（控制科学与工程专业论文）基于信号强度的室内定位算法研究与实现.pdf

h*1-i-，lt-tij， 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 躲蜱吼毕避 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：肄导师签名： 】 摘 要 摘要 随着通信技术和无线网络的蓬勃发展，人们对室内定位的需求与日俱增。 确定室内环境下用户的位置信息越来越受到人们的关注。然而，由于室内环境 的特殊性，如拐角及障碍物较多，多径衰落非常严重，非视距传播普遍存在等， 使得室内定位技术成为新的研究热点和难点。 针对现有室内定位系统存在的问题，本文设计了基于z i g b e e 技术的室内定 位系统，探索能够实现建筑物内人员精确定位的方法和实现技术，重点研究了 基于信号强度( r s s i ) 的室内定位算法。设计的系统达到了预期的要求，系统的 定位精度可以满足室内人员等移动目标的定位要求。本文取得了以下几个方面 的研究成果： l 、介绍各种经典定位算法和室内无线传播模型，分析了环境因素对室内无 线传播模型中参数a 和n 的影响。采用线性回归分析对模型中参数进行优化， 找到符合实际环境的参数值。通过实验验证，线性回归分析得到参数能很好地 反应真实环境下信号传播情况。 2 、分析室内信号强度分布的规律，得出信号强度的分布近似于高斯分布， 采用高斯滤波对信号强度进行滤波处理。通过与均值滤波模型对比，高斯滤波 具有很大的优势。在实际应用中，为了保证当前信号强度与前一时刻的信号强 度偏差不能太大，对滤波后的信号强度做一个加权处理，即当前时刻的信号强 度值等于前一时刻的信号强度值与当前时刻滤波后的信号强度值的加权的和。 3 、分析了原有室内定位算法，采用泰勒级数展开式来提高定位的精度。由 于初始值的不同对泰勒级数展开式的迭代次数产生很大的影响，在选择初始值 的算法上，采用了改进的三边测量法来进行初始位置的估计。与传统的三边测 量法相比，相同的精度下计算量更小。最后通过仿真实验验证，改进的三边测 量法与泰勒级数展开式相协同的定位算法能很好地提高定位精度。 4 、利用t i 公司的c c 2 4 3 1 z d k 定位系统开发平台，以走廊为应用场景进行 实测实验，完成了定位算法的实现。相比系统自带的定位算法，定位精度得到 了提高，证明了本文算法的优越性。 关键词：r s s i ；室内定位；z i g b e e ；线性回归分析；高斯滤波；泰勒级数；三 边测量法 北京r 丁业大学1 = 学硕十学位论文 a b s t r a c t i i 曼i 鼍暑! ! ! ! ! 鼍! 鼍曼皇暑暑鼍皇曼宝鼍皇苎! 皇皇鼍皇寰葛鼍皇璺! 曼鼍 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m m t m i c a t i o na n d w i r e l e s sn e t w o r k , p e o p l e ，s d e m a n df o ri n d o o rl o c a t i o ni s i n c r e a s i n gg r o w sd a yb yd a y d e t e r m i n i n gt h eu s e r s l o c a t i o ni n f o r m a t i o ni n d o o re n v i r o n m e n tt oh a s b e e nr e c e i v e dm u c ha 牡e n t i o n h o w e v e r , d u et ot h es p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n d o o re n v i r o n m e n t , s u c ha s c o n s t r a i n e ds p a c e ，c o r n e r sa n db a r r i e r s ，t h ea t t e n u a t i o no fs i g n a lt r a n s m i s s i o n , t h e f a d i n go fm u l t i - p a t h , t h ee x i s t i n go fn o n l i n e o f - s i g h t ，t h er e s e a r c hm e t h o do fi n d o o r l o c a t i o nt e c h n o l o g yi s t o t a l l yd i f f e r e n tf r o mo u t d o o rl o c a t i o nt e c h n o l o g ya i l di t b e c o m e san e wa n dd i f f i c u l tr e s e a r c hf i e l d i n d o o rp o s i t i o n i n gs y s t e mf o rt h ee x i s t i n g p r o b l e m s ，t h ep a p e rd e s i g n st h e i n d o o rp o s i t i o n i n gs y s t e mt e c h n o l o g yb a s e dz i g b e et oe x p l o r et h eb u i l d i n gs t a f f c a n a c h i e v et h em e t h o d sa n di m p l e m e n t a t i o n t e c h n i q u e so ft h ep r e c i s ep o s i t i o n i n g ， f o c u s i n g o nr e s e a r c hb a s e do nt h e 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 ( r s s o a l g o r i t h mf o ri n d o o rp o s i t i o n i n g t h ed e s i g n e ds y s t e mh a sa c h i e v e dt h ed e s i r e d r e q u i r e m e n t sa n dt h es y s t e m sp o s i t i o n i n gc a na c c u r a c yt om e e ts t a f fa n do t l l e r m o v m gt a r g e t si n d o o rp o s i t i o n i n gr e q u i r e m e n t s t h em a j o rr e s e a r c hf i n d i n g sa n d i n n o v a t i o na r ea sf o l l o w s ： f i r s t d e s c r i b i n gav a r i e t yo fc l a s s i cl o c a t i o na l g o r i t h ma n dt h ei n o d e io f m d o o rw i r e l e s s p r o p a g a t i o n , t h ee n v i r o n m e n t a lf a c t o r so nt h ei i l d o o r 砌i o p r o p a g a t i o nm o d e lp a r a m e t e r saa n dnh a sb e e ni n f l u e n c e d u s i n gl i n e a rr e g r e s s i o n a n a l y s i so ft h er fs i g n a lt r a n s m i s s i o np a r a m e t e r saa n dnt oo p t i m i z et h ec o n s t a _ i l t s o b t a i n st om e e ts p e c i f i ce n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r s a st h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s 1 1 ( ) w 1 i n e a r r e g r e s s i o na n a l y s i sp a r a m e t e rc a l lr e f l e c tt h er e a ls i t u a t i o no f s i g n a l p r o p a g a t i o nc o n d i t i o n s s e c o n d b ya n a l y z i n gt h ed i s t r i b u t i o nl a wo fi n d o o rs i g r l a l s t r e n g t h t h e d i s t r i b u t i o no fs i g n a ls t r e n g t ha p p r o x i m a t e st h eg a u s s i a nd i s t r i b u t i o n ，s ot h i s p a p e r u s e st h eg a u s s i a nf i l t e rt of i l t e rt h es i g n a ls t r e n g t h c o m p a r e dw i t ht h em e a l lf i l t e r m o d e l ，t h eg a u s s i a nf i l t e rh a sg r e a ta d v a n t a g e s i np r a c t i c e ，i no r d e rt oe n s u r em a t t h ec u r r e n ts i g n a ls t r e n g t ha n ds i g n a ls t r e n g t ho f t h ep r e v i o u st i m eb i a sc a i ln o tb e t o ol a r g e ，s ot h ef i l t e r i n go ft h es i g n a ls t r e n g t hw i l lb ew e i g h t e d i ti st h a tt h es i 魁1 a l s t r e n g t ho ft h ec u r r e n tm o m e n to ft i m ee q u a lt ow e i g h t e ds l i mo f t h ep r e v i o u s s i g n a ls t r e n g t hv a l u ea n dt h ec u r r e n tt i m ea f t e rf i l t e r i n g i i i 北京t 业大学工学硕上学位论文 _ 一一_ _ _ l_ _ _ _ _ l_ _ _ - _ ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! t h i r d t h eo r i g i n a li n d o o rl o c a t i o na l g o r i t h mi sa n a l y s i s e do fa n dt h i sp a p e r u s e st a y l o rs e r i e se x p a n s i o nt oi m p r o v et h ea c c u r a c y a st h ei n i t i a lv a l u eo ft h e d i f f e r e n t ，t h e r ei sag r e a ti n f l u e n c eo ft a y l o rs e r i e se x p a n s i o no ft h en u m b e ro f i t e r a t i o n s s oi nt h es e l e c t i o na l g o r i t h mo nt h ei n i t i a lv a l u e ，i tp r o p o s e st h ei m p r o v e d t r i l a t e r a lm e t h o dt og e tt h ei n i t i a lv a l u e c o m p a r e dw i l t ht h er a d i f i o n a lt r i a n g u l a r m e a s u r e m e n t ，t h ec o m p u t a t i o nw i l lb e c o m es m a l l e ru n d e rt h es a m ep r e c i s i o n f o u r t h i ti m p l e m e n t st h ep r o p o s e dp o s i t i o n i n ga l g o r i t h mo nt h eh a r d w a r e p l a t f o r mo fc c 2 4 3 1z d k i tu s e st h ec o r r i d o rf o rm ea p p l i c a t i o nt oa c t u a lt e s t s c e n e c o m p a r e dw i t h t h el o c a t i o na l g o r i t h mo ft h es y s t e m ，t h ep o s i t i o n i n g a c c u r a c yi si m p r o v e d ，s oi tc a l lp r o v e t h es u p e r i o r i t yo ft h ea l g o r i t h m k e y w o r d s ：r s s i ；i n d o o rl o c m i o n ；z i g b e e ；l i n e a rr e g r e s s i o na n a l y s i s ；g a u s s i a n f i l t e r ；t a y l o r ；t r i l a t e r a t i o n 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究的背景1 1 2 国内外研究现状2 1 3 课题研究的意义4 1 4 本文的主要研究工作以及内容安排4 1 5 本章小结5 第2 章基于无线网络的室内定位技术7 2 1 室内定位技术7 2 2 室内定位算法9 2 2 1 基于测距的室内定位算法9 2 2 2 与测距无关的室内定位算法1 3 2 3 本章小结。1 5 第3 章r s s i 的滤波处理及测距模型的研究1 7 3 1 引言1 7 3 2r s s i 滤波处理17 3 2 1 平均值滤波模型18 3 2 2 高斯滤波模型1 8 3 3 3 滤波后加权处理2 1 3 3r s s i 测距模型的确立2 l 3 3 1 测距原理2 l 3 3 2 环境对测距的影响2 2 3 3 3 模型公式中参数优化2 3 3 4 本章小结2 7 第4 章基于r s s i 的室内定位算法的研究及改进2 9 4 1 定位算法的研究2 9 4 1 1 基于r s s i 的定位原理。2 9 4 1 2 衡量定位算法优劣的性能指标2 9 4 2 基于改进的三边测量法与泰勒级数展开的协同定位算法3 0 4 2 1t a y l o r 级数展开的定位算法分析3 0 4 2 2e r s s 算法描述3 3 4 2 3 基于e r s s 改进的三边测量法获取t a y l o r 级数展开的初始值3 5 4 3 算法的仿真实现3 7 4 3 1 定位算法的描述与流程图3 7 4 3 2 定位算法的仿真实验3 9 4 4 本章小结4 2 第5 章基于z i g b e e 定位平台的算法验证4 3 北京t 业人学- t 学硕十学位论文 5 1 室内定位的网络构成及其协议4 3 5 1 1z i g b e e 技术及概述4 3 5 1 2z i g e b e e 的网络拓扑结构以及协议架构4 3 5 2z i g b e e 定位平台4 4 5 2 1 定位系统的硬件平台4 4 5 2 2 定位系统软件平台4 6 5 3 平台的定位原理及系统设计4 8 5 3 1 定位原理4 8 5 3 2 系统设计流程4 9 5 4 算法的实现5 0 5 4 1 参考节点上的算法实现5 0 5 4 2 盲节点上的算法实现5 1 5 4 3 协调器上的算法实现5 5 5 5 算法的验证5 6 5 6 本章小结6 1 总结与展望6 3 参考文献6 5 攻读硕士学位期间所发表的学术论文。6 9 致谢7 1 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景 随着现代通信技术和无线网络的蓬勃发展，人们对无线定位的需求与日俱 增，无线定位的领域已由最初的g p s 导航逐渐深入了人们的日常生活，并作 为一项服务被人们接受。人们不仅希望通过无线网络随时随地获得话音、数据 及多媒体业务服务，还希望移动通信能带给他们更多诸如车载导航，紧急救援 定位等服务。 室外定位技术提出较早，发展相当快，成果显著。相比而言，室内定位技术 起步较晚，是一个崭新的领域，但同时也是一个相当重要的领域。特别是美国9 1 1 事件中，大量人员，包括后期进入大楼进行救援的消防人员，由于无法与外界通 信以及在室内的位置不明确，最后纷纷葬身火海中。这出惨剧凸显出室内定位系 统的重要作用和对它的急迫的需要。1 9 9 6 年，美国联邦通信委员会( f c c ) 制定了 e 9 11 服务曙钔，要求所有无线通信运营者，在移动用户出发紧急呼叫时，必须向 公共安全服务系统提供用户的位置信息和终端号码，以便对用户实施紧急救援工 作，并要求分阶段实施定位精度不断提高的用户定位服务。此后，日本、德国、 法国、瑞典、芬兰等国家纷纷推出各种各具特色的商用定位服务。这些服务主要 应用于：公共安全，如紧急救援，报警信息发布；跟踪业务，如犯罪嫌疑人的跟踪， 走失老人和儿童的寻找，车辆的防盗报警，交通监控控；基于位置的信息业务， 如车辆导航服务，城市观光，基于位置的信息发布等。无线定位服务已经在军用、 民用和商用领域证明了其重要性。 在室内定位方面，随着无线网络的发展与普及，出现了不少与室内定位相 关的技术和应用。但就目前技术的研究现况而言，室内定位由于障碍物的影响 较为复杂，信号精准度较低，因此难度较高。g p s 已经是一套普遍应用的成熟 室外定位技术，然而对于室内的定位，由于g p s 系统的标准误差相对于较小的 室内环境来说比较大，精度难以满足实际要求，同时由于室内环境信号受到遮 蔽，定位精度受到更大影响，因此在室内使用g p s 变得十分困难。另外一个应 用于室外定位的蜂窝系统也存在类似的缺点。因此，针对室内特殊的环境，开 发一种适用的定位技术是十分必要的。在目前已有室内定位技术中，基于接收 信号强度的定位是根据接收信号强度晦6 1 随距离变化的规律进行定位，与基于信 号到达时间( t o a ) 畸1 和信号到达角度( a o a ) 口1 的定位相比，它不需要添加 额外的硬件设备来进行精确的时间同步和角度测量，能充分利用现有的无线网 设旌，将定位系统的应用范围扩大到楼群和室内，因此成为室内定位技术的研 究热点。本文的研究就是在基于信息强度的，利用信号强度进行测距，最后根 北京工业大学t 学硕 ：学位论文 据距离和参考节点的位置来计算定位节点的位置 1 2 国内外研究现状 近年来，室内定位技术在国外受到高度重视和深入研究，在i e e e 的期刊和 会议上出现了不少定位技术的发明专利以及一些专门从事定位技术的研究与开 发的公司，如美嘉、t r u e p o s i t i o n 等。各大跨国公司，如西门子、诺基亚、爱立 信、三星等极开展对基于g s m 、i s 9 5 和3 g 中的w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、 t d s c d m a 等网络采用的定位技术的研究。目前研究的内容涉及了定位技术的 方方面面，并且更侧重于常见定位算法的研究、定位方法和技术的研究、定位 技术实施方法的研究、定位系统的性能评估等，尤其是定位算法的研究。 在定位算法的研究方面，国外研究成果中具有代表性的有：p e t r im y l l y m a k i 等人在文献【8 】中提出将位置估计问题看作机器学习的问题，即基于在已知区域 收集的样本建立r s s i 在不同地理区域上的分布模型，并提出了一个概率性的框 架解决定位问题，p i c h u nc h e n 在其发表的论文及博士论文【9 】中提出利用残差 加权的方式消除n l o s 误差；t h o m a sh i e i n e o s t m a n n 扩充了数据融合技术的应 用范围，提出了一种应用于定位估计的数据融合模型，拓宽了定位技术的研究 范畴【1 0 1 ；s m a n g o l d 将基于隐马尔可夫模型( h m m ) 的模式识别技术应用于定位 估计【1 1 1 。b a t t i t i 等人在文献中提出了从神经网络的角度考虑，以多个节点的r s s i 为输入，位置坐标为输出，训练多层感知机( m l p ) ，达到推理位置信息的目的l l z j 。 y t c h a n 提出一种在t d o a 误差服从理想高斯分布时性能优良的t d o a 定位算 法；m p w y l i e 在文献【1 4 】中则提出了一种判断及消除n l o s 误差的经典方 法，目前很多针对n l o s 误差消除的研究都是对该方法的进一步深入；m c g u i r e 提出了一种鲁棒估计函数【1 5 】，用于改进n l o s 环境下的定位估计；还提出了一 种基于时间差测量值观测得到的测量值非参数近似的定位估计算法，在n l o s 环境下也取得了较好的定位性能。 国外研究成果中，在室内定位系统开发研究方面具有代表性的有： 1 、o l i v e t t i 研究实验室研制的a c t i v eb a d g e n 叼室内定位感知系统，是最早 的室内定位跟踪系统之一。它采用了红外线技术实现室内定位，属于无线小区 监视接入的相邻法定位系统。每个待定位的物体使用红外发射机定期发送自身 唯一的i d 识别码。 2 、剑桥大学a t & t 实验室开发的a c t i v eb a t n 力室内定位系统是一个室内超 声波厌线射频定位系统，该系统利用超声波的到达时间来实现定位，属于利用 t o a 技术的三角法定位系统。该系统主要由标识、接收机和监控中心组成。 3 、微软公司研究团队开发的室内跟踪定位的r a d a r n 钉原型系统，该系统结 合经验数据和衰减因子模型，在大量数据采集的基础上通过一定的匹配法则确 定目标位置，提供定位服务和应用。后来华盛顿大学的j i u n - h u n gc h e n 对 第1 章绪论 r a d a r 系统的定位算法进行了更深入的研究，他提出了在无线网络环境使用 鲁棒性的模块匹配和支持向量匹配对使用者进行定位。由马里兰发明的h o r u s 定位系统也是一种利用位置指纹法定位的系统。它是一种基于概率分布的无线 局域网定位系统。这个系统的主要目标是为了识别出无线通道的噪声并提出处 理这些噪声的技术。 4 、麻省理工学院开发的c r i c k e t n 羽是室内超声波无线射频定位系统，属于 基于时间法测距的三角法定位系统。c r i c k e t 的定位依据是空气中声波的传播速 度远低于无线电波的传播速度，可利用无线射频信号为控制参考信号，计算声 波信号的传播时间。 5 、h a r v a r d 大学的m o t e t r a c k 啪1 定位系统，该系统最早将无线传感器网络 ( w s n ) 引入室内定位服务中，并充分展现了w s n 分布式系统的高鲁棒性优势。 6 、s p o t o n 2 1 到系统是基于射频识另i j ( r f i d ) 的室内定位系统。该系统基 于信号强度分析，发展了一种聚合算法对三维空间进行定位。s p o t o n 系统中硬 件标签网络状分布，无需中央控制单元，通过标签测试到的信号强弱来表征标 签之间的几何距离。但是，完整的s p o t o n 系统到目前为止还没有建成。 7 、e k a h a u 公司推出的e k a h a u 实时定位跟踪软件引擎，也是利用指纹法实 现的定位系统。该系统在多种行业得到了广泛的应用，其中应用最广的是医疗 保健行业，如国外一些医院的室内环境安装了e k a h a u 定位系统，它的定位精 度达到了1 米吻一。 国内对室内定位技术的研究起步较晚，随着时间的推移，目前国内从事这 项技术研究的人已经大大增加，涌现了不少研究与开发定位技术的单位，如清 华大学、北京邮电大学、中国科技大学等高校以及大唐、华为、中兴等通信公 司，在国际上以及国内刊物发表了大量的研究成果，其中具有代表性的有：西 南交通大学的孙瑜、范平志在文献中介绍了基于r f i d 技术的l a n d m a r c 室内 定位系统，并在此基础上提出了一种最近邻居改进算法和基于误差多级处理的 数据融合定位方法钔；重庆邮电大学袁正午等人在文献提出的基于多元线性回 归快速迭代的室内定位算法，该算法利用多元线性回归方法得出信号传播模型 中相应的参数，进而利用该模型求出移动终端的初始位置，再采用快速迭代方 法和各移动端相互矫正提高定位精度心制。复旦大学的倪巍、王宗欣在文献中提 出一种基于r s s i n 量的室内定位算法，该算法通过对现有的路径损耗模型进行 修正，引入距离估计误差随机变量，推导出一种迭代最大似然估计算法，通过 有限次的迭代得到令人满意的位置估计结果嘶3 ：同济大学的张洁颖分析了一种 基于场景指纹的定位算法，这种算法通过在采样点收集的无线信号的某种与位 置有关的特征信息来建立有关目标场景数据库，并以此来估计目标节点的位置 嵋7 】；文献【2 8 】中提出一种基于r s s i 均值的等边三角形算法，引入信号强度指示敏 北京t 业大学t 学硕十学位论文 感区和非敏感区概念，采用高斯模型对非敏感区的r s s i 数据进行处理，解决了 r s s i 易受干扰的问题。 1 3 课题研究的意义 无线通信技术的成熟和发展，带动了新兴无线业务的出现，越来越多的应 用都需要自动定位服务。为解决自动定位的问题，基于卫星通信的全球定位系 统( g p s ) 出现了，其良好的定位精度解决了很多军事和民用的实际问题。但 是，当需要定位的物体位于建筑物内部，如办公大楼、仓库、矿道内，其定位 精度就明显下降了甚至无法进行工作。因此，必须研究新的室内定位技术以弥 补g p s 的不足。研究针对室内特定环境的定位技术和定位系统是十分迫切和有 意义的。基于信号强度的定位与其它各种定位技术相比，最大的优点就是我们 能够充分利用现有的基本系统，只需要最少的辅助设备，就可以建立定位系统。 显然，获得r s s 信息比得到多径特征、到达时间( t o a ) 和到达角度( a o a ) 远远容易的多，而且价格方面也廉价很多。后三种信息的获得都需要额外的信 号处理的过程。因此，基于接收信号强度的无线局域网室内定位是定位领域的 一个新的研究热点。 但是由于在室内环境下对于不同的建筑物而言，室内布置，材料结构，建 筑物尺度的不同导致了信号的路径损耗很大，与此同时，建筑物的内在结构会 引起信号的反射，绕射，折射和散射，形成多径现象，使得接收信号的幅度， 相位和到达时间发生变化，造成信号的损失，定位的难度大。其次，室内定位 的研究方法与室外定位不同，对于室内定位最重要的不是得到某个精确的坐标， 而是确定用户在哪个区域。虽然室内定位是定位技术的一种，和室外的无线定 位技术相比有一定的共性，但是室内环境的复杂性和对定位精度和安全性的特 殊要求，使得室内无线定位技术有着不同于普通定位系统的鲜明特点，而且这 些特点是户外定位技术所不具备的。因此，两者区域的标识和划分标准是不同 的。基于室内定位的诸多特点，室内定位技术和定位算法已成为各国科技工作 者研究的热点。如何提高定位精度仍将是今后研究的重点和难点。因此，研究 一套精确的室内定位算法是非常必要的。 1 4 本文的主要研究工作以及内容安排 本文的主要工作是研究室内定位算法，以t i 公司的c c 2 4 3 1 z d k 啪1 定位开 发系统为硬件平台来实现算法验证。首先研究了室内环境中信号的衰减情况， 分析环境对信号衰减的影响，优化了衰减模型公式中的参数，然后采用高斯模 型对接收的信号强度进行滤波处理，提高了测距的精度。分析基于r s s i 的定位 算法，提出了提高定位精度的算法改进方案，最后在c c 2 4 3 1 z d k 硬件平台上 验证了定位算法。 第1 章绪论 论文的内容安排如下： 第一章：绪论。介绍了论文的研究背景、国内外研究现状及课题的研究意 义，并对论文做概括性介绍。 第二章：基于无线网络的室内定位技术。重点讨论了目前较为成熟的室内 无线定位技术方案，定位算法的分类以及基于测距技术定位算法的数学模型。 第三章：r s s i 的滤波处理及测距模型的研究。根据r s s i 的分布以及信号 的强度的分布，对信号强度进行滤波处理。比较了平均值与高斯滤波两种滤波 方式。通过实验比较分析，高斯滤波要优越于均值滤波。在已有的无线信号与 距离的衰减公式基础上，研究了环境对模型中参数的影响。为了获取符合真实 环境的参数，采用线性回归分析对参数进行优化。最后通过实验分析，参数优 化后测距精度有很大的提高。 第四章：基于r s s i 测距的室内定位算法的研究及改进。首先分析了选用 t a y l o r 级数展开法进行定位求精的原因，对t a y l o r 级数初始值的选择不同对迭 代次数以及收敛性的影响。提出来利用改进的三边测量法与t a y l o r 级数展开协 同定位的改进方案。通过仿真实验，验证了算法的优越性。 第五章：基于z i g b e e 定位平台的算法验证。主要介绍了支持z i g b e e 协议 的方案的片上系统c c 2 4 3 1 和定位系统开发平台c c 2 4 3 1 z d k ，最后在此定位平 台上完成了算法的硬件实现，通过和系统自带算法的定位性能的比较，验证了 本文算法在提高定位精度方面的优越性。 1 5 本章小结 本章首先介绍了课题的背景、来源、意义，然后全面概括了无线定位中的 一些关键技术的发展状况和研究内容，最后，介绍了论文的主要内容、组织结 构及整体安排。 北京丁业大学t 学硕十学位论文 第2 章基于无线网络的窀内定位技术 第2 章基于无线网络的室内定位技术 2 1 室内定位技术 随着数据业务和多媒体业务的快速增加，人们对定位与导航的需求日益增 大。但是受定位时间、定位精度以及复杂室内环境等条件的限制，比较完善的定 位技术目前还无法很好地利用。因此，专家学者提出了许多室内定位技术解决方 案，如a g p s 定位技术、超声波定位技术、蓝牙技术、红外线技术、射频识别技 术、超宽带技术、无线局域网络等等。 1 、w i f i 定位技术 w i f i 定位技术是利用日益增多的w i f i 网络和设备来为用户提供价格低廉的 定位功能。该定位技术适用于室内或室外定位、保密性好、可被应用于现有的具 有w i f i 功能的设备上。在公共场合，w i f i 的覆盖密度很大，只要用户的设备上有 一张本地w i f i 接入点的分布图，设备就会通过接收w i f i 信标和分布图确定自己的 位置，得到所处位置的信息后，用户可以根据相关信息更好地开展不同的应用。 芬兰的e k a h a u 公司开发了能够利用w i f i 进行室内定位的软件。w i f i 绘图的精确 度大约在l 米至2 0 米的范围内，总体而言，它比蜂窝网络三角测量定位方法更精 确。但是，如果定位的测算仅仅依赖于哪个w i f i 的接入点最近，而不是依赖于 合成的信号强度图，那么在楼层定位上很容易出错。目前，它应用于小范围的室 内定位，成本较低。但无论是用于室内还是室外定位，w i f i 收发器都只能覆盖 半径9 0 米以内的区域，而且很容易受到其他信号的干扰，从而影响其精度，定位 器的能耗也较高。 2 、超声波定位技术 超声波定位系统由若干个应答器和一个主测距器组成，主测距器放置在被测 物体上，在微机指令信号的作用下向位置固定的应答器发射同频率的无线电信 号，应答器在收到无线电信号后同时向主测距器发射超声波信号，得到主测距器 与各个应答器之间的距离。同时有三个或三个以上不在同一直线上的应答器做出 回应时，可以根据相关计算确定出被测物体所在的二维坐标系下的位置。c r i c k e t l o c a t i o ns u p p o r ts y s t e m 是目前成功使用该项技术的定位系统。但是这类系统 需要大量的底层硬件设施投资，成本太高，无法大面积推广。 3 、红外线室内定位技术 红外线室内定位技术的原理是红外线i r 标识发射调制的红外射线，通过安装 在室内的光学传感器接收进行定位。虽然红外线具有相对较高的室内定位精度， 但是由于光线不能穿过障碍物，使得红外射线仅能视距传播。直线视距和传输距 离较短这两大主要缺点使其室内定位的效果很差。当标识放在口袋里或者有墙壁 北京t 业人学丁学硕卜学位论文 及其他遮挡时就不能正常工作，需要在每个房间、走廊安装接收天线，造价较高。 因此，红外线只适合短距离传播，而且容易被荧光灯或者房间内的灯光干扰，在 精确定位上有局限性。 4 、射频识别技术( r f i d ) 典型的r f i d 系统包括：读卡器( r e a d e 0 、电子标签( t a g ) 、主机( h o s t ) 及数据库。 当系统要进行物体识别工作时，主机通过有线或无线方式下达控制命令给 r e a d e r ，r e a d e r 接收到控制命令后，其内部的控制器会通过r f 收发器发送出某一 频率的无线电波能量，当t a g t 勾的天线感应到无线电波能量时，会传回含有自身 种类识别码标志、制造商标志的识别资料给r e a d e r ，最后传回主机进行识别与管 理。该项定位技术最典型的例子就是l a n d m a r c 定位系统啪1 ，该系统用活性参 考标签t a g 替代离线数据采集，其动态参考信息能够实时捕捉环境变化，提高定 位精度和可信度。活性参考标签t a g 的应用免去了每个测试点数百次的人工数据 采集，且能更好的适应室内环境的波动，提高定位精度。目前，关于r f i d 定位 技术研究的热点和难点在于理论传播模型的建立，用户的安全隐私和国际化标准 等方面。 5 、z i g b e e 技术1 z i g b e e 是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它介于射频识别和蓝牙 之间，也可以用于室内定位。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之 间相互协调通信以实现定位。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过 无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。 z i g b e e 最显著的技术特点是它的低功耗和低成本。正是由于z i g b e e 的这些优点， 使得它在室内定位中占有了很大的优势。本文也是基于在z i g b e e 协议的基础上进 行室内定位的研究和开发 6 蓝牙技术口k 3 2 1 蓝牙室内定位技术最大的优点是设备体积小、易于集成在p d a 、p c 以及手机 中，因此很容易推广普及。理论上，对于持有集成了蓝牙功能移动终端设备的用 户，只要设备的蓝牙功能开启，蓝牙室内定位系统就能够对其进行位置判断。采 用该技术作室内短距离定位时容易发现设备且信号传输不受视距的影响。其不足 在于蓝牙器件和设备的价格比较昂贵，而且对于复杂的空间环境，蓝牙系统的稳 定性稍差，受噪声信号干扰大。 7 室内g p s 技术 当g p s 接收机在室内工作时，由于信号受建筑物的影响而大大衰减到十分微 弱的地步，要想达到室外一样直接从卫星广播中提取导航数据和时间信息是不可 能的。a g p s 技术啪1 为这个问题的解决提供了可能性。其定位的机制是a - g p s 手 机首先将本身的基站地址通过网络传输到位置服务器，位置服务器根据该手机的 第2 章基于无线网络的室内定位技术 大概位置传输与该位置相关的g p s 辅助信息到手机，该手机的a - g p s 模块根据辅助 信息接收g p s 原始信号，计算手机到卫星的伪距，并将有关信息通过网络传输到 位置服务器，位置服务器根据传来的g p s 的伪距信息和来自其他定位设备的辅助 信息完成对g p s 信息的处理，并估算该手机的位置。虽然该项技术可以达到令 人满意的定位精度，但是定位实现必须通过多次网络传输，占用了大量的空中资 源。此外a g p s 定位技术由于需要在手机内集成g p s 接收器，比一般手机在耗电上 有一定的额外负担，决定了它的应用受限性。 2 2 室内定位算法 一般室内定位算法分为两大类：基于测距技术( r a n g e b a s e d ) 的定位算法和与 距离无关( r a n g e f r e e ) 的定位算法。前者通过测量节点间点到点的距离或角度信息 来计算未知节点的位置，通常采用测距、定位和修正等步骤。根据测量节点间距 离或方位时所采用的方法，基于测距技术定位算法分为基于t o a 的定位、基于 t d o a 的定位、基于a o a 的定位、基于r s s i 的定位等。后者则无需距离和角度信 息，而利用节点间的邻近关系和连通性实现定位，其典型的定位算法有质心法、 凸规划算法，a p i t 算法等。一般来说基于测距技术的定位算法的精度要高于与距 离无关的定位算法。 2 2 1 基于测距的室内定位算法 基于测距的定位算法的基本原理是通过无线信号的传输测得参考节点和定 位的距离，根据距离和参考节点的位置信息求得定位节点的位置。在该算法中最 关键是一步是测得参考节点到定位节点的距离。目前测距方面的技术主要集中以 下几个方面： 1 、基于信号强度的测距 已知发射功率，在接收节点测量接收功率，计算传播损耗，使用理论或经