基于UWB的室內定位技術綜述

丁亞男 張旭 徐露

摘 要：隨著衛星定位技術（Global Positioning System，GPS）在室外定位中的深入應用，人們在室外環境下對位置服務（Location Based Service，LBS）愈加依賴，而室內環境中的定位技術還有待發展。本文主要研究了目前室內環境下的主流定位技術及其解決方案，并將其優缺點進行了對比分析，最終給出選擇超寬帶定位技術的原因。同時，還分析了超寬帶定位技術的基本原理及最終選擇TDOA算法的原因，并給出求解其后續非線性方程組的建議。簡述了在室內環境下影響移動目標精準定位的主要因素，其中，因為非視距傳播最能影響信號傳播，所以針對降低其對精度的影響力進行了相關算法介紹。

關鍵詞： 室內定位;超寬帶;TDOA;定位精度;非視距環境

【Abstract】 With the in-depth application of satellite positioning technology in outdoor positioning，people have become increasingly dependent on Location Based Service （LBS） in outdoor environment，while the positioning technology in indoor environment still needs to be developed.This paper mainly aims at indoor environment，summarizes the current mainstream positioning technology and its solutions，and compares its advantages and disadvantages， finally gives the reasons for choosing ultra-wideband positioning technology.At the same time，the basic principle of ultra-wideband positioning technology and the reason of choosing TDOA algorithm are analyzed，and the suggestions of solving its nonlinear equations are given.This paper briefly discusses the main factors that affect the precise positioning of moving target in indoor environment，among which，because the non-line-of-sight propagation can best affect the signal propagation，the corresponding algorithm is introduced to reduce its influence on precision.

【Key words】 ?indoor positioning; UWB; TDOA; positioning accuracy; NLOS

0 引 言

室內定位系統（Indoor Positioning System，IPS）功能是在室內環境下顯示人或物品位置信息，其目的旨在實時掌握目標物體的位置情況。目前，隨著社會經濟的發展，人們對位置服務的需求愈加強烈，已經從室外延伸至室內環境。超寬帶（Ultra-Wideband，UWB）是利用寬度為納秒級的脈沖作為無線通信信號的新興通信技術，在時間分辨率方面尤為突出且定位精度能夠精確到厘米級別。此外，在抗多徑能力和穿透性方面也有著較好表現，適用于高精度的室內定位服務[1]。

目前，在室外空曠的環境中定位應用最為廣泛的是衛星定位系統。然而與室外環境相比，室內比較封閉且存在大量的遮擋物，GPS在室內環境下覆蓋率較差，因此難以有效應用于室內定位。研究可知，室內定位系統包括3部分，分別是：基于視覺信息、基于無線信號以及其它方法，見圖1（a）。繼而有研究指出，基于無線的定位系統可以分為4類，即：紅外線定位系統、射頻系統、全球定位系統以及超聲波系統。其中，射頻系統中常用的技術有WiFi技術、藍牙技術、Zigbee技術、超寬帶技術。RFID技術室內定位技術[2]，見圖1（b）。

綜上分析論述可知，在現有的無線定位技術中，UWB信號具有高傳輸率、低功耗、抗干擾性強等優點且定位精度能夠精確到厘米級別，使得UWB有著不可比擬的優勢，因此選取UWB作為IPS的通信信號。對此擬展開研究論述如下。

1 UWB定位

FCC（Federal Communications Commission）在2002年制定規范正式允許使用了UWB通信系統，超寬帶技術是不用載波的，其突出優勢是能夠快速地將系統所需數據傳輸到指定位置、低功耗、抗干擾能力強，也不會對同一環境下的其它設備產生干擾，且定位精度能精確到厘米級。

1.1 與其它室內定位的比較

目前，IPS常用的技術性能對比見表1。

1.2 UWB室內定位技術的算法研究

在使用UWB信號作為通訊信號的室內定位中，測距和非測距方法都可以用于確定移動目標的位置。傳統用于測距的方法分別有：三邊測量法（Trilateration）、三角測量法（Triangulation），無需測距的定位方法中運用最多的是指紋匹配法（Fingerprint）。這里，對于各類算法分析可做闡釋論述如下。

1.2.1 RSSI匹配定位算法

RSSI匹配算法的主要思想是：根據距離和能量衰減公式用指紋匹配法來估計接入點與移動物體兩者的距離。具體分為離線和在線兩個階段。其中，離線階段事先搜集相關的數據構成指紋數據庫，即首先在建筑物中定義參考節點，其次搜集每個接入點在各個參考節點處的數據，最終形成包含每個參考節點處各接入點的RSSI值的數據庫。在線階段中，用戶則會接收到來源于各個接入點的真實RSSI值，并將該值與指紋數據庫運用估計算法（如k-Nearest Neighbor algorithm）進行匹配，從而得到用戶在指紋地圖中的位置。

一般來說，在信號傳輸時室內環境中的遮擋物較多，因此使用RSSI指紋匹配法容易遇到非視距（NLOS）傳播以及多徑效應的干擾，從而導致移動目標在該場景下的位置估計出現較大的偏差。針對上述情況，采用其它算法對出現的偏差進行校正時，不能保證每次都有較好的校正結果。

1.2.2 AOA定位算法

AOA定位算法的主要思想：用獨有的硬件設施測出移動標簽與基站（通常數量至少2個）之間的角度，再運用三角測量法定位移動標簽的位置坐標。在已知基站A、B的坐標的情況下，設其坐標分別是（x1，y1）、（x2，y2），移動標簽的坐標是（x，y），三者之間的夾角如圖2所示。

2 影響室內定位的主要因素

2.1 非視距傳播

信號在無線通信過程的傳播條件有視距（Line of Sight，LOS）以及非視距（Non Line of Sight，NLOS）環境，其中視距環境可以直觀理解為信號能夠直接傳輸至指定地點，而非視距環境可以直觀理解成信號會遭到障礙物的阻擋而無法直線傳輸。通常在視距情況下，信號能夠進行高質量的傳輸，因為信號在無障礙物的空間內可以在信號發射端以及信號接收端做到直線傳輸。而在非視距傳播的環境下，信號在傳輸過程中因遭到遮擋物的阻擋，導致其不能夠進行點對點的直線傳輸。只能夠在信號觸碰到遮擋物的阻擋后借助反射、折射以及衍射的方式進行間接傳輸。最終導致無線信號在接收點處包含著大量的失真信號，從而嚴重影響到室內環境下對移動目標的位置估計。信號的非視距傳播是限制室內定位系統精確度的主要原因之一，當下提高室內定位精度的解決途徑之一就是識別并消除非視距信號。

2.2 多徑效應

多徑效應表現為電信號從發射端發射后，經過數條不同的信道傳播至相同的信號接收端。電信號在不同的信道上傳播時，因遭受遮擋物干擾所產生的反射、折射及衍射，這樣一來就會導致信號在到達接收端時出現的幅度和相位大小不可控現象。當相位同相時，到達接收端的信號強度會隨之增強，反之同理[4]。但是，由于室內環境的特殊性，即使在室內環境沒有任何微小變動的情況下，也會使得無線信號的強度很容易發生改變，從而影響室內定位的精度。

3 非視距的鑒別和消除

識別并消除NLOS環境。如果在LOS環境下，通常包含較小的噪聲，對研究時的數據影響不大;而對于NLOS情況下，原始數據往往包含較多的噪聲，這就需要將采集的數據進行處理方可投入應用。

江歌等人[5]研究了在非視距傳播中提高超寬帶技術在室內環境下移動目標的定位準確度。過程中，將最小二乘法（LS）與粒子群優化算法（particle swarm optimization，PSO）相結合，形成了LS-PSO算法。首先重構TDOA模型，然后將NLOS誤差的均值和方差用于對TDOA模型做出參數調整，最后運用提出的新算法來估計移動物體的坐標。仿真結果顯示與常用的Chan算法、最小二乘法相比，該算法在提高室內環境下移動目標位置的精確度方面更有優勢。

曾玲等人[6]發現在室內環境中，非視距傳播會對估計移動目標位置的準確度產生明顯不良影響，故有針對性地提出基于非視距鑒別的TOA定位算法。首先判斷出NLOS基站，并重新算出其TOA的值，再賦給其TOA值以較小的權重，最后，運用加權最小二乘法結合上述權重，致力于更為準確地估計移動目標的位置信息。仿真結果顯示，該算法與最小二乘算法相比在確定移動目標的位置坐標方面具有更高的可靠性。

4 結束語

本文整體闡述了室內定位系統的一些基礎性概念，分析了在室內環境下選擇超寬帶技術的原因。在室內環境下影響移動目標精準定位的非視距傳播是可以通過其它算法來進行校準的。

參考文獻

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