基于RSSI的室内定位算法研究

1.引言
现代社会，基于信息技术的发展，导航、定位等信息在人们纷繁庞杂的信息要求中， 占据了越来越大的比重。比如航海、军事、智能公交、煤矿等领域均要求室外或者室内导航 定位技术。进入二十一世纪以来，由于传统局域网己经不能满足人们的需求，加上无线网络 的组网成本大幅下降， 无线网络呈现出蓬勃发展的趋势， 而人们在使用的同时也越来越不满 足于现状，开始对其有了更多更深层次的要求。 目 前 , 世 界 上 正 在 运 行 的 卫 星 导 航 定 位 系 统 主 要 是 美 国 的 全 球 定 位 系 统 (Global Positioning System GPS) ， 但 GPS 这种定位方法是在室外使用得较多的定位方法， 它不适用 于室内。针对 GPS 的室内定位精确度偏低、成本较高等缺点，具备低成本、较高定位精度 的诸多室内定位技术便应运而生，并在诸多领域正越来越发挥着重要的作用。例如:煤矿企 业要实现对井下作业人员的实时跟踪与定位、 方便企业对员工的管理与调度， 要用到室内定 位技术， 营救被困人员， 室内定位技术可以提供被困人员位置信息， 为营救节省大量的时间; 在超市等购物中心，室内定位技术可以实现对商品定位、消费者定位、广告发布、地图导航 等功能。所以若能实现低成本且高精度的室内定位系统，具有非常重要的现实意义。 未来的发展趋势是室内定位技术与卫星导航技术和通信技术有机结合，发挥各项技术 自身的优点，不仅可以提供较高的定位精度和响应速度，还可以覆盖较广的范围，真正实现 无缝的、精确的定位。
（4.1）
（4.2）
由式（4.2）得到终端的位置坐标：
x1 x3 x y 2 x x 2 3
y1 y3 y 2 y3
1
x12 x3 2 y12 y3 2 d 3 2 d12 2 2 2 2 2 2 x x y y d d 3 2 3 3 2 2 Βιβλιοθήκη Baidu
将式(4.1)最后式减去前两式，可得：
2 2 2 2 2 2 2( x1 x3 ) x 2( y1 y3 ) y x1 x3 y1 y3 d 3 d1 2 2 2 2 2 2 2( x2 x3 ) x 2( y2 y3 ) y x2 x3 y2 y3 d 3 d 2
（4.3）
图 4.1
三边测量法
4.2 双曲线测量法 两组双曲线可以确定一个点。如图 4.2 所示， AP1 ， AP 2 ， AP3 分别为三个已知位置 的基站，他们的坐标为 ( x1 , y1 ), ( x2 , y2 ), ( x3 , y3 ) ，M 点为待定位终端，他的坐标为(x,y)。经 过测量，M 点到各 AP 的距离分别为 d1 ， d 2 ， d 3 。根据双曲线的几何关系得到以下关系式：
4.经典的定位算法
基于传播模型的定位算法很多，其中最基本的定位算法有三边测量法、双曲线测量法、 最小二乘法。 4.1 三边测量法
( x1 , y1 ), ( x2 , y2 ), ( x3 , y3 )
假设图 4.1 中三个圆的圆心 A、B、C 是对应的三个 AP 的位置。其对应的坐标分别为 。三个圆的交点 D 即为待定位的移动终端位置，坐标为(x,y)。对应
测量点与各个无线接入点的距离为 d1 , d 2 ,
d 3 。根据几何关系可知:
( x x1 ) 2 ( y y1 ) 2 d12 2 2 2 ( x x 2 ) ( y y 2 ) d 2 2 2 2 ( x x3 ) ( y y 3 ) d 3
基于 RSSI 的室内定位算法研究
摘要: 近年来，随着无线网络的迅速发展，室内定位技术在诸多领域中得到了广泛应用，成 为重要的研究对象之一。室内定位技术的核心要素是定位算法。优秀的定位算法，可以有效 地降低无线信道的影响，并利用较少的网络资源获取较高的定位精度。论文在研究了基于 RSSI 测距的无线定位算法后，重点研究了基于泰勒级数展开的 RSSI 测距定位算法，针对传 统算法的缺点提出了改进方案。 关键词：室内定位 RSSI 泰勒级数
2 室内定位方法简介
所谓室内定位技术是指在室内环境下确定某一时刻接收终端在某种参考系中的位置。 在 室内环境下， 大多采用无线局域网来估计接收终端的位置。 一般典型的无线局域网架构中接 入点（AP,Acess Point）类似于无线通信网络中的基站，大部分无线局域网都使用 RF（Radio Frequency）射频信号来进行通信，因为无线电波可穿越大部分的室内墙壁或其它障碍物， 已提供更大的覆盖范围。常见的室内定位方法有： (1) ZigBee 定位技术 ZigBee 是一种新兴的短距离、低速率、低功耗、低成本及网络扩 展性强的无线网络技术， 它的信号传播距离介于射频识别和蓝牙之间， 工作频段有三个—— 2.4GHz (ISM 国际免费频段)和 858/91 SMHz， 除了可以应用于室内定位，还可以应用于智能 家居、环境监测等诸多领域。它有自己的无线电标准 IEEE 802.15. 4，定位主要是通过在数 千个节点之间进行相互协调通信实现的。 这些节点以接力的方式通过无线电信号将数据从一 个节点传到另一个节点，通信效率非常高，同时，这些节点只需要很小的功率。低功耗与低 成本是 ZigBee 定位技术最显著的优点。 (2) 室内 GPS 定位技术 当 GPS 接收机在室内工作时，卫星发送的 GPS 信号由于受到建
3. 无线定位基本方法
要实现定位，首先要把移动终端到基站间的距离计算出来。在基于测距的定位方法中， 常用的测量两个无线设备间距离的技术大致有以下四种： 3.1 基于电波传播时间（TOA） 位置为圆心，以 c t 为半径的圆上。如果同时有三个以上的基站收到移动终端的无线信号， 则移动终端的二维位置的坐标可由以基站为圆心的三个圆的交点确定。基于 TOA 的无线定 位，时间上 1 s 的误差将导致定位结果在空间上产生 300m 左右的误差，因此要求基站拥有 非常精确的时钟，收发信号的双方能够精确同步。 3.2 基于电波传播时间差（TDOA） 通过测量无线信号到达基站的时间而不是无线信号到达基站的绝对时间来对移动终端 进行定位，从而降低对时间同步的要求。根据信号到达两个基站的时间差，则可以确定移动 终端位于以这两个基站为焦点的双曲线上。如果有三个以上的基站,则可以建立起多个双曲 线方程，这些双曲线方程的交点就是移动终端的二维坐标位置。 3.3 基于电波入射角（AOA） 在这种方法中基站通过接收机天线阵列测出移动终端发送电波的入射角， 并确定一条从 基站到移动终端的焦径线。 通过多个基站对移动终端无线信号的测量， 能够得到多条焦径线， 这些直线的交点就是移动终端的位置。 由于无线信号具有多径衰落等特性， 采用此种方法在 障碍物较少的地区可以得到较高的精确度，并且设备复杂价格昂贵。 3.4 基于信号强度(RSSI) 无线信号的信号强度随着传播距离的增加而衰减， 接收方与发送方离得越近， 则接收方 的信号强度就越强；接收方离发送方越远，则接收到的信号强度就越弱。根据移动终端测量 接收到的信号强度和已知的无线信号衰落模型， 可以估算出收发方之间的距离， 根据多个估 算的距离值，可以计算出移动终端的位置。这一种方法相对简单，不需要对网络添加额外的 硬件设备，但是由于影响无线信号强度因素较多，定位精度不是很理想。 由于室内定位范围一般相对较小， 且现在室内定位一般是利用的高频率的无线电， 传播 速度为光速，时间上只要稍微出现一点误差，基于时间的测距方法便会产生非常大的误差， 而基于 RSSI 的测距方法则没有这个缺点，且其信号模型在小范围内比较接近理论值，所以 室内定位技术一般均是采用基于 RSSI 的定位方法。本文档主要探讨的就是基于基于信号强 度进行的无线定位。 若电波从移动终端到基站的传播时间为 t，电波传输速度为 c，则移动终端位于以基站
是仅仅依赖于哪个 Wi-Fi 的接入点最近，那么在楼层定位上很容易出错。目前，受到 Wi-Fi 收发器的覆盖范围一般只能达到半径 90 m 以内的区域这一缺点的制约，该系统主要应用于 小范围的室内定位。并且，无论是应用于室内定位还是室外定位，太系统对干扰信号的反应 都很灵敏，从而影响其定位精度，定位节点的能耗也较高。 除了以上提及的定位技术，还有基于光跟踪定位、基于图像分析、电脑视觉、信标定位 等室内定位技术。
筑物的遮蔽会大大衰减，而且不可能像室外一样直接从卫星广播中提取时间信息与导航数 据，因此，定位精度会很低。但是，延长在每个码延迟上的停留时间可以有效提高室内信号 灵敏度，利用这个特性的室内 GPS 定位技术则可以解决上述 GPS 定位的缺陷。室内 GPS 定位技术利用数十个相关器并行地搜索可能的延迟码提高卫星信号质量以提高定位精度， 同 时也可以提高定位速度。 GPS 定位导航信号免费、有效覆盖范围大是室内 GPS 定位技术的优势，但卫星信号在长 距离的传播过程中受到的噪声干扰相对较大， 导致信号到达地面时较弱， 从而不能穿透障碍 物，还有较高定位器终端成本等则构成了它的劣势。 (3) 红外线室内定位技术 通过安装在室内的光学传感器接收经过红外线标识调制和发射 的红外线进行定位是红外线室内定位技术的基本思想。 虽然红外线室内定位技术在理论上具 有相对较高的定位精度， 但是红外线仅能视距传播、 易被灯光或者荧光灯干扰且传输距离较 短则是这项技术最为明显的缺点。受这些缺点的制约，它的实际应用前景并不乐观，而且这 项技术的应用需要在每个走廊、房间安装接收天线，造价也较高。因此，红外线室内定位技 术在具体应用上有非常大的局限性。 (4) 超声波定位技术 超声波定位采用基于时间到达(Time Of Arrival, TOA)进行测距， 然后 选择合适的定位算法利用测得的一组距离值来确定物体的位置。 超声波定位系统由若干个参 考节点和定位节点组成， 定位节点向位置固定的参考节点发射频率相同的超声波信号， 参考 节点在接收到超声波信号后向定位节点做出回应， 由此得到定位节点与各个参考节点之间的 距离。 当得到三个或者三个以上不同参考节点与定位节点之间的距离测量值时， 就可以利用 这组距离测量值根据相关定位算法确定出定位节点的位置。 虽然超声波定位系统整体结构也比较简单，定位精度比较高，但是，它需要大量的底层 硬体设施投资，成本要求非常大，而且超声波受多径效应和非视距传播影响也很大，对定位 精度的进一步提高形成了一定的技术瓶颈。 (5) 蓝牙室内定位技术 蓝牙是一种短距离、低功耗的无线传输技术，基于它的室内定位 技术是基于接收信号强度指示测距的。 通过在室内安装适当数量的蓝牙局域网接入点， 再把 基础网络的链接模式配置成基于多用户、 主设备为蓝牙局域网接入点， 就可以计算出定位节 点的位置坐标。 目前， 蓝牙定位技术受到蓝牙信号传播距离短的制约主要应用于小范围定位。 由于蓝牙室内定位系统具有设备体积小、 易于集成在其它系统中等优点， 因此比较容易 推广普及。而且，当采用该技术进行室内小范围定位时，蓝牙信号传输不受视距的影响，并 且设备很容易就能够被系统发现。其缺点为蓝牙设备的成本比较大，在复杂的空间环境中， 蓝牙定位系统受噪声信号干扰大，且稳定性较差。 (6) 射频识别技术 射频识别技术进行定位是利用射频方式进行非接触式双向通信交换数 据达到的。此技术成本低，作用距离一般为几十米，可以在非常短的时间内得到厘米级的定 位精度信息。目前，理论传播模型的建立、用户的安全隐私和国际标准化等问题是射频识别 研究的热点和难点。虽然射频标识技术有自身的优点，但相比于蓝牙定位技术，它不容易被 整合到其它系统中。 (6) Wi-Fi 定位技术 基于网络节点能够实现自身定位的前提，无线局域网(WLAN)是一种 全新的定位技术，它可以在诸多的应用领域内实现复杂的大范围监测、定位和跟踪任务。现 在比较流行的 Wi-Fi 定位是基于 IEEE 802.11 标准、采用经验测试和信号传播模型相结合的 一种定位解决方案。该定位系统需要的基站数量比较少，比较容易安装，具有相同的底层无 线网路结构，系统定位精度较高。但是，如果定位的测算不是依赖于合成的信号强度图，而