，， ，，

(1.廣西民族大學(xué) 廣西混雜計(jì)算與集成電路設(shè)計(jì)分析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530000；(2.蘭州大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，蘭州730000；3.北京計(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用研究所，北京 100000)

0 引言

地面停車(chē)場(chǎng)一般都有比較成熟的定位導(dǎo)航系統(tǒng)，并且大都是結(jié)合衛(wèi)星導(dǎo)航(global positioning system，GPS)實(shí)現(xiàn)的[1]。在開(kāi)闊的環(huán)境中，無(wú)線信號(hào)比較容易到達(dá)，GPS的定位精度可以達(dá)到米級(jí)，因此，GPS在地面停車(chē)場(chǎng)導(dǎo)航系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[2]。近年來(lái)，無(wú)線通信技術(shù)得到了飛速發(fā)展，GPS和蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的定位技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用，成為了GPS定位系統(tǒng)的補(bǔ)充。但是，在地下和室內(nèi)環(huán)境中，由于受建筑物本身和其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，使得GPS信號(hào)很難到達(dá)，無(wú)法得到所需要的定位數(shù)據(jù)，定位精度受到嚴(yán)重影響，甚至無(wú)法定位。

目前，無(wú)線室內(nèi)定位技術(shù)有了迅猛發(fā)展，現(xiàn)有的地下和室內(nèi)定位系統(tǒng)主要是采用超聲波、紅外、藍(lán)牙、WIFI、ZigBee[3]等技術(shù)。但是，在工廠、醫(yī)院、地下停車(chē)場(chǎng)等環(huán)境復(fù)雜的場(chǎng)合，現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)存在一定的局限性，如ZigBee通信的信號(hào)穿透能力比較差，WIFI傳輸?shù)木嚯x比較短。因此，開(kāi)發(fā)出一套簡(jiǎn)單化、精準(zhǔn)化的定位系統(tǒng)是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

本文提出了一種低功耗窄帶物聯(lián)網(wǎng)解決方案。LoRa是LPWAN通信技術(shù)的一種，是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離的無(wú)線傳輸解決方案。這一方案在傳輸距離與功耗的折衷方面有了一定的突破，為用戶提供一種遠(yuǎn)距離 、低功耗、大容量的系統(tǒng)[4]。LoRa主要在全球免費(fèi)頻段運(yùn)行，包括433、868、915MHz等[5]。LoRa的技術(shù)特性可以滿足本系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)距離 、低功耗、低成本的要求。在地下停車(chē)場(chǎng)中合理地布局基于LoRa調(diào)制技術(shù)的錨節(jié)點(diǎn)，車(chē)輛進(jìn)入地下停車(chē)場(chǎng)時(shí)獲得一張同樣基于LoRa調(diào)制技術(shù)的移動(dòng)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛位置的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 LoRa技術(shù)簡(jiǎn)介

LoRa調(diào)制技術(shù)是在線性調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的，因?yàn)槊}沖具有線性調(diào)頻特質(zhì)，收發(fā)裝置間的頻偏等于時(shí)間偏移，所以很容易在解碼器中消除，所以LoRa調(diào)制可以避免多普勒效應(yīng)的影響。收發(fā)器之間的頻偏可以達(dá)到帶寬的20%，并且不影響解碼效果，發(fā)射器的晶振并不需要做到高度精準(zhǔn)，因此LoRa調(diào)制可降低發(fā)射器成本。LoRa接收器能夠自動(dòng)跟蹤它收到的頻率，能夠達(dá)到-130dBm的靈敏度。

LoRa采用典型的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，和網(wǎng)狀的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)比較，它具有低延時(shí)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[6]。并且，還具有低成本，低功耗，低復(fù)雜度等優(yōu)勢(shì)，能夠很好地應(yīng)用到各種無(wú)線通信環(huán)境中。

2 基于TOA的測(cè)距實(shí)現(xiàn)

目前定位采用的基本方法主要是基于信號(hào)場(chǎng)強(qiáng) (SOA)、基于信號(hào)到達(dá)角 (AOA)、接收信號(hào)強(qiáng)度(RSSI)、到達(dá)時(shí)間(TOA)或者到達(dá)時(shí)間差 (TDOA)[7]，相比較其他方法TOA定位精度比較高，且原理簡(jiǎn)單。本系統(tǒng)采用TOA實(shí)現(xiàn)測(cè)距定位，即通過(guò)測(cè)量無(wú)線電波從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)間的傳播時(shí)間來(lái)確定移動(dòng)臺(tái)位置的技術(shù)[8]?；赥OA對(duì)距離進(jìn)行測(cè)量的方法，在環(huán)境理想情況下，能夠達(dá)到比較好的測(cè)量精度。但是，在實(shí)際環(huán)境中，遮擋物的存在影響了無(wú)線電波的正常傳播，影響了測(cè)距的精度，其中物理實(shí)體阻擋和散射造成的 NLOS 傳播是影響定位精度的關(guān)鍵因素。

TOA測(cè)距原理如式(1)所示：

d=ctTOA

(1)

式中，d為錨節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)標(biāo)簽之間的距離，c為光速，tTOA為測(cè)得的錨節(jié)點(diǎn)與標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的TOA時(shí)間值。

2.1 地下停車(chē)場(chǎng)NLOS時(shí)延分析

(2)

式中,tTOA為信號(hào)在視距傳播環(huán)境下的傳播時(shí)間，tNLOS為非視距傳播環(huán)境下的時(shí)延。

圖1 NLOS傳播路徑圖

根據(jù)文獻(xiàn)[9]NLOS時(shí)延模型,NLOS時(shí)延擴(kuò)展式可以表示為:

tNLOS=Tτdεξδξ

(3)

式中，Tτ為移動(dòng)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)距離為1 km時(shí)的中值，為已知的固定參數(shù)；ε為0.5 ～1.0之間的指數(shù)；ξ為服從對(duì)數(shù)分布的隨機(jī)變量(即10 lgξ均值為0、標(biāo)準(zhǔn)差δξ為 4～6 dB的高斯隨機(jī)變量);d為信號(hào)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離。

對(duì)于4種常用的通信環(huán)境中，上述參數(shù)的典型取值[10]如表1所示。

表1 典型環(huán)境參數(shù)

通過(guò)分析地下停車(chē)場(chǎng)特定的通信環(huán)境，依據(jù)上述時(shí)延參考模型，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選取參數(shù)分析電磁傳播的NLOS時(shí)延。

參考NLOS時(shí)延模型，NLOS時(shí)延服從指數(shù)分布， NLOS傳播引起的附加時(shí)延均值和方差[10]分別為:

(4)

D(tNLOS) =(Tτdε)2e2mz + σz 2(2eσz 2)

(5)

所以，可以認(rèn)為地下停車(chē)場(chǎng)中固定設(shè)施及結(jié)構(gòu)所造成的NLOS時(shí)延，和移動(dòng)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)和固定錨節(jié)點(diǎn)之間真實(shí)距離d有關(guān)，這類由于地下停車(chē)場(chǎng)的固定的、規(guī)律性的建筑結(jié)構(gòu)造成的時(shí)延認(rèn)為是NLOS的規(guī)律性時(shí)延；但是，地下停車(chē)場(chǎng)的環(huán)境也不是一成不變的，當(dāng)?shù)叵峦＼?chē)場(chǎng)有車(chē)行駛進(jìn)來(lái)時(shí)，恰巧出現(xiàn)在信號(hào)的傳輸路徑上，此時(shí)，信號(hào)的傳播環(huán)境出現(xiàn)變化，則相應(yīng)NLOS 時(shí)延也會(huì)變化。車(chē)輛會(huì)對(duì)電磁波傳播造成插入損耗，且屬于災(zāi)難性的無(wú)法進(jìn)行定量分析，所以突發(fā)性的障礙物出現(xiàn)在移動(dòng)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)之間時(shí)，會(huì)造成NLOS時(shí)延的顯著增加，因?yàn)?，?chē)輛等突發(fā)性障礙物的出現(xiàn)具有隨機(jī)性，所以，此類NLOS延時(shí)也具有顯著性和突發(fā)性。

2.2 基于排序的均值濾波算法

如上述分析，在地下停車(chē)場(chǎng)的環(huán)境中，經(jīng)常有一些隨機(jī)因素出現(xiàn)，對(duì)定位信號(hào)的電磁波造成嚴(yán)重遮擋，比如當(dāng)在無(wú)線電波信號(hào)傳輸過(guò)程中突然有車(chē)輛出現(xiàn)在信號(hào)的LOS傳輸路徑上時(shí)，根據(jù)光的傳播機(jī)理進(jìn)行分析，電磁波必須繞過(guò)該車(chē)輛，通過(guò)新的NLOS路徑到達(dá)接收端，這也就意味著該路徑在停車(chē)場(chǎng)墻壁上發(fā)生首次反射，即要以相對(duì)較大的入射角形成發(fā)生過(guò)程。因此，發(fā)射端和接收端的傳輸路徑將較原先的傳輸路徑有著較大的距離增量，因?yàn)檎趽跷锏某霈F(xiàn)是隨機(jī)的，所以，在測(cè)距的數(shù)值是以一個(gè)突發(fā)的脈沖的形式反映出來(lái)的。這類 NLOS 時(shí)延誤差不具有規(guī)律性。

均值濾波算法是典型的線性濾波算法，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，消除數(shù)據(jù)中的噪點(diǎn)。在地下停車(chē)場(chǎng)環(huán)境中，由于隨機(jī)因素出現(xiàn)造成TOA測(cè)距的NLOS時(shí)延，在測(cè)距的數(shù)值上的分布是以脈沖的形式出現(xiàn)的。因此，可以認(rèn)為采用均值濾波的方法可以對(duì)地下停車(chē)場(chǎng)的突發(fā)NLOS時(shí)延進(jìn)行抑制。

經(jīng)典均值濾波算法原理[11]為:

(6)

式中，y(n)為均值濾波后的結(jié)果，y(i)為實(shí)際測(cè)量值，M=2j+1為濾波窗口大小。

通過(guò)前面的分析可知，當(dāng)車(chē)輛等隨機(jī)因素出現(xiàn)在信號(hào)的LOS路徑上時(shí)，引起的測(cè)距偏差是隨機(jī)性的，造成該時(shí)刻的TOA測(cè)量值在測(cè)量值曲線上是以尖峰的形式呈現(xiàn)的，用均值濾波算法可以對(duì)尖峰進(jìn)行很好地抑制。

均值濾波算法實(shí)質(zhì)是在濾波窗口的范圍內(nèi),把脈沖噪聲在窗口內(nèi)的各個(gè)數(shù)值上進(jìn)行均攤，使數(shù)據(jù)的曲線相對(duì)平滑。在地下停車(chē)場(chǎng)環(huán)境中，隨機(jī)因素的出現(xiàn)，造成TOA測(cè)量值產(chǎn)生突變，通過(guò)均值濾波算法，可以使測(cè)量誤差減小，變得平滑，但還是無(wú)法從根本上將誤差消除，并且，在隨機(jī)誤差出現(xiàn)的測(cè)量點(diǎn)和其附近的點(diǎn)都會(huì)存在誤差，因此存在很大的局限性。

為克服典型均值濾波算法固有的局限性，本系統(tǒng)將排序算法與典型均值濾波算法相結(jié)合。標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)過(guò)程中，多次進(jìn)行TOA測(cè)距操作，在測(cè)距達(dá)到設(shè)定的次數(shù)后，對(duì)多組數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，本系統(tǒng)使用冒泡排序的方法，按照從小到大排序，然后再對(duì)排序后的測(cè)距數(shù)據(jù)進(jìn)行均值濾波，并且，均值濾波的窗口小于已測(cè)量的數(shù)據(jù)的組數(shù)，一般取排序后數(shù)據(jù)的中間若干組數(shù)據(jù)進(jìn)行均值濾波。通過(guò)此方法可以很好地將TOA測(cè)量值中突發(fā)NLOS時(shí)延濾除，降低突發(fā)NLOS時(shí)延對(duì)測(cè)量值的影響，從而提高測(cè)距精度。

使用上述方法在地下停車(chē)場(chǎng)場(chǎng)景中進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，選取排序的數(shù)據(jù)組數(shù)為30，均值濾波窗口為20，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 改進(jìn)的均值濾波算法測(cè)試結(jié)果圖

由圖2可看出，通過(guò)與典型的均值濾波算法相比分析，本文提出的算法，對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序后再進(jìn)行均值濾波，能夠有效地濾除突發(fā)的NLOS時(shí)延造成的測(cè)量誤差。

2.3 基于參數(shù)擬合的TOA時(shí)延抑制

幾何光學(xué)認(rèn)為高頻電磁波具有似光性，因此可以采用幾何光學(xué)對(duì)高頻電磁波的傳播進(jìn)行分析。幾何光學(xué)的費(fèi)馬原理表明: 光從空間的一點(diǎn)到另一點(diǎn)的實(shí)際路徑是沿著光程為極值的路徑傳播的。因此，在對(duì)地下停車(chē)場(chǎng)NOLS時(shí)延進(jìn)行分析時(shí)，可以認(rèn)為: 無(wú)線信號(hào)在地下車(chē)庫(kù)通信環(huán)境中從一點(diǎn)傳播到另一點(diǎn)時(shí)，沿著時(shí)間最短的路徑進(jìn)行傳播。

在NLOS傳播環(huán)境下，無(wú)線電波每經(jīng)歷一次反射，會(huì)使LOS路徑產(chǎn)生一個(gè)增量，把每次的反射路徑作為一個(gè)路徑分段進(jìn)行分析，假設(shè)在NLOS路徑下經(jīng)歷了m次的反射，則可劃分為m+1段路徑分段，把LOS 傳播和 NLOS 傳播的路徑用分段路徑來(lái)表示:

(7)

式中,l為L(zhǎng)OS 傳播距離，l′為NLOS 傳播距離。

(8)

式中,Δd為地下停車(chē)場(chǎng)規(guī)律性NLOS 時(shí)延帶來(lái)的測(cè)距誤差?？梢钥闯?，誤差與反射的次數(shù)有關(guān)。地下停車(chē)場(chǎng)障礙物的分布具有規(guī)律性，隨著距離的增加障礙物數(shù)量增加，反射的次數(shù)也就增多，所以，隨著距離的增加，式(8) 表示的地下停車(chē)場(chǎng)的NLOS 傳播距離增量也會(huì)隨著反射次數(shù)的增多而增大。因此，地下停車(chē)場(chǎng)NLOS 時(shí)延誤差變化也相應(yīng)地具有規(guī)律性。

本系統(tǒng)基于TOA測(cè)距技術(shù)，在含有LoRa芯片的模塊上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。在測(cè)得的數(shù)據(jù)中，包含參考NLOS延時(shí)模型建模的規(guī)律性NLOS時(shí)延、車(chē)輛等突發(fā)因素造成的隨機(jī)NLOS時(shí)延和設(shè)備本身測(cè)量帶來(lái)的誤差。表達(dá)式可表示為:

d′=c(tTOA+tF+tR+tN)

(9)

式中，tTOA為信號(hào)LOS環(huán)境下的傳輸時(shí)間，tF為地下停車(chē)場(chǎng)的規(guī)律性時(shí)延，tR為地下停車(chē)場(chǎng)的突發(fā)時(shí)延，tN為設(shè)備自身的測(cè)量誤差。通過(guò)均值濾波的方法可以對(duì)突發(fā)性時(shí)延誤差濾除。

根據(jù)NLOS時(shí)延參考模型的NLOS時(shí)延擴(kuò)展式(3)，地下停車(chē)場(chǎng)的規(guī)律性NLOS時(shí)延可視為服從相同的分布規(guī)律。使用的設(shè)備模塊在進(jìn)行TOA測(cè)距時(shí)自身的也會(huì)產(chǎn)生一部分誤差，可視為固定值，假設(shè)為，因此，假設(shè)有下式成立。

d′=d+ctN+cTτdεξ

(10)

式中，c為光速，d′為測(cè)量值，d為與之對(duì)應(yīng)的實(shí)際值，假定q=ctN，地下停車(chē)場(chǎng)NLOS時(shí)延系數(shù)p=cTτξ,因此式(10)化為:

d′=d+q+pdε

(11)

在實(shí)際使用中，根據(jù)測(cè)量值去估計(jì)實(shí)際值時(shí)，可近似的用式(12)代替式(11)來(lái)求解測(cè)量的實(shí)際值。

d=d′ +q+pd′ε

(12)

地下停車(chē)場(chǎng)的NLOS時(shí)延系數(shù)P、指數(shù)和設(shè)備模塊自身處理誤差q為未知量。在沒(méi)有隨機(jī)因素影響的情況下，對(duì)地下停車(chē)場(chǎng)任意的n點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定位置的測(cè)量采樣，如對(duì)k個(gè)位置進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量值分別為d1′、d2′…dk′，對(duì)應(yīng)的實(shí)際值為d1、d2…dk，可以依據(jù)這k組測(cè)量值與實(shí)際值建立起包含未知數(shù)q、p和ε的k(k-1)(k-2)/6組方程組，求解各個(gè)方程組，依據(jù)解集，求得具有最小歐式距離的一組數(shù)值作為對(duì)地下停車(chē)場(chǎng)規(guī)律性NLOS時(shí)延參數(shù)p和和設(shè)備自身測(cè)量誤差q的擬合值。依據(jù)參數(shù)的擬合值，確定擬合函數(shù)，將上述均值濾波后的測(cè)距值帶入擬合函數(shù)，求出對(duì)規(guī)律性NLOS時(shí)延和節(jié)點(diǎn)模塊自身處理誤差抑制后的測(cè)距值，用于下面所描述的三點(diǎn)定位算法，求得移動(dòng)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)。

對(duì)本系統(tǒng)所采用對(duì)規(guī)律性NLOS時(shí)延和節(jié)點(diǎn)模塊自身處理誤差抑制的參數(shù)擬合的方法，在實(shí)驗(yàn)樓下地下停車(chē)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，采集了30組數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)擬合，求得擬合函數(shù)如式(13)所示：

d=d′ + 0.827-0.247d′0.523

(13)

在地下停車(chē)場(chǎng)進(jìn)行距離測(cè)試，距離測(cè)試結(jié)果如表2所示。

從表2可看出，通過(guò)參數(shù)擬合的方法，對(duì)濾波后的測(cè)距數(shù)值進(jìn)行處理，可以很好地對(duì)規(guī)律性NLOS時(shí)延和標(biāo)簽?zāi)K自身處理誤差進(jìn)行抑制，測(cè)距誤差在0.5 m左右，能夠滿足系統(tǒng)定位的要求。

表2 標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)測(cè)距結(jié)果

3 定位實(shí)現(xiàn)

3.1 優(yōu)化的三邊定位算法

三邊定位法的原理[12]如圖3所示，以三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)A、B、C為圓心，A、B、C三點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(Xa,Ya)、(Xb,Yb)、(Xc,Yc)，以移動(dòng)標(biāo)簽到三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的TOA測(cè)距值da、db、dc為半徑分別畫(huà)圓，在TOA測(cè)距比較精準(zhǔn)的情況下，這三個(gè)圓周相交于一點(diǎn)O，交點(diǎn)O即為移動(dòng)標(biāo)簽的位置。假設(shè)交點(diǎn)O，坐標(biāo)為(X,Y)。

圖3 三邊定位法原理圖

(14)

通過(guò)TOA測(cè)距得到測(cè)距值距離da、db和dc，帶入式(14)，可以計(jì)算出被測(cè)量點(diǎn)O的位置坐標(biāo)(X,Y)。

但是，在實(shí)際進(jìn)行TOA測(cè)距時(shí)，由于不能對(duì)NLOS時(shí)延進(jìn)行完全抑制，實(shí)際的測(cè)量值并不能達(dá)到理想情況，由于噪聲存在，從而導(dǎo)致上面的三個(gè)圓未必剛好交于一點(diǎn)，從而導(dǎo)致式(14)無(wú)解，因此,無(wú)法求解出移動(dòng)標(biāo)簽坐標(biāo)。

為彌補(bǔ)典型三邊定位算法的不足之處，本文結(jié)合具體工程實(shí)踐，提出了一種估計(jì)方法，與典型三邊定位算法相結(jié)合，當(dāng)上面的三個(gè)圓不交于一點(diǎn)時(shí)，對(duì)移動(dòng)標(biāo)簽位置進(jìn)行估計(jì)，作為當(dāng)前移動(dòng)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)的最優(yōu)解。具體方法如下：

圖4 優(yōu)化的三邊定位算法原理圖

1)基于距離的定位算法對(duì)測(cè)距的精度要求較高，在進(jìn)行定位實(shí)現(xiàn)時(shí)，使用通過(guò)上面方法對(duì)NLOS時(shí)延進(jìn)行濾波抑制過(guò)的TOA測(cè)距值。以錨節(jié)點(diǎn)為圓心，以與之相對(duì)應(yīng)的TOA測(cè)距值為半徑畫(huà)圓，可以畫(huà)出三個(gè)圓，任意兩個(gè)圓之間只存在相切、相交和相離三種情況。

2)當(dāng)兩圓有交點(diǎn)時(shí)，當(dāng)有兩個(gè)交點(diǎn)時(shí)，選取距離第三個(gè)圓的圓心距離比較近的為估計(jì)點(diǎn)，如圖4所示，A、C兩圓相交于兩點(diǎn)，選取O1作為估計(jì)點(diǎn)。當(dāng)兩圓相切時(shí)，取兩圓的切點(diǎn)作為估計(jì)點(diǎn)。

3)當(dāng)兩圓相離時(shí)，以圖4中A、B兩圓為例，估計(jì)點(diǎn)在線段AB上，且滿足線段長(zhǎng)度|AO2|:|BO2|=R1:R2，可求出估計(jì)點(diǎn)O2。

4)通過(guò)以上方式可以得出三個(gè)估計(jì)點(diǎn)O1(XAC,YAC)、O2(XAB,YAB)和O3(XBC,YBC)，則移動(dòng)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的實(shí)際定位坐標(biāo)為O(X,Y),其中:

(15)

通過(guò)以上步驟可以得到標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。對(duì)三邊定位算法進(jìn)行優(yōu)化，避免了無(wú)解的情況，該定位算法有較強(qiáng)的適應(yīng)性，并且，還可以在一定程度上抵消測(cè)距噪聲，提高定位精度。

3.2 節(jié)點(diǎn)模塊軟件實(shí)現(xiàn)

標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)在隨著駕駛者駕駛的車(chē)輛駛?cè)氲叵峦＼?chē)場(chǎng)時(shí)，不斷以廣播的形式與周?chē)^節(jié)點(diǎn)通信，錨節(jié)點(diǎn)收到廣播后進(jìn)行回復(fù)，標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)測(cè)距定位。具體實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。

圖5 標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)工作流程圖

如圖5所示，錨節(jié)點(diǎn)和標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)在工作之前先對(duì)LoRa模塊進(jìn)行初始化配置，在配置SX1280時(shí)，需要對(duì)載波頻率擴(kuò)頻因子、CRC校驗(yàn)方式、信號(hào)帶寬 、發(fā)送功率以及數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)置。

同時(shí)，在進(jìn)行TOA測(cè)距之前，先對(duì)接收強(qiáng)度進(jìn)行判斷，選擇接收信號(hào)強(qiáng)度比較好的，通信質(zhì)量比較高的錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)距定位，進(jìn)一步提高了定位的可靠性和精度。

4 系統(tǒng)功能測(cè)試

本系統(tǒng)采用COT-MV1 2.4G標(biāo)準(zhǔn)模組，如圖6所示，內(nèi)置LoRaSX1280芯片。對(duì)通信參數(shù)進(jìn)行如下配置：擴(kuò)頻因子為7、編碼率為4/5、 信道中心頻率為2402 MHz。

圖6 COT-MV1LoRa模組圖

以廣西民族大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院樓下的小型地下停車(chē)場(chǎng)為測(cè)試場(chǎng)景，進(jìn)行定位實(shí)現(xiàn)，地下停車(chē)場(chǎng)總面積為49.00 m×10.60 m,停車(chē)位個(gè)數(shù)為16，整體布局如圖7、8所示。

圖7 地下停車(chē)場(chǎng)示意圖

圖8 地下停車(chē)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境圖

標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)隨著車(chē)輛從出入口道路到停車(chē)位移動(dòng)，在進(jìn)行錨節(jié)點(diǎn)布局時(shí)，要保證能完全覆蓋整個(gè)地下停車(chē)場(chǎng)，從而能對(duì)移動(dòng)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的任意位置實(shí)時(shí)定位。定位精度受錨節(jié)點(diǎn)的布局影響很大，合理的錨節(jié)點(diǎn)布局，不僅能提高定位精度，還能節(jié)約設(shè)備成本。

對(duì)實(shí)驗(yàn)樓下地下車(chē)庫(kù)進(jìn)行錨節(jié)點(diǎn)布局時(shí)，可以采用圖9所示的方法布置，布置了6個(gè)錨節(jié)點(diǎn)，都布置在了地下停車(chē)場(chǎng)的邊界處，保證了移動(dòng)標(biāo)簽在地下停車(chē)場(chǎng)的任意位置都能進(jìn)行有效定位。對(duì)三邊定位算法進(jìn)行理論分析和實(shí)踐檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，定位精度受測(cè)距半徑影響較大，當(dāng)測(cè)距半徑較大時(shí)，即使測(cè)距精度較高，定位精度也會(huì)下降。在進(jìn)行錨節(jié)點(diǎn)布局時(shí)，使得任意兩個(gè)相鄰的錨節(jié)點(diǎn)的距離最大為24.50 m，使得在進(jìn)行移動(dòng)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)測(cè)距時(shí)，結(jié)果不至于過(guò)大，影響定位精度。

圖9 錨節(jié)點(diǎn)布局圖

對(duì)改進(jìn)的三邊定位算法進(jìn)行分析，反復(fù)實(shí)地測(cè)試，發(fā)現(xiàn)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)在選取的三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)組成的三角形內(nèi)部時(shí)，定位的準(zhǔn)確性較高，測(cè)距誤差對(duì)定位精度影響較小。移動(dòng)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)依據(jù)信號(hào)接收信號(hào)強(qiáng)度選取三個(gè)距離比較近的錨節(jié)點(diǎn)作為定位參考點(diǎn)，以保證標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)在選中的三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)組成三角形的內(nèi)部。

人員攜帶COT-MV1 2.4 G標(biāo)準(zhǔn)模組作為移動(dòng)的標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)，并且保持勻速移動(dòng)來(lái)模擬車(chē)輛的行駛，在地下車(chē)庫(kù)的任意位置移動(dòng)，確保測(cè)試位置的隨機(jī)性和全面性，能夠準(zhǔn)確反映定位系統(tǒng)的真實(shí)情況。按照?qǐng)D9所示的位置布置6個(gè)錨節(jié)點(diǎn)，6個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(0,0)、(0,10.60)、(24.50,0)、(24.50,10.60)、(49.00,0)、(49.00,10.60)。

在對(duì)定位進(jìn)行誤差分析時(shí)，引入如下公式：

(16)

式中，Δ為定位誤差，(x,y)為標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的定位坐標(biāo)，(x1,y1)為標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)。

定位測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)定位結(jié)果

針對(duì)地下停車(chē)場(chǎng)特殊的環(huán)境，結(jié)合NLOS時(shí)延參考模型，使用上述方法，對(duì)TOA測(cè)距的NLOS時(shí)延進(jìn)行抑制，得到精確度相對(duì)較高的TOA測(cè)距值，使用上述優(yōu)化的三邊定位算法來(lái)實(shí)現(xiàn)定位。從表3可以看出，定位誤差在1 m之內(nèi)，可以滿足對(duì)車(chē)輛定位的基本要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文將LoRa技術(shù)應(yīng)用在地下停車(chē)場(chǎng)定位系統(tǒng)中，充分利用LoRa技術(shù)低成本、低功耗、低復(fù)雜度的優(yōu)勢(shì)。對(duì)地下停車(chē)場(chǎng)的NLOS時(shí)延進(jìn)行分析，通過(guò)改進(jìn)的均值濾波算法和參數(shù)擬合的方法對(duì)TOA測(cè)距的LNOS時(shí)延和設(shè)備自身測(cè)量誤差進(jìn)行抑制。對(duì)常用的三邊定位算法進(jìn)行分析，總結(jié)算法的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)算法進(jìn)行了優(yōu)化，在不增加任何硬件成本的前提下，能夠減小環(huán)境噪聲帶來(lái)的測(cè)量誤差對(duì)定位精度的影響。在實(shí)際的地下停車(chē)場(chǎng)驗(yàn)證了定位系統(tǒng)的可行性，定位精度在1 m之內(nèi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。