超寬帶室內(nèi)定位算法研究

邵換崢　劉奇付

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

【關(guān)鍵詞】超寬帶；定位；算法；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

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

0 引言

隨著科技的發(fā)展和移動互聯(lián)網(wǎng)的普及，GPS導(dǎo)航、中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航等基于衛(wèi)星的室外定位系統(tǒng)已深入我們的生活，但是室外定位基于衛(wèi)星系統(tǒng)，無法應(yīng)用于室內(nèi)定位。隨著樓宇規(guī)模越來越大，如圖書館、商場、體育館、地下車庫、物品倉庫等區(qū)域急需成熟的室內(nèi)無線定位技術(shù)，其具有很大的發(fā)展空間和廣泛的應(yīng)用范圍。

超寬帶定位算法在眾多室內(nèi)無線定位技術(shù)中，因其誤差小、功耗小、抗干擾、復(fù)雜度低等優(yōu)點脫穎而出，能夠滿足人們對新時代無線定位技術(shù)的需求。

1 超寬帶無線定位及其優(yōu)勢

超寬帶無線定位技術(shù)最早用于美國軍方，2002年后許可民用。我國在該領(lǐng)域的研究起步晚，但發(fā)展較快，雖然沒有進行大規(guī)模的商用，但成績驕人，已被廣泛應(yīng)用于智能家居、智能交通、車載雷達(dá)、成像應(yīng)用、智能識別等民用領(lǐng)域。相較于傳統(tǒng)的無線定位技術(shù)，超寬帶無線定位技術(shù)具有結(jié)構(gòu)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(yōu)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(biāo)簽位置進行分析，通過發(fā)送和接收具有納秒或納秒級以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)進行精確定位。常用的定位方法有依據(jù)信號強弱與信號傳播距離正相關(guān)關(guān)系的基于信號強度的定位方法、依據(jù)發(fā)射信號到達(dá)基站接收天線時的入射角度的基于信號到達(dá)角度的定位方法、依據(jù)等定位節(jié)點到參考基站的時延估計的基于到達(dá)時間的定位方法、基于到達(dá)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(nèi)定位算法研究

依據(jù)不同的超寬帶定位的實現(xiàn)原理，在實際工程運用中有許多不同的算法。

超寬帶室內(nèi)定位算法的基本模型如圖2所示，A、B、C是事先設(shè)置的錨節(jié)點，依據(jù)未知待定位點d與參考基站間的不同參數(shù)來進行定位。具體實現(xiàn)算法有很多種。

3.1 LS定位算法

因為網(wǎng)絡(luò)、時間延遲及信號干擾等原因，基站與參考定位節(jié)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(jīng)過計算，可以得出以下方程組：

3.2 Chan定位算法

在待定位節(jié)點與參考基站之間存在多個距離差值，依此構(gòu)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(jié)果服從均值為0的高斯分布的假設(shè)下計算出來的，然而在實際應(yīng)用中受多種因素影響，計算結(jié)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(jié)點位置。因此，初始坐標(biāo)的選擇直接關(guān)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(fù)雜度低、定位精度好的優(yōu)點。當(dāng)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(shè)置的錯誤閾值被停止。

4 超寬帶室內(nèi)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(shù)量、信噪比、測距誤差等因素對定位精度的影響關(guān)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(shù)量的增加而下降，并最終趨于一個穩(wěn)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(biāo)準(zhǔn)差為0∶0.05∶0.4，均值為0的高斯分布。

5 結(jié)語

隨著室內(nèi)無線定位技術(shù)的迅猛發(fā)展，超寬帶室內(nèi)定位算法因其自身具備的優(yōu)點正被越來越多的專業(yè)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(xù)努力。

參 考 文 獻

[1]劉奇付，李靜靜.計算機算法在生物信息學(xué)中的應(yīng)用綜述[J].軟件導(dǎo)刊，2017，16（9）：209-211.

[2]李紫艷，劉奇付.基于誘導(dǎo)線描畫算法的車載導(dǎo)航系統(tǒng)的研究[J].電腦與電信，2016（11）：32-34.

[3]劉奇付，李紫艷.艦船磁定位算法實現(xiàn)及計算分析[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2016，38（2）：58-60.

[4]朱珍，劉奇付.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸路徑選擇優(yōu)化方案[J].計算機測量與控制，2014，22（4）：1317-

1319.

[5]劉奇付，曾雪松.淺析入侵模式挖掘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)算法[J].大學(xué)教育，2013（15）：36-37.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]