超寬帶室內定位算法研究

邵換崢　劉奇付

【摘 要】GPS導航、中國北斗衛星導航等室外導航系統無法滿足室內無線定位的要求，基于事先布置的錨節點和橋節點與新加入的盲節點來進行定位的超寬帶室內定位算法，以其自身的獨特優勢被越來越多地應用。文章分析了超寬帶室內定位的幾種傳統算法并做了對比分析，給出了均方根誤差的性能仿真結果。

【關鍵詞】超寬帶；定位；算法；BP神經網絡

【中圖分類號】TN925 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）09-0075-02

0 引言

隨著科技的發展和移動互聯網的普及，GPS導航、中國北斗衛星導航等基于衛星的室外定位系統已深入我們的生活，但是室外定位基于衛星系統，無法應用于室內定位。隨著樓宇規模越來越大，如圖書館、商場、體育館、地下車庫、物品倉庫等區域急需成熟的室內無線定位技術，其具有很大的發展空間和廣泛的應用范圍。

超寬帶定位算法在眾多室內無線定位技術中，因其誤差小、功耗小、抗干擾、復雜度低等優點脫穎而出，能夠滿足人們對新時代無線定位技術的需求。

1 超寬帶無線定位及其優勢

超寬帶無線定位技術最早用于美國軍方，2002年后許可民用。我國在該領域的研究起步晚，但發展較快，雖然沒有進行大規模的商用，但成績驕人，已被廣泛應用于智能家居、智能交通、車載雷達、成像應用、智能識別等民用領域。相較于傳統的無線定位技術，超寬帶無線定位技術具有結構簡單、抗干擾能力強、分辨能力強、安全性高、保密性強、穿透能力強、定位精度高等優勢。

2 超寬帶無線定位的基本原理

如圖1所示，超寬帶無線定位采用脈沖信號，由多個傳感器采用定位算法對標簽位置進行分析，通過發送和接收具有納秒或納秒級以下的極窄脈沖來傳輸數據進行精確定位。常用的定位方法有依據信號強弱與信號傳播距離正相關關系的基于信號強度的定位方法、依據發射信號到達基站接收天線時的入射角度的基于信號到達角度的定位方法、依據等定位節點到參考基站的時延估計的基于到達時間的定位方法、基于到達多個參考基站的時間差的定位方法、混合定位方法等。

3 超寬帶室內定位算法研究

依據不同的超寬帶定位的實現原理，在實際工程運用中有許多不同的算法。

超寬帶室內定位算法的基本模型如圖2所示，A、B、C是事先設置的錨節點，依據未知待定位點d與參考基站間的不同參數來進行定位。具體實現算法有很多種。

3.1 LS定位算法

因為網絡、時間延遲及信號干擾等原因，基站與參考定位節點間的距離計算會存在一定誤差，LS算法是解決這種偏差的簡單有效的定位算法。經過計算，可以得出以下方程組：

3.2 Chan定位算法

在待定位節點與參考基站之間存在多個距離差值，依此構造一個雙曲方程組，通過求解可以獲得定位點的具體位置。

這個方程的計算結果服從均值為0的高斯分布的假設下計算出來的，然而在實際應用中受多種因素影響，計算結果的誤差較大。

3.3 Taylor定位算法

Taylor算法是一種基于初值的UWB定位遞歸算法。它通過遞歸來更新要定位的節點位置。因此，初始坐標的選擇直接關系到Taylor定位算法的定位性能。一個良好的初始點可以使算法具有收斂速度快、計算復雜度低、定位精度好的優點。當使用Taylor算法定位時，我們通常只保留兩個以下的組件，然后遞歸，直到設置的錯誤閾值被停止。

4 超寬帶室內定位算法仿真與分析

上述介紹的多種算法可以在MATLAB平臺上進行仿真分析。通過分析，可以得出基站數量、信噪比、測距誤差等因素對定位精度的影響關系。通過多次仿真分析可以得出：均方誤差會隨著參考錨點基站數量的增加而下降，并最終趨于一個穩定值；信噪比增加會使算法精度變好，但信號的信噪比很高時，對定位精度的影響幾乎為零；測距誤差服從標準差為0∶0.05∶0.4，均值為0的高斯分布。

5 結語

隨著室內無線定位技術的迅猛發展，超寬帶室內定位算法因其自身具備的優點正被越來越多的專業人士所研究，本文做了簡單的研究，但仍有許多不足，以后將繼續努力。

參 考 文 獻

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[責任編輯：鐘聲賢]