)的分布情況，相比之下，快速采集方式生成的分布圖較為粗糙，但未出現(xiàn)較大偏差，因此，快速采集方式不會(huì)對(duì)建筑物內(nèi)的地磁場(chǎng)分布造成較大的影響。分析原因可知，單點(diǎn)采集方式要求地磁數(shù)據(jù)與位置點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，保證了在插值過(guò)程中數(shù)據(jù)的精度。而在快速采集方式中，地磁數(shù)據(jù)與位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系存在一定誤差，因此建立的地磁數(shù)字基準(zhǔn)圖精度略低。

為了檢驗(yàn)快速采集方式所建立數(shù)字基準(zhǔn)圖的可靠性，在試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)選擇20個(gè)測(cè)試點(diǎn)，點(diǎn)位覆蓋整個(gè)試驗(yàn)區(qū)，如圖8所示。測(cè)試時(shí)，試驗(yàn)人員手持智能手機(jī)勻速行走至測(cè)試點(diǎn)，截取測(cè)試點(diǎn)之前25個(gè)地磁數(shù)據(jù)作為測(cè)試指紋序列，匹配成功后，以最后一步數(shù)據(jù)作為測(cè)試點(diǎn)的位置。

圖9為單點(diǎn)采集方式和快速采集方式定位誤差對(duì)比圖，可以看出，圖中誤差分布呈現(xiàn)一定規(guī)律性，即在快速采集方式誤差大的地方單點(diǎn)采集方式誤差也相應(yīng)高于其他位置，原因是試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)存在地磁特征不明顯的區(qū)域，導(dǎo)致兩種采集方式都存在較大的匹配誤差。例如測(cè)試點(diǎn)10，該點(diǎn)位于試驗(yàn)場(chǎng)中間位置，從地磁立體分布圖和地磁分布平面圖中均可以看出，該區(qū)域地磁分布較為平緩，不存在較大起伏，容易引起誤匹配現(xiàn)象，因此定位誤差較大。但是從總體來(lái)看，快速采集方式的定位誤差與單點(diǎn)采集方式相差并不大，平均定位精度均在1 m左右，這充分說(shuō)明快速采集方式建立的數(shù)字基準(zhǔn)圖能夠滿足實(shí)時(shí)定位時(shí)的要求，具有較高的可靠性。

兩種采集方式的定位誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2，從表中可以看出，快速采集方式的平均誤差較單點(diǎn)采集方式高0.416 m，標(biāo)準(zhǔn)差高0.276 m，定位精度和穩(wěn)定性均略低于單點(diǎn)采集方式，但是這些差異對(duì)位置服務(wù)的影響不大。就效率而言，快速采集能夠節(jié)約大量時(shí)間，減少人員工作量，解決數(shù)據(jù)更新問(wèn)題，效率遠(yuǎn)高于單點(diǎn)采集。綜合考慮，以少量的誤差換取效率上的大幅提高是值得的，因此，本文方法更有效，在室內(nèi)定位中更具有實(shí)用性。

表2 定位誤差分析 m

3 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)地磁定位中單點(diǎn)采集方式效率低、更新速度慢等缺陷，提出一種指紋快速采集方法。該方法的核心思想為快采快定，即快速采集地磁數(shù)據(jù)，以及快速建立地磁基準(zhǔn)圖，并通過(guò)實(shí)時(shí)采集地磁序列進(jìn)行快速定位，大大提高了定位的效率。經(jīng)測(cè)試，快速采集方式的定位精度為1 m左右，能夠滿足用戶的位置服務(wù)需求，具有較高的實(shí)用價(jià)值。