西北工業大學先進測試控制技術導論大作業室內定位系統的研究姓名：XXX班級：XXXXXXXX學號：XXXXXXXXXX摘要目前,人們對室內定位與導航的需求越來越大,如在展廳、圖書館、倉庫、超市等室內環境中,用戶希望持有可移動設備能夠自由定位并導航,雖然室外定位技術開展越來越完善,但是室內定位仍在起步階段。本文研究了室內定位系統的背景和國內外開展狀況，闡述了室內定位系統的相關概念和原理，列述了室內定位所用到的一些定位算法、定位結構和模型。同時，在幾種定位算法的根底上羅列了幾種室內定位技術，包括：超聲波技術、紅外技術、頻射技術、WIFI與藍牙技術、ZigBee與超寬帶技術等等。并通過比擬分析了解了每種技術的相應優缺點。關鍵詞：室內定位、定位算法、定位技術目錄摘要 II第一章緒論 V1.1課題背景及研究意義 V1.2研究現狀及其趨勢 V1.3國內外的研究現狀 VI第二章室內定位系統根本概念與原理 VII2.1定位算法 VII2.2室內定位系統的結構與模型 VIII第三章室內定位系統 XI3.1超聲波技術 XI3.2紅外技術 XI3.3藍牙技術 XII3.4射頻技術 XII3.5WIFI技術與藍牙技術 XIII3.6Zigbee與超寬帶技術 XIII第四章結束語 XIV參考文獻 XVI第一章緒論1.1課題背景及研究意義衛星定位導航系統的產生及開展，讓人們擁有了在廣闊的室外空間中以前所未有的可靠性、精度獲取事物地理位置屬性的技術方法，已經根本上解決了在室外空間中進行準確定位的問題，并且已經在軍事、資源、交通、農牧漁業、環境、測繪等領域以及人們日常的生活中得到了非常廣泛的應用。然而，雖然定位技術性能、精度都很高,但是其信號遇到障礙物衰減,無法穿透建筑物進行室內定位導航的局限性也日漸凸顯,它在室內工作效果并不理想。社會經濟的飛速開展及人們生活水平的提高,使得我們對室內的定位導航需求越來越大,比方在博物館、超市、機場等場所消費者需要快速了解自身所處位置,并到達目的地在礦井、火災現場,為警察等工作人員提供精確的導航與定位。為了解決室內這一特殊環境定位的問題，必須研究專門的定位方法。與已經非常成熟的室外衛星定位導航系統相比，室內定位技術還處于剛起步階段，但是卻具有很大的應用空間。室內定位的應用領域主要包括導航和工程測量、位置效勞和監控以及智能空間。伴隨著人類對室內定位需求的增大,科學技術也在高速開展,總結、分析、研究當前的室內定位技術有利于室內定位技術廣泛應用于人們的生產和生活之中。1.2研究現狀及其趨勢室內定位技術應用的區域是封閉或半封閉空間，室內不止是通常所說的一般建筑物內部，它還包括地下礦井、密集的高層建筑區、樹林等。室內環境相比戶外要復雜的多，根據不同的環境、應用和需求，用于室內定位的技術主要有:激光、紅外、藍牙、射頻、無線電、超聲波、計算機視覺、磁場等。其中，有些技術經過開發利用，形成了比擬系統的定位效勞解決方案或成形的商業產品，但仍有許多技術尚在研究試驗中。如使用磁場壓力感應的智能地板的研制試驗，這種方法需依賴特定的設備，本錢昂貴實用性低。進行室內定位的主要測距方法有到達時間(TOA)、到達時間差(TDOA)、到達角度(AOA),RSS技術[等。這些方法都能在定位系統中計算有效的距離，其中到達時間、到達時間差、到達角度技術都能提高定位精度，但是由于室內環境復雜可能會影響其定位精度。美國高通公司(QUALCOMM)及其子公司SnapTrack在GPS定位技術的根底上，提出了A-GPS解決方案。結合CDMA網實現了移動終在室內外端準確的定位。由于A-GPS是基于CDMA網絡，需要使用作為載體，所以可能需要用戶使用特制的設備。一般用戶很難接受為了不頻繁使用的位技術更換，并且這種特制的相對一般耗電量會增加，所以A-GP技術目前沒有得到廣泛推廣。近幾年來一種基于WIFI的室內定位技術進入到大家的視野中，各大媒體爭先報道，有的甚至稱WIFI將是室內定位的最正確選擇。目前WIFI技術在現代生活中己經被廣泛使用，無論是在政府公共場所還是咖啡廳等休閑場所都有非常廣泛的WIFI熱點部署，人們可以隨時隨地跟各大運營商的無線網絡像CMCC進行連接。而且在移動終端方面，移動終端可以直接由智能替代，只需要開發一個APP就可以。由于智能的大量普及，這方面的本錢也幾乎可以忽略不計。WIFI進行室內定位的主要思想是充分利用現有的無線網絡建立能提供目標室內定位的效勞。雖然主流的室內定位技術還有ZigBee,RFID、紅外線、藍牙，磁場甚至燈光都可以定位，不過這些新興室內定位技術還是有各自的限制，其主要原因是必須個別部署它們專屬的定位網絡系統，這樣會消耗非常大的建設本錢。目前，室內定位技術還處于起步階段，首先需要解決的是系統開發問題。雖然國外一些公司和研究機構已在這一領域開展數年的研究，設計出許多系統，如RADAR,AT&T,ActiveBat，Cricket等，并且有些已投入商業應用，受本錢、定位精度、可靠性以及易用性等方面影響，室內定位技術尚未廣泛用于人們的生產生活當中，室內定位系統仍然存在大量需要解決的問題。1.3國內外的研究現狀近年來在WIFI室內定位技術上己經出現了很多具有代表性的研究成果，較為典型的是RADAR系統、Eorus系統、Nibble系統與Weyes等室內定位系統。RADAR系統RADAR定位系統是微軟公司在2000年提出來的，這個系統是基于RSSI的室內定位方案。它的硬件是基于802.11協議的。RADAR定位系統定位算法主要分為兩個階段:第一個階段，離線建庫階段，就是在實時定位前，在目標區域內大量采集樣本，建立起地理位置和信號強度的關系映射表;第二個階段，在線定位階段，也就是實時定位階段，移動終端把接收到的無線接入點的RSSI信號值，通過己有的RSSI與地理位置映射數據庫相比擬，查找出最有可能的結果，完成定位。RADAR定位系統的優點在于它的平臺比擬成熟，無需開發一個新的應用平臺。它的缺陷是:室內環境一旦改變，那么原有的射頻數據庫就會失效，數據庫必須隨著時間的推移定期更新。Eorus系統Eorus定位系統同樣選用RSSI作為參考點的指紋數據，與RADAR定位系統不同的是其使用概率模型來創立信號數據庫。Eorus系統在收集參考點上的的RSSI數據時，并不像RADAR系統中那樣把接收到的信號取其中值或均值，而是通過大量的數據構建成每個基站的接收RSSI值在指紋參考點上的概率分布，并利用生成的概率分布來建立位置指紋數據庫。在實時定位階段中，為減少計算量、提高定位算法的速度，Eorus系統提出了一種位置指紋數據庫分類的方法。由于單個基站的覆蓋范圍有限，在實際定位過程中，沒有必要在整個數據庫當中進行匹配搜索，而只需要在定位時，縮小搜索范圍，只搜索相對應的區域，從而提高定位算法的速率與實時性。Nibble系統Nibble定位系統跟上面的兩個系統的最大不同點在于其采用信噪比(SNR)作為信號樣本，并用接收信號的信噪比值來建立參考點的位置指紋數據庫。開發Nibble定位系統的人認為信號的SNR比RSSI能更好的提取出位置特征信息。跟上面的Eorus系統一樣，Nibble系統也使用概率模型來建立位置指紋數據庫，但與Eorus不同的是Nibble定位系統使用貝葉斯網絡來創立SNR的概率分布圖與參考點的位置指紋數據庫。Nibble系統把較大的一個區域(比方整個房間)當成一個點來進行定位，所以比擬適用于對定位精度要求不高的環境中。第二章室內定位系統根本概念與原理2.1定位算法目前的定位算法，從原理上來說，大體上可以分為3種：鄰近信息法、場景分析法以及幾何特征法。2.1.1鄰近信息法利用信號作用的有限范圍，可以確定待測點是否在某個參考點的附近。但只能提供大概的定位信息，能滿足某些應用的要求。例如利用基站定位，可以確定來電歸屬地，但精度也只能確定在某一地區。2.1.2場景分析法對于指定位置的可測量特征定位。比方測量接收信號的強度，與實現測量的、存在數據庫的該位置的信號強度作比照。理想的場景分析法可以利用視頻識別，看到某一景物就能確定位置，但這需要龐大的信息知識庫做支撐。幾何特征法幾何特征法是利用幾何原理進行定位的算法，是目前應用最廣泛的定位算法，通常需要多個點和邊作為條件進行計算定位，具體又分為以下幾種。〔1〕三邊定位法:在平面上，三邊定位法就是測量待測點到3個不在同一直線上的參考點的距離。根據估計的三邊距離，再結合參考點的位置，待測點的位置就在3個圓的交點上。(2)三角定位法:利用了這樣一個事實:在一個三角形中，如果一條邊的長度和兩個角的大小，那么可以確定第3個點的位置，且該點是三角形另外兩條邊的交點。(3)雙曲線定位法:形成雙曲線的幾何原理是:到兩個固定點距離差為常數的動點軌跡，是以這兩個固定點為焦點的雙曲線。由3個不在一條直線上的參考點可以確定兩條雙曲線，兩條雙曲線的交點就是待測點。2.2室內定位系統的結構與模型2.2.1結構原理目前的定位技術多要借助輔助節點進行定位，通過不同的測距方式，計算出待測節點相對于輔助節點的位置，然后與數據庫中事先收集的數據進行比對，從而確定當前位置，如圖4所示。圖4室內定位結構原理圖首先在室內環境設置固定位置的輔助節點，這些節點的位置，有的位置信息是直接存在節點中，如RFID的標簽，有的是存在電腦終端的數據庫中，如紅外線、超聲波等。然后測量待測節點到輔助節點的距離，從而確定相對位置。使用某種方式進行測距通常需要一對發射和接收設備，按照發射機和接收機的位置大體可以分為兩種:發射機位于被測節點，接收機位于輔助節點，例如紅外線，超聲波和RFID;另一種是發射機位于輔助節點，接收機位于被測節點，例如WiFi、超寬帶、ZigBee和藍牙。最后分析計算位置，利用計算機終端的數據庫進行匹配，從而得出具體位置。具體流程如圖5所示，除了用到之前的輔助節點位置和計算得出的距離外，還需要一定的模型來提高精度。圖5室內定位流程圖2.2.2模型分析隨著人們對定位精度要求的不斷提高，測距后利用幾何定位已不能滿足要求，因此目前的室內定位方法都使用計算模型，具有更高精度和可靠性。目前比擬成熟的模型包括傳播模型和指紋模型，這兩種模型在WiFi定位技術上應用廣泛。(1)傳播模型。依靠分析信號傳播過程中的特性來推算傳播距離。常用的特性包括:RSSI(ReceivedSignalStrengthIndication)，AOA(AngelofArrival)，TOA(TimeofArrival)。由于所有參數難以在同一模型內考慮，所以精度有限。傳播模型得益于無線電信號的傳播和AP接入點的位置。但不能很好地處理信號的不確定性。RSSI的數值不是常數，即使發送和接收雙方都不移動，也可能出現嚴重的振蕩。這是由信道的快速衰落和無線信號傳輸環境的迅速變化造成的。另外，一般使用的簡單的、廉價的無線信號收發器通常沒有經過校準，在不同的設備上即使相同的信號強度也可能導致不同的RSSI值。(2)指紋模型。是一種基于學習的模型，運用模式匹配的技術，根據所在位置的測量值跟已經觀測到的所有位置的測量值作比擬，然后根據匹配情況確定位置。可以將信號的不確定性考慮在內，在定位效果方面令人滿意。主要缺點是需要大量的工作量去給一個給定的環境建立定位模型并進行校準。而且環境改變之后，之前建立的模型將不再適用，需要修改。WiFi室內定位技術需要多個WiFi接入點。第一步是構建指紋地圖，按照<指紋，地點>的形式在不同位置收集數據，并寫入指紋地圖的數據庫。其中指紋可以包括信號強度、方向以及接入點的MAC地址等信息。第二步是定位，被測物體上安裝WiFi信號接收器，在某一位置接收到信號之后，用當前位置的指紋信息到指紋地圖庫中匹配，即可得出所在位置。2.2.3技術比照在精度、定位方法、實例和優缺點等方面對當前比擬成熟的幾種室內定位技術進行比照，從宏觀上掌握室內定位技術領域開展的方向和目前研究的瓶頸問題。通過表1的比照可以看出，目前的室內定位技術開展主要存在以下幾個共性問題需要解決:(1)精度問題。目前大局部定位技術的精度還不高，約在幾米之內，這個精度在室內環境來說較大，要提高精度就必須提高抗干擾能力、解決信號衰減、多徑效應、視距傳播和信號震蕩校準等傳統問題。(2)降低能耗和本錢問題。目前大局部的定位技術都需要在環境中安裝輔助節點用于測距、返回位置信息等，要提高精度，就必須安裝大量的輔助節點，這大幅增加了本錢和能耗。有些技術本身功率大，能耗高，有的技術需要大量的人力物力去收集指紋信息，完善指紋地圖，此外利用RSSI測距還需要周期性的人為校準等，這些都在實用性方面大幅制約了技術的開展。通過構建指紋地圖來提高WiFi定位的精度，其中利用移動設備使用位置的歷史來完善指紋地圖，降低了人工搜集指紋的工作量。利用多層建筑中各樓層結構的相似性，提出了一種算法來減輕收集指紋的工作量。提供了一種基于FM調頻的自校準機制，克服了RSSI測距時電磁波震蕩產生的誤差。(3)通用標準化問題。各種定位技術都有優缺點，未來室內定位的開展趨勢必然是多種技術的融合，取長補短。而體系結構的標準化問題、各種技術的無縫整合問題都大大制約了這樣的開展趨勢。此外，室內定位和室外定位的結合也是大勢所趨，同樣需要涉及到標準化問題。所以通用標準化的完善有助于促進室內定位技術的開展。目前的定位技術還沒有一個統一的權威標準出臺，無疑限制了多技術融合的開展。(4)未知環境的定位問題。目前的大多數定位技術都是基于熟悉環境的，環境中預先安裝了大量傳感器、標簽等輔助根底設施，但是實際應用場景并不都是熟悉環境，比方地震、火災、反恐等緊急事件的處理問題，往往沒有條件安裝輔助根底設施。所以基于未知環境的室內定位技術有著巨大的應用需求。提出了一種基于未知環境的定位技術，利用房間外不同位置的定向天線進行定位，取得了一定突破。此外處理如上提出的緊急事件時，還要求定位系統部署簡單，反響快，精度高。(5)平安隱私問題。個人的實時位置屬于個人隱私的一局部，涉及到平安問題，目前的定位技術都會將被測物體的位置信息返回到主機進行計算或者到數據庫中進行匹配，但主機或數據庫會留底，這樣就留下了一定的平安隱患。文獻[[15]提出的基于RFID的室內指導和監控系統目的在于保護使用者隱私，不打攪使用者日常生活。第三章室內定位系統基于定位算法而衍生出來的室內定位技術有:超聲波、紅外線、藍牙、射頻、Wi-Fi,Zigbee、超寬帶等技術。3.1超聲波技術超聲波室內定位技術目前大多采用反射式測距法，其工作原理:超聲波定位系統由固定安裝在室內的假設干參考節點和被定位的移動端組成。移動端向室內的參考節點發射超聲波信號，參考節點接收到移動端發射的超聲波信號后發射超聲波信號作為響應，移動端根據發射超聲波到收到參考節點響應回波的時間差計算與參考節點之間的距離，當移動端同時接收到3個或3個以上且不在同一直線上參考節點發射的回波后，通過常用于GPS定位系統中的三角定位等算法計算出移動端當前的位置信息。目前，比擬流行的基于超聲波室內定位的技術還有下面兩種:一種為將超聲波與射頻技術結合進行定位。由于射頻信號傳輸速率接近光速，遠高于射頻速率，那么可以利用射頻信號先激活電子標簽而后使其接收超聲波信號，利用時間差的方法測距。這種技術本錢低，功耗小，精度高。另一種為多超聲波定位技術。該技術采用全局定位，可在移動機器人身上4個朝向安裝4個超聲波傳感器，將待定位空間分區，由超聲波傳感器測距形成坐標，總體把握數據，抗干擾性強，精度高，而且可以解決機器人迷路問題。超聲波不受可視距離限制，能夠在介質中遠距離傳播，且超聲波發射的方向容易控制，定位精度可到達厘米級、精度較高、誤差較小。目前超聲波測距在工業中得到廣泛應用，但在定位系統中通常需要其他技術如無線電輔助定位，增加硬件根底設施本錢。3.2紅外技術紅外線是一種波長間于無線電波和可見光波之間的電磁波。典型紅外線室內定位系統:首先在室內安裝固定的光學傳感器，由紅外線(InfraredIR)發射器發射特定的紅外線，光學傳感器接收紅外線進行定位。如果將紅外線與超聲波技術相結合也可方便地實現定位功能。用紅外線觸發定位信號使參考點的超聲波發射器向待測點發射超聲波，應用TOA根本算法，通過計時器測距定位。一方面降低了功耗，另一方面防止了超聲波反射式定位技術傳輸距離短的缺陷。使得紅外技術與超聲波技術優勢互補。紅外線室內定位技術定位精度在5-10m，精度相對較高，但是由于紅外線無法穿透建筑內的障礙物僅能在可視的直線距離內傳播，使得紅外線傳輸距離短，且當紅外發射器被遮擋物覆蓋時工作就會發生異常；紅外線不僅受室內布局影響，熒光燈等室內光線也會干擾紅外射線，影響定位精度；在硬件設施上，紅外定位技術需要在每個房間內安裝光學傳感器等接收天線設備，本錢較高。總之，紅外線適合在短距離內傳播，受室內布局及燈光環境影響較大，整體定位效果具有一定的局限性。3.3藍牙技術藍牙室內定位的工作原理:藍牙是一種無線傳輸技術，它具有傳播距離短、功耗低、支持點到點及點到多點無線互聯等特點。利用藍牙技術的這些特點，在室內安裝適當的藍牙局域網接入點，配置多用戶的網絡連接模式，并且保證通過藍牙技術連接起的微微網(Piconet)主設備為室內安裝的藍牙局域網接入點，可根據測量被定位的從設備信號強度，獲取被定位用戶的位置信息，從而到達藍牙技術在室內定位的目的。利用藍牙技術進行室內定位，設備體積小容易集成在等便攜設備中，且不受可是距離影響。但是藍牙設備昂貴，且易受噪聲信號、復雜的空間環境干擾系統的穩定性較差。3.4射頻技術3.4.1RFID技術原理射頻識別(RFID)技術是一種操控簡易，適用于自動控制領域的技術，它利用了電感和電磁禍合或雷達反射的傳輸特性，實現對被識別物體的自動識別。射頻(RF)是具有一定波長的電磁波，它的頻率描述為:kHz,MHz,GHz，范圍從低頻到微波不一。3.4.2RFID室內定位系統的根本結構該系統通常由電子標簽、射頻讀寫器、中間件以及計算機數據庫組成，結構如圖2所示。射頻標簽和讀寫器是通過由天線架起的空間電磁波的傳輸通道進行數據交換的。在定位系統應用中，將射頻讀寫器放置在待測移動物體上，射頻電子標簽嵌入到操作環境中。電子標簽上存儲有位置識別的信息，讀寫器那么通過有線或無線形式連接到信息數據庫。3.4.3RFID室內定位技術典型系統LANDMARK圖7RFID室內定位系統結構LANDMARK系統是應用RFID的典型的室內定位系統。該系統通過參考標簽和待定標簽的信號強度RSSI的分析計算，利用“最近鄰居〞算法和經驗公式計算出帶定位標簽的坐標。LANDMARK系統定位精度:平均1m。缺陷:LANDMARK系統有幾方面缺陷，首先，系統定位精度由參考標簽的位置決定，參考標簽的位置會影響定位;第二，系統為了提高定位精度需要增加參考標簽的密度，然而密度較高會產生較大的干擾，影響信號強度;第三，因為要通過公式計算歐幾里德公式得到參考標簽和待定標簽的距離，所以計算量較大。3.5WIFI技術與藍牙技術Wi-Fi定位是目前比擬流行的，適用于家用或者辦公室短距離內的無線局域網絡技術。其定位原理是是根據定位目標與各Wi-Fi接入點的距離來判斷目標的位置，也可以根據事先合成的信號強度圖來判定，其定位精確度大約在1m-20m。目前，我國很多城市都擁有或者是正在建造Wi-Fi網絡，系統本錢較低，這是Wi-Fi技術的一大優勢，其缺點是功耗高，接收和發射器的覆蓋區域小，受其他信號干擾影響定位精度。藍牙技術與Wi-Fi技術同屬于家用或者辦公室內短距離、低功耗的無線技術，通過無線局域網絡(WLAN)獲取信息，實現復雜的大范圍定位、監測。其工作頻段是全球通用的2400-2483.SMHzISM。藍牙技術通常是結合RSSI方法使用，在室內安裝藍牙接入點配置基于用戶的網絡模式，與藍牙信標建立連接，利用RSSI進行距離測量，得住定位目標的位置。藍牙技術實現定位的設備體積小便于攜帶，容易集成到等便攜設備中。它的缺點是:受可視距離影響傳播距離短，受其他信號干擾影響定位精度。3.6Zigbee與超寬帶技術Zigbee技術是根據接收機收到的信號強度，參照信號在傳播過程中的衰減模型，根據信號的損耗計算出接收機與信號發射點之間的距離，它也是結合RSSI方法實現對定位目標位置的判定。超寬帶技術是近年來新興的一項無線技術，目前，包括美國，日本，加拿大等在內的國家都在研究這項技術，在無線室內定位領域具有良好的前景。UWB技術是一種傳輸速率高(最高可達1000Mbps以上)，發射功率較低，穿透能力較強并且是基于極窄脈沖的無線技術，無載波。正是這些優點，使它在室內定位領域得到了較為精確的結果。超寬帶室內定位技術常采用TDOA演示測距定位算法，就是通過信號到達的時間差，通過雙曲線交叉來定位的超寬帶系統包括產生、發射、接收、處理極窄脈沖信號的無線電系統。而超寬帶室內定位系統(如圖5所示)那么包括UWB接收器、UWB參考標簽和主動UWB標簽。定位過程中由UWB接收器接收標簽發射的UWB信號，通過過濾電磁波傳輸過程中夾雜的各種噪聲干擾，得到含有效信息的信號，再通過中央處理單元進行測距定位計算分析。圖4UWB室內定位結構圖基于超