局部无线定位系统中的高精度定位算法研究*

魏 斌，罗，虞致国，黄召军

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）

局部无线定位系统中的高精度定位算法研究*

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）

局部无线定位技术是基于局部组网的低成本和低复杂度的定位技术。在局部无线定位中，无论采用哪种技术，都会受到非视距和多径传输的影响，给定位带来较大的误差。环境建模可以通过曲线拟合的方式来建立某些典型场景的信号传输模型。除此之外，在前期环境建模完善的条件下，进一步提高精度只能依靠监控端软件中几何定位算法的改进。文章提出了一种定位算法，该算法针对各种导致定位误差的因素进行了改进，实验证明，采用这种算法的系统具有相当高的定位精度。

信号强度接收指示；连接质量指示；局部无线定位技术

1 引言

自从IEEE 802.11无线局域网标准问世以来，局部定位的服务也有了广阔的应用市场。通常采用的方法是在室内或者室外的小范围区域内建立定位网络。其中，定位的方式主要是基于信号强度（RSSI）、连接质量（LQI）、到达时间（TOA）等。其中基于RSSI以及LQI的定位方式开销较少、实现难度较低，成为了近年来局部定位研究的热点。研究的方向主要分为场景传输模型优化以及定位算法的优化两部分。

本文对局部无线定位系统中的算法进行了详细分析，并且提出了一种全面的算法优化方法。试验表明，优化过的算法具有良好的完备性，并且可以使系统的定位精度得到明显提高。

2 基于信号强度测距的原理

测距是定位的基本要求。只有获取3个或者以上参考节点的距离，才能够确定移动节点的位置。信号强度的测距可以分为RSSI以及LQI的方式。

利用RSSI测距，可以选用以下模型[1,2]：

而LQI与RSSI的对应公式如下：

其中，射频参数A被定义为用dBm表示的发射节点1m处的接受信号强度；n为信号传输常数，与信号的传输环境有关；d为发射节点的距离。

RSSI以及LQI对应距离曲线，可以通过场景建模的方式针对具有明确的应用场景来获得，分析该场景的多径效应，从而对射频参数A和信号传输常数n进行优化。对于算法的优化，是在不明确收到信号误差的情况下，最大程度地加以纠正。

3 三边测量定位算法的改进

3.1 三边测量定位算法基本原理

三边测量定位法的基本原理就是求三个已知半径和坐标圆心的圆的交点[3,4]，如图1所示。

图1 三边定位原理图

已知三个参考节点A、B、C的坐标分别为（x1，y1）、（x2，y2）、（x3，y3），它们到未知节点的距离节点（x，y）的距离分别为r1、r2、r3, 则可以建立如下方程：

由上式可以得出D点的坐标。

3.2 算法的改进

但是在实际的测试中，由于测距误差，三个圆往往无法交于一点，假设移动节点只在参考节点的区域内活动，则可能产生的情况如图2所示。

图2 三边定位测算中可能发生的四种情况

实际操作中，首先要判断，3个圆之中有几个相交，采用的方法可以是把3个圆的方程两两联立，判断有没有解。

如果方程（4）有解（x12，y12）、（x21，y21），判断其中哪个点到点（x3，y3）的距离近，选取该点作为点D；如果方程（5）有解（x13，y13）、（x31，y31），判断其中哪个点到点（x2，y2）的距离近，选取该点作为点F；如果方程（6）有解（x23，y23）、（x32，y32），则判断其中哪个点到点（x1，y1）的距离近，选取该点作为点E，三角形DEF的重心就是我们所需要定位的移动节点的位置。 如果其中方程（4）无解，则连接两圆圆心，和圆相交两点的中心就是点D；对于方程（5）、（6）无解的情况下，可采用相同方式来得到点E、F的坐标。因此，无论圆相交与否，我们都可以获得3个点D、E、F，并且通过求重心来获得移动节点的坐标。

4 定位系统的设计

定位系统的工作流程是指从通信网络的信号传输流程到计算机接收到信号强度的相关信息之后进行测算的流程。系统的通信网络信号传输流程如图3所示[5]。

图3 定位系统网络结构图

在网络的通信过程中，首先定位节点发送信号到参考节点，参考节点把接收到的一定时间内的信号强度取平均值，然后发回到定位节点，定位节点再把收到的信息传输到网关节点，最后传输到PC机。

PC机的测算流程如图4，首先，需要设置所有参考节点的坐标，然后选取对应场景的距离曲线。

图4 定位系统测算流程

在本文设计的算法中，选取4个参考节点来定位，这样是选取定位精度和计算复杂程度的折中。这是考虑了如果选取N个参考节点来定位，需要进行的三边测量算法次数是，选取5个节点的情况下就需要做10次三边测量，获得10个可能的移动节点的坐标，再需要计算这10个节点的质心位置，计算强度上增加很多，但在实际的定位精度上，只是增加了一个节点，定位精度提升的性价比不高。

5 实验结果

5.1 信号强度对应距离的曲线拟合结果

RSSI以及LQI在不同环境下对应的距离曲线都是不同的，因此拟合针对不同环境的距离曲线是定位系统中的一个重要步骤。本文中采用LQI为例针对室内、走廊以及野外空旷地带做了曲线拟合。图5显示的是在一个大房间内做的LQI对应距离的曲线拟合。首先，每隔0.2m测量下接收到的LQI值并且记录下来；然后，利用MATLAB拟合曲线，图5中的曲线采用四次方程的方式实现，在距离的表示上已经具备很高的精度。

图5 信号强度对应的距离曲线

不同的场景对应不同的曲线，对应的函数存放在定位软件中，在系统工作时需要选取场景对应的距离曲线。

4.2 定位实验结果

在以上房间内进行实验，4个参考节点分别摆放在（0，0）、（0，5）、（5，0）、（5，5）位置。MATLAB从串口读入数据，然后进行计算，输出4个参考节点的LQI值，并且以图形的形式显示移动节点的位置。图6中显示的结果中，移动节点坐标是（1.9，1.9），实际摆放位置是（2.1, 2.1）。图7中，4个参考节点的坐标分别改为（0，0）、（0，10）、（10，0）、（10，10），输出的移动节点坐标是（5.2，8.2），实际摆放的位置是（5.5，7.8）。实验证明，采用本文中的方法测得的移动节点位置误差相当小。

图6 定位测试结果1

图7 定位测试结果2

6 总结

本文对基于信号强度的局部无线定位技术进行了全面的分析。通过对系统的整体架构设计、距离曲线拟合以及完备的三边测算算法设计，实现了局部的无线定位。实验结果表明，采用该方法的定位系统具有相当高的定位精度。

[1] A wad A, Frunzke T, Dressler F. Adaptive distance estimation and localization in WSN using RSSI measures[C]. IEEE 10thEuromicro Conference on Digital System Design Architectures Methods and Tools,2007∶471-478.

[2] Ali S, Nobles P. A novel indoor location sensing mechanism for IEEE 802.11 b/g wireless LAN [C]. IEEE The Fourth Workshop on Positioning, Navigation and Communication,2007∶ 9-15.

[3] 杨凤，史浩山，朱灵波，等. 一种基于测距的无线传感器网络智能定位算法[J]. 传感技术学报，2008，21（1）：135-140.

[4] 朱剑，赵海，孙佩刚，等. 基于RSSI 均值的等边三角形定位算法[J]. 东北大学学报：自然科学版，2007，28（8）：1 094- 1 097.

[5] 朱俊.无线传感器网络定位算法的研究与实现[D]. 南京：南京理工大学, 2006.

Research on High-precision Algorithm for Localized Wireless Positioning System

WEI Bin, LUO Yang, YU Zhi-guo, HUANG Zhao-jun
（China Electronics Technology Group Corporation No.58th Institute,Wuxi214035,China）

Localized wireless positioning technique is based on the low-cost and low complexity local network. It can be achieved by applying on of the following techniques∶

Signal Strength Indication （RSSI）, Link Quality Indication （LQI） or Time Of Arrival （TOA）. However, no matter which technique is applied, the system performance will be affected by non line of sight and multiplepath transmission, which brings deviation in positioning. The establishment of environment model can be achieved by fi tting values to a curve. Beside this, the improvement of accuracy can be only achieved by optimizing the geometrical algorithm in monitoring software. In this paper, an optimized geometrical algorithm is suggested, and the result show that positioning system with this algorithm has very high accuracy.

RSSI; LQI; localized wireless positioning technique

TP393

A

1681-1070（2011）08-0025-04

2011-06-16

国家“新一代宽带无线移动通信网”科技重大专项（2010ZX03006-002-04）资助

魏 斌（1980—），男，江苏无锡人，英国爱丁堡龙比亚大学电子与通信专业博士学位，曾参与英国多所高校联合进行的4G技术开发工作，目前在中国电科58所传感网工程中心任职，主要负责无线通信的技术研发工作。