测距定位中组合信号处理方法的运用

２０１４年第６期　信息通信　２０１４　（总第１３８期）　１ＮＦＯＲＭＡＴＩｏＮ＆ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ　（Ｓｕｍ．Ｎｏ　１３８）　测距定位中组合信号处理方法的运用　胡富斌，谭勇，张卫东　（成都理工大学信息科学与技术学院，四川成都６１００５９）　摘要：ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）是目前较为成熟的定位系统，但是在室内和建筑物密集的地方不能很好地运用。　文章就Ｗｉ　Ｆｉ室内定位技术做了相关的研究与改进，主要是在定位信号获取、信号处理与模型改进方面。信号处理采用　了扩展卡尔曼、高斯平滑滤波等组合方法，旨在提高室内定位精度及稳定性。　关键词：Ｗｉ．Ｆｉ定位；ＲＳＳＩ；信号处理；衰减模型　中图分类号：ＴＮ９１　１．７２　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７３一ｌ１３　１（２０１４）０６－００２３—０２　随着无线定位技术的发展，其应用范围也越来越广，例如　若Ｒ２一Ｄｉｓ≠０则ｂｅｔａ＝　资产追踪、资源管理等。目前室内定位技术主要有：Ａ－ＧＰＳ（Ａｓ．　１０　ｌｏｇ１ｄＢｍ＋Ａ　０（Ｒ２一Ｄ　’　否则取　－ｓｉｓｔｅｄＧＰＳ）定位技术、超声波定位技术、Ｗｉ．Ｆｉ定位技术等。Ｗｉ．　１　ｄＢｍ＋Ａ　Ｆｉ定位技术具有覆盖范围广，传输速度快，实现成本较低等优　６Ｐ　二而　距离由（　）式来确定。　点而更受人们青睐。　１．２．２线性衰减模型　在无线定位中，基于接收信号强度的定位方法是将接收的　线性衰减模型，采用截距式，测距距离由下面的式子来确定：　Ｗｉ．Ｆｉ信号强度与移动设备所在位置相互联系，其定位精度依　ｄ＝Ａ　咫ｄＢｍ十ｂｅｔａ　（５）　赖于传播模型的参数的实时调整。在室内无线网络中，由于信　其中．Ａ：—［号传输条件难以预测，导致ＲＳＳＩ值具有随机性，进而使传播模　其中．＝——————————＝ｄＤｉ￣－Ｒ２Ｄｉ＿ｓ＿＿—，，ｂｅｅｔａ　Ｒ１　Ｄｉ：Ｒ１　Ｄｉ＝　ｓ－Ａ　Ｒ１ｓ　Ａ　Ｒ１＿　　ｄ～Ｂｍ。．　…　ＲＩｄＢｍ－Ｒ２一　一　一　型参数不断变化。因此该论文提出了自动校准系数的传播模　Ａ相当于线性函数的斜率，ｂｅｔａ相当于函数与纵轴的截距，Ｒｌ　型和基于ＲＳＳＩ定位的新算法来解决相关问题。　Ｄｉｓ为参考点１的距离位置，Ｒ１　ｄＢｍ为参考点１处的信号强　ｌ室内测距定位算法　度值，其它参数含义与对数模型类似。由于该模型描述的是信　该论文在室内测距定位方面主要分为两部分：测距算法中　号强度与距离之间的一次函数，故称为线性模型，定位距离由　衰减模型参数校准和信号处理方法的组合运用。　（３）式确定。　１．１室内测距定位算法原理及实现　２组合信号处理方法实验与结果分析　Ｗｉ．Ｆｉ室内一维测距定位算法适用于类似走廊环境的定　现有定位实验大多采用某一种信号处理方法，如卡尔曼滤　位，原理是先将定位设备获取到的Ｗｉ＝Ｆｉ信号ＲＳＳＩ值经过信　波、加权算法等。为了获得较好的定位效果将不同的方法进行组　号处理然后通过测距模型转换为距离，最后通过坐标换算得到　合测试。该论文实验就是在同一位置使用组合信号的方法，并在　定位设备的坐标。　两种衰减模型下进行测试，用平均测距误差来进行统计分析。　１．２两种衰减模型参数确定　测试环境为３６ｍ长的走廊，需要的硬件设备有走廊四个角　１．２．１对数衰减模型　上安置型号性能一致的路由器，距离走廊东端１６ｍ处安置热　对数衰减模型如式（１）　点，它们的位置关系如下图所示。实际运用中将下图做成Ａｒｃ．　Ｊ　（ｃ，）＝　。　耐（　）一１０　’ｌ０ｇ１０（＿ｕ０　｝）＋　１０　’啦　（１）　ＧＩＳ地图，将计算得到的位置信息转换成坐标信息，将移动终　端的位置实时显示在地图中。　能最准确地描述室内无线信号的传播，其中Ｐ—　ｅａ（ｄ）为距　●触；　，●　离ｄ处的信号强度值，Ｐ一　（　为参考点处的信号强度值（一　般取ｄｏ＝ｌｍ），Ｇｔ为衰减系数，Ｎ　．１为室内各种特性的墙壁数目，　ｎ　是具有∞　ｄＢｍ衰减强度的墙壁的数目。鉴于室内墙壁等的衰　减系数较难测得，故该论文采用比较简便的模型，即忽略最后　一项，并从中解出ｄ作为对数常态衰减模型。　矫正器Ｒ１、Ｒ２的坐标分别是：（ｘｌ，ｙ１）、（ｘ２，ｙ２），则根据矫正　器Ｒ１、Ｒ２的位置建立一维坐标系坐标分别是：１，ｄ０＋ｌ，其中　ｄ　ｏ＝√（ｘｌ—　２）　＋（ｙｌ—Ｙ２）　（２）　图１实验测试环境平面图　将两矫正器获得的ＲＳＳＩ值和其位置距离代入对数常态分　图２、图３是运用组合方法的测试结果，其中图１不采用任　布模型：　何信号处理方法；图．２采用奇异值处理与加权算法；图　３是奇　ｄ＝１０．　＋　）／（一１０　ｂｅｔａ））　（３）　异值处理、加权算法与卡尔曼的结合使用；图．４是卡尔曼、奇异　求出射频参数Ａ（距发射节点ｌｍ处的接收信号强度），ｂｅｔａ　值处理与加权算法的结合：图　５是奇异值处理、卡尔曼与加权　（信号传输的衰减因子）值，获取实时测距模型，参数用以下式　算法的结合：图一６是奇异值处理与高斯平滑滤波的结合；图．７　子来确定：　是只使用高斯平滑滤波的结果；图－８是卡尔曼与高斯平滑滤波　：—ｌｏ＆ｏ（Ｒ２＿Ｄｉａ）＊Ｒｌ＿ｄＢｍ－ｌｏ￣ｏ（Ｒｌ＿Ｄｉｓ）＊Ｒ２＿ｄＢｍ（４）　的结合；图．９是只使用奇异值处理的结果。　—ｌｏ＆０（ＲＩ一　一ｌｏ＆０　一Ｄ　…　对数模型下各组合方法的测试误差：　２３　２０１４年第６期　（总第１３８期）　信息通信　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩｏＮ＆ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ　２０１４　（Ｓｕｍ．Ｎｏ　１３８）　基于拟牛顿法的无线传感器网络定位算法　张艳辉，李琛，刘萍　（长安大学信息工程学院，陕西西安７１００６４）　摘要：通过将ＲＳＳＩ定位系统与工程控制中最优化问题结合在一起研究分析了基于ＲＳＳＩ测距的拟牛顿定位算法，该方　法把无线传感器网络节点的定位问题转化为无约束的最优化问题。利用最优化理论中的拟牛顿方法求出目标位置的全　局最优解。仿真实验结果表明，该算法能有效提高节点定位精度，具有一定的实际应用价值。　关键词：无线传感器网络；ＲＳＳＩ；最优化；拟牛顿方法　中图分类号：ＴＵ７４　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７３．１１３１（２０１４）０６．００２４．０２　无线传感器网络（ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ，ｗＳＮ）是由部署　得目标节点的信息。因此，采用一定的定位算法和定位机制来　在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，这些节点通过　实现ＷＳＮ的节点定位是关键。　无线通信的方式形成一个多跳的自组织网络系统，其目的是协　ｌ拟牛顿法　作地感知、采集和处理网络覆盖区域中目标对象的信息，并实　拟牛顿法（Ｑｕａｓｉ－Ｎｅｗｔｏｎ　Ｍｅｔｈｏｄｓ）是求解非线性优化　时地发送给观察者Ⅲ。　问题最有效的方法之一，于２Ｏ世纪５Ｏ年代由美国实验室的　在无线传感器网络众多应用领域中，目标定位是其重要领　物理学家Ｗ．Ｃ．Ｄａｖｉｄｏｎ所提出来“　。Ｄａｖｉｄｏｎ设计的这种　域之一，它是利用网络内多个传感器节点检测到的目标信息协　算法在当时看来是非线性优化领域最具创造性的发明之一。　同的计算出某一时该目标的位置。而基于接收信号强度指示　不久Ｒ．Ｆｌｅｔｃｈｅｒ和Ｍ．Ｊ．Ｄ．Ｐｏｗｅｌｌ证实了这种新的算法远　ＲＳＳＩ的声源目标定位方法由于其不受视线影响，隐蔽性好，能　比其他方法快速和可靠，使得非线性优化这门学科在一时之　耗小，易于实现等特点普遍存在于常见目标检测环境中，在军事　间突飞猛进。在之后的２０多年里，拟牛顿方法得到了蓬勃　应用上有非常重要的意义嘲。　发展，出现了大量的变形公式以及数以百计的相关论文研究。　ＧＰＳ　作为目前应用最广泛的定位系统，但受到成本、功耗、　拟牛顿法的基本思想一一假设已经通过迭代：　扩展性等问题的制约，甚至在某些场合可能根本无法实现。目　前，主要解决方法是利用少量己知节点，通过一定的算法以获　・—－（ｋ＋１）＝　（　）＋ｑ¨ｐ（　）　（１）　‘一－－４－－＋　■一　一《　豳＿ｓ　位效果均最好，定位误差平均值在２ｍ以内，正常测距误差不超　过２．５ｍ，这表明所采用的组合信号处理方法以及对模型的改进　对减缓信号波动、提高定位精度产生了较好的影响。　３结语　；：圄　■　５产＝＝　产　三二　圄■４　ＳＩ＂＇　＿Ｉ　Ｉ　ｔ　三：　簟齐　本文针对信号波动性与定位稳定性的问题，从使用不同的　模型和不同信号处理方法的组合运用方面进行了探讨。实验　结果表明，采用改善后的定位模型和不同的信号处理组合方法　对改善定位精度及稳定性起到了一定作用。两种模型下，使用　卡尔曼与高斯平滑滤波组合能使测距误差最小，定位精度控制　在２ｍ以内，而且缩短了定位周期。目前主要问题是定位稳定　蟹　写　爿：　：　二　图２对数模型下各种组合方法测距误差　线性模型下各组合方法的测试误差：　性依然不够理想，定位波动性仍较强，主要原因是室内多径效　应明显。这也是我们后续将要开展的工作，即寻找更好的方法　减小多径效应对信号波动的影响。　三　辱　ＩＩ　　ＩＩ　Ｆ　Ｊｆ　Ｉ三　５　ＩＩ　Ｋ　Ｉ三　５产颦霉黑曩１嘲＿蕾蕾墨　墨雹鼍　参考文献：　１１１－４　ｉｍ＿５　豳蠢　［１】Ｇｕｏｌｉｎ　Ｓｕｎ．Ｊｉｅｃｈｅｎ　ｅｔ　ａ１．Ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｉｎ　ｎｅｔ－　雏画■Ｉ７　５ｒ１　１Ｌ—ＬＩＩＩ—ＩＩＩ—　Ｉ呷＿删嘲＿　皇’　Ｉ呈画一．。　５严＿＿　嘲嘲　＇　　睡啊　５一Ｉ　＇Ｉ　　Ｉ　１　ｗｏｒｋ－ａｉｄｅｄ　ｐｏｓｉｉｔｏｎｉｎｇ：ａ　ｓｕｒｖｅｙ　ｏｆ　ｓｔａｔｅ－ｏｆ－ｔｈｅ－ａｒｔ　ｐｏｓｉｉｔｏｎｉｎｇ　ｄｅｓｉｎｓｇ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　ＳＩＧＮＡＬ　ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ　ＭＡＧＡＺＩＮ．２００５（７）　［２】姜莉．基于Ｗｉ．Ｆｉ室内定位关键技术的研究［Ｄ】．大连：大连　理工大学，２０１０　［３］　田孝华，周义建．无线电定位理论与技术【Ｍ】．国防工业出版　社，２０１１　【４】Ｎｉｇｅｌ　Ｄａｖｉｅｓ．ｅｔａ１．Ｕｓｉｎｇ　ａｎｄ　Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ　Ｌｏｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ａ　Ｃｏｎ—　：　三　羹■赢：Ｎ　三　图３线性模型下各种组合方法测距误差　两种模型下使用不同组合方法的测距误差结果分析：一般　ｔｅｘｔ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　Ｔｏｕｒ　Ｇｕｉｄｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ，２００１　情况下测距误差越平稳，实际测量值在真值上下波动越缓慢，　作者简介：胡富斌（１９９０一），男，甘肃甘谷人，硕士，研究方向为　那么定位效果越好。由以上实验结果看出，两种模型下图．８定　信号检测与信息处理。