基于TDOA定位算法的改进

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接收端的信号强度如式（2）所示
Pr(d ) P t Pl (d )
t Pl (d0 ) X ，A为每米信号接收强度， 其中 A P 取负值，对式（3）进行等价变化，可得出式（4）： （4）
d 10( A RSSI )/(10 n)
2、计算节点位置坐标的基本方法
在二维空间定位中，至少需要三个锚节点和一个定位节点才 能根据三角形定理计算出坐标的位置。 1.三边测量法 已知A,B,C三个锚节点的坐标分别为 ( xa , ya ),( xb , yb ),( xc , yc ) ，假设 定位节点D正好是以三个锚节点的半径ra , rb , rc 作圆的交点，如图2所 示。当三圆交于一点时，根据三边定位算法的原则，可以得出式 （5）求出定位节点的坐标D(x,y)。 ( x x )2 ( y y )2 r a a a ( x xa ) 2 ( y ya ) 2 ra 2 2 ( x xa ) ( y ya ) ra 图2 三圆交于一点
3、Wi-Fi定位技术
它是基于无线局域网络系列标准的一种定位解决 方案。其优点在于无线电波的覆盖范围广，半径则可 达100米；采用波段是2.4GHz；容易安装，基站需求 少，能采用相同的底层无线网络结构，系统总精度高。 缺点是很容易收到其他信号的干扰，从而影响其精度。 近来，WiFiSLAM公司创始人在“WiFi室内精准定位你 的位置”中声称：“精确度会随着你与室内环境的互 动而产生变化”。通过结合周边WiFi网络的“印迹” 及手机内置的加速度计和指南针来定位手机的所在， 定位精度在十来步之内。
图1 RSSI测距使用的无线信号传播模型包括经验模型和理论模型， 本文采用传播理论模型来建模。因为多径信道接收到的信号强度 一般被认为是服从对数正态分布的，所以本文中采用对数距离路 径损耗模型来建模如式（1）所示： Pl (d ) Pl (d0 ) 10n log10 (d / d0 ) X （1） Pl (d ) 与Pl (d0 ) 其中， 分别为定位节点在距离为d和参考距离时对 应的d0接收信号功率（dBm）；d0为参考距离（m），一般为1， X 是一个零均值的高斯随机变量（ dBm），反应了当距离一定时， X 接收信号功率的变化，通过对 ，分析建立合适噪声差模型，可 以有效补偿环境的误差；n为路径损耗指数，一般取值1~7，是一 个与环境相关的值，建筑物室内环境视距传播为1.4~1.8。
2、Bluetooth定位技术
它是由一种短距离的低功耗的无线传输技术， Bluetooth局域网接入点，把网络配制成一种基于多用 户的基础网络连接模式，并保证Bluetooth局域网的接 入始终是这个微微网的主设备，这样就可以成功过得 用户的位置信息，从而实现定位。其优点是容易发现 设备信号传输不易受视距的影响，而且设备体积小、 易于集成，因此很容易推广普及。缺点是Bluetooth设 备价格比较贵，对于复杂的空间环境，稳定性稍差， 而且蓝牙协议栈比较复杂。
D1 ( x, y) ( x , y ), n n
i 1 i i 1 i
质心算法虽然实现起来非常简单、且它的通信开销 较小，但是它是在假设所有节点都拥有理想的球形的 无线信号传播损耗模型的情况下进行的，而且实际上 的信号传播模型与理想的模型是存在很大的差别的， 并且是用质心作为实际位置，它本身就是一种估计， 这个算法估计的精确度和锚节点的密度有很大的关系， 而且节点的分布密度越大，越均匀，它的定位精度就 越高，反之，则越低。因此我们常常将它当作为一种 实现粗略定位的定位估计算法。因此，实际中需要对 该算法进行进一步的算法改进，以达到提高定位精度 的目的。
基于RSSI测距定位
1、RSSI测距原理和信道模型
基于RSSI测距定位方法主要测量距离和 坐标计算两个步骤组成。 RSSI测距原理是指在已知无线发射节点的 发射信号强度条件下，无线接收节点首先根据 接收到来着发射节点的信号强度计算出无线信 号的传播损耗，然后通过理论模型或者经验模 型将无线信号的传播损耗转化为距离，最后再 利用定位算法计算出节点的位置，从而实现定 位。如图1所示：
无线传感器网络
(Wireless Sensor Networks, WSN)

WSN是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知和检 查外部世界的传感器。WSN中的传感器通过无线方式通 信，因此网络设置灵活，设备位置可以随时更改，还 可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。通过无线 通信方式形成的一个多跳自组织网络。
室内定位技术


1、超声波定位技术
2、Bluetooth定位技术
3、Wi-Fi定位技术
4、RFID（射频识别）定位技术 5、ZigBee定位技术
1、超声波技术
该技术是采用反射式测距法和三角定位算法来实现 定位。其主要原理是：发射结点发射超声波信号并且 接收由被测物产生的回波，然后，根据回波与发射波 之间的时间差来计算出待定位物体间的距离。其优点 是由于超声波的速度传播较低，用于室内定位精度较 高；超声波定位设备价格较低且较简单。缺点是超声 波因为无法穿透墙壁和一些障碍物，所以受非视距传 播和多径效应的影响比较大，而且它还需要投资大量 的底层硬件设施，投资成本比较高。
4、RFID（射频识别）定位技术
采用射频方式进行非接触式的双向的通信方式交换 数据达到识别和定位的目的。优点是标识的体积比较 小，造价比较低，定位精度较高，且传输范围较大， 同时它是其非接触和非视距传播。缺点是传输距离较 近，一般最长为几十米。而且节点不具有通信能力， 不利于集成到其他系统之中。
5、ZigBee定位技术
（7）
由公式（7）经过线性化过程，可以得到线性化方 程组式（8）： AX=B （ 8 ） xe 2( x x ), 2( y y ) x x y y d d [ ] [ ] [ 其中，X= ye ，A= 2( x x ), 2( y y ) ，B= x x y y d d 式（8）经过解线性方程组，可得出交点坐标，同 可以得出 f ( x f , x f ) g( xg , xg ) 。
a c a c b c b c
2 a 2 b
2 c 2 c
2 a 2 b
2 c 2 c
2 c 2 c
2 a 2 b
]
结合质心定位算法，可以通过下式（9）求出定位 节点坐标D（x,y）。 y y f yg xe x f xg （9） y e
x 3
3
Байду номын сангаас
式（9）所示的三角形质心定位算法是质心算法的 一个特例。质心定位算法非常简单，只要先确定好这 个包含定位节点的区域，就可以直接求解出这个区域 的质心。我们一般将多边形的几何中心作为这个多边 形的质心，这个多边形的顶点坐标的平均值就是该质 心节点（x,y）的位置坐标。设多边角形顶点的位置向 量为( xi , xi ) ，则质心节点的坐标可由式（10）得出： （10） 1 n 1 n
RSSI
(Received Signal Strength Indication)



RSSI是接收的信号强度指示，无线发送层的可选部分， 用来判定链接质量，以及是否增大广播发送强度。 它通过接收到的信号强弱测定信号点与接收点的距离， 进而根据相应数据进行定位计算的一种定位技术。如 无线传感的ZigBee网络CC2431芯片的定位引擎就采用 的这种技术、算法。 接收机测量电路所得到的接收机输入的平均信号强度 指示。这一测量值一般不包括天线增益或传输系统的 损耗。
室内定位算法研究现状介绍
在我们日常生活中，使用最广泛的定位技术是GPS技术。但是GPS定 位技术因为其功耗比较高，必须在开阔的地方使用，并不适合于在封 闭的楼层和地下环境等室内环境，而且它的定位精度相对来说比较低， 并不能满足室内定位的定位精度要求。如果要在室内定位系统中使用 GPS技术，则可以增加一些辅助，即使加了辅助，由于室内环境的复 杂性，无线信号的多径效应和反射比较严重，GPS信号在室内会变差， 这样使得许多基于室内位置服务的应用变得没有意义。所以，GPS定 位技术不再适合于室内定位系统。根据室内环境的这杂多变性，人们 在室内定位方面不断地提出解决方案和实现方法，可以利用无线传输 技术来进行室内定位，例如无线局域网络、超声波、蓝牙、ZigBee等 来进行室内定位。虽然目前对室内定位系统的研究比较多，但是缺少 性能比较完善且价格比较低廉的室内定位系统。
它是一种新兴的低速率的短距离的无线网络技术。 ZigBee协议具有一套全球统一的、完整的、开放的标 准，它有自己的无线电标准，可以在数千个微笑的传 感器之间进行相互协调通信并且是限定位。ZigBee具 有网络容量大、低功耗、低速率、低成本、近距离、 时延短。安全级别高、传输范围小和支持网络节点多 等优点。在实验室环境中表现良好，但是由于环境因 素变换的原因，在实际应用中，我们往往还需要对其 进行进一步的研究和改进。
（2） Pt为信号的发射功率，根据CC2430手册可知Pt=0.1dBm，Pr(d)为接收信号强度（dBm），即RSSI， Pl(d)即为经过距离d后的路径损耗。因此，在已知发射 功率的情况下，通过测量得到接受功率，然后计算路 径传播损耗就可以求出距离。 根据式（1）模型和式（2），接收端的信号强度如 式（3）： （3） RSSI A 10n log (d )
a c a c b c b c
2 a 2 b 2 c 2 c 2 a 2 b 2 c 2 c 2 c 2 c 2 a 2 b
于 e，f，g三个交点，则根据三角形质心算法的特性， D1 。 三条交线将相交于一个交点，为质心 根据三角形的性质，可得出式（7）：
( x x )2 ( y y )2 d e a e a a ( xe xb ) 2 ( ye yb ) 2 d b 2 2 ( xe xc ) ( ye yc ) d c