超寬帶室內(nèi)定位算法研究

隨著科技的發(fā)展和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的普及，GPS導(dǎo)航、中國(guó)北斗導(dǎo)航等基于衛(wèi)星的室外定位系統(tǒng)已深度嵌入我們的生活，但是，室外定位基于衛(wèi)星系統(tǒng)，無法應(yīng)用于室內(nèi)定位。但隨著樓宇規(guī)模越來越大，如圖書館、商場(chǎng)、體育館、地下車庫、物品倉庫等區(qū)域急需成熟的室內(nèi)定位技術(shù)，其具有很大的發(fā)展空間和廣泛的應(yīng)用范圍。

超寬帶定位算法在眾多室內(nèi)無線定位技術(shù)中因其誤差小、功耗小、抗干擾、復(fù)雜度低等優(yōu)點(diǎn)脫穎而出，能夠滿足人們對(duì)新時(shí)代下無線定位技術(shù)的需求。

1  超寬帶無線定位及其優(yōu)勢(shì)

超寬帶無線定位技術(shù)最早用于美國(guó)軍方，2002年后許可民用，我國(guó)在該領(lǐng)域的研究起步晚，但發(fā)展較快，雖然沒有進(jìn)行大規(guī)模的商用，但成績(jī)驕人，已被廣泛應(yīng)用于智能家居、智能交通、車載雷達(dá)、成像應(yīng)用、智能識(shí)別等民用領(lǐng)域，相較于傳統(tǒng)的無線定位技術(shù)，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、分辨能力強(qiáng)、安全性高、保密性強(qiáng)、穿透能力強(qiáng)、定位精度高等優(yōu)勢(shì)。

2  無線定位的基本原理

 超寬帶無線定位采用脈沖信號(hào)，由多個(gè)傳感器采用定位算法對(duì)標(biāo)簽位置進(jìn)行分析，通過發(fā)送和接收具有納秒或納秒級(jí)以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)來進(jìn)行精確定位。常用的定位方法有：依據(jù)信號(hào)強(qiáng)弱與信號(hào)傳播距離正相關(guān)關(guān)系的基于信號(hào)強(qiáng)度的定位方法、依據(jù)發(fā)射信號(hào)到達(dá)基站接收天線時(shí)的入射角度的基于信號(hào)到達(dá)角度的定位方法、依據(jù)等定位節(jié)點(diǎn)到參考基站的時(shí)延估計(jì)的基于到達(dá)時(shí)間的定位方法、基于到達(dá)多個(gè)參考基站的的時(shí)間差的定位方法、混合定位方法等等。

3  超寬帶室內(nèi)定位算法研究

依據(jù)不同的超寬帶定位的實(shí)現(xiàn)原理，在實(shí)際工程運(yùn)用中有許多不同的算法。 

超寬帶室內(nèi)定位算法基于的基本模型如上圖所示，A、B、C是事先設(shè)置的錨節(jié)點(diǎn)，依據(jù)未知待定位點(diǎn)d與參考基站間的不同參數(shù)來進(jìn)行定位。具體實(shí)現(xiàn)算法有很多種。

3.1  LS定位算法

因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)、時(shí)間延遲及信號(hào)干擾等原因，基站與參考定位節(jié)點(diǎn)間的距離計(jì)算會(huì)存在一定的誤差，LS算法是解決這種偏差的簡(jiǎn)單有效的定位算法。經(jīng)過計(jì)算，可以得出以下方程組： 

3.2  Chan定位算法

在待定位節(jié)點(diǎn)與參考基站之間存在多個(gè)距離差值，依此構(gòu)造一個(gè)雙曲方程組，通過求解可以獲得定位點(diǎn)的具體位置。 

這個(gè)方程的計(jì)算結(jié)果服從均值為0的高斯分布的假設(shè)下計(jì)算出來的，然而在實(shí)際應(yīng)用中，受多種因素影響，結(jié)果的誤差較大。

3.3  Taylor定位算法

Taylor算法是一種基于初值的UWB定位遞歸算法。它通過遞歸來更新要定位的節(jié)點(diǎn)的位置。因此，初始坐標(biāo)的選擇直接關(guān)系到Taylor定位算法的定位性能。一個(gè)良好的初始點(diǎn)可以使算法具有收斂速度快、計(jì)算復(fù)雜度低、定位精度好的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)我們使用Taylor算法定位時(shí)，我們通常只保留兩個(gè)以下的組件，然后遞歸，直到我們?cè)O(shè)置的錯(cuò)誤閾值被停止。

4  超寬帶室內(nèi)定位算法仿真與分析

上述介紹的多種算法可以在MATLAB平臺(tái)上進(jìn)行仿真分析。通過分析，可以得出基站數(shù)量、信噪比、測(cè)距誤差等因素對(duì)定位精度的影響關(guān)系，通過多次仿真分析，可以得出：均方誤差會(huì)隨著參考錨點(diǎn)基站數(shù)量的增加而下降，并最后趨于一個(gè)穩(wěn)定值；信噪比增加會(huì)使算法精度變好，但信號(hào)的信噪比很高的時(shí)候，對(duì)定位精度的影響幾乎為零；測(cè)距誤差服從標(biāo)準(zhǔn)差為0:0.05:0.4，均值為0的高斯分布。

5  結(jié)語

隨著室內(nèi)無線定位技術(shù)的迅猛發(fā)展，超寬帶室內(nèi)定位算法因其自身的許多優(yōu)點(diǎn)正被越來越多的專業(yè)人士所研究，本文做了簡(jiǎn)單的研究，但仍有許多不足，以后將繼續(xù)努力。

本文來源：《企業(yè)科技與發(fā)展》：http://m.00559.cn/w/qk/21223.html