室內(nèi)定位技術(shù)的現(xiàn)狀

文/陳超

1 前言

日益增長(zhǎng)的室內(nèi)定位需求，促進(jìn)了超聲波定位技術(shù)、紅外定位技術(shù)和射頻定位技術(shù)等多種多樣的室內(nèi)定位技術(shù)的快速發(fā)展。

室內(nèi)定位技術(shù)按其所采用信號(hào)載體大致可分為基于紅外線（Infrared）的定位技術(shù)、基于超聲波（Ultrasound)的定位技術(shù)、基于射頻（Radio Frequency)的定位技術(shù)以及基于地球磁場(chǎng)、計(jì)算機(jī)視覺等的其他定位技術(shù)。在無線傳感網(wǎng)推廣的大背景下，基于RF的定位技術(shù)是室內(nèi)定位的趨勢(shì)，也是現(xiàn)在大部分室內(nèi)定位研究的重點(diǎn)。

2 基于RF的室內(nèi)定位技術(shù)

基于RF的室內(nèi)定位技術(shù)主要有以下幾種：Wi-Fi，ZigBee，RFID，Bluetooth，UWB等，而按照定位算法的原理可以劃分為三類： 近鄰法(ID識(shí)別法）、基于測(cè)距的幾何方法定位和位置指紋定位。

近鄰法，是定位精度最粗糙的一種方法，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)通過獲取離自己最接近的參考節(jié)點(diǎn)的位置信息直接判斷自己所屬的位置范圍，這種方法的精度依賴于參考節(jié)點(diǎn)的分布密度，但該方法操作簡(jiǎn)單，復(fù)雜度低，通常用于定位精度要求不高的場(chǎng)合。

基于測(cè)距的幾何方法定位，是通過測(cè)距得到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)之間距離，而后通過目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)之間的的幾何距離關(guān)系而計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置的方法。

TOA（Time Of Arrival），被稱為到達(dá)時(shí)間法，它的原理是根據(jù)測(cè)量信號(hào)在發(fā)送節(jié)點(diǎn)到接收節(jié)點(diǎn)之間的傳播時(shí)間，來計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的距離，然后通過三邊定位法確定目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置。

如圖1，測(cè)得目標(biāo)節(jié)點(diǎn)M到三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)A、B、C的距離分別d1、d2、d3，假設(shè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)M的坐標(biāo)為（x，y），三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)A、B、C的坐標(biāo)分別為（x1，y1）、（x2，y2）、（x3，y3），則有一下三個(gè)方程成立：

將方程（1）分別于與方程（2）、（3）相減，可得：

聯(lián)合方程（4）、（5）寫成矩陣方程的形式如：

求解方程（6），即可出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，由于實(shí)際測(cè)量的不誤差原因，可能出現(xiàn)無解的情況。通常為了提高精度，可測(cè)得目標(biāo)節(jié)點(diǎn)到多個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的距離，類似可得到矩陣方程如下：

通過最小二乘法求解式（7）即可，令

則有：X=(CTC)-1CTA。

RSSI( received signal strength information)稱為接收信號(hào)強(qiáng)度法，該方法是基于信號(hào)傳播衰減模型，該信號(hào)衰減模型接收節(jié)點(diǎn)與發(fā)送節(jié)點(diǎn)之間的距離d和接收信號(hào)強(qiáng)度p形成映射關(guān)系，如式（8）：

式中n為路徑損耗指數(shù)，表示路徑損耗隨著距離增長(zhǎng)的速率，它依賴于無線信號(hào)的傳播環(huán)境,p(d) 表示離參考節(jié)點(diǎn)d米的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)可接收到的信號(hào)強(qiáng)度，通常p(d0)取d0等于1米時(shí)的接收信號(hào)強(qiáng)度。圖2 是p(d0)為30，n為1.8時(shí)的信號(hào)衰減模型。所以，通過測(cè)量RSSI值，便可利用信號(hào)衰減模型計(jì)算出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)的距離，然后根據(jù)三邊定位原理，即可獲得的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置。

位置指紋法也是基于RSSI信號(hào)強(qiáng)度的一種定位方法，但是該方法不需要計(jì)算節(jié)點(diǎn)距離。該方法的原理是在定位區(qū)域設(shè)置好參考節(jié)點(diǎn)（也稱為錨節(jié)點(diǎn)）之后，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)（即待定位的節(jié)點(diǎn)）在該區(qū)域的某個(gè)位置接收到參考節(jié)點(diǎn)的信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度值（RSSI）在某種程度上是一個(gè)定值，如果這個(gè)區(qū)域設(shè)置了N個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，那么每個(gè)位置都對(duì)應(yīng)著一個(gè)由N個(gè)RSSI值構(gòu)成的序列，每個(gè)RSSI值對(duì)應(yīng)著一個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，對(duì)于不同的位置，這個(gè)RSSI序列是不同的，所以該RSSI值序列可以作為位置指紋，可唯一確定一個(gè)位置。 在應(yīng)用指紋定位法的時(shí)候，定位區(qū)域按照一定的距離間隔劃分為若干網(wǎng)格作為指紋采集點(diǎn)，在定位前需要在各采集點(diǎn)采集好指紋錄入指紋庫(kù)。而實(shí)時(shí)定位的時(shí)候則要根據(jù)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到的各參考節(jié)點(diǎn)的信號(hào)對(duì)應(yīng)的RSSI值序列（即待匹配的指紋），應(yīng)用指紋匹配算法，去匹配指紋庫(kù)中的指紋，從而識(shí)別出帶目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置。

圖2：RSSI衰減模型

3 總結(jié)

位置指紋法法由于其定位精度較高，國(guó)內(nèi)外對(duì)其都有較多的研究?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的定位算法是近年來研究較多的算法之一，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能通過對(duì)輸入模式的學(xué)習(xí)訓(xùn)練，自動(dòng)調(diào)整其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和參數(shù)，從而形成分類和識(shí)別的能力?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的定位算法是將接收到的信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)作為網(wǎng)絡(luò)輸入，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部計(jì)算輸出定位結(jié)果。但是網(wǎng)絡(luò)需要在離線階段對(duì)大量指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，指紋采集的工作負(fù)擔(dān)比較繁重。