一种融合空间拓扑关系的室内无线定位方法
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摘 要
针对仅利用无线信号源和其发射信号强度定位的方式丢失待测位置与信号源之间的固有空间关系这一问题，提出了利用已知位置接收信号源发射的无线信号强度测量未知点的低成本室内定位方法。该方法深入分析了待定位点和无线信号源以及信号覆盖范围之间的空间关系，充分利用RCC-8空间关系模型进行无线定位。实验结果表明采用这种融合空间拓扑关系的基于无线信号强度的室内定位方案能够优化定位流程，并在测得位置中反映待测点和信号源之间的相对空间关系。
引用格式
引用格式：牛磊，莫帅，张观宝，等．一种融合空间拓扑关系的室内无线定位方法［Ｊ］．测绘科学，２０１７，４２ （５）：１３６-１４２，１５３．
正文
针对低成本设备的室内无线定位能够快速确定人员或者物体在该空间内的位置，进而为各种基于空间上下文的服务提供数据支撑。在各种室内无线定位方案中，由于可以利用现有无线信号源和接收设备，基于无线接收信号强度的方案具有低成本和快速部署的特点，往往成为可控室内环境的首选定位方案[1-2]。基于无线信号强度的室内定位方案的主流实现方式有两类：① 基于实时定位的方式；②利用先前构建的固定参照点进行定位的方式[3-4]。前者能够根据用户的实际需求，实时定位其在室内空间的位置；而后者只能利用先前所测得的参考点位置，通过间接测量的方式获得用户所在的方位坐标。由于后者缺乏灵活性只在前置条件具备的情况下可用，所以前者是当前定位的主流[5-6]。当前已经出现了使用WiFi、蓝牙、RFID、ZigBee等通信技术在内的多种基于无线信号强度的室内定位方案，这些方案沿袭了目前最为常用的室内三点测量方法[7-9]。
三点测量方法由于利用无线信号强度传播模型来计算距离，因而受到建筑材料和其它介质混杂的影响，导致了其所获得位置存在明显精度问题。要解决这种问题，一种思路是采用更灵敏的无线信号传感器和新的信号测量算法，而另一种思路则是融合包含定位点周边空间关系在内的辅助信息来加快计算速度和提高定位精度[10, 11]。这类辅助信息包含极其重要的空间拓扑关系，而最有效描述该关系的模型是9交拓扑关系模型和RCC-8关系模型。
9交拓扑关系模型（9 intersection topological relationship model）是理解和分析空间拓扑关系最为基本的概念模型[12-14]。它将两个拓扑集合利用内部、边界和外部各分为三个空间范畴，之后将两个对象的空间范畴进行交叉组合，最终得到对于两物体拓扑关系的系统描述。虽然9交拓扑关系模型开创了对于物体空间关系的标准化描述，但是过于简化的关系描述阻碍了其在实际应用中的推广。
RCC-8模型（region connection calculus-8）即8元素区域连接演算模型，是在简化表达后使用8种基本关系对于物体的抽象空间关系进行系统描述的演算模型[15- 16]。这种模型对相近拓扑关系的差异性进行了明确的标示，可以广泛应用到利用空间定性关系的场景之中。
本文通过引入空间拓扑关系来达到优化基于低成本设备的无线信号强度定位方式的目的。首先获得针对若干室内信号源的无线信号强度，根据无线信号传播模型计算得出无线传播距离，然后利用信号源坐标和传播距离确定的定量几何关系推导出基于RCC-8模型的特定空间拓扑关系，最后针对性的进行定位。
本文在深入分析室内空间的基于无线信号强度的低成本定位需求后，将信号源和利用无线信号强度推导的无线传播距离构成的圆结合，形成了一套融合空间拓扑关系的基于低成本设备的室内无线信号强度的定位方法。实验证明，该方法相对于仅考虑无线距离权重的三点定位方法，具有在相近的定位精度下保持待测点与信号源空间拓扑关系特征的能力。简而言之，该法可以在提供精确坐标这种定量关系的同时，保留待测点与周边空间相对关系这一定性关系，因而能够在未来结合空间上下文的诸如室内导航在内的应用中，起到发挥挖掘深层次空间关系和进行空间推理的作用。
当前研究还存在一些不足，需要在以后的工作中加以改进：① 当前测量信号源的数量为3个，只能保证二维平面定位的最低要求。下一步应该考虑引入4个或者更多信号源数量，以达到进行三维坐标定位和校验的作用；②考虑的三圆空间拓扑关系种类不够多，对于某些特殊类型关系存在缺失，需要建立更加完善的空间关系模型； ③ 对于无线信号强度的测量误差应对方法不足，需要引入针对随机信号噪声的处理；④当前考虑的无线信号源只有WiFi发射终端，未来需要引入诸如蓝牙和RFID在内的更多无线信号发射终端类型，以达到进行多源数据相互校验的目的。
2017年（第42卷）第5期
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