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室内定位算法及其混合算法剖析
随着科技的发展,LBS 服务越来越深入人们的日常生活和工作,随着需求的增加,相应
的室内定位技术也如雨后春笋般涌现出来并发展迅速,WIFI、蓝牙、Zigebee、地磁、UWB、
WLAN 等众多技术各有特色,但其核心的定位原理究竟怎样呢,今天小编就在这里与大家共
同探讨常见的室内定位算法及其混合算法。
1 .1 AOA 定位
基于到达角(Angle Of Arrival, AOA)也称为三角测量是一种远程定位系统,
即通过已知移动设备和多个接入点间的角度进行定位。在 AOA 远程定位系统中,
两个已知位置和方向的基站需要计算出发送自用户信号的角度。角度是通过不断
调控方向天线波束,直到最大的信号长度或者相干相位来得到的。位置通过每个
基站 AOA 测量的轨迹的交点计算得出,而 AOA 测量的轨迹为直线,如下图 1-1
所示。
BS1
BS2
MS
1
2
图 1-1 AOA 定位示意图
在二维空间中,假设第 N 个基站的坐标为
),(
nn
yx
,移动待测点 MS 的坐标
为
yx,
,通过上图可以建立 BS 与 MS 的几何位置关系,表述如下:
n
n
n
xx
yy
tan
(1-1)
式中,
n
为第 N 个基站获得的方位角信息,由两个基站的 AOA 得到方程组,
即可求得移动待测点的坐标
),( yx
。
2
2
2
1
1
1
tan
tan
xx
yy
xx
yy
(1-2)
如果用户和基站不在同一个平面内,需要用三维方向天线进行测量,用更多
的基站能够大大提高精度。系统的整体精度取决于信号传播,方向天线的精度,
以及天线到设备的距离。AOA 定位的优点是不需要与每一个天线做时间同步,缺
点是需要额外的硬件,有可能无法满足节点对硬件尺寸和功耗的要求,且算法复
杂度较高。因此,在应用上有较大的局限性。
1.2 TOF 定位
基于飞行时间(Time of Flight, TOF)的测距技术与 TDOA 有所不同,TOF 测
距技术主要是通过测量节点间信号传输的时间消耗来估算距离,而 TDOA 是通
过不同信号到达同一节点或者一个信号到达不同节点的时间差来估算节点间距
离。TOF 测距技术主要包括到达时间(TOA) 测量以及往返时间(TWR)测量等。
它们都是在已知信号传播速度的前提下,通过节点之间信号传播的时间测量来达
到测距目的。TOA 测距过程中锚节点向未知节点发送测距信号,未知节点接收
信号的同时记录信号到达时间,发射节点和接收节点之间保持精确的时间同步,
从而获得信号在两个节点之间的传播时间。TOA 测距精度高,但对时间同步要
求严格,需要额外的硬件辅助,这制约了它的应用范围。TWR 测距通过记录节
点间信号往返时间来计算节点间距离,TWR 测距过程简单,易于实现,不需要
额外硬件来确保两节点时间同步,但是容易受到时钟偏移的影响。以下着重介绍
两种无需时间同步和额外硬件的 TOF 测距方法:TWR 和 SDS-TWR,它们通过记
录节点间信号往返时间来计算节点间距离。
一、TWR 测距方法
TWR 测距方法需要两节点间的协作通信,记录信号在两节点的往返时间,
具体测距过程如图 2-10 所示。未知节点 Node1 向锚节点 Node2 发送一个数据包,
当 Node2 节点收到数据包时,会立即回复一个确认来响应这个数据包。Node1
记录从发送数据包到接收确认的时间
1
T
;
Node2 记录了从收到数据包到回应 ACK 的时间
2
T
,用
1
T
时间减去周转时间
2
T
就是两节点的数据包传递过程中的往返时间,那么 Node1 到 Node2 的距离
就可以表示为
v
TT
2
21
,其中
v
表示信号传播速度。如图 1-2 所示。
Node1
T1
Node2
T2
数据包
ACK
图 1-2 TWR 测距过程示意图
在 TWR 测距算法中分别用到了两节点的时钟进行计时,尽管不需要两节点
时钟严格同步,但是要求时钟的频率和相位保持一致,否则两节点间会出现时钟
偏移,记录的时间不在同一标准下,会造成比较严重的测距误差。当然可以选用
高稳定性的时钟来降低这种误差的影响,但那是比较昂贵的,无法在无线传感器
网络中大规模使用。SDS-TWR 测距方法在同等硬件条件下可以很大程度上降低
TWR 测距方法的时钟偏移影响。
二、SDS-TWR 测距方法
整体来看,SDS-TWR 测距方法是在 TWR 测距方法的基础上进行了节点间
对称测距,如图 1-3 所示,具体过程如下:
第一个阶段,节点 Node1 向节点 Node2 发送测距数据包,节点 Node2 收
到测距包后,立即向 Node1 回复一个确认包 ACK,处理时间为
2
T
。当节点 Node1
收到来自节点 Node2 的确认后,记录节点 Node1 从发送测距数据包到收到确
认包所用的时间
1
T
;
第二个阶段,节点 Node2 向节点 Node1 发送测距数据包,节点 Node1 收到
数据包后,经过时间
3
T
给节点 Node2 回复一个确认包,当节点 Node2 收到来自
节点 Node1 的确认后,节点 Node2 得到从发出数据包到收到确认的时间
4
T
;
第三个阶段,节点 Node2 把记录的时间
2
T
和
4
T
通过数据包发送到节点
Node1,这样在节点 Node1 端得到了两对时间值
),(
21
TT
、
),(
43
TT
;
由 以 上 获 得 的 时 间 值 , 计 算 Node1 和 Node2 之间的距离:
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UWB高精度定位
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