黃鶴

摘要：本文以超寬帶（UWB）技術(shù)進(jìn)行室內(nèi)定位的研究，介紹了室內(nèi)定位的幾種技術(shù)，及利用UWB室內(nèi)定位的方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)定位；UWB無線通信系統(tǒng)；基于到達(dá)時(shí)間差的雙曲線定位算法；指紋法

中圖分類號(hào)：TN925 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）07-0125-02

隨著當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，除了在室外能過獲得自己或他人的位置外，獲取在室內(nèi)的精確位置信息也成了人們追求的目標(biāo)。在室外定位中，GPS定位已趨向成熟，但室內(nèi)定位仍處于尚未成熟階段。室內(nèi)定位技術(shù)在礦井中定位井下人員位置、火災(zāi)中確定被困人員方位、室內(nèi)商場(chǎng)中定位老人兒童位置、倉(cāng)庫(kù)中定位商品等場(chǎng)合中均有重要作用。

1 無線室內(nèi)定位技術(shù)分析與比較

目前的室內(nèi)定位技術(shù)主要有：紅外線室內(nèi)定位技術(shù)、超聲波室內(nèi)定位技術(shù)、藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)、射頻指紋技術(shù)、超寬帶技術(shù)、Wi-Fi技術(shù)和ZigBee技術(shù)。

紅外線室內(nèi)定位因光線不能穿透障礙物，當(dāng)障礙物遮擋時(shí)，定位效果便很差，只能短距離定位。超聲波室內(nèi)定位技術(shù)是由一個(gè)主測(cè)距器和幾個(gè)應(yīng)答器組成，定位精度較高，但易受多徑效應(yīng)和障礙物的干擾，且設(shè)備成本高。藍(lán)牙定位的優(yōu)點(diǎn)是其設(shè)備的體積小，易于集成，定位時(shí)不受視距的影響，缺點(diǎn)是設(shè)備造價(jià)昂貴，抗噪能力差，穩(wěn)定性不高。射頻指紋定位技術(shù)是利用射頻的方式來進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)達(dá)到定位的目的。其可以速獲得定位精度信息，且成本低、體積小。但是因?yàn)樗淖饔镁嚯x近，不具有通信能力，而且難以與其他系統(tǒng)相融。Wi-Fi室內(nèi)定位技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)大范圍的復(fù)雜的室內(nèi)定位，易于安裝，需要基站的數(shù)量少，系統(tǒng)的總精度高，但容易受到別的信號(hào)的干擾，且定位器的能耗較高。本文利用超寬帶技術(shù)進(jìn)行室內(nèi)定位。

2 UWB室內(nèi)定位裝置

本課題使用的UWB定位系統(tǒng)包括了交換機(jī)、基站接收機(jī)和標(biāo)簽三部分硬件。

基站采用的是工作頻段為5-6GH的UWB室內(nèi)型微基站，其解算頻率、掃描頻率均可控，掃描半徑約為30米。UWB設(shè)備采用短脈沖監(jiān)聽器測(cè)量短脈沖到達(dá)時(shí)間，可以精確至ns。

標(biāo)簽采用的是普通型卡片式標(biāo)簽，其工作頻段由基站決定，可自定義每秒發(fā)送的UWB脈沖數(shù)據(jù)包次數(shù)，范圍是10～100次/秒。每個(gè)標(biāo)簽發(fā)送UWB脈沖數(shù)據(jù)包所需的時(shí)間極短，各標(biāo)簽的數(shù)據(jù)包幾乎不會(huì)發(fā)生碰撞，當(dāng)一個(gè)范圍內(nèi)存在多個(gè)標(biāo)簽時(shí)不會(huì)影響各自的定位。

3 UWB室內(nèi)定位算法

本文采用了雙向測(cè)距的方法來獲取標(biāo)簽與基站之間的距離。由于標(biāo)簽與基站之間時(shí)間不同步，因此利用標(biāo)簽發(fā)出信號(hào)與收到反饋信號(hào)之間的時(shí)間差，加之發(fā)送的速度為電磁波的轉(zhuǎn)播速度，可以獲得基站與標(biāo)簽之間的距離。主要采用的是TDOA雙曲線定位算法。假設(shè)為標(biāo)簽的坐標(biāo)，為基站的坐標(biāo)，為標(biāo)簽和基站之間的距離，則、、之間滿足如下關(guān)系：

在確定基站的分組后，每次定位至少需要三個(gè)及以上的不在同一直線的基站來確定標(biāo)簽坐標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為華東師范大學(xué)信息學(xué)院一樓大廳，共安裝8個(gè)基站，并分為前后左右共四組，每組四個(gè)基站。通過多次先驗(yàn)實(shí)驗(yàn)可知，應(yīng)用雙曲定位算法解算的標(biāo)簽坐標(biāo)在前廳和左通道定位效果好，發(fā)現(xiàn)右通道和后廳存在較多的跳躍點(diǎn)，誤差大，因此考慮在右通道和后廳利用指紋法消除誤差。將右通道和后廳劃分成若干細(xì)密的網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的邊長(zhǎng)小于1米，通過多次實(shí)驗(yàn)采集每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)實(shí)際定位出的坐標(biāo)取平均，貯存于數(shù)據(jù)庫(kù)中，在后續(xù)定位過程中將判定為跳躍點(diǎn)的坐標(biāo)在數(shù)據(jù)庫(kù)中查找對(duì)應(yīng)坐標(biāo)，作為模糊定位坐標(biāo)，可以有效的消除誤差。

4 UWB組合定位與實(shí)驗(yàn)

本文采用了UWB室內(nèi)定位裝置，利用TDOA雙曲定位算法進(jìn)行標(biāo)簽坐標(biāo)的解算，并在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的后廳和右通道利用了指紋法消除誤差。其中，雙曲定位算法是利用了三個(gè)以上基站到標(biāo)簽的距離，通過雙曲線方程來解算出標(biāo)簽坐標(biāo)，并根據(jù)時(shí)間判斷與前幾個(gè)解算出的坐標(biāo)點(diǎn)之間的距離，判斷是否為跳躍點(diǎn)，若是跳躍點(diǎn)，則判斷為哪個(gè)區(qū)域的跳躍點(diǎn)，并調(diào)用相應(yīng)的指紋庫(kù)與此坐標(biāo)比對(duì)，進(jìn)行誤差的校正。首先判斷是否有三個(gè)以上的基站獲取到標(biāo)簽數(shù)據(jù)，若只有兩個(gè)以下的標(biāo)簽獲得這個(gè)時(shí)刻的標(biāo)簽數(shù)據(jù)，則放棄這組的數(shù)據(jù)，重新進(jìn)行讀取。讀取數(shù)據(jù)成功后，利用雙曲定位算法進(jìn)行標(biāo)簽坐標(biāo)的解算，之后判定是否為跳躍點(diǎn)，若不為跳躍點(diǎn)則直接顯示，若為跳躍點(diǎn)則利用指紋庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，再進(jìn)行坐標(biāo)的顯示。多次實(shí)驗(yàn)室據(jù)可得，前廳的定位的精度為0.71米，左通道的定位精度為0.65米，右通道的定位精度為1.24米，后廳的定位精度為0.86米，總精度為0.83米。

圖1基站分布圖、右通道指紋法、后廳指紋法示意圖指紋法消除誤差和基于UWB的定位實(shí)現(xiàn)實(shí)例。

5 結(jié)語(yǔ)

超寬帶（UWB）室內(nèi)定位技術(shù)因其具有功耗低、隱蔽性好、精確度高、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、截獲率小等優(yōu)點(diǎn)在國(guó)內(nèi)引起重視，具有很好的發(fā)展前景。本文以超寬帶（UWB）技術(shù)進(jìn)行室內(nèi)定位的研究，介紹了室內(nèi)定位的幾種技術(shù)，及利用UWB室內(nèi)定位的方法，并在華東師范大學(xué)信息學(xué)院一樓大廳進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，平均定位精度為0.83米。

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