4种无线定位方法的基本原理与方法

一、无线定位技术    

无线定位是指在无线移动通信网络中，通过对接收到的无线电波的特征参数进行测量，利用量到的无线信号数据，采用特定的算法对移动终端所处的地理位置进行估计，提供准备的终端位置信息和服务。目标定位一直是一项不断发展且热门的技术，为什么这么热门呢？当然是大家有着这样或那样的需求都需要用到它。  

比如某某公司为了监督员工，直接对园区进行每个人的活动定位，这时时被人监控的感觉绝对不好受；再比如医院对医生进行活动定位方便患者找到医生。  

当然做目标定位大部分都是为了路径的规划与自动导航控制，所以目标定位的精准度、灵敏度等性能就决定着整个控制系统的性能。 

目前对于室外定位技术大部分都是采用GPS定位，不过大家应该体会过GPS信号弱导致位置迟迟无法更新，开车导航错过下高速路口的囧境等等，既然室外定位都这么不稳定，那么在室内由于房屋的遮掩、GPS定位的信号和精度就更是无法满足要求了，所以诞生了一些特别室内定位技术，比如蓝牙、wifi、zigebee以及高精度UWB等等。  

所谓的定位技术无非就是对信号的采集和处理，最终算出目标位置坐标，下面就谈一下4种无线定位方法的基本原理与方法。    

二、4种无线定位技术    

1  基于信号强度(RSSI)   

RSSI(Received Signal Strength Indication),基于信号的强度来进行目标定位，这种方法应该是大家最容易想到的，比如我们离无线路由器越远wifi的信号越弱，这样我们就可以通过信号的传播模型与距离建立关系，最终进行目标位置的定位。

以发射源为中心，其信号的强度和传播呈现出同心圆的形式。   

下面我们以三点定位法来简单的推导一下基本原理:   

上面部署了三个信号发射源，目标定位分别检测来自三个发射源的信号强度，通过信号的路径损耗模型用信号强度获得发射与接受之间的距离d1、d2、d3，从而我们可以获得如下三个方程 :      

通过联立上面三个方程即可获得最终的x、y坐标，至于怎么解，那就考察大家的数学功底了！

好像这一切都是如此的简单，那接下来的研究就没啥意义了，其实信号的强度受周围环境影响较大比如隔墙，并且由于电源等等不稳定导致发射功率变化，如果非要采用此方法需要进行大量的数据进行模型的辨识与估测，同时信号强度具有时变性还需要进行实时补偿等。

当然其优点是该方法是根据信号强度估测距离，所以不需要发射源之间的时钟信号同步。  

2  基于信号角度(AOA)    

AOA(Angle of Arrival)，该定位办法是基于接收信号角来进行目标定位的办法。

在2D平面内，目标标签位置发送测距信号给另外两个信号接收处，两个信号接收处先后获得发射信号的入射角度，从而根据入射角度进行平面几何直线延伸，两线交汇处即是目标标签处。   

从而可得到  

从而联立上面两个表达式即可求得坐标x，y的位置，表面上看起来此方法也比较完美，但是对信号入射角度的测量精度要求是非常高的，从数学的角度，对于斜率误差，距离越远其目标偏差越大。  

目前采用此方法进行定位的都会使用天线阵列进行接收角度的测量，天线阵列的原理大体就是通过天线上相邻已知距离的两个点通过接收信号的时间差，最终算出入射角度，当然此玩意成本不低。

3  基于到达时间法(TOA)   

TOA(Time of Arrival),其实定位无非就是测量距离，前面两种办法都只算是一种间接的方式进行测量，而按照我们常规的办法应该采取一种S = V*t的方式来进行测量最为直接。

所以TOA方法就是通过信号在空中的传播速度*飞行的时间来测量目标定位点与接收端的距离来最终定位，理论上跟前面介绍的RSSI方法仅仅只是获得距离的方式不同罢了，接下来的定位推算基本基本一致。

重点是TOA有两种测量接收端与发端时间的办法,分别为单次测距和往返测距。    

单次测距的距离测量如下:   

这么简单的公式表面上so easy，其实难点在于接收与发射端时钟需要高度的同步，否则容易引发误差，所以为了解决同步问题就有了往返测距。  

往返测距的距离测量如下:    

从而联立得到如下表达式:    

往返测距的时间差都是在各自同一时钟下进行标定计算，这样就不需要接受与发送进行时钟上的高度同步。    

三、基于到达时间差法(TDOA)  

TDOA(Time Difference of Arrival),基于到达时间差法又叫双曲线定位法，双曲线估计一半的人不太记得了吧，下面简单说说:    

双曲线定义:平面内点M到两个定点F1,F2的距离之差的绝对值等于定值2a(0<2a<|F1F2|)的点的轨迹。  

如上图所示不同发射端向目标定位位置发送信号，目标定位接受端时间差t*信号速度=目标位置到这两个发射端的距离差，那么三个发射端形成两组双曲线而这两组双曲线的焦点即为定位目标的位置。   

上面两个表达式中x，y分别是各点坐标，d21和d31分别是目标点到发射端的距离差，通过联立上面两式即可求得定位目标坐标。

从TDOA的算法原理来看，只需要三个发射端实现时钟上的同步，这样就降低了单向测距收发端都需要同步的困难，同时也比双向往返测距更加的高效。  

1  定位误差因素    

1、对于复杂环境，无线信号传播路径不唯一；

2、信号传播介质不同均会影响信号强度；

3、直达信号与反射等信号的叠加会影响距离的估算；

4、视距传播是无障碍物的直达，否则为非视距传播，当信号在传播过程中会遇到各种反射、折射等，从而造成信号模型难以标识，从而对距离的补偿和估算带来偏差。

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