王 鵬，方 震，夏 攀，陳賢祥，杜利東，趙榮建

（1.中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院 北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

0 引言

移動(dòng)健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)在醫(yī)院或養(yǎng)老院等場(chǎng)景中具有很廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。在醫(yī)院中，有些病人的病情需要被長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，傳統(tǒng)的方法是醫(yī)療監(jiān)護(hù)人員依靠病房?jī)?nèi)固定的醫(yī)療設(shè)備定時(shí)監(jiān)測(cè)，這種方法對(duì)病人的行動(dòng)能力有一定限制。在養(yǎng)老院中，也有同樣的問(wèn)題，隨著年齡的增長(zhǎng)，大多數(shù)老年人都有一些典型的老年病，其中有一些慢性病需要被長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)[1]。但是在一些特殊的環(huán)境中，如需要對(duì)患有視力障礙病人的病情進(jìn)行監(jiān)護(hù)而不想限制其行動(dòng)能力時(shí)，不僅需要對(duì)其身體狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也需要進(jìn)行實(shí)時(shí)輔助定位與導(dǎo)航[4]?；蜥槍?duì)一些大型建筑物、倉(cāng)庫(kù)、大型艦艇內(nèi)部的突發(fā)情況，如火災(zāi)、地震等，消防員進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行救援，其身體狀況和具體位置也需要被實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便更好地保障消防員安全，指揮救援工作[5]。

很多研究機(jī)構(gòu)對(duì)基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了研究：文獻(xiàn)[6-7]在2004 年，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了“CodeBlue”無(wú)線(xiàn)健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶(hù)的心電圖（electrocardiogram, ECG）、心率、血氧的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；文獻(xiàn)[8]在2006 年，針對(duì)家庭環(huán)境設(shè)計(jì)了基于成熟 MICAz 傳感器網(wǎng)絡(luò)的“ALARM-NET”系統(tǒng)，用以監(jiān)測(cè)居住環(huán)境中人員的身體狀況；文獻(xiàn)[9]于2010 年設(shè)計(jì)了1 種無(wú)線(xiàn)臨床監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，并進(jìn)行了長(zhǎng)期臨床測(cè)試，結(jié)果表明無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)于病人病情的持續(xù)監(jiān)測(cè)具有可行性；文獻(xiàn)[10]于2012 年針對(duì)老年人健康問(wèn)題，提出了“ViCare”系統(tǒng)，用以持續(xù)監(jiān)測(cè)老年人的生理參數(shù)及活動(dòng)狀況；文獻(xiàn)[11]于 2015 年，提出了1 種基于輕量級(jí)路由算法的無(wú)線(xiàn)健康監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，支持移動(dòng)狀態(tài)下生理參數(shù)測(cè)量。

以上健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)都可以覆蓋大面積建筑物，但是都沒(méi)有提及室內(nèi)定位功能；然而針對(duì)一些具體應(yīng)用場(chǎng)景，如大型倉(cāng)庫(kù)或艦艇中的突發(fā)事故、養(yǎng)老院中老人的緊急護(hù)理等，需要及時(shí)獲知受困人員或病人的位置及身體狀況。文獻(xiàn)[2]通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)定位系統(tǒng)在上述場(chǎng)景中的應(yīng)用仍是1 個(gè)未被完全探索的領(lǐng)域；但隨著可穿戴健康技術(shù)及室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展，這一問(wèn)題有望得到解決。室內(nèi)定位應(yīng)用到上述場(chǎng)景中時(shí)，也需要達(dá)到一些具體的限制條件，文獻(xiàn)[1]通過(guò)調(diào)研，提出了定位精度、覆蓋面積和更新頻率等具體要求。有很多無(wú)線(xiàn)技術(shù)可用于室內(nèi)定位，如無(wú)線(xiàn)保真(wireless fidelity, WiFi）、藍(lán)牙(blue tooth, BT)、紫蜂（zigbee, ZB）等；而超寬帶(ultra wide band,UWB）技術(shù)，由于其高頻段寬帶寬的優(yōu)異特性，對(duì)室內(nèi)多徑干擾具有很好的抑制能力，故被很多研究者用于室內(nèi)定位場(chǎng)景中[12-14]。然而這些系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)景都比較有限，通常是在1 個(gè)小空間內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的，并不具有實(shí)用意義[15-16]，而且將UWB 定位技術(shù)應(yīng)用到健康監(jiān)護(hù)應(yīng)用場(chǎng)景的研究也很少。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出1 種用于移動(dòng)健康監(jiān)護(hù)的超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，該系統(tǒng)由固定在墻壁上的多個(gè)定位錨節(jié)點(diǎn)和佩戴在被監(jiān)護(hù)者身上的可穿戴監(jiān)護(hù)設(shè)備組成。將全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）中的幾何精度衰減因子（geometric dilution of precision,GDOP）引入室內(nèi)定位系統(tǒng)中，通過(guò)GDOP 的仿真結(jié)果，選擇定位錨節(jié)點(diǎn)最佳安裝位置，隨后定位錨節(jié)點(diǎn)自主連接組成多簇樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)兼具室內(nèi)定位和數(shù)據(jù)傳輸功能。通過(guò)分析定位過(guò)程，將傳統(tǒng)的對(duì)稱(chēng)雙邊雙向測(cè)距法（symmetrical doublesided two-way-ranging method, SDS-TWR）及擴(kuò)展卡爾曼濾波法（extended Kalman filtering, EKF）簡(jiǎn)化為雙邊雙向測(cè)距法（double-sided two-wayranging method, DS-TWR）及線(xiàn)性卡爾曼濾波法（Kalman filtering, KF），使其更適合集成在弱算力的嵌入式系統(tǒng)中。

1 方法

1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)結(jié)合UWB 室內(nèi)定位技術(shù)和生命體征監(jiān)測(cè)技術(shù)，為覆蓋大面積樓宇區(qū)域，整體設(shè)計(jì)如圖1 所示。

將大空間分割為多個(gè)定位簇空間，在單個(gè)定位簇空間內(nèi)，利用GDOP 仿真結(jié)果合理分布4 個(gè)定位錨節(jié)點(diǎn)，錨節(jié)點(diǎn)固定在墻壁或天花板上。該空間內(nèi)待定位的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)佩戴在使用者身上，定時(shí)測(cè)量與4 個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離信息，同時(shí)測(cè)量人體生命體征信息。通過(guò)選擇1 個(gè)位置最佳的錨節(jié)點(diǎn)作為路由錨節(jié)點(diǎn)，同時(shí)作為簇頭，與其他簇空間的簇頭相連接，所有的簇頭都通過(guò)交換機(jī)連接在協(xié)調(diào)器上，最終形成1 種多簇樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)，將定位信息及生理參數(shù)信息傳輸至監(jiān)控終端，以供監(jiān)護(hù)人員查看。

圖1 室內(nèi)定位與健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)示意圖

圖2 硬件系統(tǒng)

該系統(tǒng)的硬件整體設(shè)計(jì)如圖2（a）所示，包括通信與定位設(shè)備和生命體征監(jiān)測(cè)與定位設(shè)備2 部分；圖2（b）為實(shí)驗(yàn)原型設(shè)備。由于通信與定位錨節(jié)點(diǎn)固定在建筑物的墻壁或天花板上，只需要具有通信、定位、報(bào)警功能即可，所以其結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化，而生命體征監(jiān)測(cè)與定位設(shè)備，不僅需要包含通信與定位設(shè)備的所有功能，而且需要集成各種生物傳感器，功能復(fù)雜。因此將通信與定位信標(biāo)設(shè)備設(shè)計(jì)為底座，將生命體征監(jiān)測(cè)與定位設(shè)備設(shè)計(jì)為擴(kuò)展板，通過(guò)串口與底座相連接，擴(kuò)展板采集傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳輸給底板，底板負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和無(wú)線(xiàn)通信。UWB 定位錨節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)選用達(dá)卡韋弗（Dacawave）公司的DWM1000 UWB定位模塊，該模塊兼容IEEE 802.15.4-2011 標(biāo)準(zhǔn)，工作頻段覆蓋3.5～6.5 GHz，對(duì)室內(nèi)多徑干擾具有較好的抑制作用，生物傳感器選擇SHF7072 和AFE4490，可以測(cè)量人體 ECG、光電容積描記（photoplethysmography, PPG）信號(hào)，并進(jìn)一步解析出呼吸、脈率、血氧飽和度等生理參數(shù)。所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)原型設(shè)備如圖2（b）所示。

1.2 定位錨節(jié)點(diǎn)最優(yōu)配置

基于UWB 的室內(nèi)定位方案，須在室內(nèi)部署一定數(shù)量的固定的錨節(jié)點(diǎn)，定位錨節(jié)點(diǎn)須固定在室內(nèi)的墻壁或天花板上，錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和分布位置對(duì)定位精度有很大影響。從GNSS 的研究結(jié)果來(lái)看，不同的衛(wèi)星分布結(jié)構(gòu)對(duì)地面用戶(hù)的定位精度影響可以用GDOP 來(lái)表示[17-18]。GDOP 與定位誤差正相關(guān)，等級(jí)劃分如表1 所示[18]。因此，將這一概念引入室內(nèi)定位場(chǎng)景中以確定錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和安裝位置。

表1 GDOP 等級(jí)劃分表[18]

由于室內(nèi)環(huán)境的多徑干擾，待定位目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和N個(gè)錨節(jié)點(diǎn)之間的距離的測(cè)量值中包含誤差，這時(shí)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)之間的距離為

式中：ri為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與第i 個(gè)錨節(jié)點(diǎn)之間的真實(shí)距離；Di為測(cè)量距離；C 為電磁波在空氣中傳播的速度；?為時(shí)間誤差；（xi,yi）,i =1,2,…,N為第 i 個(gè)錨節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)；目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)設(shè)為（x,y）。2 維空間內(nèi)的定位誤差設(shè)為Δri，可以分解為2 個(gè)坐標(biāo)軸上的坐標(biāo)誤差（Δx,Δy），將式（1）進(jìn)行泰勒展開(kāi)，只保留1 階項(xiàng)可得

將式（2）表示為矩陣形式，即

求解定位坐標(biāo)誤差δ，由最小二乘法得

設(shè)

則由文獻(xiàn)[18]中GDOP 的概念得

基于以上室內(nèi)環(huán)境下GDOP 公式的推導(dǎo)，利用軟件分別仿真不同形狀的室內(nèi)環(huán)境下，不同錨節(jié)點(diǎn)布局方案的GDOP 值，比較不同的方案，為實(shí)際布局提供理論基礎(chǔ)?？紤]實(shí)際定位環(huán)境及設(shè)備成本，分別在10 m×10 m 正方形區(qū)域和10 m×5 m 長(zhǎng)方形區(qū)域內(nèi)，仿真3 錨節(jié)點(diǎn)對(duì)角安裝、4 錨節(jié)點(diǎn)對(duì)角安裝、4 錨節(jié)點(diǎn)對(duì)面安裝方案，仿真結(jié)果如圖3、圖4 所示。由仿真結(jié)果可知，4 錨節(jié)點(diǎn)對(duì)角安裝方案的平均GDOP 值在2 種定位區(qū)域中都是最小的，因此在實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇此方案布局錨節(jié)點(diǎn)。

圖3 10 m×10 m 正方形區(qū)域仿真結(jié)果

圖4 10 m×5 m 長(zhǎng)方形區(qū)域仿真結(jié)果

1.3 DS-TWR 測(cè)距法

錨節(jié)點(diǎn)部署完成后，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行室內(nèi)定位時(shí)，首先需測(cè)量與各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)之間的距離。傳統(tǒng)的測(cè)距方法為基于到達(dá)時(shí)間（time of arrival, TOA）法的對(duì)稱(chēng)雙邊雙向測(cè)距法（SDS-TWR）[19-20]，如圖5所示。目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)起測(cè)距請(qǐng)求后，轉(zhuǎn)換為接收狀態(tài)，處于接收狀態(tài)的錨節(jié)點(diǎn)接收請(qǐng)求并返回應(yīng)答，隨后向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送新的測(cè)距請(qǐng)求，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到請(qǐng)求后返回應(yīng)答。整個(gè)過(guò)程在2 個(gè)節(jié)點(diǎn)之間共發(fā)送5 次數(shù)據(jù)包，共進(jìn)行了4 次測(cè)距，產(chǎn)生4 個(gè)時(shí)間間隔即T1、T2、T3及T4，測(cè)距結(jié)果表示為

式中D 為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)之間的距離。采用平均測(cè)距結(jié)果，可以減小由于某次測(cè)距誤差過(guò)大對(duì)實(shí)際測(cè)量結(jié)果造成的影響。本系統(tǒng)中對(duì)SDS-TWR方法進(jìn)行改進(jìn)，將錨節(jié)點(diǎn)的返回應(yīng)答和測(cè)距請(qǐng)求信息合并為同一組信息，將整個(gè)測(cè)距過(guò)程發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量減少為4 次，改進(jìn)后的DS-TWR 測(cè)距方法如圖6 所示。這樣處理的好處在于可以縮短1 次測(cè)距的時(shí)間，增加單位時(shí)間內(nèi)的測(cè)距頻次，同時(shí)節(jié)省錨節(jié)點(diǎn)的能量，滿(mǎn)足低復(fù)雜度要求。

圖5 對(duì)稱(chēng)雙邊雙向測(cè)距法（SDS-TWR）

圖6 雙邊雙向測(cè)距法(DS-TWR)

在視距環(huán)境下的UWB 測(cè)距，其測(cè)距精度主要受限于UWB 芯片所使用的晶振精度。因此引入時(shí)間測(cè)量誤差，假設(shè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘偏移量分別為eA和eB，時(shí)鐘漂移量為1×10-6，同時(shí)將式（8）經(jīng)過(guò)變換后可表示為

則測(cè)距誤差可表示為

由式(10)可知，測(cè)距誤差與設(shè)備的時(shí)鐘偏移量有關(guān)。假設(shè)設(shè)備使用的晶振的時(shí)鐘偏移為20×10-6，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)相距100 m，則到達(dá)時(shí)間約為333 ns，到達(dá)時(shí)間誤差約為6.7 ps，產(chǎn)生的測(cè)距誤差約為2.2 mm，誤差達(dá)到毫米級(jí)。因此通過(guò)選擇精度高的晶振，可使得DS-TWR 具有很小的視距測(cè)距誤差。本文使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備所采用的晶振的時(shí)鐘偏移為20×10-6。

1.4 定位坐標(biāo)解算方法

將單個(gè)簇空間內(nèi)的室內(nèi)定位系統(tǒng)簡(jiǎn)化為如圖7 所示的數(shù)學(xué)模型，設(shè)4 個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為（x1,y1）、 （x2,y2）、 （x3,y3）、 （x4,y4），為方便表示，統(tǒng)一表示為（xi,yi）,i =1,2,3,4。目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)未知，設(shè)為（x,y）。這樣，標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)到第i 個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離可以表示為

為解算出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，通常采用最小二乘法[19-21]。最小二乘法以最小化誤差平方和為原則進(jìn)行方程求解，但最小二乘法只能解決線(xiàn)性問(wèn)題，所以需將式（11）線(xiàn)性化。線(xiàn)性化之后得到

式中：

利用最小二乘法解算得到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為

圖7 定位系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

1.5 線(xiàn)性卡爾曼濾波應(yīng)用

UWB 定位數(shù)據(jù)會(huì)受到室內(nèi)環(huán)境的影響，比如多徑干擾、人員走動(dòng)干擾、門(mén)窗關(guān)閉干擾等，因此需要對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理?？柭鼮V波（Kalman filtering, KF）算法是在最小均方誤差的準(zhǔn)則下，將估計(jì)值與測(cè)量值進(jìn)行最佳擬合，是1 種最優(yōu)線(xiàn)性狀態(tài)估計(jì)方法。傳統(tǒng)的室內(nèi)定位方法中，處理定位數(shù)據(jù)均采用擴(kuò)展卡爾曼濾波[22-23]法，原因是將觀測(cè)方程作為非線(xiàn)性方程處理；但是本文在處理過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，觀測(cè)方程可以通過(guò)適當(dāng)?shù)淖儞Q，變?yōu)榫€(xiàn)性方程，因此本文仍采用線(xiàn)性卡爾曼濾波法處理定位數(shù)據(jù)。

UWB 室內(nèi)定位系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程和觀測(cè)方程為：

將式（16）表示為

通過(guò)對(duì)比式（14）和式（17），可以得到：

在1.4 節(jié)中將式（11）進(jìn)行變換，可以得出線(xiàn)性的觀測(cè)方程式（12），觀測(cè)矩陣H表示為

接下來(lái)利用線(xiàn)性卡爾曼濾波處理視距環(huán)境下的定位數(shù)據(jù)，避免了使用擴(kuò)展卡爾曼濾波需要計(jì)算狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程和觀測(cè)方程的雅可比矩陣的復(fù)雜問(wèn)題，滿(mǎn)足低復(fù)雜度需求。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 定位及數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)

由于室內(nèi)環(huán)境比較復(fù)雜，而且面積較大，布置少量的錨節(jié)點(diǎn)并不能很有效地進(jìn)行室內(nèi)定位，某些區(qū)域不能測(cè)量到錨節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，因此需要根據(jù)室內(nèi)環(huán)境布置較多的錨節(jié)點(diǎn)，并且盡量布置在視距范圍內(nèi)，以最大限度地覆蓋整個(gè)室內(nèi)區(qū)域。如圖8 所示，本文提出1 種樹(shù)狀分簇網(wǎng)絡(luò)，將1 個(gè)較大的室內(nèi)環(huán)境分割為眾多小區(qū)域，每1 個(gè)小區(qū)域作為1 個(gè)基本簇單元，包含4 個(gè)錨節(jié)點(diǎn)（其中1 個(gè)是兼具路由功能的錨節(jié)點(diǎn)）和若干個(gè)待定位節(jié)點(diǎn)。4 個(gè)錨節(jié)點(diǎn)中選擇位置最佳的1 個(gè)（通常靠近門(mén)口）作為路由錨節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)下發(fā)測(cè)距命令，上傳數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)，并廣播消息，為待定位節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙，同時(shí)作為基本簇單元的簇頭，剩余3 個(gè)錨節(jié)點(diǎn)作為1 級(jí)簇成員，接收路由錨節(jié)點(diǎn)的命令，對(duì)待定位節(jié)點(diǎn)發(fā)起測(cè)距請(qǐng)求。待定位節(jié)點(diǎn)作為2 級(jí)簇成員，應(yīng)答普通錨節(jié)點(diǎn)的測(cè)距請(qǐng)求，并監(jiān)測(cè)佩戴者的生理參數(shù)，向主錨節(jié)點(diǎn)傳輸位置信息和生理參數(shù)信息。整體無(wú)線(xiàn)定位網(wǎng)絡(luò)由若干基本簇單元組成，可擴(kuò)展性強(qiáng)，可覆蓋大面積樓宇區(qū)域。

圖8 樹(shù)狀分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

為使運(yùn)動(dòng)過(guò)程中整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)不丟失數(shù)據(jù)，本文設(shè)計(jì)了“Poll-Ack 消息應(yīng)答機(jī)制”。1 次測(cè)距過(guò)程完成之后，待定位節(jié)點(diǎn)將定位數(shù)據(jù)和生理參數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)送給路由錨節(jié)點(diǎn)，路由錨節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到消息之后，將消息傳輸給上位機(jī)，同時(shí)返回應(yīng)答信號(hào)給路由錨節(jié)點(diǎn)，路由錨節(jié)點(diǎn)再將應(yīng)答信號(hào)返回給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，完成消息發(fā)送過(guò)程。如果目標(biāo)節(jié)點(diǎn)超過(guò)一定時(shí)間沒(méi)有接收到應(yīng)答信號(hào)，則重新發(fā)送本次數(shù)據(jù)，直到發(fā)送完成。這樣可以保證數(shù)據(jù)的正確傳輸，減少丟包率。經(jīng)測(cè)試，1 次測(cè)距完成需5 ms，發(fā)送完成1 次“測(cè)距數(shù)據(jù)”需8 ms，1 次定位過(guò)程包含4 次測(cè)距過(guò)程，因此，定位頻率約為35 次/s，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性需求。

2.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

本系統(tǒng)在科電大廈11 層進(jìn)行實(shí)際部署，部署方案如圖9 所示，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)及樓道采用GDOP值最小的“4 錨節(jié)點(diǎn)對(duì)角安裝”方案部署8 個(gè)錨節(jié)點(diǎn)。分別完成2 個(gè)實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)①，實(shí)驗(yàn)人員佩戴“生命體征監(jiān)測(cè)與定位節(jié)點(diǎn)”，在區(qū)域1 內(nèi)進(jìn)行靜止?fàn)顟B(tài)下的定位誤差實(shí)驗(yàn)，分別選擇72 個(gè)待定位點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，每2 個(gè)待定位點(diǎn)間距0.8 m；實(shí)驗(yàn)②，實(shí)驗(yàn)人員在區(qū)域1 及區(qū)域2 內(nèi)，按照設(shè)定路徑以正常速度走動(dòng)，測(cè)試定位系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的定位誤差。實(shí)驗(yàn)中對(duì)錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行手動(dòng)量取與設(shè)定，采用激光測(cè)距儀進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)距量程為120 m，精度為0.001 m，設(shè)定的錨節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)如表2 所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)環(huán)境部署

表2 錨節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)

參考軌跡也利用此設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)定路徑的關(guān)鍵點(diǎn)，測(cè)量其坐標(biāo)，再將關(guān)鍵點(diǎn)依次連接形成參考軌跡，并在地面的參考路徑上粘貼黑色膠帶，實(shí)驗(yàn)者按照此路徑行走進(jìn)行動(dòng)態(tài)定位實(shí)驗(yàn)。

2.3 結(jié)果與討論

靜止?fàn)顟B(tài)定位實(shí)驗(yàn)在圖9 中的區(qū)域1 中進(jìn)行，結(jié)果如圖10（a）所示，定位誤差如圖10（b）所示。UWB 定位系統(tǒng)在人員靜止?fàn)顟B(tài)下定位誤差最大為0.32 m，平均定位誤差為0.16 m。靜止?fàn)顟B(tài)定位誤差累積分布如圖12（a）所示。從圖12（a）可以看出，其90%的定位誤差為0.2 m。實(shí)驗(yàn)環(huán)境中心誤差小、邊緣誤差大，這是因?yàn)檫吘壐资軌Ρ诘扔绊?，其結(jié)果與GDOP 仿真結(jié)果一致。運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下人員行走軌跡如圖11 所示，其定位誤差累積分布函數(shù)（cumulative distribution function, CDF）如圖12 所示，從圖12 可以看出，采用原始UWB數(shù)據(jù)進(jìn)行定位，誤差較大，其最大誤差為1.2 m。將原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)卡爾曼濾波后，可以消除一些誤差比較大的定位點(diǎn)，在區(qū)域2 中的效果更加明顯，定位軌跡更接近原始軌跡，定位誤差也減小到0.6 m，已經(jīng)可以滿(mǎn)足移動(dòng)健康監(jiān)護(hù)對(duì)于室內(nèi)定位系統(tǒng)的精度要求。

圖10 靜止?fàn)顟B(tài)定位誤差實(shí)驗(yàn)

圖11 運(yùn)動(dòng)軌跡

圖12 定位誤差累積分布

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)移動(dòng)健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)缺少室內(nèi)定位的問(wèn)題，提出1 種用于移動(dòng)健康監(jiān)護(hù)的超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，在實(shí)際環(huán)境中，依據(jù)GDOP的仿真結(jié)果部署并測(cè)試了本系統(tǒng)。在理論推導(dǎo)過(guò)程中，對(duì)傳統(tǒng)的SDS-TWR 測(cè)距方法進(jìn)行簡(jiǎn)化，提出DS-TWR 測(cè)距方法，減少了測(cè)距過(guò)程中消息發(fā)送的次數(shù)，提高了定位頻率，同時(shí)也減小了由于系統(tǒng)硬件造成的測(cè)距誤差，提高了測(cè)距精度。采用線(xiàn)性卡爾曼濾波器處理UWB 原始數(shù)據(jù)，可以有效地減小定位誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)者在室內(nèi)的位置，定位頻率可達(dá)35 次/s；在室內(nèi)靜止?fàn)顟B(tài)下定位誤差最大為0.32 m，行走狀態(tài)下的UWB 數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)卡爾曼濾波器后，運(yùn)動(dòng)軌跡更接近真實(shí)軌跡；動(dòng)態(tài)定位誤差最大為0.6 m，相比于原始UWB 數(shù)據(jù)誤差減小50%。在實(shí)際樓宇環(huán)境中的測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)較大空間的室內(nèi)定位功能，可為需要進(jìn)行室內(nèi)定位的場(chǎng)景提供參考。