基于射频音频信号的智能手机多源混合定位方法研究

郭光毅

武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北 武汉 430079

随着无线通讯网络技术、传感器技术的飞速发展，智能手机作为一种高度普及的移动计算平台为人们提供了无可替代的便捷。高精度高可用的室内定位技术作为室内位置服务的基石，是打通室内外无缝位置服务的关键技术。论文在不改变、不增加智能手机硬件的前提下，围绕对音频定位、射频定位(Wi-Fi、BLE)、PDR定位算法的优化展开，提高单一的定位技术的精度和稳定性；搭建一个可接入多源异构量测的自适应的紧组合多源信号融合平台，主要研究内容如下：

(1)提出了一种基于多传感器的智能手机握持姿势识别方法，基于101位测试人员的样本数据，提取多源传感器数据中隐含的运动模式以及环境信息特征，结合模式识别算法显著提高了识别精度。此基础上，提出了一种顾及握持姿势的自适应脚步检测算法，优化了PDR算法中脚步检测的适应性，在不同握持姿势下平均精度可达到99.68%。在步速估计方面，提出了一种顾及实时握持姿势的行人速度估计算法，在不同握持姿势的平均绝对速度误差为0.061 m/s，改善了行人速度检测的精度及普适性。

(2)提出了一种基于Wi-Fi RTT-RSS混合的距离估计算法，基于时钟模型给出了RTT时间测量误差分布，提出了由网卡硬件和固件造成MAC处理延迟的校准方案，提高了基于RTT距离估计的精度。提出的混合距离估计的策略，提升了FTM协议响应处理并发请求的能力，优化了距离估计的稳健性和可用性。

(3)提出了一种基于射频信号虚拟观测的建筑物朝向约束定位方法，充分利用走廊朝向和无线射频信标设备布设位置的先验知识构建虚拟基站，将走廊双向通行且两侧不可达这一非线性特征转化到虚拟基站观测，在观测量层面对定位结果进行了约束，强化了走廊定位时的方向信息；同时也弥补了走廊环境线性布设的缺点，优化了走廊环境观测量的几何分布。有效地提高了走廊环境下定位精度，减少了“穿墙”的现象，提升了定位体验。

(4)提出了一种基于时频分析和优化互相关方法的实时到达时间检测算法，将时频分析技术用于音频信号到达时间检测，有效地提高了室内复杂环境下TOA估计算法的稳健性；利用PDR和音频信号的互补性，实现了音频信号与PDR的紧组合定位方案；给出了基于预测状态的多普勒补偿改正和异步到达时间补偿的方法。改正了TOA估计中，由行人动态移动引入的多普勒时间偏差，补偿了TDOA解算中，由TDMA音频播发架构及行人动态移动引入的位置误差。进一步提升了系统的定位精度及稳定性。

(5)在不改变、增加智能手机硬件的前提下，利用智能手机搭载的声、电、运动传感器，搭建了一个可接入多源异构量测的自适应的紧组合多源信号融合架构，实现了音频信号、Wi-Fi、BLE、PDR的多源组合定位算法。其基本思想是：分别对接入的相对、绝对定位源进行了针对性的优化，提高单一的技术的精度和稳定性，合理利用相互独立观测之间的冗余度，充分发挥各种定位源的互补性；基于室内定位源的先验信息，实时评估当前观测的质量，以此来构建抗差自适应滤波算法，从观测层面和整体系统层面提高定位精度和抗差能力。在粗差攻击测试和终端性能差异测试中，本方法表现保持了良好的精度、可用度和抗差能力。