一種動態(tài)調(diào)整RSSI室內(nèi)定位測距參數(shù)的改進算法

呂曉磊，吳志森

（泉州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術學院，福建 泉州 362000）

一、前言

隨著電子科學技術的不斷發(fā)展，如今定位技術已經(jīng)廣泛應用于人們的日常生活之中，比如常見的地圖導航、物流跟蹤、天氣服務、外賣點餐等都離不開定位技術。但隨著定位應用的不斷擴大與深入，人們發(fā)現(xiàn)主流衛(wèi)星定位導航技術應用存在局限性，比如地下停車場、洞穴隧道、室內(nèi)商場等環(huán)境中，衛(wèi)星定位導航并不能提供有效定位服務，此時常見車載導航系統(tǒng)提示慣性導航，衛(wèi)星數(shù)0，這是因為衛(wèi)星信號無法穿越障礙物所造成的。即便是在室外環(huán)境，如果出現(xiàn)多云、陰雨天或者大霧天氣，衛(wèi)星定位的精度也會受到很大的影響，此時常見的現(xiàn)象有，明明在主干道行駛，但車載導航顯示遠遠偏離主干道；這是由于云層、霧氣等對衛(wèi)星信號的遮擋造成的。

因此對室內(nèi)定位技術的研究，對于滿足人們在室內(nèi)環(huán)境中的定位服務需求，具有重要意義和很高的研究價值，受到了各大高校和科技公司的重視，他們紛紛加入對室內(nèi)定位技術的研究當中，并提出自己的室內(nèi)定位技術解決方案。

二、研究現(xiàn)狀

目前主流的室內(nèi)技術有超聲波定位、WiFi定位技術、ZigBee定位和藍牙定位[1]。超聲波定位由一個主測距器、多個已知位置超聲波接收器及待測超聲波發(fā)射設備組成，待測設備發(fā)出超聲波信號，接收器收到信號后立即向主測距器發(fā)送射頻信號，根據(jù)主測距器接收時間差，計算得到待測設備與已知設備的距離[2]，再利用多邊定位等算法，確定待測設備位置。WiFi定位原理是待測點接收到多個固定AP信號，利用RSSI計算出待測點與固定AP的距離，再利用多邊定位等算法確定待測設備位置；或者利用臨近法粗略確定位置，即接收到哪個AP信號最強，就認為待測點處于該處。ZigBee定位系統(tǒng)由多個已知位置參考節(jié)點、待定位節(jié)點和一個協(xié)調(diào)器組成，待定位節(jié)點接收到參考節(jié)點信號，利用RSSI計算待定位節(jié)點與參考節(jié)點距離，再利用多邊定位等算法確定待定位節(jié)點坐標。藍牙定位原理與前兩種定位技術類似。

通過對多種主流室內(nèi)定位技術的研究，我們不難發(fā)現(xiàn)有多種室內(nèi)定位技術都采用到RSSI室內(nèi)定位算法，主要區(qū)別是定位精度、成本、抗干擾能力、組網(wǎng)能力和功耗的不同[3]。

三、RSSI室內(nèi)定位算法原理

通過RSSI計算節(jié)點距離，普遍采用Shadowing模型，其數(shù)學模型見公式（1）。

圖1 三邊測量法示意圖

經(jīng)過換算，可得公式（4），求得待定位節(jié)點Z坐標 。

四、存在的問題

三邊定位算法僅適用于理想狀態(tài)，實際情況中由于信號的干擾等因素的影響，導致三圓關系復雜，并非理想狀態(tài)的相交于一點，而是會出現(xiàn)相交于一片區(qū)域、不相交、僅兩圓相交于一點或一片區(qū)域等情況。為了解決這些問題，人們提出了多種對三邊定位算法的改進優(yōu)化算法，如最大似然估計定位算法、三角定位算法、質(zhì)心算法、APIT定位算法等。這些定位算法往往集中在對多邊定位算法的改進優(yōu)化，但對于RSSI測距模型的優(yōu)化改進較少。

五、改進算法

假設待定位節(jié)點Z的RSSI最強的三個參考節(jié)點分別為C1、C2、C3，其坐標分別記為（X1，Y1）、（X2，Y2）、（X3，Y3），利用信號最強的三個參考節(jié)點確定待定位節(jié)點Z所處環(huán)境的和，其準確性通常是最高的，平面模型如圖2所示。

圖2 平面模型

測量得到參考節(jié)點C1接收到C2、C3的RSSI值分別為RSSI12、RSSI13，RSSI測距模型參數(shù)記為1和1，根據(jù)公式（2）可以得到公式（5）。

利用上述改進算法，在實際應用中，當Z點移動時，其RSSI最強的三個參考節(jié)點也會跟著改變；并且考慮到即使Z保持靜止，周圍環(huán)境的變化也會造成 和 變化，因此采取待定位節(jié)點Z每發(fā)出一次定位請求，就計算一次 和 ，這樣可以保持參數(shù)的動態(tài)調(diào)節(jié)，提高 的計算準確性，從而提高定位精度。

六、實驗測試

本文通過ZigBee定位系統(tǒng)測試改進的算法。ZigBee定位系統(tǒng)包含4個參考節(jié)點和和1個協(xié)調(diào)器，其主控芯片使用CC2430；1個待定位節(jié)點采用CC2431作為主控芯片。測試場所是一間長、寬各7.5米的實驗室，將4個參考節(jié)點分別放在實驗室的（0,0）、（0,7）、（7,0）和（7、7）坐標處，待定位節(jié)點放在（2，5）坐標處，對比算法改進前后的定位精度，測試效果如圖3所示，其中黃色圓點為參考節(jié)點，綠色圓點為待定位節(jié)點[5]，X、Y為待定位節(jié)點坐標。測量得到多組對比數(shù)據(jù)見表1，其中Δd是待定位節(jié)點實際坐標與計算坐標的誤差距離。

圖3 ZigBee定位系統(tǒng)測試效果

由表1改進前后數(shù)據(jù)對比可知，改進前平均誤差在1.06米，改進算法后的平均誤差在0.54米，定位精度提高49%，由此可見改進后的算法提高了RSSI室內(nèi)定位的精度。

表1 算法改進前后定位對比

七、結束語

本文提出的動態(tài)調(diào)整RSSI室內(nèi)定位測距參數(shù)的改進算法，對提高室內(nèi)定位精度具有積極幫助，但前提是參考節(jié)點都處于可視環(huán)境下，對于存在非可視參考節(jié)點情況的研究不足，我們今后將繼續(xù)開展研究。