室内定位技术研究独家优秀】

I 摘要 随着无线定位技术的迅速发展，基于定位的服务 (逐渐普及到各个领域，例如航海导航车载定位以及人员跟踪等。尽管基于 术的室外定位已经达到了很高 的定位精度，但是由于 号无法达到室内的特性，在 适用于室内环境的条件下，室内定位面临着各种技术难题和挑战，所以它也成为当前研究和关注的热点。 现有的室内定位技术主要有红外线定位、超声波定位、 频识别定位以及 位等。其中，基于 定位近几年来倍受人们的关注。 位有多种算法，本文采用最近点搜索法来实现定位，这个算法是先采集一定数量的样点，计算出它们到每个 的信号损耗，将这些数据输入进数据库，然后通过自身位置到各个 之间的信号损耗和数据库中各个样点到每个 的信号损耗作对比，最后定位出实际位置。 本算法是通过 真来实现的 ， 仿真了在 100m*100m 范围内，取 5 个，在步长和实际位置不同的情况下的定位结果。其中步长分别取了 1m 到 10m，实际位置随机取了 5 个点。最后从仿真结果 可以看出步长的选取与实际位置的坐标存在关系。当实际位置的横纵坐标除以步长取的余数越小，定位的结果就会越准确。当余数为 0 时，定位的结果就是实际位置。 关键词 ： 室内定位技术 最近点搜索法 真 of to as of PS a of PS of to is of so it of of in a of to is to a of of to ap to ap of as to ap is 00 * 100, 5 AP in of 0, of of be of of by in of be is of is 目录 第一章 绪论 . 1 内定位研究背景 . 1 内定位研究的意义 . 1 究发展现状 . 2 文的主要工作 . 4 第二章 定位相关理论 . 5 内定位技术简介 . 5 内定位主要技术 . 5 响室内定位因素 . 6 信技术原理 . 7 术概述 . 7 络拓扑 . 8 基本服务 . 10 内信号传播模型 . 11 介 . 11 第三章 最近点搜索法定位法 . 13 内定位常用算法 . 13 于参考点的定位 . 13 离无关的定位 . 15 近点搜索法 . 17 近点搜索法流程 . 17 近点搜索法工作原 理 . 18 第四章 最近点搜索法的设计与实现 . 19 计流程 . 19 程序 . 19 序 . 20 序 . 20 序 . 21 最近点搜索法的仿真 . 22 真定位场景 . 22 差分析 . 22 长与误差的关系 . 24 第五章 总结与展望 . 29 结 . 29 望 . 29 参考文献 . 30 致谢 . 33 附录 . 34 1 第一章 绪论 内定位研究背景 随着当前移动通信技术的发展以及无线网络的逐渐普及，对于基于定位的服务(的需求也日益迅速增加，例如，出行路线导航和实时位置跟踪：商场购物车定位和顾客 消费习惯收集；医院重病人跟踪监护和产房婴儿防盗等。因此，基于定位的计算和服务 在入们的日程生活中发挥的作用越来越重要。 无线定位系统根据定位的环境分为室外定位和室内定位。对于室外定位，目前主要 有全球定位系统 (1及蜂窝网无线定位系统 1。 要是利用卫星导航根据已知位置的卫星到用户接收机的距离采用三边测量法来确 定接收机的具体位置， 最高精度可达 5m。但是，这种定位方式需要在相对空旷及高层建筑稀少的地方才能保证定位的精确性，室内用户无法使用而且耗电量很高，尤其是 受机在建筑物之内或者楼群密集区域的时候，由于建筑物对信号强度极大削减，导致定位精度很低甚至无法完成定位。虽然目前存在一种能够运用于室内定位的 A 位技术，但是利用 A 定位需要增加网络传输的次数，这对通信运营商来说无疑增加了额外的成本。在蜂窝网无线定位中，比较常用的是基于移动台的定位系统，它的定位原理与 似。由于建筑物对信号的极大衰减，室外定位技术是无法实现对于室内目标的定位和跟踪。当前，室内定位技术主要有光跟踪定位技术、超声波定位技术、蓝牙技术以及 术等，其中基于 定位 技术是当前人们关注和研究的热点。 02 1l 发展至今已日趋完善，随着 应用普及，基于 泛分稚于学校、工厂、办公环境和公共娱乐场所等，智能手机、笔记本、内置了无线网卡的手持设备也都可以接收附近的 号。因此，通过 术覆盖范围广泛，易于安装，传输速度快并且成本较低。 鉴于 术的上述优点，基于 定位在无线定位领域中引起了广泛重视，也成为 了学术界研究的热点。 内定位研究的意义 在无线通讯中，用户的位置信息是极其重要的，尤其是在繁华的市区以及高层建筑之内，用户大部分时间都是在室内环境下进行工作学习、日程生活等。所以对于室内定 位的需求和重要性都在日益倍增。除了对人员的定位外，实现对设备以及商品的位置信 息追踪也会带来更多的便利和商业价值。例如，对儿童出行进行安全定位监控，医院中 对便携设备进行实时定位以及工厂里面对自动化机器的位置跟踪和操作等，所以能实现 低成本且高精度的室内定位系统是极具现实意义的。 2 而目前逐渐普及的 术具有扩展性强、应用范围广泛、传输不易受非视距误 差 多径衰落因素影响等优点，基于 定位具有更强的稳定性。这种定位可以利用位置 指纹信息识别通过 络中可以随意获得的接入点 移动终端进行定位，避免了对无线蜂窝网络基站的依赖，同时也弥补了 位在建筑密集以及室内应用的限制，提高定位精度，降低配置成本，提高了设备的利用率，对实现低成本且高精度的室内定位系统具有重要的意义。 究发展现状 当前，全球定位服务的发展主要集中在欧美和亚太两大市场，早在上个世纪 60年代，就出现了自动定位系统，但是该技术的应用很有限。 80 年代后， 蜂窝网通信系统的 出现迎来了无线定位技术新的时代。 1996 年美国 布 全条款 3， 该条款明确 指出通信网络运营商必须提供定位服务，之后，其他国家和地区也做了类似的规定，例如欧洲国家和日韩两国。日本运营商在 2000 年就开始推出移动基于定位的服务 (并且 内容非常丰富。之后韩国也通过成立相关定位服务产业协会促进韩国市场的 定位服务迅速发展，主要的 营商包括。 2006 年之后，随着 策的系统设备更新逐步完成，北美通信运营商也开始积极推广 用。 由于技术更新以 及推动策略等因素，相对于亚太和北美，欧洲定位服务的发展相对落后。 就定位技术的发展而言， 术是定位技术发展的一大里程碑。它是起步最早也是 发展最成熟的无线定位技术。现在大部分航海和飞行以及车载定位都离不开且它 也在向其他领域延伸。 术是从早期的美国军用导航系统发展起来的，定位原理是利用三边测量的方法，用三个位置已知的卫星确定接收机的位置。因为在估测 接收机 的距离时是采用时间度量非常准确的原子钟来计算射频信号传输时间，所以 位能够拥有非常高的精度。另外，伴 随着无线蜂窝移动通信技术的发展，由于蜂窝网无线移动 用户的剧增，使得对移动用户的定位需求越来越迫切，基于蜂窝网的各种定位技术也逐 渐提出并迅速发展。定位的方法主要有以基于到达时间 (方法、基于到达时问差 (方法 )基于到角度的方法(及混合定位 方法等，定位精度大概在 150m 左右。 上个世纪 90 年代末，越来越多的研究工作者开始从事无线定位技术的研究，为此成 立了专门的组织和联盟并掀起了对无线定位研究的热潮，包括更多的无线定位技术发明专利的出现、国外大型通信公司对定位的研究开发和性能测试评估以及各大科研院校从事定位理论和方法的研究。 相比以 术和蜂窝网定位技术为主的室外定位技术，室内定位技术的发展起步比较晚，而且室内环境的诸多因素使得室内无线定位面临着很多技术难题。当3 前室内的定位技术主要有红外线定位技术超声波定位技术、 频识别定位技术、超宽带定位技术、 术和 位技术等 4。 对于国外的基于 定位研究，早在 2000 年， 微软公司就开发了一套基于指纹定位的试验系统，这套系统通过离线阶段对指纹数据库的建立实现在线阶段的定位匹配，使用的方法也主要是最近邻法以及 K 近邻法。另外， 司也曾开发了一套基于 络的实时定位系统，能够在所有支持 无线网络上对目标进行定位，精度能够具体到房问号、楼层数。该实时定位系统主要通过保存在数据库中某些特定位置的信号强度对比当前移动终端收到的信号强度，并以条件概率作为参考来确定移动终端的位置。同时能够保存冗余定位信息到数据库中。当移动终端位于真实环境进行定位的时候，定位服务器 把环境内的障碍物等因素考虑进去之后，再结合之前建立的指纹数据库中的信息估算出移动终端的定位位置，同时利用数据库中冗余信息实现对移动终端定位位置的修正从而得到比较精确的定位结果。 基于 号的定位可以用于车载定位系统当中，文献 5就对一种基于 能够实现对指纹数据库的实时更新，来保证定位的准确性。现今，随着智能手机平板电脑等支持 能的移动终端的推出，基于这些终端的 位系统的研究也成为了定位的热点，文献 6设计了一种基于安卓智能手机的定位系统 ，离线阶段选取几个信号较强的 行指纹数据的采样后，在线定位阶段时可以选用贝叶斯概率算法或者 K 近邻算法对安卓手机用户进行定位。 从国内来看， 络建设起步比较晚，但是最近几年发展迅速。上海市计划在 2010 年前建立起覆盖全市的高速无线网络：北京市预计在 2011 年底以前完成五环以内的城区普及无线宽带高速上网：其他许多城市也相继开始大规模建设无线网络。个人位置服务的发展在法律层面，还牵涉到用户隐私的保护问题。我国法律在民法中确定了了对公民名誉权的保护，但对于用户位置的隐私性质没有详细的阐述或明确 规定。这一立法上的相对滞后，可能影响 业的发展。如何促进用户认识各种深入的增值应用服务，并形成有效需求和使用习惯，成为 场的关键。 目前我国的 属于相对匾乏的阶段。但国内己有一些公司开发出可以能够基于 术的实时定位解决方案。 2009 年， 司宣布将其开发的 时定位系统正式应用于北京地坛医院。该定位系统主要用于医院追踪资产、设备和病人，及时了解和掌握关键工作人员、资产和医疗设备的实时位置信息等，这套系统的应用减少了医疗保健的成本、提高工作效率和改善了工作流程。 4 文的主要工作 本论文的主要工作包括： 第一章介绍了室内定位的研究背景、意义和发展现状。 第二章介绍了室内定位的相关理论知识，包括室内定位的主要技术， 信技术原理及室内信号的传播模型，还有对 简单介绍。 第三章介绍了室内定位常用的几种算法和本设计用到的最近点搜索法。 第四章介绍了最近点搜索法的设计与实现，包括设计思想和通过 其进行的仿真。 第五章介绍了做本次设计的一些总结，还有对最近点搜索法定位的一些展望。 5 第二章 定位相关理论 室内定位技术越来越受到人们的关注，精确的室内定位已成为商业、公共安全和军事等应用的迫切要求。本章首先介绍室内定位技术和 术原理，然后着重介绍室内定位用到的主要方法。 内定位技术简介 内定位主要技术 室内定位技术是找到一个接受信号的终端在某一个时间点位于一个坐标系的其中一个位置。在存在各种因素的室内环境中，如停车场，超市，图书馆，仓库，飞机场大厅、等环境中，因此，许多有关专业的高端学者找到了多种在室内进行定位的技术方法。如下图 示，有超宽带技术、 术、无线局域网络、超声波技术、射频识别技术、蓝牙技术、红外线技术、光跟踪技术，以及信标定位、图像分析、计算机视觉定位技术等等。我们可以将这些室内定位技术大体分为几种类型，即 术，无线定位技术，其他定位技术，以及 无线定位两种定位技术组合的定位技术 ( 4。 算机视觉 红外线 射频识别 超声波 牙 宽带 光跟踪 室内定位技术 图 内定位技术 6 响室内定位因素 在无线定位网络中，为了提高定位精度，我们除了研究提高定位准确度的方法算法外，还需要对影响定位精度的误差进行研究，寻找对策以最大程度地消除误差。由于现实中的无线传输并不是理想状态下的，终端与 间会存在非视距传播。在无线传输中，多径干扰的问题也是无法避免的，另外还有一些设备人为上的因素等等。以上各种因素都会影响到信号的传播，从而最终影响定位准确度。采取适当措施降低或者消除这些因素，是提高定位精度的关键。定位误差的来源主要包括： (1) 多径传播。 多径传播是指无线电波沿着两个或多个不同的路径到达另一个天线的传播现象。利用 位技术来进行定位时，即使在 间电波可以距 )传播，多径传播也会对时间的测量产生影响 17。 (2)非视距传播问题。 of 播是信号在发射端与接收端之间传播过程中，被障碍物 阻挡，而导致不能在接收端与发射端之间直接进行信号传播。而是经过反射、折射及衍 射传播。所以利用接收端接收到的信号强度计算出的发射端与接收端之 间的距离会远大于视距传播直接距离 18。 反射 当传播中电磁波遇到一个大小远大于本身波长的平坦物体时，会有反射现象发生。 通常发生在地面、大型建筑物和墙壁。反射物体通常会吸收部分发射信号一部分的能量，这样就导致到达接收端的信号变弱。 衍射 绕射发生在发射机与接收机之间的传播过程中被远大于本身波长的障碍物阻挡时， 在障碍物顶端二次波成分能够经过障碍物到达接收端。所以绕射是在发射机和接收机之间没有直接路径时，电磁波的传播现象。其中障碍物大小与到达接收端的二次波能量成反比。当传播路径被不可穿透的障碍 物遮蔽时，衍射可以到达接收端。 散射 当电磁波遇到障碍物的大小与传播的电磁波波长差不多或小于波长时，对于电磁波 来说障碍物如同多面的反射体，使得电磁波的能量散射到各个方向，会产生散射现象。 散射一般发生在有粗糙表面的障碍物上。 在实际的传播环境中，如果是 播，则可以对目标进行准确地定位。但是在现实的实际传播环境中，在发送端和接受端之间实现 播通常是不可能的。因此，降低 传播路径的影响并提高目标定位精度，是现在无线定位技术研究的关键。目前，降低 播的影响通常采用以下几种方法： 1)利用测距误差统计将 量 值调节到接近 测量值，因为 i， 0S 传播的测距标准差要比7 播的低得多： 2) 根据 播条件 K 实际距离总是小于距离测量值这一特点，在非线性最 4,测量算法进行改进，从而提高定位精度； 3)最后一种方法是降低非线性最小二乘算法中 量值的权重来降低 (3)频率干扰以及室内障碍物材质。 室内环境由于存在各种使用不同信号频率的设备，例如蓝牙设备、 备、备等，这些设备之间会 存在一定的频率干扰进而会影响各自的信号传输稳定性，使用这些信号频率的定位装置就也会受到其他设备频率的干扰而影响定位的精度。 另外，当发射端和接收端设置在不同房间内时，会因障碍物材质的不同例如不同材质的墙以及玻璃等而影响信号的传播。因为不同障碍物的材质有不同的衰减系数，而这些衰减系数导致信号强度的衰减程度也不同。尤其在室内环境下的厚木板、水泥墙都会引起信号强度大幅度的衰减，这样直接造成接收端的信号强度不稳定。 2.2 信技术原理 线保真 19 20，在无线局域网内是指“无线相容 性认证”，是一种无线联网技术。由 盟 (持有。目的是使基于02 11 标准的无线网路产品之间的互通性 (兼职性 )变得更好。其中 02 1l 是无线局域网协议标准。主要用于解决办公室局域网和校园网中，用户与用户终端的无线接入。从 1997 年 1l 标准开始实施以后，先后有 802 1 02 1 802 119 等标准制定或者在构思，但是 是面对漫游不方便、网管 不强大、系统不安全和没有杀手级的应用等多种问题。为了使 务能够具有高质量，并且可以达到以太网的性能水平，所以 802 1运而生。 表 出 802 1l 几个 重要协议的通信参数。 802 11 a：高速 议， 802 1准工作在 5 带，物理层速率最高可达 54输层速率最高可达25提供 25无线 口和 以太网无线帧结构接口，以及 空中接口；支持语音、数据、图像业务；一个扇区可接入多个用户，每个用户可带多个用户终端。 802 11 b： 802 1无线局域网的一个标准。其载波的频率为 2 4送速度为 l 102 11b 是所有无线局域网标准中最著名，也是普及最广的标准。在 2 4段共有 14 个频宽为 22频道可供使用。 02 1后继标准是 02 1 传送速度为 54 8 协议 发布日期 标准频宽 最大速度 室内最大速度 室外最大速度 997 年 s / / 999 年 54s 约 30 米 / 999 年 1s 约 30 米 约 100 米 003 年 4s 约 30 米 约 100 米 006 年 540s 约 50 米 约 125 米 802 11：在这个版本，介质访问接入控制层 ( )和物理层被定义。2 4段上的两种无线调频方式和红外线传输方式在物理层被定义了，传输速率为 2 s。设备问通信可采用直接方式、基站和访问点的协调下进行。 除了以上几个重要的协议标准外， 802 11 目前主流厂商正在开发的协议版本，它使用 5 6段，并采用更宽的基带 (最高扩展 160更多的及高密度的调制解调 (256 理论上 802 11以为多个站点服务提供 1带宽，或是为单一连接提供 500传输带宽。 络拓扑 络的基本单元组成结构如下图 示，主要包括了接入点 (P)、站点 (无线传输介质 ( )以及终端服务器( (1)点 点是 络的基本组成单元，与有线网络相对应， V 线网络中通常作为客户端使用，其具各 线网络的接口，一般称为网络接 点可固定也可移动，其支持鉴权 、数据加密、取消鉴权、数据传输等功能。 络中可以包含多个站点，其覆盖范围内的所有 点均可相互通信。 (2)入点 表 议族 9 接入点类似无线蜂窝网中的基站 (是 络的重要组成部分， 当于一个连接有线网和无线网的桥梁，其主要作用是将各个无线网络客户端连接到一起，然后将无线网络接入以太网。 要分为单纯型 扩展型 者缺少了路由功能，相当于无线交换机，仅仅是提供一个无线信号发射的功能。而后者通常指无线路由器，通过路由功能，可以实现与 络连接共享，也能实现带的无线共享接入。 (3)无线传输介质 无线传输介质是 宽带服务器的连接媒介。通常， P 与 输介质就是空气，而 P 与宽带服务器之间既有无线传输也有以电话线职绞线等作为传输介质的有线传输。 (4)终端服务器 根据需要，我们需要将 终端服务器连接进行数据交换。终端服务器大体有两类一类是以太网宽带服务器，通过 口实现因特网资源的获取。另一种则是局域网服务器，此类服务器往往是用于实现系统功能进行数据处理发送的服务终端。 根据组网的元素的成分， 信网络分为 络、 络以及 络 19 (1)络 络是一个独立的 上图 示。这种网络的另一种叫法为对等结构网， 络中所有无线节点地位都一样，不需要其他别的控制节点。这种网络的工作站互相不需要太多步骤，可以直接互相访问。但是两者之间的距离不能太远。网络中的节点需要具有普通移动终端的功能和具有报文的转发能力。这种网络具有地位等同、动态结构、灵活性好、和高可靠性等多种优点。 络结构 10 (2)络 与独立基本服务集网络不同的 求有一个接入点作为连接中心，所有的 网络的访问都是被接入点 P 控制。接入点所能管辖的范围内，所有连接到该接入点的 成一个基本服务集 本服务集 中的数据再进行传输的时候，只有通过接入点才能进行转发。使用接入点的 址作为网络的作站想要获得网络提供的服务首先要做的就是和接入点取得联系，同时需要注意的是工作站与接入点只能同时一对一连接。 (3)络 为了实现工作站跨越自己所属的基本服务集的范围进行与其他基本服务集之间的通讯， 02 1准对扩展服务集网络进行了规定。扩展服务集网络利用分布式系统 (基本服务集网络都互相连接到一起，同一个扩展服务集网络中的接入点需要用一样地标志和服务，并且通过分发服务进行合作。基本服务集网络是构成网络的最小单元，和蜂窝网络中的小区单元差不多，每个基本服务集网络中接入点在进行互相连接的时候都是用的有线连接。 基本服务 从 准开始，体系结构允许分布式系统可以使用不同的技术来构建分布式系统，不限制分布式系统是基于数据链路层还是基于网络层，也不限制分布式系统是集中式的还是分布式的。而是详细说明了所包含的服务内容，大体上这些服务可以 被分为两类：站点服务和分布式系统服务。站点服务服务包括认证、解除认证、加密；分布式系统服务包括关联、分离、分发和整合 (1)站点服务 认证服务是 02 1l 提供访问控制的手段能够被所有工作站用来确定与其通信的站点的身份，任何一个站点要想发送数据需要先去证明自己的身份，在认证机制中，不是去强制使用一些特定的认证方案，而是扩展某些受支持的方案。1 提供链路级认证，但是不提供用户之间的认证。认证是关联的必要前提，用户只有在被认证了才能够接入网络，当无线网络与 行连接时 ，一般需要通过好多次的认证才行。 与认证服务相反，结束认证服务是为了结束一组身份认证关系，这个过程无需请求，因为关联的前提是认证，所以也不应该被任意一方随意的拒绝，所以说一旦认证解除，工作站之间的关联也会自动解除。 加密服务是为了给有线局域网和无线局域网的安全来提供服务的，一般由有线等效加密协议 (供。加密服务不会随便使用，只有一些重要的才会使用，一般只对数据帧和某些鉴权管理帧这种的去添加加密服务。 11 (2)分布式系统服务 关联服务是用来建立接入点与工作之间映射关系的过程，这种映射关系被分布式系统用来 完成信息的分发服务。一般地，当工作站进入一个接入点信号覆盖范围内，这种服务就要被用到。关联过程的初始化工作始终是由移动的工作站来完成，并不是接入点本身，一个接入点可以在同一时刻与多个工作站建立关联关系。 解除关联服务是用来从网络中移除不需要的工作站用以结束现有关联关系，一个工作站在离开关闭之前需要终止当前关联则必须使用这项服务。接触关联的服务可以由相互关联的任何一方调用，而且不能够被关联的另一方拒绝。 分发服务是工作站经常使用的主要服务，当分布式系统要发送消息数据帧时，对于正在运行的所有扩展基本服务集中运行的工作站，无论是从该工作站发送数据是向工作站输送数据都要调用分发服务，这项服务通过路由那些发送给其他工作站的帧，决定是向本地服务集发送还是通过有线网络向其他服务集的工作站转发。 整合服务主要是用来和一个非 802 11 网络进行通讯时要用到的，通过这项服务可以将 02 1l 格式的数据帧翻译成目标网络要求的帧格式，这项服务由分布式系统来提供，功能也会因不同的分布式系统而异。 内 信号传播模型 理论上，无线信号在无障碍物和干扰的自由空间内，信号强度的衰减可以用下面的数学表达式来表示： 其中，只是发送端的发送功率， Pr(d)是接收端的接收功率， 发射端天线增益， q 是接收端天线增益，九是传输波的波长， d 是发射端与接收端的距离， B 是系统损耗系数，除了 d 之外，其他参数都是可以通过测量得到或者提前已知。所以说根据发送端与接受端的信号功率就可以估计出两者之间的距离，并以此距离为半径以己知位置的发送端为圆心画圆。根据三圆相交与一点的原理，用三组这样的距离即可估算出接收端的位置。但是，在现实环境中，由于各种小尺度衰减、信号干扰等影响因素的存在使得接受功率要小于只，所以说估计距离 d 便会有偏差从而影响定位的精度。因此针对室内复杂环境，又提出了对数损耗模型、衰减因子模型以及型等。 2.4 介 本设计最后是通过 真来实现的，好多函数和图都是 可以用完成，最后直观的显示出来。矩阵和数组是 核心，因为22() ( 4 )t t （公式 2 12 所有的的数据都使用数组表示和存储的。除了常用的矩阵代数运算之外，提供了多种数组运算功能应用于各种数据集合进行处理。虽然面向矩阵的编程语言，但它也具有其他计算机编程语言所具有的编程特性，在进行数据处理的同时， 提供了各种图形用户接口工具。以方便用户进行各种应用程序开发。总之一句话， 数组数据结构、编程特性和图形用户接口工具集成在一起，成为解决各类问题的强大的工具。 13 第三章 最近点搜索法定位法 内定位常用算法 室内定位方法主要分为基于距离的定位和距离无关的定位，前者主要通过利用已知点的位置信息，采用一定的方法对目标进行定位，这种定位依赖点对点的距离估计或者角度估计。而后者是不依赖于目标与已知点的距离信息。下面对这两类方法进行介绍。 于参考点的定位 基于参考点的定位方法大体分为时间到达的方法 (27、时间到达差的方法 (28角度到达的方法 (31、混合定位方法 (32以及基于信号强度的方法 (33 35。这一类方法需要通过将测量的信号转换成距离或者角度来对移动终端进行定位。 位法 基于到达时间的方法是根据移动终端到达三个不同的基站所用的不同时间，由于无线电波传输的速度是 C，因此移动终端与第 f 个基站的距离为 分别是向第 i 个基站发送信号时发送的时刻和到达的时刻。一般情况下，基站的个数至少为 3，这样移动终端的坐标就可以根据三个圆的交点来估计出，如图 于到达时间的定位要求时问的准确，以及发送端与接受端时间的严格同步。否则，即使是 l s 的时间误差也会带来将近 300m 的定位误差。 位方法 S3 r2 法 ()i is t t C （公式 3 14 基于到达时间差的方法是根据信号到达两个基于的 时问差来对目标位置进行估计 ,如下面表达式所示： 在上式中，由于移动终端的时钟始终保持同步的，所以和，是相等的。 过计算到达时间差计算距离之差，降低了对发射端接收端同步的要求。当基站的数目在三个以上时，就可以通过求双曲线的交点坐标来获得移动终端的位置。 位方法 基于到达角度的方法通过基站上的天线阵列来测量出移动终端到达基站的信号入射角度，并得到一条连接基站与移动终端的直线，通过多个不同基站对同一移动终端的角度测量，就可以获得多条直线，这些直线的交点就是移动终端的位置。但是这种方法必须保证安装天线阵列，而天线阵列大都价格比较昂贵，无疑增加了定位的成本，另外一方面，这种方法受地形环境因素影响大尤其是在障碍物多的地区，不能达到很好的定位精度。 图 法 ,1 1 1 1 1( ) ( ) ( )i i i s i r s r s i rr r r t t C t t C t t C （公式 3 图 法 15 合定位方法 实际上，上面每一种方法都有各自的优点和局限性，有时候根据需要可以将几种方法进行结合来提高定位的精度，常见的就是 法和 法的组合以及法和 法的组合。尤其是当移动终端离某一个基站特别近时，由于移动终端的功率控制系统，使得移动台的发送功率减少，从而影响信号的信噪比使得测得的距离信息或者角度信息出现偏差，这个时候就必须需要另一种方法进行协同定位。 位方法 无线信号的信号强度是随着传播距离的增加而减少的，发送端与接受端距离越近，接收端的信号强度就越强：发送端与接受 端距离越远，接收端的信号强度就越弱。所以我们可以根据发送端的信号强度、接受端的信号强度以及用到的信号衰减模型，可以估算出发送端与接收端之间的距离，由于要采用多个发送端向同一个接受端发送信号，因此可以得到多个距离，根据这些距离利用一定的算法就可以估算出出移动终端的位置。基于信号强度的定位方法原理比较简单，而且不需要额外的硬件设备，降低了定位成本且易实现，所以是当前室内定位所采用的主要方法。但是由于影响无线信号强度众多因素的存在，尤其是在室内环境下，所以提高基于室内定位的精度始终是当前最主要的问题。 离无关的定位 在基于距离的定位中，发送端与接受端的距离信息是定位的前提因素，不管是方法还是 方法，都是先通过估测距离来对目标进行定位，而基于距离无关的定位是不需要知道两者的距离信息的或者无需测量。在成本和功耗方面优于距离相关的定位方法，下面简单介绍几种距离无关的定位算法 35， 36。 心算法 文献 37提出一种基于网络连通性的定位算法，在这种算法中，信标节周期性地向邻近的节点发送信标分组，分组中一般包含发送信标节点的位置信息，需要定位的目标节点会接收来自很多不同的信标节点发送的信标分组，当这些分组的数量超过一定的门限值或者在一定的时间之后，就会把这些信标节点组成的多边形的质心作为未知节点的估计位置。这种算法能够实现的前提是节点之问的网络连通性，即每一个节点都能直接或者问接的向其它的任意一个节点发送信息。而且更重要的是，必须保证节点的数量和密度。 法 16 在 8算法的理论 原理是，假如存在一个方向，目标节点沿着这个方向移动的话就会远离由另三个节点组成的三角形，此时判定目标节点在三角形之外，否则就会靠近这个三角形判定目标节点在三角形之内。利用这个原理，从与这个未知节点能够进行通信的所有节点选择三个，并判定在三角形之外或者之内，然后再选择另外三个节点进行同样的测试，已知到所有的组合都被测试完或者达到所需的精度。如果目标节点在某三角形内部，就称作三角形包含未知节点：最后未知节点将包含自己的所有三角形的相交区域的质心作为目标节点的估计位置。 法 法 39是 一种基于距离矢量计算跳数的算法，其基本思想是将目标节点到信标节点之间的距离用网络平均的每跳距离和两者之间的跳数进行乘积来计算，之后采用三边定位就可以估算出目标节点的位置。 算法一开始，先是让每一个信标节点向邻近的节点发出一个包括自己位置信息以及跳数值为 0 的信息，周围的节点获得该消息后，就会记录信标节点的位置并更新跳数为 l，然后再向自己邻近的其他节点进行该信息的传送。这个环节将会一直持续到网络中所有节点都获得与之相邻的信标节点的位置以及跳数值。对于每跳的距离是通过计算信标节点的位置以及相隔的跳数得到的平均距离，由于这个每跳距离是根据周期实时更新的，所以目标节点仅 I 己录接受到的第一个每跳距离值，并发送给它的相邻的节点这样可以保证绝大多数的节点可以从最近的信标节点接受每跳的距离，利用记录的每跳距离来计算到信标节点的距离，从而对目标节点进行定位。 这种算法可以利用大量冗余信息来提高定位的精准度，且不需要额外的硬件支持，但是在更新每跳平均距离的环节中，节点的之间的通信量过大；如果网络中的密度不均匀或者出现无法定位的某些节点则会影响平均定位误差。所以此种算法依然要求网络中节点的数量以及密度足够大。 图 法 17 近点搜索法 以上介绍了多种室内定位算法，下面详细介绍本设计用的室内定位算法 近点搜索法是一种比较简便，易于理解，定位比较准确的算法。它的主体思想是通过对比信号损耗来实现定位。 首先 在定位的一片区域中会有几个 ，它们会往外发射无线信号。接下来需要把这片区域按某个步长平均取 n 个样点，这几个 到每个样点的信号损耗程度都会不一样，要把所有的损耗都计算出来存入一个数据库中。当在一个位置即实际位置搜索信号时就可以计算出这个位置到每个 的信号损耗， 然后通过方差与标准差的计算，对比找出与实际位置到 信号损耗最接近的样点来。这个样点即为定位的点。 近点搜索法流程 如图 示，最近点搜索法流程大致如此，首先选一个区域，比如某个商场，在地图上把这片区域按选取的一个步长定出若干个样点，这片区域有多个 ，往外发射无线信号。计算出每个 到所有样点的信号损耗，将这些数值输入到数据库中。当自己身处这片区域时，打开无线接收器，比如手机，就可以算出自身位置到每个 的信号损耗程度，再把这个信息与数据库中的样点做对比，找到与实际位置信号损耗最接近的样点，即为最近点搜索法所定位的点。 图 近点搜索法流程 选定一片区域，里面包含若干 按一定步长选取若干样点 计算出 到每个样点的信号损耗 计算出实际位置到 的信号损耗 将以上数据输入数据库 样点中最接近实际位置的点即为定位点 18 近点搜索法工作原理 在计算 到每个样点的信号损耗时，用到的是常用对数路径损耗公式，信号强度，因为运用数据库进行信号匹配时，需要信号强度相减，由于 射功率相同，所以可以直接用信号损耗相减。在计算实际位置到 的信号损耗时，首先通过坐标来计算出实际位置到 的距离，然后通过几个矩阵运算运算出相关数值，最后还要分当两者距离大于某个值时 用一种运算方法，相反，两者距离小于某个值时要用另一种方法来运算。 其中还主要运用的一种运算是方差和标准差，在每次计算出信号损耗程度后，需要用方差和标准差来找到误差最小的那个点。 下面具体分析一下在本算法中用到的公式。 首先需要一个求两点间距离的公式 在公式 4 d 表示 样点到 的距离， x