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一、無線定位技術(shù)
無線定位是指在無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，通過對接收到的無線電波的特征參數(shù)進(jìn)行測量，利用量到的無線信號數(shù)據(jù)，采用特定的算法對移動(dòng)終端所處的地理位置進(jìn)行估計(jì)，提供準(zhǔn)備的終端位置信息和服務(wù)。目標(biāo)定位一直是一項(xiàng)不斷發(fā)展且熱門的技術(shù)，為什么這么熱門呢？當(dāng)然是大家有著這樣或那樣的需求都需要用到它。
比如某某公司為了監(jiān)督員工，直接對園區(qū)進(jìn)行每個(gè)人的活動(dòng)定位，這時(shí)時(shí)被人監(jiān)控的感覺絕對不好受；再比如醫(yī)院對醫(yī)生進(jìn)行活動(dòng)定位方便患者找到醫(yī)生。
當(dāng)然做目標(biāo)定位大部分都是為了路徑的規(guī)劃與自動(dòng)導(dǎo)航控制，所以目標(biāo)定位的精準(zhǔn)度、靈敏度等性能就決定著整個(gè)控制系統(tǒng)的性能。
目前對于室外定位技術(shù)大部分都是采用GPS定位，不過大家應(yīng)該體會過GPS信號弱導(dǎo)致位置遲遲無法更新，開車導(dǎo)航錯(cuò)過下高速路口的囧境等等，既然室外定位都這么不穩(wěn)定，那么在室內(nèi)由于房屋的遮掩、GPS定位的信號和精度就更是無法滿足要求了，所以誕生了一些特別室內(nèi)定位技術(shù)，比如藍(lán)牙、wifi、zigebee以及高精度UWB等等。
所謂的定位技術(shù)無非就是對信號的采集和處理，最終算出目標(biāo)位置坐標(biāo)，下面就談一下4種無線定位方法的基本原理與方法。
二、4種無線定位技術(shù)
1 基于信號強(qiáng)度(RSSI)
RSSI(Received Signal Strength Indication),基于信號的強(qiáng)度來進(jìn)行目標(biāo)定位，這種方法應(yīng)該是大家最容易想到的，比如我們離無線路由器越遠(yuǎn)wifi的信號越弱，這樣我們就可以通過信號的傳播模型與距離建立關(guān)系，最終進(jìn)行目標(biāo)位置的定位。
以發(fā)射源為中心，其信號的強(qiáng)度和傳播呈現(xiàn)出同心圓的形式。
下面我們以三點(diǎn)定位法來簡單的推導(dǎo)一下基本原理:
上面部署了三個(gè)信號發(fā)射源，目標(biāo)定位分別檢測來自三個(gè)發(fā)射源的信號強(qiáng)度，通過信號的路徑損耗模型用信號強(qiáng)度獲得發(fā)射與接受之間的距離d1、d2、d3，從而我們可以獲得如下三個(gè)方程 :
通過聯(lián)立上面三個(gè)方程即可獲得最終的x、y坐標(biāo)，至于怎么解，那就考察大家的數(shù)學(xué)功底了！
好像這一切都是如此的簡單，那接下來的研究就沒啥意義了，其實(shí)信號的強(qiáng)度受周圍環(huán)境影響較大比如隔墻，并且由于電源等等不穩(wěn)定導(dǎo)致發(fā)射功率變化，如果非要采用此方法需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的辨識與估測，同時(shí)信號強(qiáng)度具有時(shí)變性還需要進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)取?/span>
當(dāng)然其優(yōu)點(diǎn)是該方法是根據(jù)信號強(qiáng)度估測距離，所以不需要發(fā)射源之間的時(shí)鐘信號同步。
2 基于信號角度(AOA)
AOA(Angle of Arrival)，該定位辦法是基于接收信號角來進(jìn)行目標(biāo)定位的辦法。
在2D平面內(nèi)，目標(biāo)標(biāo)簽位置發(fā)送測距信號給另外兩個(gè)信號接收處，兩個(gè)信號接收處先后獲得發(fā)射信號的入射角度，從而根據(jù)入射角度進(jìn)行平面幾何直線延伸，兩線交匯處即是目標(biāo)標(biāo)簽處。
從而可得到
從而聯(lián)立上面兩個(gè)表達(dá)式即可求得坐標(biāo)x，y的位置，表面上看起來此方法也比較完美，但是對信號入射角度的測量精度要求是非常高的，從數(shù)學(xué)的角度，對于斜率誤差，距離越遠(yuǎn)其目標(biāo)偏差越大。
目前采用此方法進(jìn)行定位的都會使用天線陣列進(jìn)行接收角度的測量，天線陣列的原理大體就是通過天線上相鄰已知距離的兩個(gè)點(diǎn)通過接收信號的時(shí)間差，最終算出入射角度，當(dāng)然此玩意成本不低。
3 基于到達(dá)時(shí)間法(TOA)
TOA(Time of Arrival),其實(shí)定位無非就是測量距離，前面兩種辦法都只算是一種間接的方式進(jìn)行測量，而按照我們常規(guī)的辦法應(yīng)該采取一種S = V*t的方式來進(jìn)行測量最為直接。
所以TOA方法就是通過信號在空中的傳播速度*飛行的時(shí)間來測量目標(biāo)定位點(diǎn)與接收端的距離來最終定位，理論上跟前面介紹的RSSI方法僅僅只是獲得距離的方式不同罷了，接下來的定位推算基本基本一致。
重點(diǎn)是TOA有兩種測量接收端與發(fā)端時(shí)間的辦法,分別為單次測距和往返測距。
單次測距的距離測量如下:
這么簡單的公式表面上so easy，其實(shí)難點(diǎn)在于接收與發(fā)射端時(shí)鐘需要高度的同步，否則容易引發(fā)誤差，所以為了解決同步問題就有了往返測距。
往返測距的距離測量如下:
從而聯(lián)立得到如下表達(dá)式:
往返測距的時(shí)間差都是在各自同一時(shí)鐘下進(jìn)行標(biāo)定計(jì)算，這樣就不需要接受與發(fā)送進(jìn)行時(shí)鐘上的高度同步。
三、基于到達(dá)時(shí)間差法(TDOA)
TDOA(Time Difference of Arrival),基于到達(dá)時(shí)間差法又叫雙曲線定位法，雙曲線估計(jì)一半的人不太記得了吧，下面簡單說說:
雙曲線定義:平面內(nèi)點(diǎn)M到兩個(gè)定點(diǎn)F1,F2的距離之差的絕對值等于定值2a(0<2a<|F1F2|)的點(diǎn)的軌跡。
如上圖所示不同發(fā)射端向目標(biāo)定位位置發(fā)送信號，目標(biāo)定位接受端時(shí)間差t*信號速度=目標(biāo)位置到這兩個(gè)發(fā)射端的距離差，那么三個(gè)發(fā)射端形成兩組雙曲線而這兩組雙曲線的焦點(diǎn)即為定位目標(biāo)的位置。
上面兩個(gè)表達(dá)式中x，y分別是各點(diǎn)坐標(biāo)，d21和d31分別是目標(biāo)點(diǎn)到發(fā)射端的距離差，通過聯(lián)立上面兩式即可求得定位目標(biāo)坐標(biāo)。
從TDOA的算法原理來看，只需要三個(gè)發(fā)射端實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘上的同步，這樣就降低了單向測距收發(fā)端都需要同步的困難，同時(shí)也比雙向往返測距更加的高效。
1 定位誤差因素
1、對于復(fù)雜環(huán)境，無線信號傳播路徑不唯一；
2、信號傳播介質(zhì)不同均會影響信號強(qiáng)度；
3、直達(dá)信號與反射等信號的疊加會影響距離的估算；
4、視距傳播是無障礙物的直達(dá)，否則為非視距傳播，當(dāng)信號在傳播過程中會遇到各種反射、折射等，從而造成信號模型難以標(biāo)識，從而對距離的補(bǔ)償和估算帶來偏差。
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