基于Nanoloc的TOA指紋算法定位研究

　　摘要：室內(nèi)環(huán)境下，因多徑效應(yīng)以及障礙物影響等因素的存在，使得TOA測(cè)距誤差較大，如何降低測(cè)距誤差對(duì)定位精度的影響，是精確室內(nèi)定位系統(tǒng)前進(jìn)路上的一個(gè)挑戰(zhàn)。本文針對(duì)實(shí)測(cè)環(huán)境下TOA測(cè)距誤差較大且存在非單調(diào)等特點(diǎn)，利用指紋算法降低誤差影響，并使用動(dòng)態(tài)閾值，誤差加權(quán)等方法實(shí)現(xiàn)定位，并于Nanoloc平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所用方法在相同測(cè)距誤差情況下，對(duì)比最小二乘法定位有效的提高了定位精度。此方法使定位精度不再過度依賴測(cè)量值的準(zhǔn)確性，改善了惡劣環(huán)境下定位結(jié)果的穩(wěn)定性。

　　引言

　　隨著射頻識(shí)別技術(shù)的飛快發(fā)展，人們對(duì)室內(nèi)物體的位置信息需求日益增長(zhǎng)，室內(nèi)定位技術(shù)已成為全球研究的熱點(diǎn)。目前所研究的算法以基于測(cè)距技術(shù)為主，包括測(cè)量到達(dá)時(shí)間(TOA)、測(cè)量到達(dá)時(shí)間差(TDOA)、測(cè)量到達(dá)角度(AOA)以及測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度(RSSI)。電磁因素、實(shí)現(xiàn)技術(shù)不完善、環(huán)境變化等因素造成上述幾種技術(shù)的測(cè)距結(jié)果都會(huì)存在誤差，為了消除或減小誤差，人們研究改進(jìn)三邊測(cè)量算法、虛擬陣算法、Bancroft算法、VIRE算法、REC算法、Taylor級(jí)數(shù)展開算法等^[4-9]數(shù)據(jù)后期處理算法，也有MUSIC、CHAN^[3]、最強(qiáng)徑檢測(cè)^[1]、高階累積量^[10]等不同時(shí)延估計(jì)算法，希望利用不同的方法使得測(cè)距結(jié)果更準(zhǔn)確或利用已有數(shù)據(jù)得到更準(zhǔn)確的目標(biāo)位置。這些方法或過分依賴測(cè)量值的準(zhǔn)確性，或計(jì)算量過大，或存在實(shí)際條件不易達(dá)到等缺點(diǎn)，在實(shí)際中并不能達(dá)到很好的定位精度。本文研究基于到達(dá)時(shí)間的TOA測(cè)距技術(shù)，結(jié)合指紋算法進(jìn)行定位，此方法既不會(huì)過分依賴測(cè)量值的準(zhǔn)確度，也易于實(shí)現(xiàn)。

　　TOA雙邊測(cè)距原理

　　TOA(Time of Arrival)是常見的射頻測(cè)距技術(shù)，其原理為通過測(cè)量信號(hào)在閱讀器和標(biāo)簽之間傳輸?shù)臅r(shí)間來估計(jì)兩者之間的距離，測(cè)量誤差的大小主要取決于測(cè)距過程中傳輸信道的狀態(tài)，這些因素會(huì)影響接收方對(duì)信號(hào)的傳輸時(shí)延的判斷，進(jìn)而對(duì)定位精度產(chǎn)生影響。室內(nèi)環(huán)境下，嚴(yán)重的多徑效應(yīng)和NLOS(非視距)條件造成測(cè)距誤差較大。

　　我們利用Nanoloc系統(tǒng)使用SDS-TWR(Symmetrical Double-Sided Two-Way Ranging)^[2,4]方式進(jìn)行實(shí)際測(cè)距，測(cè)距過程為：第一個(gè)周期內(nèi)，anchor向tag發(fā)送測(cè)距開始信號(hào)signal1，并開始計(jì)時(shí)(在接到ack之后停止計(jì)時(shí)，間隔即為t_roundA)，tag在接收到signal1后，自動(dòng)返回一個(gè)ack信號(hào)，并在一段時(shí)間后向anchor發(fā)送其接收處理signal1的時(shí)間t_replyT，t_replyT包含于signal2中; 在接收到signal2后，自動(dòng)返回一個(gè)ack信號(hào)，tag將發(fā)送signal2和接收ack的間隔時(shí)間t_roundA再次發(fā)送給anchor，由anchor計(jì)算兩者之間的距離：

　　其中c為信號(hào)在空氣中傳播的速度，即光速。

　　我們從實(shí)際數(shù)據(jù)出發(fā)，發(fā)現(xiàn)因時(shí)延估計(jì)以及多徑效應(yīng)，使得TOA在短距離測(cè)量情況下也存在非單調(diào)性的問題，使用最小二乘法進(jìn)行定位會(huì)有很大的誤差，基于此，我們決定采用指紋法進(jìn)行定位。