基于移動基站的室內(nèi)定位技術(shù)研究

朱長安+劉崇科

【摘要】 隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步，定位導(dǎo)航技術(shù)在人們的生活中扮演著越來越重要的角色。在室外定位技術(shù)日趨完善的情況下，室內(nèi)定位技術(shù)的準(zhǔn)確性是擺在我們面前的一個(gè)亟待解決的問題。本文在介紹目前幾種主要室內(nèi)定位技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究和探討了利用移動基站和TDOA技術(shù)進(jìn)行室內(nèi)定位的方法。

【關(guān)鍵詞】 移動基站 室內(nèi)定位 TDOA

在人類社會的發(fā)展進(jìn)程中，定位、導(dǎo)航等技術(shù)一直處于非常重要的地位，尤其是近年以來，地圖、網(wǎng)約車等服務(wù)的興起更是大大增加了對定位技術(shù)的需求。但是在處于商場、地下停車場、圖書館等室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下時(shí)，定位技術(shù)的準(zhǔn)確性就大大降低了。如何解決在室內(nèi)環(huán)境下精確定位的問題，無論是從個(gè)人信息服務(wù)還是從緊急救援等方面來看，都具有重大的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

一、室內(nèi)定位相關(guān)技術(shù)概述

相對于室外環(huán)境而言，室內(nèi)環(huán)境的范圍較小，相對應(yīng)的對于定位精度的要求也提高了。除此之外，室內(nèi)環(huán)境中多徑傳播等問題對信號的影響也較大，因此對定位技術(shù)也提出了更高的要求。目前主要的室內(nèi)定位技術(shù)有：室內(nèi)GPS技術(shù)、超聲波定位技術(shù)、Wi-Fi定位技術(shù)、ZigBee定位技術(shù)、RFID定位技術(shù)、超寬帶定位技術(shù)、基于移動通信數(shù)據(jù)網(wǎng)的定位技術(shù)等。

這些技術(shù)各具優(yōu)勢，也具有各自的局限性，如RFID技術(shù)只能統(tǒng)計(jì)進(jìn)入大樓的人員數(shù)，無法對樓內(nèi)人員實(shí)現(xiàn)精確定位；WLAN、ZigBee、超寬帶等技術(shù)若要精確定位時(shí)需要在室內(nèi)布設(shè)大量節(jié)點(diǎn)，喜好覆蓋成本較高，適于在重點(diǎn)場所進(jìn)行局域定位系統(tǒng)建設(shè)，難于向廣域推廣；相比之下，基于移動數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的定位技術(shù)定位需要的基站少，信號覆蓋范圍廣、精度高、成本低，適合大范圍推廣，可滿足人們對室內(nèi)外高精度定位的需求。因此，本文主要討論基于移動基站的室內(nèi)定位技術(shù)。

二、移動基站室內(nèi)定位相關(guān)技術(shù)原理

2.1 常用無線定位原理

常見的無線定位方法有基于電波到達(dá)入射角（AOA）的定位方法、基于電波到達(dá)時(shí)間（TOA）的定位方法以及基于電波到達(dá)時(shí)間差（TDOA）的定位方法。在本文中主要討論基于TDOA的定位方法。

TDOA算法即到達(dá)時(shí)間差（Time Difference of Arrival）解算方法，也稱為雙曲線定位，是對TOA算法的改進(jìn)，克服了TOA算法的部分缺點(diǎn)。

TDOA的基本原理如下：在有三個(gè)或三個(gè)以上基站的移動通信網(wǎng)中，移動終端通過測量各個(gè)基站發(fā)出的信號到達(dá)移動終端的時(shí)間，再以某一基站為基準(zhǔn)求出兩兩基站之間的到達(dá)時(shí)間差。

以這些兩兩基站為焦點(diǎn)繪制雙曲線，移動終端必然位于這些雙曲線的交點(diǎn)上，因此可以通過計(jì)算交點(diǎn)來求出移動終端的坐標(biāo)。

TDOA定位方法測量的是信號傳播的時(shí)間差，不需要絕對的傳輸時(shí)間，因此對時(shí)鐘同步的要求就降低了。除此之外，這種時(shí)間差的解算方式有效地減少了信號傳播時(shí)所產(chǎn)生的非視距等誤差，所以這種解算模式被廣泛應(yīng)用于很多傳統(tǒng)的定位系統(tǒng)中[2]。

2.2 TDOA定位解算方法

在已知標(biāo)校點(diǎn)坐標(biāo)和TDOA信息的情況下，一般采用的解算方法有K臨近算法（KNN，k-nearest neighborhood）和加權(quán)臨近算法（WKNN，weight-k-nearest neighborhood），除了這兩種解算方法之外，目前又提出了一種融合非視距誤差的迭代解算方法，其解算過程如下：

此解算方法需要以下條件：四個(gè)基站（分別命名為基站0、1、2、3）；三個(gè)標(biāo)校點(diǎn)（分別命名為A、B、C）；一臺有定位和采集功能的移動終端。其中，標(biāo)校點(diǎn)的位置信息和TDOA信息已知。

在A、B、C三個(gè)標(biāo)校點(diǎn)分別測得6個(gè)TDOA值，計(jì)算出對應(yīng)的TDOA非視距修正值。利用標(biāo)校點(diǎn)A、B、C的坐標(biāo)以及對應(yīng)的非視距修正值求得線性差值參數(shù)，再據(jù)此計(jì)算出定位點(diǎn)的TDOA值，繼而求出計(jì)算值與測量值之間的差值，將其與門限值進(jìn)行比較，若大于門限值則重復(fù)以上步驟直至此差值小于或等于門限值為止。

在上述三種解算方法的結(jié)果對比中發(fā)現(xiàn)，此種解算方法效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的定位解算方法，其誤差在3米左右[3]。

三、結(jié)語

本文主要討論了基于移動基站的室內(nèi)定位技術(shù)。本文在一開始介紹了目前室內(nèi)定位的需求和發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了目前室內(nèi)定位的一些主要方法，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)分析了基于移動基站的室內(nèi)定位技術(shù)中常用的一些方法的原理，并推介了一種基于TDOA的定位解算方法，希望通過本文的一些介紹能夠引發(fā)更多對室內(nèi)定位技術(shù)的重視。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 鄒杰，李珊君，陳曉明. 一種改進(jìn)的室內(nèi)無線定位算法[J].計(jì)算機(jī)工程，2011（14）：76-78.

[2] 鄧平，范平志. 蜂窩系統(tǒng)無線定位原理及應(yīng)用[J].移動通信，2005（5）：19-23.

[3] 曹佳雯. 基于地面移動網(wǎng)的室內(nèi)外關(guān)鍵定位算法的研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2013.