（地图学与地理信息系统专业论文）基于无线传感器网络的局域定位研究.pdf

中山大学硕士学位论文 基于无线传感器网络的局域定位研究 ，专业名称：地图学与地理信息系统 硕士研究生：吴东金 指导教师：夏林元教授 摘要 室内外局域定位技术，包括蜂窝移动网、电视广播信号网、无线局域网、 z i g b e e 和u w b 等，虽然发展历史尚短，但是这些局域定位技术目前已被广泛应 用于呼叫救援、环境监测、目标跟踪、工业控制、智能交通等众多领域，成为 l b s ( l o c a t i o n b a s e ds e r v i c e ，基于位置服务) 的关键组成部分及支撑性技术之一。 不过，其中一些局域定位技术如u w b 、蓝牙、红外、超声波等，存在复杂度较 高、布设代价大等问题；蜂窝通信网、电视广播信号定位技术存在定位精度低的 不足，对于室内外局域定位需求来说，它们的有效性和实用性不太令人满意。 近年来，随着无线传感器网络技术日趋成熟，国内外有关无线传感器网络局 域定位技术的研究越来越多。融合多种技术的无线传感器网络具备了快速自组 网、抗毁性强、布设开销小、生命周期长等特点，使得相关定位应用具有无可比 拟的优势。并且，通过深入研究国内外无线传感器网络局域定位系统，发现基于 r s s i ( r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t o r ，接收信号强度指示) 的定位方式具有低 成本、设备简单、易展开等特点。本研究以国内外通用的t i ( t e x a si n s t n a n e n t s ) 公司的z i g b e e 传感器平台搭建了局域定位网络，利用自主编写的无线传感器网 络定位中心控制引擎，在设计了从实验场地的布置、r s s i 测距模型的观测解算、 r s s i 特征向量数据库的建立到利用两种定位方法得到定位结果的整套实验方案 的基础上，研究了基于r s s i 的无线传感器网络局域定位技术。 从定位精度、定位走向等角度对实验结果进行了对比分析，总结了基于r s s i 中山大学硕士学位论文 测距模型多边测量方法和基于r s s i 特征向量库匹配方法各自的优缺点。以局域 定位系统能够根据不同的定位环境、用户需求灵活选择不同定位方法为出发点， 讨论了基于r s s i 测距模型方法的定位结果和先期测量的r s s i 综合标准差分布 结果的关系，结果显示r s s i 综合标准差分布结果基本能够反映基于r s s i 测距 模型方法定位结果的走势，这就为系统自主选择定位方法提供了依据，使同一系 统中有机切换两种定位方法成为可能。 关键字：无线传感器网络局域定位z i g b e e 接收信号强度指示 中山大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nw s n - b a s e dl o c a lp o s i t i o n i n g m a j o r ：c a r t o l o g y g i s a u t h o r ：w ud o n g ji n s u p e r v i s o r ：p r o f x i al i n y u a n a b s t r a c t s p a t i a ll o c a t i o nf o r m st h es u p p o r t i v eb a s i sf o rl b sa n dr e s e a r c hf o rt i m e l ya n d e f f e c t i v ep r o v i s i o no fl o c a t i o nt oa n yr e q u e s t i n gu s e ri st h e r e f o r eo n eo fi m p o r t a n t i s s u e sf o rl b s i ti sb e l i e v e dt h a ta c t i v i t i e si nl b sc a nb ec l a s s i f i e da so u t d o o ra n d i n d o o re v e n t s a m o n gw h i c hg n s sc a np r o v i d ei d e a ll o c a f i o ns e r v i c eu n d e ro p e n c o n d i t i o n sw h i l ep r o v i s i o no fp o s i t i o n i n gi nc o n v e n i e n ta n dp r a c t i c a lw a y sf o ri n d o o r a n db l o c k e dr e g i o n sr e m a i n sag r e a tc h a l l e n g i n gi s s u e o no t h e rh a n d , a c c u r a t e l o c a t i o nm e c h a n i s m s ，s u c ha sg p sa sw e l la st h et h i r dg e n e r a t i o nm o b i l ep h o n e sa r e c o m m e r c i a l l ya v a i l a b l e ，b u tn o n eo ft h e s et e c h n i q u e sw i l ir e a c ht h em e t e ro r s u b m e t e rl e v e lo fa c c u r a c yi nu r b a nc a n y o n sa n di n d o o ra r e a s 1 o 丘l lt h i sg a p ， p r a c t i c a lt e c h n o l o g i e sf o ri n d o o ra n do u t d o o rp o s i t i o n i n gn e e dt ob es t u d i e da n d i m p l e m e n t e d f o c u s i n go nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) - b a s e dp o s i t i o n i n g ，t h i sp a p e rc o n d u c t s i n v e s t i g a t i o no nc u r r e n tm o d e l sa n dm e t h o d o l o g i c s ，a n di n t r o d u c e sa l li n t e g r a t e d p a r a d i g md e r i v e df r o m l o c a t i o nf i n g e r p r i n t a n dar a d i op r o p a g a t i o na t t e n u a t i o n m o d e l w s n c o n s i s t i n go ff l e x i b l ea n dl o w - p o w e rh a r d w a r ep l a t f o r me m b e d d e d e f f i c i e n ta n ds e a l a b l ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s ，i sa ne m e r g i n ga v e n u ef o rd a t a g a t h e r i n g a n di n d o o r o u t d o o r p o s i t i o n i n g r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t h i n d i c a t o r ( r s s i ) b a s e dp o s i t i o n i n gi sk n o w nt ob et h em o s tp o t e n t i a ll o c a l i z a t i o nm e t h o d a p p l y i n gi nw s n 勰t h ef a c tt h a tr e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t h ( r s s ) d o e sn o tr e q u i r ea n y a d d i t i o n a lh a r d w a r e ，a n dc a nr e d u c et h es e n s o rn o d ep o w e rc o n s u m p t i o n 。s i z ea n d c o s t a sw ek n o w , p r o p a g a t i o nm o d e l b a s e dm e t h o dc a nb ee a s i l yi m p l e m e n t e d ，b u t w i t h o u ts a t i s f a c t o r y a c c u r a c yu n d e rc o m p l i c a t e dc o n d i t i o n s 嘶l em e t h o do f l o c a t i o nf i n g e r p r i n t c a nr e a c hr e l a t i v eh i g ha c c u r a c y , b u tr e q u i r ep r e - s u r v e yo ft h e d a t a b a s eo fr s sm a n u a l l y m o t i v a t i o no ft h es u g g e s t e df r a m ei st of l e x i b l ym e e t n e e d so fv a r i e da c c u r a c yl e v e l st h r o u g hd e f i n a b l es e l e c t i o no fo p e r a t i o nm o d e si no u r p r o t o t y p e 1 1 l et e s tb e di sd e p l o y e do nt h eb u i l d i n gr o o fo fs u ny a t s e nu m v e r s i t y w 1 l a t sm o l e c o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h ep e r f o r m a n c ew i t h “l o c a t i o nf i n g e r p r i n t t e c h n o l o g ya n dp r o p a g a t i o nm o d e lb a s e dm e t h o di si n v e s t i l g a t e dr e s p e c t i v e l yt o 中山大学硕士学位论文 f a c i l i t a t em o r ef l e x i b l el o c a t i o n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r d e m o n s t r a t et h ea b i l i t yo ft h ei n t e g r a t e dp a r a d i g mt oe s t i m a t eu s e r sl o c a t i o nw i t ha h i g h e rd e g r e eo fa c c u r a c y a n dt h em e t h o dt u r n so u tt ob ea l la p p l i c a b l et e c h n o l o g y f o rw s nb a s e di n d o o r o u t d o o r p o s i t i o n i n g ，a n d a c o n v i n c i n gs u p p o r t o f i n d o o r o u t d o o rl o c a l i z a t i o nf o rl b si nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k , l o c a lp o s i t i o n i n g ，z i g b e e ，r e c e i v e ds i g n a l s t r e n g t hi n d i c a t o r 中山大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：廷3 留， 日期：沙，年易月日 导师签名：_ 夏秒 导师签名： 竺彳欠一，一 日期：砷年多月日 中山大学硕：| ：学位论文 1 1 研究背景 第一章引言 1 1 1 无线传感器网络的诞生与发展 无线传感器网络( w i r e l e s ss e l l s o rn e t w o r k , w s n ) 是由一组传感器节点以自 组织方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的区域中 被监测对象的信息，并发布给观察者【l 】。它通过密集分布的无线传感器节点与监 测区域环境交互，完成多种数据的采集、处理、传输及管理等，其融合多种技术 ( 如传感器技术、微机电系统技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通 信技术等) 的精髓，丰富了人们的信息获取方法与能力，在军事探测、工业控制、 医疗监护、交通监控、环境监测等诸多方面显示出巨大的应用潜力。关于无线传 感器网络的研究起步于2 0 世纪9 0 年代美国在军事方面的应用【2 】，时至今日，无 线传感器网络已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视。2 0 0 2 年l o 月“福 布斯 网站集中报道了加州大学洛杉矾分校无线传感器网络研究项目和日本京都 一家名叫o m r o n 的公司出产的一系列无线传感器产品【3 l 。2 0 0 3 年麻省理工学院 技术评论杂志刊登题为技术评论：十种将改变世界的新兴技术文章，无 线传感器网络位列首位【4 】。同年美国商业周刊预测未来技术发展的四大趋势， 无线传感器网络位列其中【5 】。无线传感器网络作为计算机科学和通信界的研究热 点，近年来已经成为许多相关会议的关键议题【6 j ，更有专门针对无线传感器网络 技术的会议【刀。许多知名科研出版社都有主题期刊杂志出版【8 1 0 】，用来刊登最优 秀的无线传感器网络技术成果。无线传感器网络的发展和广泛应用，已经并将继 续对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动。 中山大学硕，仁学位论文 1 1 2 局域定位与g n s s 定位 从1 9 7 3 年美国国防部批准了g p s 系统的n a v s t a r ( n a v i g a t i o ns y s t e mt i m i n g a n dr a n g i n g ) 卫星制造计划到1 9 9 3 年最后一颗g p s 卫星发射升空，g p s 逐渐成 为具有全球导航定位功能的卫星系统；再到2 0 0 0 年取消s a ( s e l e c t i v e a v a i l a b i l i t y ，选择可用性) 政策，定位服务逐渐变成人们日常生活中不可缺少的 一部分，越来越多的基于g p s 的位置服务被开发出来。然而，在城市这样一个 对定位服务需求很大的环境中，g p s 的使用受到了一定的限制。由于密集排列的 高楼大厦，g p s 信号被阻挡或削弱，并且容易产生严重的多路径影响，这意味着 g p s 的可用性和精确性被严重破坏【1 1 1 。g p s 与俄罗斯的g l o n a s s 、欧洲g a l i l e o 系统相结合形成全球导航卫星系统( g l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m ，g n s s ) ， 卫星定位的可用性和精确性得到了一定的提高。但是在室内环境，或者是室外信 号遮挡很严重的区域，g n s s 定位功能仍然受到很大影响，甚至完全不能发挥作 用。然而，这些区域却是发展迅猛的大量局域短距离无线数据传输的领地。 基于红外、超声波、无线局域网、z i g b e e 等局域定位技术的出现，有效地 促进了室内、城市峡谷( u r b a nc a n y o n ) 等卫星信号很弱甚至无法到达区域的定 位问题的解决。近些年来，无线局域定位技术应用极速增长，已经进入了消费者 导引、工业、医疗系统等众多应用领域。从2 0 世纪9 0 年代末开始，许多高校和 公司开展了室内局域定位技术的研究，如微软研究院开发出了基于w l a n 的 r a d a r 1 2 】系统，a t & tc a m b r i d g e 主持开发了a c t i v eb a d g e s 1 3 1 、a c t i v eb a t s 1 4 1 ， 麻省理工学院的c r i c k e t 1 5 】系统以及g e o r g i a 理工学院的s m a r tf l o o r 1 6 1 系统。不 过，目前还无法采用单一的技术覆盖整个室内外空剐1 7 1 ，目前已有学者开展基于 多源无线信号的局域定位研究，混合利用多种无线技术完善正快速发展的局域定 位领域。相信在不久的将来，局域定位将会成为g n s s 定位的最有效互补措施之 一，为满足人们局域定位要求提供有力支撑。 中山大学硕士学位论文 1 1 3 局域定位与l b s 移动位置服务的提出源于用户在紧急呼叫时，用户无法知道自己所处的位 置，给救援工作带来很多不便。1 9 9 6 年开始，f c c ( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n s c o m m i s s i o n ，美国联邦通信委员会) 采取措施提高9 l l 移动电话紧急服务的质量 和可靠性【1 8 】，整个计划分为两个时期，第一期是1 9 9 8 年4 月1 日开始移动电话 通信网络覆盖范围内能够提供呼叫9 1 1 的移动电话号码和9 1 1 呼叫应答基站的位 置。第二期是2 0 0 1 年1 0 月1 日开始，9 1 l 服务的定位精度要达到5 0 m 6 7 ， 1 5 0 m 9 5 各国的通信公司也正积极开展基于g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ，全球移动通信系统) ，i s 9 5 ( i n t e r i ms t a n d a r d9 5 ，暂时标准， 是由高通公司( q u a l c o m m ) 发起的第一个基于c d m a 的数字蜂窝标准) 和3 g ( 3 川g e n e r a t i o n ，第三代移动通信系统) 等网络定位技术的研究。移动终端的高 度便携性和快捷的通讯能力、用户的飞速增长、g p s 定位技术和移动蜂窝网络定 位技术的发展共同孕育出了新的服务类型：l b s ( l o c a t i o n b a s e ds e r v i c e ) 1 1 9 。 l b s 是通过移动终端和无线网络的配合，确定出移动用户的实际地理位置，从而 为用户的出行，餐饮，娱乐等生活各方面提供便利、舒适的服务。 终端 图1 1定位服务基础设施 中山大学硕士学位论文 l b s 位置信息的获取方式主要有卫星定位、蜂窝式网络定位和室内外局域设 施定位等三种，如图1 1 所示。目前，世界上有三套全球卫星导航定位系统：g p s 、 g l o n a s s 和g a l i l e o ，它们相互协作，为l b s 提供了有力的位置信息支持。但 是卫星信号易受障碍物影响，能耗相对较大，布设运行需要大量资金等缺点为其 在l b s 中的应用带来了一定的局限。而蜂窝式网络定位是一种利用诸如g s m 、 u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) 、3 g 等蜂窝移动网络获取 移动手机用户位置的方法。蜂窝式网络定位相对卫星定位，它作用于一个地区范 围，且作用区域几乎可以覆盖室内。但其存在着精度低，提高精度而开销又迅速 增加等不足，另外，当大规模用户群同时需要导航、跟踪、数据传输等服务时带 来的网络超负荷问题也制约了其在l b s 中应用。室内外局域定位基础设施一般 部署在定位服务需求热点区域，如建筑物内，大学校园里以及公司的生产经营场 所等。这些地方是g n s s 定位和蜂窝式网络定位的可用性和精确性得不到保障的 盲区，局域设施定位技术的研究和应用成为必然的趋势。 无线传感器网络作为局域定位基础设施之一，其各种应用都与相关的位置信 息紧密相连，比如用于动物活动监测的无线传感器网络在实时跟踪被监测动物的 前提下，采集动物活动地点的温度，气压，湿度等信息。具体说来，节点位置信 息的获取意义在于：首先，节点所采集到的数据必须与测量坐标系内的位置结合， 没有位置信息的数据几乎没有利用价值。比如说火灾发生的位置、矿井发生意外 情况的地点、战场上敌方生化武器的作用范围等；其次，无线传感器网络的一些 系统功能，比如网络拓扑控制、基于地理信息的路由等，需要位置信息；最后， 位置信息对l b s 应用非常重要，比如智能小区内的非危重病人的监护，目标位 置信息可以使医生和病人知道距离最近的医疗设备和医护人员的位置。所以针对 l b s 位置服务体系中的不足，以低成本，低能耗，定位精度高为特点的局域设施 定位技术是一种潜在的改善措施。有效利用现有的无线局域网络资源，再辅以适 当的局域定位基础设施( 如无线传感器定位网络) ，可以显著提高室内外局域环 境的位置获取精度，进而有效改善l b s 位置服务质量和更好地完善服务体系。 无线传感器网络局域定位系统在建筑物内及建筑密集区能够在花销很少的情况 下达到米级定位精度，这是g n s s 定位和蜂窝式网络定位方式所不能实现的。 当然g n s s 定位和蜂窝式网络定位的大面积覆盖能力也是诸如无线传感器 中山大学硕：上学位论文 定位网络等局域定位设施所不能达到的。所以l b s 位置信息支持系统需要充分 利用现有g n s s 定位的基础上，融合蜂窝式网络定位、局域设施定位等多种空间 定位技术，兼容多种用户终端，成为面向超大规模用户群的公众定位服务接入平 厶 口o 1 2 国内外研究现状 1 2 1 无线传感器网络 具有多跳自组织特性的无线传感器网络，融数据采集、数据简单处理及通信 功能于一体，广泛的应用于环境监测、交通管理、局域定位等诸多方面。国内外 众多大学、科研机构以及业内公司针对无线传感器网络软硬件平台研究和设计、 网络通信协议等方面进行了深入研究。 在国外，加州大学洛杉矶分校联合罗克韦尔研究中心从1 9 9 3 年至1 9 9 8 年开 展w i n s ( w i r e l e s si n t e g r a t e dn e t w o r ks e n s o r s ) 项目研列2 眈1 1 ，探索研究了基于 m e m s ( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，微机电系统) 的传感器和接收器等基 本原理，设计出具有划时代意义的低能耗低花费小型化无线传感器网络。加州大 学伯克利分校于19 9 9 年启动s m a r td u s t 2 2 ，2 3 】项目，其目标是研制体积不超过一 立方毫米，由太阳能电池供电，具备光通信能力的自治传感器节点，项目于2 0 0 0 年完成。同时，加州伯克利分校还开发了m i c a 系列 2 4 1 无线传感器网络硬件平台 和t i n y o s l 2 5 , 凋操作系统。后来m i c a 和t i n y o s 被许多机构采用，成为众多后续 项目的基础。i n t e l 公司无线系统指导设计实验室研发了传感器节点的硬件平台一 i n t e lm o t e z 7 1 ，操作系统采用的是t i n y o s 。耶鲁大学无线传感器网络课题组利 用o k 公司提供的a r m 7 系列m c u ( m i c r oc o n t r o lu n i t ) 和符合z i g b e e 协议 的射频芯片开发了一个自组织无线传感器网络硬件平台x y zs e n s o rn o d e 2 8 】。德 州仪器( t e x a si n s t r u m e n t s ，t i ) 是全球领先的模拟及数字半导体i c ( i n t e g r a t e d c i r c u i t , 集成电路) 设计制造公司 2 9 1 。其z i g b e e 解决方案包括了符合 中山大学硕上学位论文 i e e e 8 0 2 1 5 4 规范各种射频收发器( 如c c 2 4 8 0 、c c 2 5 2 0 、c c 2 4 3l 、c c 2 4 3 0 、 c c 2 4 2 0 等，其中c c 2 4 3 1 是具有硬件定位引擎的片上系统) ，i e e e8 0 2 1 5 4m a c 和z i g b e e 协议栈等软件，硬件开发套件及参考设计方案等，已经逐渐成为业内 国内外通用的标准。 在国内，无线传感器网络的研究方兴未艾。我国有关无线传感器网络的研究 正式起步于1 9 9 9 年，当年的中科院知识创新工程试点领域方向研究的“信 息与自动化领域研究报告 中首次提及无线传感器网络方面的应用研究。2 0 0 1 年中科院成立了微系统研究与发展中心，旨在整合中科院内部相关单位，共同推 进无线传感器网络的研究。从2 0 0 2 年到2 0 0 8 年中国国家自然基金共支持面上项 目1 1 1 项、重点项目3 项；国家“8 6 3 重点项目发展计划共支持面上项目3 0 余 项，国家重点基础研究发展计划“9 7 3 也设立2 项与无线传感器网络直接相关 的项目1 3 0 l 。2 0 0 6 年初发布的国家中长期科学与技术发展规划纲要为信息技 术确定了3 个前沿方向，其中2 个与无线传感器网络研究直接相关。2 0 0 8 年中 国工业与信息化部启动的“新一代宽带无线移动通信网”国家级重大专项中，设 立了“短距离无线互联与无线传感器网络研发和产业化 专门针对无线传感器网 络技术的专题。从2 0 0 4 年开始，国内专门从事无线传感器网络研究的公司、科 研机构逐渐兴盛起来。具有代表性的有宁波中科集成电路设计中心( 中科院计算 所宁波分所) 开发了包括g a i n s 系列开发套件( 删s f 2 4 g 等) 、无线数传 模块等无线传感器网络产品【3 1 1 。成都无线龙通讯科技有限公司针对不同应用目的 开发设计了教学实验平台、专业开发系统、经济型开发工具等系列产品，包括 d r e a m r f m c l 3 2 2 4 、d r e a m r f c c 2 4 3 0 、c 5 1 r f c c 2 5 3 0 p k 、c 5 1 r f c c 2 4 3 0 p k 、 c 5 1 r f 3 w s n c c 2 4 3 0 、c 5 1 r f c c 2 4 3 1 - z d k 等套件1 3 2 。众多高校也已经投入 到无线传感器方面的研究，如清华大学、中国科技大学、浙江大学、国防科技大 学、北京交通大学等。 从国内外的研究现状来看，由于现代无线传感器网络技术刚刚经历十余年的 发展，还处于动荡不成熟时期【，大部分的研究力量仍放在无线传感器网络的硬 件微型化1 2 0 - 2 3 1 、组网模式1 3 3 。3 5 1 、拓扑控制 3 6 - 3 9 、通信协议f 4 羽、嵌入式操作系统 1 2 5 - 2 6 等无线传感器网络自身完善方面。而在无线传感器网络应用，特别是在局域 定位方面，研究还比较少，国内则更加少。 中山人学硕i ：学位论文 1 2 2 室内外局域定位 g p s 定位是室外最常见的定位方式，它历经几十年的发展，为人们提供着日 常的定位、导航等服务。与室外开阔环境不同，室内或建筑密集区域的卫星信号 极其微弱而定位精度要求相对高，g p s 定位方式通常达不到要求。针对这些情况， 目前主要有三种途径来满足室内外局域定位需求，首先就是利用广域网络( 如蜂 窝移动网络) ，或者是现有诸如w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ) 等网络基础设施，再或 者是利用专门布置的传感器( z i g b e e 、红外、超声波等) 。 l 、广域网络 广域网络包括蜂窝移动网络、广播电视信号网络等，蜂窝移动网络几乎覆盖 室内、城市建筑密集区，范围更是可以达到几十公里，但是定位精度相对较低， 城市区域的精度只有5 0 1 1 1 一1 0 0 1 1 4 9 1 。广播电视信号网络也存在着室内和城市区 域定位精度偏低的问题。 ( 1 ) 调频无线电和电视信号 我们的生活空间中存在着各种无线电信号，是室内外局域定位的潜在资源。 在基于调频无线电和电视信号的定位监视系统中，最引人注目的是美国l o c k h e e d m a r t i n 公司的“s i l e n ts e n t r y 全被动式空中监视系鲥5 们。此系统利用广泛存在 的广播电视信号探测和跟踪物体，已经被应用到美国政府民事和军事部门。 m a t t h e wr a b i n o w i t z 5 1 1 等人基于a t s c ( a m e r i c a nt e l e v i s i o ns t a n d a r dc o m m i t t e e ) 数字电视信号开发了定位系统，在室内和室外进行了定位实验，在室外开阔区域 取得了3 m 左右定位准确度，而室内的定位精度在1 0 m 到2 3 3 m 之间。j u - y o n g d 0 1 5 2 1 在其博士论文中提出g p s 结合电视信号的定位方法以实现无缝定位。 ( 2 ) 蜂窝移动网络 利用蜂窝通信网络进行定位最典型的例子是美国的e 9 1 1 1 8 1 。美国联邦通信 委员会要求该国电话运营商能够定位每个拨打9 11 报警的手机，为救援提供精确 的位置信息。蜂窝移动网络有g s m 、u t m s 、3 g 等，已有若干分别针对这几种 网络的解决方案【5 3 - s g 。其中，w b u c h a n a n 5 q 等基于t d o a ( t i m ed i f f e r e n c eo f a r r i v a l ) 和c e l l i d 技术利用g s m 定位，并讨论了如何将t d o a 和c e l l i d 等技 7 中山大学硕士学位论文 术移植到3 g 网络。d p o r c i n o f 5 7 】对比分析了基于o t d o a ( o b s e r v e dt i m e d i f f e r e n c eo f a r r i v a l ) 3 g 网络定位和基于a g p s 技术的移动设备定位方法，其中 o t d o a 方法在城市环境下的定位精度为7 0 m 6 7 ( 3 个可视基站) ，城郊区域 小于2 0 m 6 7 ，a g p s 方法获得了1 0 m 以下的定位精度。v o t s a s o n 5 羽提出基于 g s m 信号位置指纹方法的g s m 室内定位系统，在一个三层建筑内达到了5 m 的 定位准确度。 国内对蜂窝移动网络定位技术的研究起步较晚，已经有一些学者在蜂窝网络 定位算法方面进行了研究巧9 6 4 1 。由于我国地面数字电视广播标准于2 0 0 6 年8 月 1 8 日才发布【6 5 】，国内对于电视广播信号定位技术的研究极其稀少，目前只有东 南大学在进行有关方面的研究 6 6 - 6 7 。 2 、现有无线局域网络基础设施 利用现有网络基础设施进行定位的技术主要以i e e e 8 0 2 1 1 标准无线局域网 络为主。典型的基于i e e e s 0 2 1 1 的定位系统有r a d a r t l 2 1 、p i n p o i n t l 6 钔、e k a h a u l 6 9 1 ， 以及z e b r a 7 0 1 公司的实时定位系统。其中，r a d a r 根据信号强度和信噪比信息 利用场景分析或多边测量技术进行二维位置估计，达到了场景分析3 m 5 0 、多 边测量4 3 m 5 0 的定位精度。e k a h a u 实时定位系统由w i f i 网络、w i f i 标签、 定位引擎、可视系统等部分组成，基于信号强度进行位置计算，定位精度1 - 3 m 。 国内虽没有一些知名的系统问世，但是对于无线局域网定位方法、原理已有较多 的研究【7 卜7 4 】。 3 、专门布置的传感器 ( 1 ) z i g b e e 基于z i g b e e 进行室内外局域定位研究尚处于起步阶段，不过已有许多学者 进行了相关研究。a n g e l as o n g i en o h l 7 5 】等对比分析了基于位置r s s i ( r e c e i v e d s i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t o r ，接收信号强度指示，指真实的接收信号强度与最优接收 功率等级间的差值) 数据库和基于距离马尔可夫链推论的两种z i g b e e 定位方法， 在实验的基础上得出了后者定位准确度更高的结论。m a s a s h is u g a n o 7 6 1 基于 z i g b e e 标准进行了无线传感器网络定位实验，节点布置密度在0 2 7 节点每平方 中山大学硕士学位论文 米时定位误差只有1 5 2 m 。s h a s h a n kt a d a k a m a d l a 7 7 j 利用z i g b e e 网络在学生办公 室环境下基于“位置指纹 方法进行一维和二维定位实验，定位精度达到了 3 n l 3 5 国内对于z i g b e e 定位技术的研究几乎与国外同步，近四五年来许多科研机 构及高校基于z i g b e e 进行了矿井人员定位研究【7 8 删，室内环境下的定位技术探 讨f 8 0 3 2 1 。 ( 2 ) 红外 红外定位系统利用红外线短距离和视距传输特性，移动节点发自身识别标识 到参考节点，接收到红外信号的参考节点立即发回红外线到移动节点，这样移动 节点就可以确认自己的位置，达到定位的目的。红外定位系统要求较高的信号更 新速率和低潜伏时间。最主要的红外定位系统有剑桥大学a t & t 实验室的a c t i v e b a d g e 系统1 1 3 】。由于红外传接装置的布设花费相对比较大，红外定位技术目前还 没有得到广泛的发展。国内在红外定位技术方面研究比较少，主要对红外无源定 位方法的研究 8 3 ，战踟，并且探讨了红外定位技术的实际应用 8 5 , 8 7 , 跚。 ( 3 ) 超声波 超声波是一种准确度极高的定位技术，最有名的两个基于超声波的定位系统 是a c t i v eb a t 和c r i c k e t 。 a c t i v eb a t 1 4 1 是剑桥a t & t 实验室继a c t i v eb a d g e 后的一个基于超声波的定 位系统，能够提供更好的定位准确度，定位偏差只有9 c m 。一个b a t 发出超声脉 冲到安装在天花板上的接收器网格，同时控制器发送射频请求，通过有线网同步 重置信号到天花板传感器。每个天花板传感器测得从重置到超声脉冲到达的时间 间隔，进而计算距离。最后由控制中心计算位置。 麻省理工学院开发的c r i c k e t p 5 】，锚节点装有超声波发射器和射频发射器， 并随时发送超声脉冲用于测距，射频信号包括锚节点的位置和i d ，移动物体自 身进行定位运算。 国内从超声定位算法1 s 9 - 9 4 、与红外射频等其他技术融合定位【8 7 - 8 8 , 9 5 - 9 7 、超声 定位系统的应用8 7 - 8 8 , 9 8 1 等方面对超声定位技术进行了大量研究。 中山大学硕士学位论文 ( 4 ) 蓝牙 蓝牙可用于多种无线装置1 0 0 米范围以内短距离点对多点多媒体数据传输， 工作频段为i s m ( i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ) 2 4 g h z 。r a f f a e l eb m n o l 9 9 1 等提 出一种基于蓝牙技术的室内定位和跟踪系统，着重分析讨论了系统对移动物体定 位时位置及时更新的能力。j u l i oo l i v e i r af i l h o 瑚1 基于蓝牙技术建立了提供建筑 物内方向信息，定位节点自主定位的系统。a h u j a t l 0 1 】等利用蓝牙技术组建局域定 位系统帮助盲人学生在校园里能够找到要去的地方，用户通过声音来控制系统的 运行，通过安装在p d a 或手机中的接收器和每栋建筑具有的发射器实现定位和 导航。国内在蓝牙定位技术研究方面的投入力量目前还相当有限，仅有少量的理 论研究【1 0 2 1 0 5 1 。 ( 5 ) u w b ( u l t r aw i d eb a n d ，超宽带) u w b 利用高频段宽频谱极短( 纳秒级) 脉冲进行通信，可以有效克服室内 环境多路径影响，能够提供较高的定位精度，近来国外已有许多相关方面的研究 1 0 6 - 1 协。其中，r o b e r tj f o n t a n a 1 嘲等基于已有的u w br t o a ( r e l a t i v et i m eo f a r r i v a l ) 系统提出一个利用d t o a ( d i f f e r e n t i a lt u n eo fa r r i v a l ) 技术的u w b 定 位原型，均方根精度达到3 - 5 英尺。j o o n - y o n gl e e 1 0 刁等人提出了在u w b 无线 链路上基于t o a 的范围测量方法。m o ez w m 1 0 s 提出多径u w b 环境下的最大 似然检测方法。j m c r a m e r 【1 0 9 等人基于c l e a n 算法提出了一种包含t o a 、a o a 参数的u w b 信道模型。t o m a sgp r a t t 1 1 川等人提出了将阵列天线技术用于u w b 定位的方法，改善了n l o s ( n o n - l i g h to fs i g h t ) 环境下的性能，扩展了低信噪 比下的定位范围。s i n a ng e z i c i t l l l l 等分别应用t o a 、t o a 混合信号强度( s i g n a l s t r e n g t h ，s s ) 、t d o a 混合信号强度等技术进行u w b 定位，发现t o a t d o a & s s 混合技术能够提供更好的定位精度。k e g e ny u t l l 2 1 等提出一种基于t o a 技术的 u w b 定位系统，取得了小于2 m 的定位准确度。 在国内，u w b 定位研究虽然刚开始不久，但是发展迅速。桂林电子科技大 学、北京邮电大学、吉林大学、南京邮电大学等率先在国内从事这方面研究工作 【1 1 3 - 11 8 】 o ( 6 ) r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 中山大学硕- l | 学位论文 r f i d 是种非接触式自动识别技术，目前国外许多机构和学者研究开发了 基于r f i d 的室内定位【1 9 啦2 1 。其中最著名的r f i d 定位系统是s p o t o n 1 1 9 1 ，它 基于信号强度测距，可以进行三维定位。而l a n d m a r c l l 2 0 1 是一种主动r f i d 定位系统，同样基于信号强度进行测距，定位精度达到了l m ( 5 0 ) 左右。 国内对于r f i d 定位技术的研究才开展5 、6 年的时间，不过已经有大量有 关r f i d 定位算法【1 2 3 1 2 6 1 、矿井人员定位应用1 1 2 7 1 2 8 1 等方面的研究。 ( 7 ) 音视频、电磁光学、压力传感器 视频、电磁光学、压力传感器等都可以用来定位，并且发展历史要比前面几 种技术久远，如： 微软e a s y l i v i n g 1 2 9 1 使用d i g i c l o p s 实时3 d 摄像