室内使用的定位测距技术研究

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随着移动通信、无线局域网技术以及无线传感器网络技术的发展，基于位置的定位服务（LBS）越来越受到人们的重视，尤其在复杂的室内环境，近年来，大量的研究投向室内定位这一领域，室内定位及其应用成为又一人们广泛关注的研究领域，室内定位可以分为基于测距技术的定位和无须测距技术的定位，目前，一些典型的室内定位系统，大都采用基于测距的室内定位技术，如RADAR、LANDMARC等。本文主要介绍室内定位的测距技术及其基本的定位方法。

基于测距的室内定位，一个重要过程是估计两个节点之间的距离，这里的节点一般是基站传感器和待定位标签。测量这个距离的方法很多，常用的几种技术有：信号到达角度测量（Aangle of Arrival ，简称AOA）；信号到达时间技术（Time of Arrival，简称TOA）；信号到达时间差（Time difference of Arrival，简称TDOA）；接收信号强度指示（Received Signal Strength Indication，简称RSSI）。下面我们将详细介绍这几种技术的原理。

1.1     信号到达角度测量（AOA） 

这种定位技术的首要条件是基站需装设阵列智能天线。通过这种天线测出基站与待定位标签之间的角度，进一步确定两者之间的连线，这样标签与两个基站可得到两条连线，其交点即为待测终端的位置，如图1，R1、R2为基站传感器，T为待定位标签，标签发出信号与两个基站天线形成的夹角分别是 和 。

图1  信号到达角度定位

假设两个基站的坐标为（ ）、（ ）,那么通过求解下面的非线性方程，就可以得到移动台的位置（ ）

该技术利用两个天线阵列就能完成目标的初始定位，与其它技术的定位体制相比，系统结构简单，但要求天线阵具有高灵敏度和高空间分辨率。随着基站与终端之间的距离增加，该技术定位精度逐渐降低。

1.2.        信号到达时间技术（TOA） 

到达时间（TOA）定位技术：在传播速度已知的情况下，可以通过测量信号发送与接收的时间差来计算两节点间的距离。要通过使用TOA技术检测标签在二维平面的位置，则至少需要3个基站。标签发射测量信号到达3个以上的基站，通过测量到达所用的时间（须保证时间的同步），并施以特定算法的计算。实现对终端的定位，在该算法中，终端位于以基站为圆心，终端和基站之间的电波传输距离为半径的圆上，3个圆的交点即为终端所在的位置，如图2所示， 和 为基站传感器， 为待定位标签。标签在 时刻发出信号，到达3个基站的时间分别为 。

图2  信号到达时间定位

通过测量的TOA时间，我们可以计算出终端与基站之间的距离 ， ，其中 。那么假设移动台位置（ ），3个基站的坐标为（ ）、（ ）和（ ），那么基站与终端关系满足

通过三基站与终端之间的关系，联立成为一个方程组即可计算出终端的位置。

由于电磁波的传播速率很高，微小的误差将会在算法中放大，使定位精度大大降低。传播中的多径干扰、非视距以及噪声等干扰造成的误差会使各圆无法交汇，或者交汇处不是一个点而是一个区域。因此，TOA对系统同步的要求很高，并且需要在信号中加时间戳，而实际参加定位的基站一般在3个以上，误差是不可避免的。单纯的TOA算法在实际中的应用很少。

1.3.        信号到达时间差（TDOA） 

TDOA技术最早应用于雷达系统，现在GPS定位系统也采用该技术。TDOA是对TOA的改进，它不是直接利用信号的到达时间，而是用多个基站接收信号的时间差来确定移动台位置。与TOA相比它不需要加入专门的时间戳，定位精度也有所提高，如果认为利用TOA进行二维空间定位时，定位位置是3个圆的交点，那么利用TDOA进行二维空间定位时，待定位位置应是3个双曲线的交点，如图3， 和 为基站传感器， 为待定位标签。标签在 时刻发出信号，到达3个基站的时间分别是 。

图3  到达时间差定位

假设测得的时间差为 ，基站与终端之间的距离就可以表示为 。终端与基站的坐标为（ ），（ ）， ，它们之间的关系为

解此方程组，可以得到两个解，如图3两条双曲线相交于两点，因此要判断哪个点为终端位置点需要一些先验知识（如半径范围等）。

1.4.        接收信号强度指示（RSSI） 

RSSI是通过接收到的信号强弱测定信号点与接收点的距离，进而根据相应数据进行定位计算的一种定位技术。在基于RSSI的定位中，已知发射节点的发射强度，接收节点根据接收到信号的强度计算出信号的传播损耗，利用理论和经验模型将传输损耗转化为距离，在利用已有的算法计算出节点的位置，如图4， 和 为基站传感器， 为待定位标签，每个基站接收到的信号强度指示分别为 。

图 4  接收信号强度指示定位

使用RSSI技术定位首先要先建立无线信号的衰减模型，常用的信号衰减模型有自由空间传播模型、对数距离路径损耗模型、对数常态分布模型等。针对不同环境，可以选择相应的模型进行计算。通过无线信号的衰减模型就可以计算出节点间的距离。

使用RSSI技术进行定位不需要进行复杂的时钟同步和数据交换，因而非常简单易行。但缺点是RSSI的数值不是常数，即使发送和接收双方都不移动，也能出现严重的振荡。这是由信号的快速衰落和无线信号传输环境的迅速变化造成的。此外，RSSI方法受到外界障碍物的影响较大。