2024年2月8日发(作者：文城)
第５０卷 第２期 ２０２１年２月 ActaGeodaeticaetCartorahicaSinicagp测 绘 学 报Vol．５０,No．２,Februar０２１y２]:引文格式:陈锐志,郭光毅,叶锋,等．智能手机音频信号与MEM测绘学报,S传感器的紧耦合室内定位方法[J．２０２１,５０(２)１４３Ｇ１５２．:/DOI１０．１１９４７j．AGCS．２０２１．２０２００５５１．,,,CHENRuizhiGUOGuaniYEFenetal．TihtlＧcouledinterationofacousticsinalandMEMSsensorsonsmarthonesforgyggypggp[],,()::/indoorpositioninActaGeodaeticaetCartorahicaSinica２０２１５０２１４３Ｇ１５２．DOI１０．１１９４７j．AGCS．２０２１．２０２００５５１．gJ．gp陈锐志,郭光毅,叶 锋,钱 隆,徐诗豪,李 正智能手机音频信号与MEMS传感器的紧耦合室内定位方法武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室,湖北武汉４３００７９TihtlＧcouledinterationofacousticsinalandMEMSsensorsongypggsmarthonesforindoorpositioninpgStateKeaboratorfInformationEnineerinnSurveinMainndRemoteSensinWuhan４３００７９,ChinayLyoggiyg,ppgag,,,CHENRuizhiGUOGuaniYEFenQIANLonXUShihao,LIZhengyg,g,gsolutionwasdeveloedbasedontheacousticranininalandmeasurementsfromotherbuiltＧinsensors．pggsg,FirstatwoＧsteimeofarrival(TOA)estimationmethodbasedonshortＧtimeFouriertransformandptenhancedcrossＧcorrelationisperformedtoachieveanaccurateTOAestimate．Havinbtainedthego,accurateTOAestimatesstudiesonatihtlＧcouledinteratednaviationalorithmbasedonTDOAandgypgggPDRiscarriedout．ThealorithmtakestheadvantaeofthecomlementaritfPDRandacousticraninggpyoggobservablestoeffectivelmrovepositioninccuracnadnamicpositionincenario．Inordertoyipgayiygsevaluatetheperformanceoftheproosedalorithm,fieldtestsforstaticcaseanddnamiccasewerepgy:,AbstractBasedonthebuiltＧinsensorsofasmarthoneatihtlＧcouledinteratedindoorpositioninpgypggimrovementof３８．６６％comaredtotheleastsuaresolutionpurelasedonacousticraninppqybgg,observables．ForthednamictestcaseamethodbasedonpredictedstateofDolercomensationwasyppp,carriedout．Inthestatictestcaseanaveraepositioninccuracf０．２３８mwasachievedwithanggayobeforefeedinothepositioninlorithm．Thetestresultsdemonstratedthatpositioninccuracngtgaggayi,,aliedforDolercorrectionsoftheTDOAobservables．FurthermoreasnchronousTOAcomensationppppyp,whichcausedbthefactthatTOAmeasurementsarenotestimatedinthesameeochwasalsoaliedypppdnamiccaseis０．５１３m．ComaredtothesolutionwithoutalinheDolercorrectionsandtheypppygtpp,asnchronousTOAcomensationstheperformanceisimrovedb７．６４％．Threemobilephones(Huaweiyppy２alorithmisconsistenceinallthreedifferentphones．g:;;;;KeordsindoorlocalizationsmarthoneacousticsinaledestriandeadreckoninmultiＧsourcefusionywpgpg,)w,Mate２０OnePlus６andGoolePixel３ereusedinthefieldtesttheperformanceofthepositioningg:;FoundationsuortTheNationalKeesearchandDevelomentProramofChina(Nos．２０１６YFB０５０２２００ppyRpg;T;T２０１６YFB０５０２２０１)heNationalNaturalScienceFoundationofChina(No．９１６３８２０３)heChina)PostdoctoralScienceFoundation(No．２０２０M６８２４８０摘 要:基于智能手机内置的传感器,开展了音频信号和MEMS传感器的紧组合室内定位研究.首先,将时频分析技术用于音频信号T提出了一种基于短时傅里叶变换和优化互相关方法的两步估OA估计,计方法.之后,研究了一种基于音频T静态测试的平均定位DOA和行人航迹推算的紧组合定位算法,精度为０．相比最小二乘方法提高了３针对动态定位中存在的问题,研究了一种基２３８m,８．６６％.最后,于预测状态的多普勒效应补偿和异步到达时间补偿的方法,改正了T由分时播发架构及DOA估计中,２,相比于未做修正补偿的标准组合算法定位精度提高了２且测试的３款手机(华为０．１０４m７．６４％,)定位性能相当且无明显差异.Mate２０、OnePlus６和GoolePixel３g行人动态移动引入的多普勒时间偏差和位置误差.动态测试的平均定位精度和方差分别为０．５１３m和
１４４Februar０２１Vol．５０No．２AGCSy２:htt∥xb．sinomas．compp关键词:室内定位;智能手机;音频信号;行人航迹推算;多源融合()中图分类号:P２２８ 文献标识码:A 文章编号:１００１Ｇ１５９５２０２１０２Ｇ０１４３Ｇ１０)国博士后科学基金(２０２０M６８２４８０;;基金项目:国家重点研发计划(国家自然科学基金(中２０１６YFB０５０２２００;２０１６YFB０５０２２０１)９１６３８２０３) 高精度高可用的室内定位技术对人们未来的生活起着至关重要的作用,是推动大众创新、万众创业的科技源动力,是支撑新型基础设施建设,乃至国家战略需求的重要组成部分.日前,北斗三号全球卫星导航系统正式开通,在天基、地基增强技术的辅助下,精度已可以满足绝大部分室外定位需求.但由于卫星信号的遮挡、衰减和屏蔽,GNSS定位技术在室内无法提供可靠的位置服务.据统计,人们有７０％~９０％的时间是在室内度过,同时随着城市化的不断加速,室内空间的面积总和飞速增加,基于位置的服务(locationbased１Ｇ２].阔的应用前景和重要的社会价值[力计、运动传感器等.基于智能手机的室内定位技术也多种多样,根据信号物理类型可分为:射频[[３]Ｇ７]Ｇ９]、、)、蜂窝信号[信号(音频信WiFi４BLE８]]１０Ｇ１１]１２Ｇ１３１４]１５Ｇ１６、、、.号[图像[地磁场[运动信号[表１对比了基于智能手机室内定位技术特点及典型精度.不难看出,表１中总结的室内定位技术１７],都有各自的优势以及局限性[单一的定位技术难以做到像室外环境的GNSS一样的普适性.此外,新款智能手机支持的室内定位技术(UWB、)均有着不错的商用推广WiFiRTT、５G、BLE５．１潜质,但到目前为止室内定位技术尚未明了,其主要受制于:绝大部①室内建筑隔绝GNSS信号,分情况下无法定位;定位场②室内环境拓扑复杂,景多样;电信道环境复杂;③室内声、④用户行为复杂多变,运动轨迹难以预测;⑤智能手机的搭载的传感器性能有限.,)的大量需求与应用已经从室外转向serviceLBS了室内.因此,高精度室内定位技术具有非常广随着智能手机飞速发展,其计算能力也越来越强劲,搭载的传感器也越来越丰富,其中可用于室内定位的包括:射频传感器、麦克风、摄像头、磁表１ 基于智能手机的室内定位技术特点及其精度Tab．１ Thecomarisonofindoorpositionintechnoloasedonsmartphonepggyb传感器定位源蜂窝信号精度１~５００m(///２３４５G))３~２０m(RSS射频传感器WiFi１~２m(RTT))＜１m(CSI特点//２３４G定位精度低,５G能够提供高精度定位服务指纹数据库的更新、维护工作繁重,定位性能严重依赖数据库更新频率和精度;基于信号衰减模型的测距极易受到环境的影响;由于手机系统的限制,扫描频率受到严重制约需要配套支持MC协议的W同一时间热点响应个数有限iFi热点,需要制定的网卡,指纹法同依赖指纹库的实时性;基于CSI的测角方法计算量大,容易受到环境影响需布设信标,且布设密度高,单个信标成本低,且作用范围小;基于信号衰减模型的测距极易受到环境的影响单基站定位,计算量大、系统复杂度高、基站天线成本高,响应用户个数有限辅助判别定位区域需要预先建立图像特征库,无法进行全局匹配,定位精度受环境纹理、拍摄条件影响需要预先建立特征库,定位精度受环境磁场分布影响,无法初始化相对定位,定位精度跟传感器器件精度、用户运动状密切相关需专业布设发射端,音频信号在时分、频分、空分的基础上,需其他定位手段低功耗蓝牙０．３~１m(AOA)０．０３~０．６m０．１m＜１０％行进距离１~５m)１~３m(RSS麦克风摄像头磁力计运动传感器可听波段声波图像地磁场行人航迹推算具有成本低、 基于音频信号的室内定位技术,精度高、兼容性好的特点,非常适合消费级智能手机的室内定位场景,直接使用智能手机内置的麦克风,无须增加额外的设备.但是,相比于无线射频信号,音频信号无法获得很高的更新频率,进而无法获得单位时间内具有统计意义的观测值.因此单次的信号到达时间估计精度,直接影响了定位系统的精度及可用性.由于室内环境复杂,衰减、混响效应严重,直接造成直达经的能量大幅度１８].在行人动态衰减甚至消失,造成较大的误差[
第２期陈锐志,等:智能手机音频信号与MEMS传感器的紧耦合室内定位方法１４５定位导航场景中,由人体或物体遮挡引发的“漏检数量无法满足定位最低要求,导致定位失TDOA)败.此外,分时播发的策略和声速的缘故,使得运同时与声源的相对运动会造成多普勒效应,在到达时间估计中引入一个或正或负的偏差,需要进行补偿.针对以上问题,本文提出了一种两步音(,和音频信号的edestriandeadreckoninPDR)pg频信号到达时间检测算法,利用行人航迹推算,,测”使得到达时间差(timedifferenceofarrival径、反射面,反射路径长度各不相同,智能手机接收到的声音信号可以看作是不同能量与时延信号的叠加,可定义为动状态下的行人检测到的到达时间时是异步的,,;imulseresonseCIR)αppi为路径的衰减系数或式中,为室内环境的信道脉冲响应(h(t)channel
2024年2月8日发(作者：文城)
第５０卷 第２期 ２０２１年２月 ActaGeodaeticaetCartorahicaSinicagp测 绘 学 报Vol．５０,No．２,Februar０２１y２]:引文格式:陈锐志,郭光毅,叶锋,等．智能手机音频信号与MEM测绘学报,S传感器的紧耦合室内定位方法[J．２０２１,５０(２)１４３Ｇ１５２．:/DOI１０．１１９４７j．AGCS．２０２１．２０２００５５１．,,,CHENRuizhiGUOGuaniYEFenetal．TihtlＧcouledinterationofacousticsinalandMEMSsensorsonsmarthonesforgyggypggp[],,()::/indoorpositioninActaGeodaeticaetCartorahicaSinica２０２１５０２１４３Ｇ１５２．DOI１０．１１９４７j．AGCS．２０２１．２０２００５５１．gJ．gp陈锐志,郭光毅,叶 锋,钱 隆,徐诗豪,李 正智能手机音频信号与MEMS传感器的紧耦合室内定位方法武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室,湖北武汉４３００７９TihtlＧcouledinterationofacousticsinalandMEMSsensorsongypggsmarthonesforindoorpositioninpgStateKeaboratorfInformationEnineerinnSurveinMainndRemoteSensinWuhan４３００７９,ChinayLyoggiyg,ppgag,,,CHENRuizhiGUOGuaniYEFenQIANLonXUShihao,LIZhengyg,g,gsolutionwasdeveloedbasedontheacousticranininalandmeasurementsfromotherbuiltＧinsensors．pggsg,FirstatwoＧsteimeofarrival(TOA)estimationmethodbasedonshortＧtimeFouriertransformandptenhancedcrossＧcorrelationisperformedtoachieveanaccurateTOAestimate．Havinbtainedthego,accurateTOAestimatesstudiesonatihtlＧcouledinteratednaviationalorithmbasedonTDOAandgypgggPDRiscarriedout．ThealorithmtakestheadvantaeofthecomlementaritfPDRandacousticraninggpyoggobservablestoeffectivelmrovepositioninccuracnadnamicpositionincenario．Inordertoyipgayiygsevaluatetheperformanceoftheproosedalorithm,fieldtestsforstaticcaseanddnamiccasewerepgy:,AbstractBasedonthebuiltＧinsensorsofasmarthoneatihtlＧcouledinteratedindoorpositioninpgypggimrovementof３８．６６％comaredtotheleastsuaresolutionpurelasedonacousticraninppqybgg,observables．ForthednamictestcaseamethodbasedonpredictedstateofDolercomensationwasyppp,carriedout．Inthestatictestcaseanaveraepositioninccuracf０．２３８mwasachievedwithanggayobeforefeedinothepositioninlorithm．Thetestresultsdemonstratedthatpositioninccuracngtgaggayi,,aliedforDolercorrectionsoftheTDOAobservables．FurthermoreasnchronousTOAcomensationppppyp,whichcausedbthefactthatTOAmeasurementsarenotestimatedinthesameeochwasalsoaliedypppdnamiccaseis０．５１３m．ComaredtothesolutionwithoutalinheDolercorrectionsandtheypppygtpp,asnchronousTOAcomensationstheperformanceisimrovedb７．６４％．Threemobilephones(Huaweiyppy２alorithmisconsistenceinallthreedifferentphones．g:;;;;KeordsindoorlocalizationsmarthoneacousticsinaledestriandeadreckoninmultiＧsourcefusionywpgpg,)w,Mate２０OnePlus６andGoolePixel３ereusedinthefieldtesttheperformanceofthepositioningg:;FoundationsuortTheNationalKeesearchandDevelomentProramofChina(Nos．２０１６YFB０５０２２００ppyRpg;T;T２０１６YFB０５０２２０１)heNationalNaturalScienceFoundationofChina(No．９１６３８２０３)heChina)PostdoctoralScienceFoundation(No．２０２０M６８２４８０摘 要:基于智能手机内置的传感器,开展了音频信号和MEMS传感器的紧组合室内定位研究.首先,将时频分析技术用于音频信号T提出了一种基于短时傅里叶变换和优化互相关方法的两步估OA估计,计方法.之后,研究了一种基于音频T静态测试的平均定位DOA和行人航迹推算的紧组合定位算法,精度为０．相比最小二乘方法提高了３针对动态定位中存在的问题,研究了一种基２３８m,８．６６％.最后,于预测状态的多普勒效应补偿和异步到达时间补偿的方法,改正了T由分时播发架构及DOA估计中,２,相比于未做修正补偿的标准组合算法定位精度提高了２且测试的３款手机(华为０．１０４m７．６４％,)定位性能相当且无明显差异.Mate２０、OnePlus６和GoolePixel３g行人动态移动引入的多普勒时间偏差和位置误差.动态测试的平均定位精度和方差分别为０．５１３m和
１４４Februar０２１Vol．５０No．２AGCSy２:htt∥xb．sinomas．compp关键词:室内定位;智能手机;音频信号;行人航迹推算;多源融合()中图分类号:P２２８ 文献标识码:A 文章编号:１００１Ｇ１５９５２０２１０２Ｇ０１４３Ｇ１０)国博士后科学基金(２０２０M６８２４８０;;基金项目:国家重点研发计划(国家自然科学基金(中２０１６YFB０５０２２００;２０１６YFB０５０２２０１)９１６３８２０３) 高精度高可用的室内定位技术对人们未来的生活起着至关重要的作用,是推动大众创新、万众创业的科技源动力,是支撑新型基础设施建设,乃至国家战略需求的重要组成部分.日前,北斗三号全球卫星导航系统正式开通,在天基、地基增强技术的辅助下,精度已可以满足绝大部分室外定位需求.但由于卫星信号的遮挡、衰减和屏蔽,GNSS定位技术在室内无法提供可靠的位置服务.据统计,人们有７０％~９０％的时间是在室内度过,同时随着城市化的不断加速,室内空间的面积总和飞速增加,基于位置的服务(locationbased１Ｇ２].阔的应用前景和重要的社会价值[力计、运动传感器等.基于智能手机的室内定位技术也多种多样,根据信号物理类型可分为:射频[[３]Ｇ７]Ｇ９]、、)、蜂窝信号[信号(音频信WiFi４BLE８]]１０Ｇ１１]１２Ｇ１３１４]１５Ｇ１６、、、.号[图像[地磁场[运动信号[表１对比了基于智能手机室内定位技术特点及典型精度.不难看出,表１中总结的室内定位技术１７],都有各自的优势以及局限性[单一的定位技术难以做到像室外环境的GNSS一样的普适性.此外,新款智能手机支持的室内定位技术(UWB、)均有着不错的商用推广WiFiRTT、５G、BLE５．１潜质,但到目前为止室内定位技术尚未明了,其主要受制于:绝大部①室内建筑隔绝GNSS信号,分情况下无法定位;定位场②室内环境拓扑复杂,景多样;电信道环境复杂;③室内声、④用户行为复杂多变,运动轨迹难以预测;⑤智能手机的搭载的传感器性能有限.,)的大量需求与应用已经从室外转向serviceLBS了室内.因此,高精度室内定位技术具有非常广随着智能手机飞速发展,其计算能力也越来越强劲,搭载的传感器也越来越丰富,其中可用于室内定位的包括:射频传感器、麦克风、摄像头、磁表１ 基于智能手机的室内定位技术特点及其精度Tab．１ Thecomarisonofindoorpositionintechnoloasedonsmartphonepggyb传感器定位源蜂窝信号精度１~５００m(///２３４５G))３~２０m(RSS射频传感器WiFi１~２m(RTT))＜１m(CSI特点//２３４G定位精度低,５G能够提供高精度定位服务指纹数据库的更新、维护工作繁重,定位性能严重依赖数据库更新频率和精度;基于信号衰减模型的测距极易受到环境的影响;由于手机系统的限制,扫描频率受到严重制约需要配套支持MC协议的W同一时间热点响应个数有限iFi热点,需要制定的网卡,指纹法同依赖指纹库的实时性;基于CSI的测角方法计算量大,容易受到环境影响需布设信标,且布设密度高,单个信标成本低,且作用范围小;基于信号衰减模型的测距极易受到环境的影响单基站定位,计算量大、系统复杂度高、基站天线成本高,响应用户个数有限辅助判别定位区域需要预先建立图像特征库,无法进行全局匹配,定位精度受环境纹理、拍摄条件影响需要预先建立特征库,定位精度受环境磁场分布影响,无法初始化相对定位,定位精度跟传感器器件精度、用户运动状密切相关需专业布设发射端,音频信号在时分、频分、空分的基础上,需其他定位手段低功耗蓝牙０．３~１m(AOA)０．０３~０．６m０．１m＜１０％行进距离１~５m)１~３m(RSS麦克风摄像头磁力计运动传感器可听波段声波图像地磁场行人航迹推算具有成本低、 基于音频信号的室内定位技术,精度高、兼容性好的特点,非常适合消费级智能手机的室内定位场景,直接使用智能手机内置的麦克风,无须增加额外的设备.但是,相比于无线射频信号,音频信号无法获得很高的更新频率,进而无法获得单位时间内具有统计意义的观测值.因此单次的信号到达时间估计精度,直接影响了定位系统的精度及可用性.由于室内环境复杂,衰减、混响效应严重,直接造成直达经的能量大幅度１８].在行人动态衰减甚至消失,造成较大的误差[
第２期陈锐志,等:智能手机音频信号与MEMS传感器的紧耦合室内定位方法１４５定位导航场景中,由人体或物体遮挡引发的“漏检数量无法满足定位最低要求,导致定位失TDOA)败.此外,分时播发的策略和声速的缘故,使得运同时与声源的相对运动会造成多普勒效应,在到达时间估计中引入一个或正或负的偏差,需要进行补偿.针对以上问题,本文提出了一种两步音(,和音频信号的edestriandeadreckoninPDR)pg频信号到达时间检测算法,利用行人航迹推算,,测”使得到达时间差(timedifferenceofarrival径、反射面,反射路径长度各不相同,智能手机接收到的声音信号可以看作是不同能量与时延信号的叠加,可定义为动状态下的行人检测到的到达时间时是异步的,,;imulseresonseCIR)αppi为路径的衰减系数或式中,为室内环境的信道脉冲响应(h(t)channel