[發(fā)明專利]基于TOF和RSSI信息融合的室內(nèi)無線定位方法

有效

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• 申請日: 2018-03-20
• 公開（公告）號: CN108535687B
• 公開（公告）日: 2021-05-18
• 發(fā)明（設計）人: 王勇;毛鈺超;張南;宮豐奎;田闐
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G01S5/02
• 分類號: G01S5/02;G01S5/14;H04W4/02;H04W4/33
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專利中心 61205
• 代理人: 侯瓊;王品華

本發(fā)明公開了一種基于TOF和RSSI信息融合的室內(nèi)無線定位方法，主要解決目前室內(nèi)定位技術缺乏有效的誤差控制及數(shù)據(jù)利用率低的問題。其實現(xiàn)方案是：1.根據(jù)目標節(jié)點與錨節(jié)點之間的通信時間信息，利用對稱雙向雙邊測距算法計算兩者間的距離并設定故障閾值、誤差門限對其進行篩選；2.根據(jù)目標節(jié)點和錨節(jié)點之間的RSSI值信息，經(jīng)高斯模型篩選后利用MK模型將其轉換為節(jié)點間的距離；3.對兩種距離進行加權融合得到最終距離；4.根據(jù)循環(huán)極大似然估計得到目標節(jié)點的估計解；5.對得到的估計解進行殘差加權融合得到目標節(jié)點的坐標。本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術中定位計算誤差大、定位結果可靠性低的不足，提高了數(shù)據(jù)的利用率和定位跟蹤精度。

技術領域

本發(fā)明屬于無線通信技術領域，涉及一種室內(nèi)無線定位方法，具體涉及一種基于信號飛行時間TOF和接收信號強度指示RSSI信息融合的室內(nèi)無線定位方法，可用于物流跟蹤、緊急救助、地圖導航及災害預防。

背景技術

近年來，隨著基于位置服務LBS的室內(nèi)應用不斷增加以及物聯(lián)網(wǎng)IoT的飛速發(fā)展，部署方便且高精度的室內(nèi)定位系統(tǒng)在物流跟蹤、緊急救助、地圖導航等諸多領域得到了廣泛應用并成為無線通信技術領域的研究熱點。在室內(nèi)定位中，如何高效、低成本的獲取移動用戶的位置信息是亟需解決的關鍵問題。在室外環(huán)境中，全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)能夠為人們提供良好的定位服務，但在室內(nèi)由于建筑物的阻擋、室內(nèi)信道環(huán)境動態(tài)復雜，使得信號在傳遞過程中極易受到噪聲干擾及產(chǎn)生多徑效應，從而導致定位效果大大降低。因此，傳統(tǒng)的衛(wèi)星定位技術難以應用到室內(nèi)環(huán)境。

目前可應用于室內(nèi)的無線定位技術多種多樣，依據(jù)不同的標準有多種分類方法。其中，根據(jù)定位過程中是否需要獲取節(jié)點之間的角度信息或距離信息可分為兩類：無需測距的定位技術和基于測距的定位技術。無需測距的定位技術目前常見的有質(zhì)心算法、Amorphous Position算法以及指紋匹配算法；而基于測距的定位技術，采用解析幾何的方法計算出目標節(jié)點的位置坐標，常見的方法有三角測量法、三邊測量法以及極大似然估計法等。二者相比，基于測距的定位技術在部署過程中所需的節(jié)點密度低，而且定位誤差較小，因此得到廣泛應用。對于基于測距的定位技術，根據(jù)測距階段采用的度量指標不同又可分為基于信號到達時間TOA的定位技術、基于信號到達時間差TDOA的定位技術、基于信號強度RSSI的定位技術和基于信號飛行時間TOF的定位技術。其中：

基于TOA的室內(nèi)定位技術，其要求節(jié)點之間保持嚴格的時間同步，由于無線電的傳輸速度非常快，而傳感節(jié)點之間的距離又較小，因此實現(xiàn)高精度計時同步是非常困難的，限制了該技術的實用性；

基于TDOA的室內(nèi)定位技術，其雖不要求節(jié)點之間保持嚴格的時間同步，但是傳輸信號容易受環(huán)境因素影響產(chǎn)生多徑效應及噪聲干擾，因此系統(tǒng)難以適應復雜的室內(nèi)環(huán)境；

基于RSSI的室內(nèi)定位技術，是根據(jù)信號收發(fā)器接收的信號強度作為信息采集的度量指標進行定位。其主要思想是：通過錨節(jié)點與目標節(jié)點之間相互通信獲取信號強度信息，經(jīng)篩選的信號強度信息利用改進路徑損耗模型計算出目標節(jié)點與錨節(jié)點間的距離，當收集的距離信息超過一定數(shù)量時，就可以利用幾何定位算法計算出目標節(jié)點的坐標位置。該定位技術簡單易實現(xiàn)、成本低廉且對硬件設備要求不高，因而目前在無線通信技術領域應用較為廣泛。但其不足在于：1.需要部署較多的錨節(jié)點；2.在復雜的室內(nèi)環(huán)境中，容易受障礙物阻擋、噪聲干擾、多路徑反射等環(huán)境因素影響，導致節(jié)點獲取的RSSI信號波動頻繁，從而降低定位準確性，難以滿足高精度定位的需求；3.隨著測量距離的增加，RSSI信號衰減嚴重，測距誤差會急劇增加；

基于TOF的室內(nèi)定位技術，是根據(jù)射頻設備間的數(shù)據(jù)包的傳播時間差作為信息采集的度量指標進行定位。其主要思想是：通過錨節(jié)點與目標節(jié)點之間相互通信獲取傳播時間信息，根據(jù)傳播時間信息利用對稱雙向雙邊測距算法計算出目標節(jié)點與錨節(jié)點間的距離，再根據(jù)多組距離信息進行數(shù)據(jù)篩選、錨點選擇、幾何解析、濾波跟蹤等方法計算出目標節(jié)點的坐標位置。該定位技術設備能耗小、組網(wǎng)簡單，使用雙向通訊時間進行距離測量，有較精準的傳輸時間測量機制，因此相較以上幾種測距技術有著較高的測距精度。但由于存在系統(tǒng)處理延遲及多徑干擾，近距離測量時會存在較大的測距誤差；