基于井下的人員定位算法性能比較

廖赟琳　李龍濟(jì)　吳辰曦

摘要：隨著無線技術(shù)的發(fā)展，對于井下人員定位的要求也越來越高。該文介紹了三大類室內(nèi)定位算法，根據(jù)煤礦井下環(huán)境的特殊性進(jìn)行模擬仿真及分析，提出了適用于井下的最優(yōu)算法。并對其進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)對此算法進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證其有效性

關(guān)鍵詞：定位算法；AOA TOA RTOF RSSI；仿真

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）02-0241-02

Abstract：With the development of wireless technology，we are positioned for underground workers are increasingly high requirements. This article describes three categories of indoor positioning algorithms. We are based on the special nature of the coal mine environment simulation and analysis，and then propose optimal algorithms for the underground. And to improve it， while this algorithm was simulated to verify its effectiveness

Key words： location algorithm； AOA TOA RTOF； RSSI Simulation

最近幾年，隨著無線技術(shù)的不斷發(fā)展，很多研究者都開始致力于室內(nèi)外環(huán)境人員以及物體的追蹤定位研究，其中基于位置服務(wù)（LBS）備受關(guān)注。位置服務(wù)就是依照服務(wù)消費(fèi)者所在地的差異推出相應(yīng)的信息服務(wù)，其重要構(gòu)成部分就是室內(nèi)定位，所以定位算法研究極具重要性與現(xiàn)實(shí)意義。

1 常用定位算法

1.1 AOA測距法

AOA即基于到達(dá)角度，測量原理為接收節(jié)點(diǎn)基于天線陣列或是多個(gè)超聲波接收器之上獲得發(fā)射節(jié)點(diǎn)超聲波信號的到達(dá)方向，并計(jì)算出發(fā)射節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)間的相對角度或是相對方位。這種算法的基礎(chǔ)是TOA測距法，在計(jì)算的時(shí)候要使用依照TOA測距法得出的距離信息，因此容易造成二次積累誤差，不提倡在大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里使用。

1.2 基于傳播時(shí)間測距法

基于傳播時(shí)間測距法主要有三種，一是TOA測距法，發(fā)射節(jié)點(diǎn)在T0時(shí)刻發(fā)出超聲波信號，接收節(jié)點(diǎn)在T1時(shí)刻接收，已知超聲波信號傳播速率為V0，那么就能得出發(fā)射節(jié)點(diǎn)和接收幾點(diǎn)兩者的距離：（ T1 - T0 ） ×V 0 。二是TDOA測距法，TDOA即達(dá)到時(shí)間差，發(fā)射節(jié)點(diǎn)在T0時(shí)刻發(fā)出無線射頻信號，在T1時(shí)刻發(fā)出超聲波信號，接收節(jié)點(diǎn)分別在T2和T3時(shí)刻接收這兩種信號，已知無線射頻和超聲波信號兩者的傳播速率分別為V1和V2，則發(fā)射節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)間的距離就應(yīng)為：[（T3-T1）+（T2-T0）]。三是RTOF測距法，RTOF即來回飛行時(shí)間。

2 RSS測距法

2.1原理

RSS測距法就是結(jié)合已知的發(fā)射功率和天線增益，測量出接收節(jié)點(diǎn)的實(shí)際接受功率，并基于此得出信號的傳播消耗，利用理論或是經(jīng)驗(yàn)信號傳播模型實(shí)現(xiàn)信號傳播損耗到距離的轉(zhuǎn)換。

2.2自由空間傳播模型

電波傳播一定路徑后，受輻射能量擴(kuò)散的影響，會(huì)出現(xiàn)能量衰減。自由空間傳播損耗即發(fā)射點(diǎn)無線信號基于整個(gè)球面進(jìn)行均勻向外擴(kuò)散，直至天線接收處，落在天線有效接收面積的能量和發(fā)射總能量兩者的比值。

3 仿真結(jié)果及分析

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)通常用到的定位算法包括前面提到的基于ISSI測距法、AOA測距法、TOA測距法、RTOF測距法和TDOA測距法。經(jīng)過前面分析可知道，井下的環(huán)境特殊，傳輸距離短（最長傳輸距離約2km），巷道狹長，井下溫度、濕度、天線高度等基本不變，煤壁為主要障礙物，射頻設(shè)備不多等。根據(jù)實(shí)際情況，TDOA測距法在定位精度上較其他幾種算法高，但是實(shí)現(xiàn)較困難，系統(tǒng)代價(jià)昂貴。故可將TDOA法排除?，F(xiàn)將其他幾種常用算法性能進(jìn)行比較。

3.1 仿真結(jié)果

其中實(shí)線為TOA測距法的定位曲線，虛線為RTOF測距法法曲線。

3.2 性能分析

性能分析見表1。

4 結(jié)語

綜上所述，結(jié)合井下特殊條件，能分析出各種綜合因素，改進(jìn)RSSI測距法有很多優(yōu)點(diǎn)，如定位開銷小、開發(fā)成本低、存儲(chǔ)開銷合理等，而且定位精準(zhǔn)度也能達(dá)到井下定位精準(zhǔn)度的標(biāo)準(zhǔn)，因此，綜合比較多種定位算法，本文認(rèn)為RSSI測距法是一種性價(jià)比高而且很適合用在井下空間的定位算法。

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