室内环境下无线干涉定位的多径误差分析

杜鹏 樊文博

天津恒达文博科技股份有限公司 天津 300384

摘要：近年来我国科技水平的提升，人们对居住环境的要求不断提高。人们对室内位置信息服务的需求与日俱增，传统GPS蜂窝网定位技术无法满足室内定位的要求，无线传感器网络正好弥补了传统定位技术的弊端，在会展中心、智能大厦、体育场馆等领域得到了广泛应用。在室内定位技术中，定位算法性能好坏直接关系到传感器网络节点的位置信息准确性。本文就室内环境下无线干涉定位的多径误差分析展开探讨。

关键词：无线干涉定位系统；室内多径效应；误差分析

引言

随着计算机技术的快速发展和通信网络的普及，室内家电设备的单片机化和智能化得到了快速的拓展，促进了无线定位、组网技术、数字家庭等现代化理念不同程度的融人到人们的日常生活中来，提高了居家生活的自动化水平。无线技术的快速发展和不断成熟对新型无线业务的发展提供了条件，随着社会的发展，需要使用定位功能的应用越来越多。

1 室内定位技术

1. UWB定位：是指基于UWB无线通信实现定位的技术，其定位精度约为5～10cm，具有精度高、功耗低、抗多径、安全性高、复杂度低等优点。另一方面，UWB传输距离较短，无法实现大范围的室内覆盖。同时，为了保证定位精度，UWB定位要求有4个定位基站可接收标签发出的脉冲信号，因此，定位基站部署密度高、建设成本高，适用于小范围物料和设备的高精度定位。（2）RFID定位：是指基于RFID技术实现定位的技术，其定位精度高，可实现厘米级定位，并且成本低、能耗小。但RFID定位可识别范围小，因此，适用于门禁和库房物料管理等场景。（3）惯性导航定位：是指基于陀螺仪、加速度传感器等组件，通过采集定位终端运动数据计算终端位置的定位技术。惯性导航定位不依赖于外界通信，抗干扰能力和安全性能较强。同时，惯性导航定位基于航位推算方法，定位误差会随着运行时间增加而累积，为了保证定位精度，需要融合其他定位技术来矫正定位结果。惯性导航定位适用于工业运输车辆的定位场景。

2 定位算法概述

定位系统在接收到几个参考节点发出的信号以后，定位节点要对所得信号的传播损耗进行独立的计算。然后根据经验模型和理论化依据，把计算结果转化为实际的有效距离，最后再使用已有的算法对定位节点的真实位置进行定位。接收信号的强度理论值计算公式为:

RSSI=一(l0n*lgd+A)

其中，d表示设备到发射器之间的长度;n表示信号的传播常量;A表示lm处位置接收信号强度。从公式中可以明显的发现，信号的强度与到发射器间的有效距离成对数衰减关系，定位节点和发射器间的长度离得越近，则信号强度偏差所产生的绝对距离误差就会越小。当这一距离到达某一个特定的数值以后，由RSSI波动造成的绝对距离误差就会显著的增大。在实际的使用过程中，室内定位节点会使用较大的RSSI值的前面几个参考节点进行定位计算，这样能够有效降低系统带来的定位误差。这一硬件技术的要求比较低，使用的算法也相对简单。但是，由于定位设备所处的环境会经常变化，因此在实际的使用过程中要进行改进。与一些常见的定位技术相比，CC2431定位引擎的定位速度快、定位精度高，而且在定位过程中不占用过多的处理器时间，因此可以作为本系统设计过程中的定位模块。

3 RSSI特性分析

在实际应用中，RSSI总会受到很多因素的干扰，因此在研究定位算法之前，将研究各种因素对RSSI测量值的影响。传感器节点电子器件和焊接工艺之间的差异，使各传感器节点之间不一致，因此对于相同配置传感点，它们RSSI特性的差异有时比较大，同时天线方位指向对RSSI值的影响也较大。（1）收发传感器节点对RSSI的影响。在实验天线方位相同的情况下，接收节点为同一个，6个不同发射节点，发射和接收节点间距为1m，节点发射功率为0dBm，连续发送10个数据包。不同接收节点的RSSI值之间的差异很大，说明传感器节点本身对RSSI有影响。（2）天线的不同方位指向对RSSI的影响。由于主要是测试天线的不同方位指向对RSSI的影响，因此接收天线指向均为垂直向上，发射天线分别以水平和竖直方向放置。从发射天线的0℃、90℃、180℃、270℃４个方向接收10个数据包，测量RSSI值并计算其均值，当天线处于垂直指向时，RSSI受到天线的不同方位指向较小，值相对比较稳定。

4 室内环境下无线干涉定位的多径误差分析

1. 信号采样方式。首先分析信号采样方式对定位结果的影响。在实测系统中，接收节点以62.5kHz的采样率对干涉信号采样，采集200个RSSI信号点作为包络信号。而被采样的信号不是真实的包络信号，而是高频载波信号，这样的采样方式会使采集到的包络信号产生一定程度的相位偏移。为了研究采样方式和定位误差的关系，本文设定三种采样方式，即采样率为62.5kHz、125kHz和通过每2000个干涉信号取信号最大值来模拟经过低通滤波后的干涉信号，并对三种情况分别进行仿真。仿真环境参数设置同表1。D为待定位节点，其位置为100个随机位置的节点。测量方案同表2。由图1可以看出，使用接收信号的理想包络来测距的误差显著小于直接对干涉信号进行高频采样的误差，此外，62.5kHz采样和125kHz采样下的测距误差曲线几乎完全重合，这说明当采样频率达到足够的大小时，再提升采样频率也不能提高定位精度。

表 1 参数设置

表2室内测量方案

图1采样方式和采样频率与定位误差的关系

（2）反射系数与节点高度。其次分析反射系数和节点高度h对定位误差的影响。在实测定位中，反射系数的选取是通过经验方式，因此可能与实际反射系数不同而引入误差。采用和前述相同的仿真环境。假设天花板和地面的反射系数相同，在仿真时代入不同的反射系数，得出不同反射系数下100个随机位置的待定位节点对应的平均定位误差，随着反射系数的变化，定位误差都产生了跳变。这是因为在仿真环境的节点空间布局之下，节点到反射面的距离过近，导致在使用多径算法修正时，相位产生了溢出，表现在定位结果上即定位误差随着反射系数的变化而产生跳变。因此，需要通过改变节点高度的方法进行改善。在仿真条件中，将节点高度调至2m，其它参数保持不变，使用表1的测量方案，进行第二次仿真。可以看出，改变了节点的空间布局后，可以有效地防止相位溢出和误差剧增。

结语

定位技术是无线网络技术在室内应用的主要支撑技术。该技术是对GPS技术的扩展和补充，在医疗救助、设备监测、物流跟踪、火灾报警等领域具有非常迫切的市场需求，因此具有广阔的市场应用前景。由于室内楼层之间存在很多不确定的因素，而且定位数据的传输较其他环境也具有更大的复杂性，所以，对室内定位系统的研究必然会成为未来定位技术的研究热点。未来的室内定位技术要以高定位精度、强适应性和对环境、时间波动的适用性为前提，并能够进行快捷的、方便的部署，这对系统的推广和应用十分重要。

参考文献

[1]刘鹏.无线电干涉在微型传感器节点定位中的应用[J].军事通信技术,2018,28(S1):57-61.

[2]黄艳,臧传治,于海斌.传感器网络中无线电干涉定位系统的多径误差分析[J].控制与决策,2019,24(2):231-235.