地磁 地磁室内定位技术研究

全球导航定位系统(GNSS)因其定位精度高、定位速度快、全天候运行和连续提供三维地心坐标而被广泛应用于各行各业。但对于室内场景，由于信号衰减和障碍物的影响，GNSS无法满足室内定位要求。室内定位技术的研究越来越受到重视，近年来取得了很大进展，包括红外技术、无线局域网技术、蓝牙技术、计算机视觉、WiFi等。然而，这些技术仍然存在定位成本高、精度低、稳定性差的问题。如何设计一个高精度、低成本、安全可靠、通用的手机室内定位系统已经成为室内定位技术研究的重中之重。

地磁定位作为一种新的室内定位方法，是通过地球磁场强度在每个位置的唯一性来实现定位功能的。它的优点是安全可靠，成本低，对环境要求低，只有智能手机内置地磁传感器才能实现。在生物世界中，许多动物都是通过地磁场来定向和导航的。受仿生学的启发，人们将其应用于室内场景，其中最成功的是芬兰的印度尼西亚公司。这家公司提供的软件可以进行实时定位。经测试，其定位精度可达2~3 m，但当运动状态发生变化时，该软件的定位精度下降甚至无法定位。文献为了解决这个问题，本文提出了一种快速采集方法，通过智能手机内置的磁强计在测试区域连续采集地磁数据。由于每次采集的速度不同，每个数据带的长度也不同，所以需要截取与原始数据相同数量的数据，并根据采集路径的长度为每个原始数据分配一个位置。本文通过运动控制数据长度来控制分辨率，因此只需要对廊道的X轴方向进行插值。这种采集方式更加灵活，可以解决地磁场波动带来的数据更新问题，减少离线阶段建立数据库的时间，提高定位效率。但需要注意的是，在采集时，要尽量保持匀速匀速匀速直线行走，以减少由于各条数据量差异较大而造成的位置分配误差。图2是快速采集示意图。将地磁场定位与SLAM技术相结合用于大型室内场景的定位，其定位精度甚至优于视觉定位，但这种方法计算量大，实时定位性能差。文献利用地磁定位和路标约束解决了视障人的导航问题，但这种定位方法需要专门的数据采集设备，不利于推广。

针对目前地磁定位的不足，提出一种基于智能手机的室内定位方法，通过快速采集建立地磁数字参考图，利用地磁模块序列解决地磁特征不唯一的问题，利用动态时间规整算法(DTW)完成地磁指纹匹配，实现用户自我定位。

1地磁定位方法1.1地磁定位原理

地磁定位是指移动载体实时采集地磁场的特征信息，将实时采集的地磁数据与存储的地磁参考图进行比较，根据相应的准则获得最佳匹配结果，实现载体的自主定位。目前，室内地磁定位的研究主要基于地磁模量和三轴磁场强度。前者不需要考虑手机本地坐标系和立体坐标系的转换，但地磁模数不是唯一的，单点定位精度不高。如果考虑三轴方向，需要实时计算手机的航向角、俯仰角和滚转角。这些角度的计算存在误差，必然会给测试数据带来误差，影响定位精度。因此，本实验选择磁场模量作为匹配数据，地磁模量可以用公式(1)计算。为了解决磁场模量不唯一的缺点，本文将局部区域的地磁模量结合到指纹序列中，能够反映该区域地磁场的变化，具有较好的唯一性。因此，本实验选择地磁指纹序列作为最小匹配单位。图1是这个实验的地磁定位框架。

(1)

(2)

图 3 动态时间规整算法流程

地磁数字参考图被加窗和加框以获得n个不同的参考指纹序列。计算测试指纹序列与各参考指纹序列的累积距离{Di(m，N)，i=1，2，…，N}，累积距离最小的匹配结果为最佳匹配。

2测试和分析

为了实现地磁定位过程，从中国矿业大学环境与测绘学院选择了4条长60 m、宽2.4 m的廊道进行定位测试，建立了以廊道的横轴和纵轴为Y轴的相对平面直角坐标系，如图4所示。走廊两侧墙壁以钢筋混凝土结构为主，理论上地磁异常明显。本实验采用单点采集和连续采集的方法采集试验场地的地磁数据。单点采集时，采样间隔为0.6 m，全区采样点数为300个，每个采样点采集地磁数据20次，计算同一位置20次测得的地磁强度模平均值作为该位置的地磁强度值。快速采集时，测试仪从起点到终点匀速行走，手机方向与坐标系Y轴方向一致，尽量保持手机水平。手机的采样频率可以根据数字参考图片的分辨率和测试人员的行走速度来设置。由于本次测试的数字参考地图分辨率为0.1 m×0.1 m，经过训练发现，测试者在自然状态下的平均速度约为1 m/s，因此将手机的采样频率设置为10 Hz可以满足行走方向的分辨率要求。采集完成后，磁场强度的模量数据均匀分布到测试区域的每个位置。

图 4 试验场平面图

为了实现上述采集过程，本文基于Android平台设计了如图5所示的数据采集界面，包括起始位置和结束位置的设置、数据采集、指纹数据库生成按钮和数据显示等。

图 5 地磁数据采集界面

建立数字参考地图时，如果只依靠实时采集的数据，分辨率较低，定位结果不能满足精度要求，需要对原始数据进行插值以提高分辨率。目前用于建立地磁数字参考图的插值方法主要是克里金插值方法，在有限的区域内对区域化变量进行无偏最优估计。为了验证克里金插值算法的可靠性，本文选择了逆距离插值、克里金插值和三次样条插值对原始数据进行插值。使用的数据是在单个点收集的地磁强度。插值后，在线随机选择20个测试点，并与测量的磁场强度进行比较。结果如表1所示。

表1插值算法的比较

μT插值方法最大误差最小误差平均误差反距离权重插值1.4170.0730.873克里金插值1.2560.1270.773三次样条插值1.6520.0440.872

从表1可以看出，三种插值算法的平均误差在1 μT以内，但克里金插值方法的平均误差最小，插值效果最好。考虑到地磁数据随采集设备姿态变化而波动，认为克里金算法的插值误差在误差允许范围内，因此本实验采用克里金插值算法建立地磁数字参考图。

图6(a)和图6(b)分别基于单点和快速采集的地磁数据，通过克里金插值算法得到试验区总地磁场强度分布图。在地图中，(x，y)坐标表示走廊中每个插值点的位置，z表示对应于每个位置的磁场强度模量。从图7(a)和图7(b)可以看出，单点采集生成的地磁分布图是平滑的，能够反映测试区域的地磁场分布。相比之下，快速采集生成的分布图比较粗糙，但偏差不大。因此，快速采集不会对建筑物内的地磁场分布产生很大影响。从分析中可以看出，单点采集方法要求地磁数据与定位点一一对应，从而保证了插值过程中数据的准确性。但在快速采集模式下，地磁数据与位置的对应关系存在一定误差，因此地磁数字参考图的精度略低。

图 6 地磁立体分布图

图 7 地磁平面分布图

为了测试快速采集法建立的数字参考图的可靠性，在测试场选取了20个测试点，覆盖整个测试区域，如图8所示。测试时，测试人员用智能手机匀速走到测试点，截取测试点前的25个地磁数据作为测试指纹序列，最后一步数据作为匹配成功后测试点的位置。

图 8 试验示意图

图9是单点采集模式和快速采集模式的定位误差对比图。可以看出，图中误差分布呈现出一定的规律性，即单点采集模式的误差高于快速采集模式误差较大的其他位置。原因是测试场地存在地磁特征不明显的区域，导致两种采集模式匹配误差较大。比如位于测试场地中部的测试点10，从地磁三维分布图和地磁分布图可以看出，该区域地磁分布比较平坦，没有大的波动，容易造成不匹配，所以定位误差较大。但总体而言，快速采集法与单点采集法的定位误差相差不大，平均定位精度在1 m左右，充分说明快速采集法建立的数字参考地图能够满足实时定位的要求，可靠性高。

图 9 定位误差对比

两种采集方法的定位误差统计结果见表2。从表中可以看出，快速采集法的平均误差比单点采集法高0.416 m，标准差高0.276 m。定位精度和稳定性略低于单点捕获法，但这些差异对定位服务的影响很小。在效率上，快速采集可以节省大量时间，减少人员工作量，解决数据更新问题，效率远高于单点采集。综合考虑，用少量的错误来换取效率的大幅提高是值得的。因此，这种方法在室内定位中更有效、更实用。

表2定位误差分析

m采集方式最大误差最小误差平均误差标准差单点采集1.60.10.830.492连续采集3.3860.3151.2460.768

3个结字

针对地磁定位单点采集效率低、更新速度慢的缺点，提出了一种快速指纹采集方法。该方法的核心思想是快速获取和快速确定，即快速获取地磁数据，快速建立地磁参考图，通过实时获取地磁序列进行快速定位，大大提高了定位效率。经测试，该快速采集方法的定位精度约为1 m，能够满足用户的定位服务需求，具有较高的实用价值。

引用格式:周家鹏，王，，，等.地磁室内定位技术[J]。测绘通报，2019 (1): 18-22。doi:10.13474/j . CNKI . 11-2246 . 2019 . 0004。。

关于作者:周家鹏，男，硕士研究生，主要研究方向为地磁室内定位。E-mail:1229400229@qq.com

——————。结束和。————————