基于RSSI的RFID室內(nèi)定位算法的改進(jìn)與應(yīng)用

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中圖分類號(hào)：P207論文編號(hào)：2017301097UDC：密級(jí)：公開(kāi)碩士學(xué)位論文基于RSSI的RFID室內(nèi)定位算法的改進(jìn)與應(yīng)用作者姓名：陳曉停學(xué)科名稱：大地測(cè)量學(xué)與測(cè)量工程研究方向：攝影測(cè)量與遙感學(xué)習(xí)單位：華北理工大學(xué)學(xué)制：2.5年提交日期：2017年12月1日申請(qǐng)學(xué)位類別：工學(xué)碩士導(dǎo)師姓名：汪金花教授單位：華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院論文評(píng)閱人：張永彬教授單位：華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院高均海研究員單位：中煤科工唐山研究院論文答辯日期：2018年1月22日答辯委員會(huì)主席：趙紅蕊教授關(guān)鍵詞：RFID；定位算法；室內(nèi)定位；RSSI唐山華北理工大學(xué)2018年3月 ImprovementandApplicationofRFIDindoorLocalizationAlgorithmBasedonRSSIDissertationSubmittedtoNorthChinaUniversityofScienceandTechnologyinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofScienceinEngineeringbyChenXiaoting(GeodesyandSurveyEngineering)Supervisor:ProfessorWangJinhuaMarch,2018 獨(dú)創(chuàng)性說(shuō)明本人鄭重聲明：所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得華北理工大學(xué)以外其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書所使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說(shuō)明并表示了謝意。論文作者簽名：日期：2018年3月7日關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明本人完全了解華北理工大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：已獲學(xué)位的研究生必須按學(xué)校規(guī)定提交學(xué)位論文，學(xué)校有權(quán)保留、送交論文的復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué)校可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容采用影印、縮印或編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行公開(kāi)、檢索和交流。作者和導(dǎo)師同意論文公開(kāi)及網(wǎng)上交流的時(shí)間：?自授予學(xué)位之日起□自年月日起作者簽名：導(dǎo)師簽名：簽字日期：年月日簽字日期：2018年3月7日 摘要摘要隨著無(wú)線技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，定位導(dǎo)航在人們生產(chǎn)生活中的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，定位技術(shù)和基于位置信息的服務(wù)成為當(dāng)下研究熱點(diǎn)之一，射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)在室內(nèi)定位中應(yīng)用前景良好，眾多學(xué)者從多個(gè)角度對(duì)RFID定位方法在多種應(yīng)用領(lǐng)域展開(kāi)研究。針對(duì)傳統(tǒng)室內(nèi)定位方法定位精度低、硬件成本高等問(wèn)題，提出一種基于信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）的主動(dòng)式射頻識(shí)別室內(nèi)定位算法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比了不同解算方法的定位精度，對(duì)影響定位準(zhǔn)確性的多個(gè)因素進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有室內(nèi)定位算法的研究現(xiàn)狀分析對(duì)比，選擇基于RSSI測(cè)距定位的算法作為研究重點(diǎn)，以主動(dòng)式定位為實(shí)現(xiàn)方式，展開(kāi)基于RSSI的主動(dòng)式RFID室內(nèi)定位算法的研究。分析RFID信號(hào)傳播特點(diǎn)，解算不同地點(diǎn)對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型參數(shù)，對(duì)距離擬合誤差的特點(diǎn)及其與環(huán)境的關(guān)系進(jìn)行了分析?；赗SSI的定位算法的誤差受初始值影響，因此使用加權(quán)迭代的方法進(jìn)行改進(jìn)，由RSSI確定標(biāo)簽的權(quán)重，增大距離定位目標(biāo)較近的標(biāo)簽在計(jì)算中的影響，通過(guò)多次迭代計(jì)算逼近真實(shí)值。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較不同定位算法的精度和性能，研究初始值、標(biāo)簽格網(wǎng)大小和距離模型參數(shù)對(duì)算法精度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加權(quán)迭代法通過(guò)加權(quán)的方式修正了距離擬合傳遞給位置估計(jì)的誤差，通過(guò)多次迭代消除了初始值偏離真實(shí)值對(duì)定位的影響，提高了定位精度，算法性能穩(wěn)定。驗(yàn)證了定位區(qū)域預(yù)先確定其距離模型參數(shù)的必要性，并嘗試了加權(quán)迭代法在三維定位中的應(yīng)用。圖18幅；表22個(gè)；參52篇。關(guān)鍵詞：RFID；定位算法；室內(nèi)定位；RSSI分類號(hào)：P207-I- 華北理工大學(xué)碩士學(xué)位論文AbstractWiththedevelopmentofwirelesstechnologyandInternetofthings,thedemandforpositioningandnavigationinpeople'sproductionandlifeisbecomingmoreandmoreintense.Locationtechnologyandservicebasedonlocationinformationhavebecomeresearchhotspotsatpresent.Radiofrequencyidentification(RFID)technologyhasgoodprospectsinindoorpositioning,andmanyscholarsstudyontheRFID-basedlocalizationmethodinmanyapplicationfieldsfrommanyaspects.Aimingattheproblemoflowaccuracyandtheexpensivehardwareofthetraditionalindoorpositioningmethods,thispaperproposesanactiveRFIDindoorlocationalgorithmbasedonreceivedsignalstrengthindication(RSSI).Throughthesimulationexperiment,thepositioningaccuraciesofdifferentcalculationmethodsarecompared,andseveralfactorsthatinfluencethepositioningaccuracyarestudied.Throughthecomparisonoftheexistingindoorlocationalgorithms,wechoosethelocationalgorithmbasedonRSSIrangingastheresearchfocus,andtaketheactivepositioningasthewayofimplementation,studytheactiveRFIDindoorlocationalgorithmbasedonRSSI.ThecharacteristicsofRFIDsignalpropagationareanalyzed,andtheparametersoflogdistancepathlossmodelarecalculated.Thecharacteristicsofdistancefittingerroranditsrelationshipwithenvironmentareanalyzed.TheerrorofthelocationalgorithmbasedonRSSIisaffectedbytheinitialvalue,soitisimprovedbyusingtheweightediterativemethod.TheRSSIdeterminestheweightofthelabel,toincreasetheeffectofthelabelclosertothetargetinthecalculation,andthetruevalueisapproximatedbymultipleiterations.Throughsimulationexperiments,wecomparetheaccuracyandperformanceofdifferentlocationalgorithms,andstudytheinfluenceofinitialvalue,labelgridsizeanddistancemodelparametersonpositionaccuracy.Theexperimentalresultsshowthattheweightediterationmethodcorrectstheerrorofdistancefittingtothepositionestimationbyweightingmethod,andeliminatestheinfluenceofinitialvaluedeviatingfromtherealvalueonpositioningbyiterations,improvesthepositioningaccuracy,anditsperformanceisstable.Thispapervalidatesthenecessityofpredeterminingthedistancemodelparametersinthepositioningarea,andappliestheweightediterationmethodinthethree-dimensionalpositioning.Figure18;Table22;Reference52Keywords:RFID;locationalgorithm;indoorlocation;RSSIChinesebookscatalog:P207-II- 目次目次引言.......................................................................................................................1第1章文獻(xiàn)綜述.........................................................................................................21.1研究背景和研究意義.....................................................................................21.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀.............................................................................................31.2.1室內(nèi)定位技術(shù)的研究現(xiàn)狀...................................................................31.2.2RFID室內(nèi)定位算法的研究現(xiàn)狀..........................................................61.2.3基于RSSI的RFID二維定位技術(shù)的研究現(xiàn)狀..................................71.2.4RFID三維定位算法的研究現(xiàn)狀..........................................................91.3研究目標(biāo)與內(nèi)容...........................................................................................101.4技術(shù)路線.......................................................................................................10第2章RFID室內(nèi)定位技術(shù).....................................................................................122.1射頻識(shí)別RFID技術(shù)....................................................................................122.2RFID定位方式..............................................................................................132.2.1被動(dòng)式定位.........................................................................................132.2.2主動(dòng)式定位.........................................................................................142.3基于RFID的室內(nèi)定位流程........................................................................162.4常見(jiàn)的RFID室內(nèi)定位方法........................................................................172.5本章小結(jié).......................................................................................................21第3章室內(nèi)定位RSSI-距離模型的建立................................................................223.1RFID信號(hào)傳播模型......................................................................................223.2RSSI測(cè)距誤差來(lái)源分析...............................................................................233.2.1干擾因素和現(xiàn)象.................................................................................233.2.2附著物材質(zhì)對(duì)識(shí)別距離的影響.........................................................243.3基于對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型的推導(dǎo)...........................................................253.3.1模型中的未知參數(shù).............................................................................253.3.2模型參數(shù)解算方法.............................................................................26-III- 華北理工大學(xué)碩士學(xué)位論文3.4基于RSSI的距離估計(jì)實(shí)驗(yàn)........................................................................273.4.1數(shù)據(jù)采集的實(shí)驗(yàn)條件.........................................................................273.4.2RSSI數(shù)據(jù)處理....................................................................................283.4.3模型參數(shù)估計(jì).....................................................................................303.4.4基于RSSI的距離估計(jì)......................................................................313.4.5殘差與距離之間關(guān)系的分析.............................................................333.5本章小結(jié).......................................................................................................34第4章基于RSSI的主動(dòng)式室內(nèi)定位算法............................................................354.1定位算法的數(shù)學(xué)模型...................................................................................354.2定位數(shù)學(xué)模型線性化...................................................................................364.3定位數(shù)學(xué)模型的常見(jiàn)解算方法...................................................................374.3.1近似解算法.........................................................................................374.3.2最小二乘法.........................................................................................384.4室內(nèi)定位算法的改進(jìn)...................................................................................394.4.1半?yún)?shù)估計(jì).........................................................................................394.4.2加權(quán)迭代法.........................................................................................404.5解算方法對(duì)比...............................................................................................404.6本章小結(jié).......................................................................................................41第5章定位精度影響因素實(shí)驗(yàn)研究.......................................................................425.1不同定位算法精度比較...............................................................................425.2初始值對(duì)算法精度的影響...........................................................................455.3格網(wǎng)大小對(duì)定位精度的影響.......................................................................485.4路徑損耗指數(shù)對(duì)定位精度的影響...............................................................495.5三維定位精度分析.......................................................................................515.5.1三維定位近似解算法.........................................................................525.5.2三維定位加權(quán)迭代法.........................................................................525.5.3數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析.........................................................................545.6本章小結(jié).......................................................................................................55結(jié)論.........................................................................................................................56-IV- 目次參考文獻(xiàn).....................................................................................................................57致謝.........................................................................................................................61導(dǎo)師簡(jiǎn)介.....................................................................................................................62作者簡(jiǎn)介.....................................................................................................................63學(xué)位論文數(shù)據(jù)集.........................................................................................................64-V- 引言引言無(wú)線定位技術(shù)在軍事活動(dòng)和社會(huì)生產(chǎn)生活中占據(jù)著十分重要的地位，是維護(hù)交通安全必不可少的組成部分，在眾多領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用，如災(zāi)害防治與救援、資源勘探與開(kāi)發(fā)、移動(dòng)通信與定位導(dǎo)航、航空安全和飛行器定位、交通安全與調(diào)度、室內(nèi)定位、物聯(lián)網(wǎng)等。隨著無(wú)線技術(shù)和信息時(shí)代的發(fā)展，定位導(dǎo)航在人們生產(chǎn)生活中的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，基于位置信息的服務(wù)和定位技術(shù)成為當(dāng)下研究熱點(diǎn)之一。對(duì)于導(dǎo)航來(lái)說(shuō)定位是不可或缺的關(guān)鍵工作，對(duì)物體準(zhǔn)確地定位指引路線才能順利完成位置導(dǎo)航，定位導(dǎo)航技術(shù)的進(jìn)步與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展緊密相連。在無(wú)線定位中，衛(wèi)星無(wú)線定位是應(yīng)用領(lǐng)域最廣泛的定位技術(shù)。GNSS能夠持續(xù)提供全球位置信息服務(wù)，包括高精度的時(shí)間、位置、速度和航向信息，是發(fā)展最為成熟的室外定位技術(shù)。然而在室內(nèi)環(huán)境中，GNSS信號(hào)被建筑物遮擋以及其他因素干擾而急速衰減，蜂窩無(wú)線室外定位系統(tǒng)也同樣面臨這一問(wèn)題，因此他們均不能作為理想的室內(nèi)定位技術(shù)。故而近年不斷發(fā)展的RFID技術(shù)在室內(nèi)位置估計(jì)中的應(yīng)用成為人們研究的熱點(diǎn)。Wifi、紅外線、藍(lán)牙、ZigBee、超聲波等技術(shù)在室內(nèi)位置估計(jì)中均有應(yīng)用，由于室內(nèi)有人員走動(dòng)，且建筑物的材質(zhì)、內(nèi)部布局、物品擺放各異，這些因素將會(huì)影響到無(wú)線電波的傳播情況，導(dǎo)致定位信號(hào)在建筑物內(nèi)部的分布不同，從而影響室內(nèi)無(wú)線環(huán)境，使得這些技術(shù)的定位效果不是很好。由于RFID技術(shù)具有非視距傳播、成本低、可重復(fù)使用、壽命長(zhǎng)、無(wú)須人工干預(yù)等特點(diǎn)，選用RFID技術(shù)作為定位的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。對(duì)比目前RFID室內(nèi)定位算法與定位系統(tǒng)，以RSSI為特征量的方法簡(jiǎn)單、成本低，能耗小，無(wú)須配備附加硬件，但是在多徑效應(yīng)影響下，接收?qǐng)鰪?qiáng)數(shù)據(jù)失真，無(wú)法獲得準(zhǔn)確的的衰落模型，適當(dāng)?shù)乃惴ǜ倪M(jìn)即可使上述問(wèn)題得到改善，因此對(duì)RSSI測(cè)距的RFID室內(nèi)位置估計(jì)方法進(jìn)行改進(jìn)并討論實(shí)際應(yīng)用中的影響因素具有一定的研究?jī)r(jià)值。-1- 華北理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第1章文獻(xiàn)綜述1.1研究背景和研究意義隨著無(wú)線技術(shù)和信息時(shí)代的發(fā)展，定位導(dǎo)航在人們生產(chǎn)生活中占據(jù)了不可或缺的地位，對(duì)室內(nèi)位置估計(jì)技術(shù)的需求越來(lái)越強(qiáng)烈[1]。無(wú)線定位技術(shù)是一種根據(jù)獲得的信號(hào)在通信設(shè)備與接收節(jié)點(diǎn)之間的傳播時(shí)間或者到達(dá)相位等量值，經(jīng)過(guò)定位算法處理為待定位目標(biāo)的位置進(jìn)行估計(jì)的方法[2]。無(wú)線定位技術(shù)按照應(yīng)用地點(diǎn)是否在建筑物內(nèi)部可以分為室外和室內(nèi)，其中，衛(wèi)星無(wú)線定位是應(yīng)用領(lǐng)域最廣泛發(fā)展最成熟的室外定位技術(shù)，蜂窩無(wú)線定位系統(tǒng)也是應(yīng)用于室外[3]。GNSS能夠持續(xù)提供全球位置信息服務(wù)，包括高精度的時(shí)間、位置、速度和航向信息，在室外定位方面表現(xiàn)卓越。隨著GNSS逐漸改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)生活，基于位置信息的服務(wù)的重要性不斷增加，然而在室內(nèi)環(huán)境中，GNSS信號(hào)被建筑物遮擋以及其他因素干擾而急速衰減，在建筑物內(nèi)部未能實(shí)現(xiàn)高精度的定位[4]。蜂窩無(wú)線室外定位系統(tǒng)也同樣面臨這一問(wèn)題，因此他們均不能作為理想的室內(nèi)定位技術(shù)，達(dá)不到實(shí)際應(yīng)用中的精度標(biāo)準(zhǔn)。近年來(lái)，室內(nèi)定位技術(shù)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用不斷擴(kuò)展，如物流跟蹤、人員定位、物品入庫(kù)與管理、入侵檢測(cè)、智能家居等方面，應(yīng)社會(huì)發(fā)展需求，眾多學(xué)者通過(guò)不同技術(shù)手段對(duì)室內(nèi)位置信息的獲取展開(kāi)研究[5]。當(dāng)前技術(shù)中應(yīng)用于室內(nèi)定位方面的主要有紅外線、超聲波、射頻識(shí)別等，位置估計(jì)過(guò)程中必須用到網(wǎng)絡(luò)的有藍(lán)牙、WiFi和ZigBee[6]。Wifi、紅外線、藍(lán)牙、ZigBee、超聲波等技術(shù)在室內(nèi)位置估計(jì)中應(yīng)用時(shí)，由于室內(nèi)有人員走動(dòng)，且建筑物的材質(zhì)、內(nèi)部布局、物品擺放各異，這些因素將會(huì)影響到無(wú)線電波的傳播情況，導(dǎo)致定位信號(hào)在建筑物內(nèi)部的分布不同，從而影響室內(nèi)無(wú)線環(huán)境，使得這些技術(shù)的定位效果不是很好[7]。由于隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起而迅速發(fā)展的射頻識(shí)別技術(shù)（RadioFrequencyIdentification）具有非視距傳播、成本低、可重復(fù)使用、壽命長(zhǎng)、無(wú)須人工干預(yù)等特點(diǎn)，選用射頻識(shí)別技術(shù)作為定位的實(shí)現(xiàn)技術(shù)成為研究重點(diǎn)之一?，F(xiàn)階段基于RFID的定位技術(shù)正在飛速發(fā)展，在室內(nèi)二維平面空間的位置估計(jì)算法已經(jīng)相對(duì)成熟，在三維空間的定位研究尚處于起步階段。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)室內(nèi)三維空間的定位需求也日益增多，但國(guó)內(nèi)外關(guān)于RFID三維定位算法的研究還不太成熟，且設(shè)備成本高，計(jì)算誤差大，定位精度低，但是對(duì)于高層建筑物的-2- 第1章文獻(xiàn)綜述定位和導(dǎo)航來(lái)說(shuō)，室內(nèi)三維定位是必不可少的。對(duì)算法和設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)以提高定位準(zhǔn)確度、降低RFID技術(shù)的成本，使其能夠應(yīng)用于更多領(lǐng)域是當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。文中對(duì)現(xiàn)有室內(nèi)定位算法與技術(shù)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析對(duì)比，選擇對(duì)設(shè)備要求較低的以信號(hào)強(qiáng)度值為特征量的基于測(cè)距定位的算法作為研究重點(diǎn)，以主動(dòng)式RFID目標(biāo)定位為目的，利用信號(hào)強(qiáng)度對(duì)主動(dòng)式RFID目標(biāo)位置估計(jì)算法改進(jìn)的研究工作，在實(shí)際應(yīng)用中具有較高的價(jià)值。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1室內(nèi)定位技術(shù)的研究現(xiàn)狀無(wú)線定位在無(wú)線通信技術(shù)的進(jìn)步引導(dǎo)下和社會(huì)需求的推動(dòng)下受到廣泛關(guān)注日益增多并快速崛起?；谛l(wèi)星通信的GNSS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，能夠提供24小時(shí)位置信息服務(wù)，其在室外定位中的精度足以滿足軍事和日常生產(chǎn)生活中的需求，但當(dāng)需要定位的目標(biāo)位于建筑物內(nèi)部時(shí)，由于有嚴(yán)重的建筑物遮擋及傳播過(guò)程中干擾因素的影響，GNSS確定目標(biāo)位置的精度明顯下降，甚至因接收不到衛(wèi)星信號(hào)而無(wú)法定位。為滿足室內(nèi)定位需求，通過(guò)世界各地眾多研究學(xué)者和技術(shù)專家堅(jiān)持不懈的努力鉆研和技術(shù)創(chuàng)新，應(yīng)用于建筑物內(nèi)部的定位技術(shù)有了明顯的進(jìn)步?，F(xiàn)在，業(yè)界存在的紅外線室內(nèi)定位技術(shù)、超聲波定位系統(tǒng)、藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)、基于WiFi的定位技術(shù)、射頻識(shí)別定位系統(tǒng)和基于ZigBee的室內(nèi)定位方法等，它們各自擁有自己的優(yōu)點(diǎn)以及不足[8]。WANTR利用紅外線技術(shù)進(jìn)行了室內(nèi)定位研究，由設(shè)備節(jié)點(diǎn)紅外線標(biāo)識(shí)發(fā)射紅外射線，被建筑物內(nèi)部預(yù)先布設(shè)的光學(xué)傳感器接收，根據(jù)紅外線傳播的時(shí)間等信息轉(zhuǎn)換得到距離，從而對(duì)物體進(jìn)行位置估計(jì)[9]。紅外線的定位精度高于上述其它幾種位置估計(jì)技術(shù)方法。紅外線定位的缺陷是其只能夠在通視的情況下進(jìn)行傳播，無(wú)法通過(guò)遮擋物，為了全方位定位必須在各個(gè)走廊及房間布設(shè)昂貴的設(shè)備，建筑物內(nèi)部的照明設(shè)備或者熒光燈都會(huì)對(duì)測(cè)量帶來(lái)誤差及干擾，無(wú)法做到對(duì)目標(biāo)的精密位置估計(jì)。出現(xiàn)物體遮擋設(shè)備節(jié)點(diǎn)或者光學(xué)傳感器的狀況時(shí)，紅外線定位將無(wú)法工作，建筑物內(nèi)部布局復(fù)雜時(shí)系統(tǒng)成本高，且受傳播距離影響紅外線只適合小區(qū)域范圍內(nèi)定位。超聲波技術(shù)其代表定位系統(tǒng)Cricket是MT實(shí)驗(yàn)室在2000年針對(duì)ActionBat室內(nèi)定位系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)而研發(fā)出的，實(shí)現(xiàn)參考節(jié)點(diǎn)和被定位節(jié)點(diǎn)之間的直接距離是根據(jù)無(wú)線電波與超聲波在空間中傳播時(shí)間差而估算的[10]。超聲波定位方法和紅外線-3- 華北理工大學(xué)碩士學(xué)位論文類似，同樣是基于測(cè)距從而進(jìn)行目標(biāo)位置估計(jì)，有兩種測(cè)距方法——反射式和單向式。其中普遍使用的是反射式。超聲波定位系統(tǒng)硬件設(shè)備中包含主測(cè)距器和根據(jù)定位區(qū)域特點(diǎn)布設(shè)的多個(gè)應(yīng)答器。其中應(yīng)答器的位置是固定的，且坐標(biāo)信息已知，待定位目標(biāo)攜帶主測(cè)距器，在需要定位時(shí)發(fā)出波長(zhǎng)相同的無(wú)線信號(hào)，周圍的應(yīng)答器響應(yīng)后便在同一時(shí)刻發(fā)出超聲波給主測(cè)距器，物體與應(yīng)答器之間的距離由信息到達(dá)時(shí)間測(cè)量得到，這一過(guò)程中應(yīng)答器數(shù)量達(dá)到3個(gè)及以上便可在二維平面空間對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行位置估計(jì)。超聲波室內(nèi)定位技術(shù)的系統(tǒng)組成單一，對(duì)目標(biāo)位置估計(jì)準(zhǔn)確度高，但在室內(nèi)中受多徑效應(yīng)的干擾嚴(yán)重，與紅外線同樣在非視距傳播的情況下受限制，超聲波主測(cè)距器和應(yīng)答器硬件價(jià)格非常高，無(wú)法得到廣泛應(yīng)用。卞合善利用功耗較低的藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在室內(nèi)50m區(qū)域?qū)崟r(shí)定位[11]。藍(lán)牙是一種無(wú)線的適用于短距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)，當(dāng)這一技術(shù)用于定位時(shí)，采用信號(hào)強(qiáng)度作為特征量來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了確定移動(dòng)人員的位置，首先在建筑物內(nèi)部選擇恰當(dāng)?shù)牡攸c(diǎn)布設(shè)藍(lán)牙局域網(wǎng)接入點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)連接為基于多個(gè)用戶的基礎(chǔ)模式，移動(dòng)人員攜帶的終端藍(lán)牙與安裝的接入點(diǎn)保持連接進(jìn)行信息傳輸，便能估計(jì)得到移動(dòng)人員的位置。由于受藍(lán)牙本身技術(shù)限制，可定位距離短因而適用于倉(cāng)庫(kù)或辦公室等面積較小的區(qū)域。藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)在所有定位方法中最便于實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橐苿?dòng)人員所攜帶的終端PDA、手機(jī)或者電腦中一般配有藍(lán)牙模塊，打開(kāi)藍(lán)牙功能接入，便可以獲得移動(dòng)人員的位置信息。該定位方法的優(yōu)點(diǎn)之一，是常用的PDA和手機(jī)體積小便于攜帶，另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是利用藍(lán)牙能夠?qū)崿F(xiàn)非視距定位，且在小區(qū)域范圍內(nèi)利于確定移動(dòng)終端的位置。這一技術(shù)的缺點(diǎn)為藍(lán)牙硬件設(shè)備成本較高，而且在布局復(fù)雜人員流動(dòng)大的室內(nèi)，干擾噪聲數(shù)據(jù)嚴(yán)重影響著其定位精度。張軍利用WiFi信息獲取以無(wú)線局域網(wǎng)為實(shí)現(xiàn)手段，采用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11[12]，利用技術(shù)應(yīng)用中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠確定自身位置這一特點(diǎn)，WiFi定位系統(tǒng)能夠在大區(qū)域內(nèi)完成目標(biāo)定位，而且可做到監(jiān)測(cè)目標(biāo)活動(dòng)和軌跡跟蹤，設(shè)計(jì)了井下通訊救災(zāi)系統(tǒng)。WiFi定位系統(tǒng)在工作時(shí)所需基站數(shù)量很小，安裝布設(shè)簡(jiǎn)單，底層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)保持一致，在解算過(guò)程中不僅借鑒信號(hào)傳播模型，還考慮信號(hào)實(shí)際傳播情況采集測(cè)試數(shù)據(jù)，因此在較好的室內(nèi)環(huán)境中總體位置估計(jì)較為準(zhǔn)確[13]。針對(duì)Wi-Fi定位技術(shù)位于芬蘭的Ekahau公司研發(fā)了一種室內(nèi)位置信息軟件。該方法Wi-Fi收發(fā)器覆蓋區(qū)域半徑約為90m，較利用多邊定位算法的蜂窩網(wǎng)絡(luò)精度更高，定位結(jié)果距離真實(shí)位置在1～20m的區(qū)域內(nèi)變化。近幾年，Wi-Fi技術(shù)因成本較低的優(yōu)勢(shì)用于建筑物內(nèi)部小區(qū)域定位。Wi-Fi定位技術(shù)的不足之處有在多層建筑-4- 第1章文獻(xiàn)綜述物內(nèi)部定位時(shí)，必須根據(jù)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度解算目標(biāo)位置，假如只根據(jù)距離最近的節(jié)點(diǎn)定位，往往會(huì)得到錯(cuò)誤的樓層結(jié)果；而且Wi-Fi基站具有很高的能耗；定位精度較易因干擾信號(hào)而降低，抗干擾能力差。潘爵雨利用無(wú)線射頻信號(hào)在閱讀器與標(biāo)簽之間無(wú)需人工干預(yù)的情況下做到傳輸與接收，完成數(shù)據(jù)傳遞，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)跟蹤物體或需定位人員的判別和定位[14]。RFID系統(tǒng)一般成本較低，在通信過(guò)程中可以在很短時(shí)間內(nèi)讀取大量信息，從而完成識(shí)別目標(biāo)和系統(tǒng)定位工作。柳權(quán)針對(duì)室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜多變，常有阻擋物以及人員走動(dòng)等情況，研究了環(huán)境對(duì)超高頻RFID定位系統(tǒng)的影響，其具有非視距傳播、壽命長(zhǎng)、可以在惡劣的環(huán)境下使用等優(yōu)點(diǎn)，這使得RFID的發(fā)展前途要優(yōu)于其他定位方法[15]。李堯利用ZigBee即最近發(fā)展起來(lái)的一種有獨(dú)立的無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)、速率較低適用于小范圍的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，由傳感器內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸通信來(lái)完成在建筑物內(nèi)部定位[16]。其節(jié)點(diǎn)數(shù)量達(dá)到上千個(gè)且體積很小，由無(wú)線電波的方式將數(shù)據(jù)在傳感器節(jié)點(diǎn)之間逐一進(jìn)行傳輸，且利用很低的功耗高效完成通信任務(wù)，定位工作方式上與RFID和藍(lán)牙有些相似。韓濤進(jìn)一步使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化ZigBee定位，并研究了其在井下煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用[17]。雖然ZigBee用于定位所需成本較低，但僅采用ZigBee技術(shù)精度有限，目前研究嘗試將其與智能機(jī)器人、RFID技術(shù)相結(jié)合或者引進(jìn)相關(guān)定位算法以滿足實(shí)際應(yīng)用對(duì)定位的要求[18-20]。表1定位方法比較Table1Comparisonofpositioningmethods方法設(shè)備造價(jià)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)設(shè)備成本較低、可重RFIDRFID標(biāo)簽、閱讀器、收發(fā)天線低精度低復(fù)利用、非視距傳播具有WiFi通信模塊的PDA、覆蓋距離遠(yuǎn)、總精度容易受干擾、能耗WiFi手機(jī)等手持移動(dòng)終端和WiFi基低高、安裝簡(jiǎn)單大站紅外線發(fā)射標(biāo)識(shí)、天線、光學(xué)傳只適合短距離傳紅外線高定位精度高感器播、精度不穩(wěn)定、設(shè)備藍(lán)牙集成了藍(lán)牙功能的移動(dòng)終端高設(shè)備體積小，易普及成本高、抗干擾能力強(qiáng)ZigBee協(xié)調(diào)器、參考節(jié)點(diǎn)、盲節(jié)點(diǎn)低低功率短距離受非視距傳播影響應(yīng)答器、計(jì)算機(jī)、天線、主測(cè)距總的位置估計(jì)準(zhǔn)確度超聲波高大、多徑效應(yīng)干擾器高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單大、設(shè)備價(jià)格昂貴-5- 華北理工大學(xué)碩士學(xué)位論文1.2.2RFID室內(nèi)定位算法的研究現(xiàn)狀近年來(lái)，室內(nèi)定位技術(shù)隨著無(wú)線通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)步而迅速崛起。根據(jù)不同的使用環(huán)境和技術(shù)要求，世界各地的專家與學(xué)者針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合提出多種多樣的定位算法。對(duì)層出不窮的RFID室內(nèi)位置估計(jì)算法可以按照不同的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類。按照定位時(shí)是否能夠表達(dá)物體的高程信息，在平面上還是在三維空間進(jìn)行定位分為二維和三維。按照定位算法中對(duì)信號(hào)測(cè)量的特征量值不同，可以分為基于傳播信號(hào)的到達(dá)時(shí)間TOA（TimeofArrival）定位、基于接收信號(hào)強(qiáng)度RSSI（ReceivedsignalStrengthIndication）定位、基于傳播信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差TDOA（TimeDifferenceofArrival）定位、基于傳播信號(hào)的到達(dá)相位POA（PhaseofArrival）定位和基于傳播信號(hào)的到達(dá)入射角AOA（AngleofArrival）定位[21-24]。Hatthasin.U設(shè)計(jì)了一種在建筑物內(nèi)利用單個(gè)基站來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，采集特征量信號(hào)到達(dá)角度和信號(hào)傳播強(qiáng)度的分布，同時(shí)利用兩項(xiàng)數(shù)據(jù)在算法中對(duì)RSSI進(jìn)行迭代，通過(guò)增加迭代次數(shù)可以很大程度上減小誤差，使位置估計(jì)結(jié)果更接近目標(biāo)真實(shí)位置[25]。接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI，根據(jù)信號(hào)在傳播過(guò)程中衰減規(guī)律建立信號(hào)傳播衰減模型，表達(dá)信號(hào)衰減與距離之間的關(guān)系。定位設(shè)備包括信號(hào)發(fā)射節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)，發(fā)射節(jié)點(diǎn)發(fā)射一定功率的信號(hào)，根據(jù)接收節(jié)點(diǎn)收到的信號(hào)功率以及強(qiáng)度值由信號(hào)衰減距離模型擬合得到被定為物體與節(jié)點(diǎn)之間的距離，最后被定位物體的坐標(biāo)通過(guò)三邊或多邊定位法解算得到，從而完成定位。SunhongPark為室內(nèi)定位提出了一種基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間的算法[26]。采用該算法可以完成二維平面空間定位，降低了系統(tǒng)的成本，在定位精度上明顯提高，是根據(jù)傳播時(shí)間、兩個(gè)被測(cè)物體之間的相對(duì)角度和位置，利用這些信息確定目標(biāo)物體的位置[27]。TOA測(cè)距定位方法在硬件配置上要求很高，這是由于該測(cè)距方法根據(jù)從被定位物體處發(fā)射信號(hào)到接收設(shè)備傳播時(shí)間以計(jì)算它們之間的距離，GNSS便是典型的利用TOA進(jìn)行定位的方法。對(duì)于這類定位方法而言，時(shí)間測(cè)量誤差嚴(yán)重影響定位精度，例如測(cè)量時(shí)間與真實(shí)傳播時(shí)間相差1μs，則得到的距離將會(huì)有300m左右的誤差，因此各節(jié)點(diǎn)時(shí)間必須同步。胡夢(mèng)云在已有的根據(jù)信號(hào)到達(dá)時(shí)間差進(jìn)行定位的算法上，根據(jù)信號(hào)傳播特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化[28]。TDOA方法檢測(cè)移動(dòng)發(fā)射機(jī)傳輸至多個(gè)測(cè)量點(diǎn)的時(shí)間差，而不是TOA中絕對(duì)的到達(dá)時(shí)間[29]。發(fā)射機(jī)定位在有三個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)確定的雙曲面上，在有三個(gè)或更多測(cè)量點(diǎn)時(shí)便可實(shí)現(xiàn)二維定位中。利用TDOA方法估計(jì)物體的位置，-6- 第1章文獻(xiàn)綜述要求各個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)之間的參考時(shí)間和參考信號(hào)有很高的精確度，對(duì)于信號(hào)發(fā)射節(jié)點(diǎn)沒(méi)有任何要求。胡夢(mèng)云的算法為了減弱位置變化對(duì)定位誤差的影響，對(duì)卡爾曼濾波模型進(jìn)行優(yōu)化，在節(jié)點(diǎn)位置突變過(guò)程中能夠引入過(guò)渡的狀態(tài)，最終目標(biāo)物體的定位精度得到提高。蔣鵬等人提出了一種優(yōu)化的圓周定位算法，該方法通過(guò)智能天線測(cè)試待測(cè)節(jié)點(diǎn)信號(hào)的到達(dá)角度，采用了降維處理和分級(jí)廣播處理技術(shù)提高了定位精度[30]。但此法由于采用智能天線價(jià)格昂貴，在戶外區(qū)域的定位中使用較為廣泛。AOA方法是根據(jù)信號(hào)到達(dá)接收設(shè)備時(shí)的角度信息從而確定目標(biāo)物體位置，一般包括以下幾種算法：圓周定位，雙曲線定位和方向角定位。它是由TOA和TDOA技術(shù)發(fā)展而來(lái)的一種定位算法。表2RFID室內(nèi)定位算法比較Table2ComparisonofRFIDindoorpositioningalgorithms算法名稱優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)價(jià)格低廉，易實(shí)現(xiàn)，無(wú)需過(guò)多的硬件RSSI設(shè)備，RSSI值可以由無(wú)線通信模板得在環(huán)境復(fù)雜的情況下精度降低到硬件配置需求高，要求各節(jié)點(diǎn)達(dá)到時(shí)間精TOA準(zhǔn)確性高確同步TDOA技術(shù)的測(cè)距精度可達(dá)cm級(jí)需要時(shí)間精確同步，成本較高抗干擾能力差，適應(yīng)各種環(huán)境的能力差，AOA精度較高需要的智能天線價(jià)格昂貴通過(guò)對(duì)上述RFID位置估計(jì)算法進(jìn)行對(duì)比，利用RSSI測(cè)距定位算法對(duì)硬件設(shè)備要求較低，閱讀器配置相關(guān)模塊即可進(jìn)行測(cè)量RSSI值，無(wú)需配置特殊的硬件，推廣應(yīng)用中需要的成本較小，雖然環(huán)境復(fù)雜、多徑效應(yīng)明顯的情況下信號(hào)衰落模型不能非常準(zhǔn)確地表達(dá)室內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度變化，但采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段可以改善這些問(wèn)題。綜合比較，為更好地投入實(shí)際應(yīng)用，針對(duì)RSSI特點(diǎn)優(yōu)化RFID室內(nèi)定位算法，研究其改進(jìn)方法是具有意義的。1.2.3基于RSSI的RFID二維定位技術(shù)的研究現(xiàn)狀近年來(lái)，RFID技術(shù)主要以建筑物內(nèi)部目標(biāo)物體定位引起眾多專家學(xué)者的關(guān)注，主要體現(xiàn)在基于RFID技術(shù)的二維平面定位算法研究上，已經(jīng)較為成熟，針對(duì)三維空間定位算法的研究正在如火如荼地進(jìn)行，近年在嘗試將其投入實(shí)際應(yīng)用。下面主要介紹一些基于RSSI的RFID二維定位算法。以RSSI為特征量值的RFID位-7- 華北理工大學(xué)碩士學(xué)位論文置估計(jì)方法主要有多邊定位法、三角形質(zhì)心定位算法、LANDMARC算法和VIRE算法[31]。其中多邊定位法是根據(jù)基礎(chǔ)的幾何原理來(lái)定位目標(biāo)物體，由標(biāo)簽的RSSI利用對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型完成測(cè)距，得到目標(biāo)物體和節(jié)點(diǎn)之間的距離。其中表達(dá)RSSI與距離之間的轉(zhuǎn)化公式需要通過(guò)事先測(cè)量射頻信號(hào)傳播情況建模得到。LANDMARC和VIRE是利用最近鄰居數(shù)學(xué)原理的實(shí)時(shí)確定目標(biāo)物體位置的方法。LionelM.Ni等人提出了著名的LANDMARC算法[32]?；赗SSI的LANDMARC有規(guī)律地在已知的點(diǎn)位上布設(shè)參考標(biāo)簽，根據(jù)不同標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度值加權(quán)計(jì)算，最后確定待測(cè)目標(biāo)物體所攜帶標(biāo)簽的坐標(biāo)，從而得到目標(biāo)物體的位置。該方法需要成本低廉的標(biāo)簽數(shù)量較多，閱讀器數(shù)量少，目標(biāo)物體能夠得到較為準(zhǔn)確的定位且無(wú)需過(guò)多的資金。LANDMARC在RFID技術(shù)的室內(nèi)定位算法中意義顯著，后來(lái)很多專家學(xué)者推廣LANDMARC，為進(jìn)一步提高精度對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，提出改進(jìn)。LANDMARC可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體在二維平面空間的定位，可以很好地適應(yīng)環(huán)境變化，精度穩(wěn)定，但多徑效應(yīng)會(huì)極大地影響定位準(zhǔn)確度。針對(duì)LANDMARC這一缺陷，YiyangZhao和YunhaoLiu于2007年提出了VIRE（VirtualReferenceElimination）的定位技術(shù)對(duì)此改善[33]。VIRE為了減弱多徑效應(yīng)對(duì)目標(biāo)物體定位準(zhǔn)確度的影響，在保持參考標(biāo)簽數(shù)量不變的情況下，利用內(nèi)插算法添加具有一定RSSI數(shù)值的虛擬標(biāo)簽，以同樣的設(shè)備成本更靈活地應(yīng)對(duì)多變的室內(nèi)環(huán)境，提高目標(biāo)物體定位精度。JingWangsa和SoonJun提出了BVIRE（BoundaryVirtualLabelAlgorithm），以LANDMARC為基礎(chǔ)，類似于VIRE在網(wǎng)格和邊界添加虛擬標(biāo)簽得到邊界虛擬標(biāo)簽算法[34]。李鵬以BVIRE為研究基礎(chǔ)，針對(duì)信號(hào)非線性衰減，通過(guò)非線性插值得到IMPRO_BVIRE改進(jìn)算法，降低了定位誤差[35]。吳超采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)RSSI定位算法進(jìn)行優(yōu)化，以提高室內(nèi)環(huán)境中路徑損耗系數(shù)估計(jì)的準(zhǔn)確度，減小損耗模型參數(shù)估計(jì)偏差帶來(lái)的距離誤差，從而顯著提高目標(biāo)物體定位精度[36]。柳笛使用RSSI修正值對(duì)錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加權(quán)，針對(duì)傳統(tǒng)算法節(jié)點(diǎn)運(yùn)用不充分，將得到的定位結(jié)果作為新的錨節(jié)點(diǎn)參與計(jì)算，得到更高效準(zhǔn)確的改進(jìn)定位算法[37]。朱明輝采用高斯濾波模型對(duì)RSSI值進(jìn)行修正，測(cè)距參數(shù)由線性回歸估計(jì)得到優(yōu)化，選用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)法估計(jì)目標(biāo)物體位置，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該算法精度穩(wěn)定，定位效果良好[38]。郭瑞以三角形質(zhì)心定位為算法研究基礎(chǔ)，通過(guò)RSSI值強(qiáng)弱信息對(duì)參與定位的-8- 第1章文獻(xiàn)綜述錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行篩選，并以近似三角形內(nèi)點(diǎn)測(cè)試縮小范圍以減小誤差，采用加權(quán)的方式優(yōu)化質(zhì)心算法[39]?，F(xiàn)今針對(duì)二維室內(nèi)定位算法研究已經(jīng)比較成熟，LANDMARC為后續(xù)的算法研究打下了基礎(chǔ)，基于其的VIRE算法提出虛擬化也具有很重要的意義?；诙噙厹y(cè)量的RFID室內(nèi)定位算法精度有待提高，但其可做出便攜式系統(tǒng)，有很高的研究?jī)r(jià)值。1.2.4RFID三維定位算法的研究現(xiàn)狀二維定位技術(shù)無(wú)法滿足人員或物品較多的場(chǎng)所的生產(chǎn)需求，對(duì)于高層建筑物的定位和導(dǎo)航來(lái)說(shuō)，室內(nèi)三維定位是必不可少的，人們開(kāi)始研究RFID室內(nèi)三維定位，然而目前世界各地專家學(xué)者對(duì)三維室內(nèi)RFID定位算法的嘗試比較少[40]。JeffreyHightower和RoyWant等人提出了SpotON系統(tǒng)[41]。SpotON系統(tǒng)是RFID定位方案的標(biāo)志性代表。該系統(tǒng)根據(jù)標(biāo)簽在建筑物內(nèi)部的RSSI分布，大致計(jì)算出目標(biāo)物體的坐標(biāo)范圍，然后采用迭代計(jì)算的方式通過(guò)多次迭代估計(jì)以逼近目標(biāo)物體的真實(shí)位置。這種算法同樣適用于三維空間定位算法。但由于目標(biāo)物體的坐標(biāo)初始值很大程度地影響定位準(zhǔn)確性，且多次迭代運(yùn)算量很大，目前可以應(yīng)用于實(shí)際的SpotON系統(tǒng)還未能實(shí)現(xiàn)。AyoubKhan和VideepKumarAntiwal提出了一種將LANDMARC算法從二維擴(kuò)展至三維空間的技術(shù)，目前只在理論上進(jìn)行了仿真分析，未在真實(shí)環(huán)境中實(shí)驗(yàn)，且定位精度較低[42]。MathieuBouet和GuyPujolle在VIRE的基礎(chǔ)上提出了一種虛擬Landmarks的三維定位技術(shù)[43]。該算法是在建筑物室內(nèi)等間距地布設(shè)RFID閱讀器，根據(jù)一定的內(nèi)插算法添加大量虛擬參考標(biāo)簽，因所需閱讀器數(shù)量大，現(xiàn)在虛擬Landmarks的三維定位技術(shù)只在理論上進(jìn)行了仿真分析。WingW.Y和LiLin于2011年研究嘗試了適用于在三維空間中進(jìn)行定位的L-GEM算法，多次迭代并每次都對(duì)數(shù)列進(jìn)行訓(xùn)練以得到目標(biāo)物體的最小位置估計(jì)誤差，與三維的LANDMARC相比，該方法抗干擾能力增強(qiáng)，位置估計(jì)更準(zhǔn)確[44]。Chien-HoKo介紹了基于梯度下降法的適用于在三維空間中進(jìn)行定位的算法，根據(jù)RSSI計(jì)算出閱讀器與待定位物體之間的距離[45]。C.Wang和H.Wu等人介紹了一種通過(guò)能量分級(jí)信息進(jìn)行目標(biāo)定位的算法，這種算法可以實(shí)現(xiàn)三維定位[46-49]。董永峰在三維空間中通過(guò)動(dòng)態(tài)插入虛擬RFID參考標(biāo)簽，逐步逼近定位目標(biāo)，有效提高了室內(nèi)定位的精度[50]。彭靜介紹了以RFID為實(shí)現(xiàn)技術(shù)的，由Chan氏算-9- 華北理工大學(xué)碩士學(xué)位論文法得到初始值，梯度下降法逼近計(jì)算誤差函數(shù)的室內(nèi)三維定位模型[51]。文湘欣研究了采用多邊測(cè)量的有源RFID室內(nèi)定位算法，其中多邊定位法是根據(jù)基礎(chǔ)的幾何原理來(lái)定位目標(biāo)物體，由標(biāo)簽的RSSI利用對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型完成測(cè)距，得到目標(biāo)物體和節(jié)點(diǎn)之間的距離。其中表達(dá)RSSI與距離之間的轉(zhuǎn)化公式需要通過(guò)事先測(cè)量射頻信號(hào)傳播情況建模得到[52]。現(xiàn)在學(xué)界基于RFID的室內(nèi)三維空間定位主要還處在理論研究分析和仿真測(cè)試階段，能夠投入實(shí)際應(yīng)用的較少。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的基于RSSI信息的RFID二維室內(nèi)定位算法進(jìn)行研究，提出合適的改進(jìn)方案，以建立精度更高、性能穩(wěn)定的算法為研究目標(biāo)，并討論影響定位精度的各項(xiàng)因素。研究?jī)?nèi)容主要有：1）對(duì)基于對(duì)數(shù)距離損耗模型的定位方法進(jìn)行改進(jìn)，即由RSSI方法獲得待定位標(biāo)簽到各個(gè)讀寫器的距離后，建立方程組，研究解算精度更高的求解方法，以提高定位精度。核心思想是在近似解算法的基礎(chǔ)上，添加迭代計(jì)算，并研究如何使估計(jì)值更接近真實(shí)值，以選擇最合適的算法，對(duì)多邊迭代法做進(jìn)一步的改進(jìn)，建立新的數(shù)學(xué)模型。最后可進(jìn)一步研究影響定位精度的因素。2）研究三維空間如何得到閱讀器的位置。RFID三維定位算法是將上述二維定位算法擴(kuò)展到三維空間，閱讀器的位置在以標(biāo)簽為球心，以感知距離為半徑的球體內(nèi)，當(dāng)有多個(gè)標(biāo)簽時(shí)，閱讀器的位置將在這些球體的交集中，即可以得到一個(gè)方程組。算法流程為首先給定初始位置，確定計(jì)算距離公式，進(jìn)行迭代計(jì)算，滿足條件輸出最優(yōu)解。3）選擇適用于RFID室內(nèi)定位的標(biāo)簽。對(duì)標(biāo)簽的布設(shè)進(jìn)行研究，制定不同的標(biāo)簽布設(shè)方案，并比較其對(duì)定位精度的影響，確定最優(yōu)的布設(shè)方案。1.4技術(shù)路線RFID定位算法是利用RFID進(jìn)行室內(nèi)定位的核心，它直接關(guān)系到定位的精度和效率，理想的算法具有較高的定位精度，較高的抗干擾能力和較低的計(jì)算復(fù)雜度。研究RFID的室內(nèi)定位算法是根據(jù)RFID原理從資料整理、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)最后到數(shù)據(jù)精度分析等一系列的工作，主要技術(shù)路線如圖1所示。-10- 第1章文獻(xiàn)綜述資料總結(jié)查閱文獻(xiàn)研究現(xiàn)有定位算法確定定位方式(主動(dòng)式)建立模型標(biāo)簽布設(shè)方案的制定確定對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型參數(shù)改進(jìn)模型解算方法室內(nèi)定位數(shù)學(xué)模型定位實(shí)驗(yàn)算法編程實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)地測(cè)試精度分析初始值設(shè)置圖1技術(shù)路線圖Fig.1Technologyroadmap-11- 華北理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第2章RFID室內(nèi)定位技術(shù)射頻識(shí)別技術(shù)在室內(nèi)定位研究中占有非常重要的地位，按照定位方式的不同可分為被動(dòng)式和主動(dòng)式，以RFID為技術(shù)基礎(chǔ)發(fā)展了多種室內(nèi)定位算法。2.1射頻識(shí)別RFID技術(shù)射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)：一種能夠在非接觸和非視距的情況下，無(wú)需人工干預(yù)，利用射頻信號(hào)來(lái)識(shí)別和進(jìn)行大量信息數(shù)據(jù)雙向交換的技術(shù)。射頻按照工作頻率可分為低頻、高頻、超高頻、微波頻段，RFID識(shí)別距離和射頻信號(hào)頻率有關(guān)，低頻和高頻波段通信距離為1m以內(nèi)，超高頻在4m以上，微波識(shí)別范圍可達(dá)10米以上。RFID系統(tǒng)一般包括三個(gè)部分：閱讀器（又名讀寫器、讀卡器）、電子標(biāo)簽和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（應(yīng)用軟件）。數(shù)據(jù)閱讀器時(shí)序電子標(biāo)簽?zāi)芰刻炀€天線網(wǎng)路附著于物品上數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)物品圖2RFID系統(tǒng)的組成Fig.2CompositionofRFIDsystem在RFID系統(tǒng)工作的時(shí)候，一般而言，閱讀器通過(guò)天線發(fā)送特定頻率的射頻信號(hào)，一旦標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器的工作區(qū)域就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，獲得能量并且被激活。標(biāo)簽將其保存的數(shù)據(jù)信息通過(guò)天線發(fā)送給閱讀器。閱讀器接收到標(biāo)簽信號(hào)，經(jīng)過(guò)解調(diào)和解碼后對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行相應(yīng)的處理。閱讀器是獲取和處理標(biāo)簽數(shù)據(jù)和信息的設(shè)備，有些閱讀器能將數(shù)據(jù)寫到標(biāo)簽中，因此閱讀器也稱為讀寫器。閱讀器一般由控制模塊、射頻模塊和天線組成，分為手持式（便攜式）和固定式兩種。閱讀器可以是單獨(dú)的整體，也可以作為部件的-12- 第2章RFID室內(nèi)定位技術(shù)形式嵌入到其他系統(tǒng)中。讀寫器可以單獨(dú)具有讀寫、顯示和數(shù)據(jù)處理等功能，也可與計(jì)算機(jī)或其它系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)，完成對(duì)射頻標(biāo)簽的相關(guān)操作。常見(jiàn)的，閱讀器通過(guò)射頻信號(hào)激活標(biāo)簽，然后讀取標(biāo)簽內(nèi)的數(shù)據(jù)信息，并對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理或上傳到數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。閱讀器和標(biāo)簽之間可以通過(guò)全雙工、半雙工方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。不同的閱讀器可能會(huì)在頻率范圍、耦合方式、通信流程、數(shù)據(jù)傳輸方法等方面存在較大的區(qū)別。RFID標(biāo)簽也稱為電子標(biāo)簽、射頻卡或應(yīng)答器，是射頻識(shí)別系統(tǒng)中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和信息的電子裝置，由耦合元件（天線）及芯片（包括控制模塊和存儲(chǔ)單元）組成。標(biāo)簽可以根據(jù)應(yīng)用需要被制作成不同的形狀，如卡狀、盒狀、鈕扣狀等。標(biāo)簽的種類很多，可以應(yīng)用于不同的領(lǐng)域和場(chǎng)景。RFID系統(tǒng)的特點(diǎn)有：可同時(shí)非接觸讀取大量標(biāo)簽、RFID標(biāo)簽形狀多樣小巧、可重復(fù)使用無(wú)需更換、RFID電波具有一定的穿透性、可使用于惡劣的氣候環(huán)境中。由于RFID具有這些特點(diǎn)，因此廣泛運(yùn)用于防偽、跟蹤、交通調(diào)度、生產(chǎn)、物流、收費(fèi)站、醫(yī)療、圖書館等領(lǐng)域。其較強(qiáng)的抗干擾能力和非視距、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，使RFID可以應(yīng)用于室內(nèi)定位，并在室內(nèi)定位領(lǐng)域占據(jù)著很重要的地位。2.2RFID定位方式2.2.1被動(dòng)式定位2007年，被動(dòng)式目標(biāo)定位的定義由M.Youssef第一次提出，即在定位過(guò)程中，被跟蹤目標(biāo)無(wú)需攜帶定位設(shè)備，或與任何設(shè)備相關(guān)聯(lián)，且并不主動(dòng)參與到定位算法中，甚至是在被跟蹤目標(biāo)不知情的情況下，通過(guò)無(wú)線環(huán)境變化引起的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)信息波動(dòng)對(duì)其進(jìn)行定位。被動(dòng)式目標(biāo)定位的工作流程是，當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)部署的監(jiān)控區(qū)域后，網(wǎng)絡(luò)中不增加節(jié)點(diǎn)，在目標(biāo)不知情的情況下，通過(guò)目標(biāo)的出現(xiàn)對(duì)室內(nèi)無(wú)線環(huán)境的干擾，周邊傳感器節(jié)點(diǎn)所接收到的信號(hào)變化傳送給監(jiān)測(cè)基站，這些信息由各種算法處理后，得到定位目標(biāo)的位置和屬性，從而實(shí)現(xiàn)分析檢測(cè)和目標(biāo)跟蹤。分析檢測(cè)的算法主要有基于移動(dòng)均值和基于移動(dòng)方差，目標(biāo)跟蹤的有中點(diǎn)算法、交叉點(diǎn)算法和最佳覆蓋算法等。被動(dòng)式目標(biāo)定位主要應(yīng)用于入侵檢測(cè)、災(zāi)害救援、野生動(dòng)物的行為監(jiān)測(cè)與保護(hù)、智能家居等領(lǐng)域。被動(dòng)式目標(biāo)定位布設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)，有多種定位技術(shù)可以選擇，可以根據(jù)是否使用射頻識(shí)別技術(shù)分為兩類，非射頻信號(hào)的類型主要有視頻節(jié)點(diǎn)、加速度傳感器、-13- 華北理工大學(xué)碩士學(xué)位論文超聲波等，傳感器類型及其優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表3。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)視頻節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)加速度傳感器超聲波、激光、紅外線射頻信號(hào)傳感器節(jié)點(diǎn)無(wú)線信號(hào)擾動(dòng)室內(nèi)無(wú)線環(huán)境變化定位目標(biāo)進(jìn)入監(jiān)測(cè)基站分析檢測(cè)目標(biāo)跟蹤中點(diǎn)算法基于移動(dòng)均值交叉點(diǎn)算法基于移動(dòng)方差最佳覆蓋算法圖3被動(dòng)式目標(biāo)定位系統(tǒng)Fig.3Passiveobjectpositioningsystem表3被動(dòng)式目標(biāo)定位技術(shù)Table3Passiveobjectlocationtechnologies傳感器類型優(yōu)缺點(diǎn)視頻節(jié)點(diǎn)定位成本高，黑暗或煙霧環(huán)境無(wú)法工作加速度傳感器部署代價(jià)高超聲波、激光、紅外線成本高，適用性較局限射頻信號(hào)無(wú)需額外設(shè)備，可行性高、成本低廉2.2.2主動(dòng)式定位與被動(dòng)式目標(biāo)定位相對(duì)應(yīng)，主動(dòng)式目標(biāo)定位是指在定位過(guò)程中，待定位目標(biāo)主動(dòng)攜帶與其他定位設(shè)備相關(guān)聯(lián)的無(wú)線信號(hào)接收或發(fā)射設(shè)備，在已經(jīng)部署了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域被定位的過(guò)程。-14- 第2章RFID室內(nèi)定位技術(shù)主動(dòng)式定位的工作原理是，由待定位目標(biāo)攜帶的設(shè)備進(jìn)入到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)所覆蓋的區(qū)域后，所攜帶設(shè)備可以看作一個(gè)新增傳感器節(jié)點(diǎn)，接收或發(fā)射無(wú)線信號(hào)與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過(guò)對(duì)目標(biāo)所攜帶的設(shè)備進(jìn)行定位，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的定位。這也是主動(dòng)式目標(biāo)定位和被動(dòng)式的不同之一，它是在目標(biāo)（有意識(shí)）知情的情況下實(shí)現(xiàn)的。其中移動(dòng)目標(biāo)定位是實(shí)時(shí)獲得所攜帶設(shè)備或標(biāo)簽的無(wú)線信號(hào)信息，然后傳輸給數(shù)據(jù)處理中心加以計(jì)算、整理，最后得到其位置坐標(biāo)。在手機(jī)、汽車終端導(dǎo)航、室內(nèi)定位導(dǎo)航、基于RFID標(biāo)簽的物流定位、井下人員定位、地理位置的信息分發(fā)等領(lǐng)域主動(dòng)式定位已被廣泛應(yīng)用。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸信息中心、軟件、顯示系統(tǒng)定位算法基于測(cè)距的定位基于場(chǎng)景的定位鄰近算法定位AOA、TOA、概率算法如Landmarc系統(tǒng)TDOA、RSSIK近鄰法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖4RFID主動(dòng)式目標(biāo)定位系統(tǒng)Fig.4ActiveRFIDobjectpositioningsystem基于RFID技術(shù)的主動(dòng)式目標(biāo)定位系統(tǒng)組成有閱讀器、標(biāo)簽、應(yīng)用終端和帶有定位算法的軟件，信息中心是對(duì)無(wú)線信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的設(shè)備，是一種籠統(tǒng)的說(shuō)法，有時(shí)可以和應(yīng)用終端是同一設(shè)備。應(yīng)用終端的顯示系統(tǒng)將最終的定位成果表現(xiàn)-15- 華北理工大學(xué)碩士學(xué)位論文出來(lái)，以供使用?；赗FID技術(shù)的室內(nèi)定位算法總體上可以分為三類，即基于測(cè)距的定位、基于場(chǎng)景的定位和鄰近算法定位，其中鄰近算法中的Landmarc是RFID室內(nèi)主動(dòng)式定位的經(jīng)典系統(tǒng)。2.3基于RFID的室內(nèi)定位流程選擇標(biāo)簽確定附著物確定布設(shè)布設(shè)標(biāo)簽的類型的材質(zhì)格網(wǎng)的大小采集RSSI和距離數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)擬合對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型中的未知參數(shù)計(jì)算距離測(cè)量標(biāo)簽的RSSI代入公式計(jì)算標(biāo)簽至閱讀器的距離由標(biāo)簽至閱讀器的距離和各標(biāo)簽坐標(biāo)建立方程定位解算設(shè)置方程初始值，并進(jìn)行解算分析定位結(jié)果，比較不同算法的定位精度圖5RFID主動(dòng)式目標(biāo)定位流程圖Fig.5FlowchartofactiveRFIDpositioning本文采用的主動(dòng)式RFID室內(nèi)定位流程如下：1）布設(shè)標(biāo)簽，選擇實(shí)驗(yàn)中使用的標(biāo)簽類型和附著物材質(zhì)。2）基于RSSI的距離擬合首先，實(shí)驗(yàn)獲取先驗(yàn)數(shù)據(jù)，即一組距離和與其對(duì)應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度值，擬合對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型中的參數(shù)，這樣就得到適用于該環(huán)境的對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型。然后在定位實(shí)驗(yàn)中，由閱讀器測(cè)得標(biāo)簽的RSSI值，根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度值計(jì)算出閱讀器和標(biāo)簽之間的距離。-16- 第2章RFID室內(nèi)定位技術(shù)3）求待定位閱讀器的坐標(biāo)由標(biāo)簽坐標(biāo)和各標(biāo)簽至閱讀器的距離建立方程，解算閱讀器的坐標(biāo)，從而得到目標(biāo)物體的位置。（1）分別使用四種算法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，解算目標(biāo)物體位置，并對(duì)這四種算法的精度進(jìn)行比較分析。（2）研究初始值對(duì)定位精度的影響。（3）研究對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型參數(shù)的取值對(duì)定位精度的影響。（4）分析實(shí)驗(yàn)定位精度，并得出結(jié)論。2.4常見(jiàn)的RFID室內(nèi)定位方法對(duì)于RFID室內(nèi)定位，其基本原理是：閱讀器接收到標(biāo)簽發(fā)送或回饋的信息和解調(diào)解碼，根據(jù)射頻信號(hào)信息和已知位置信息，利用相關(guān)模型進(jìn)行定位位置解算處理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的定位。根據(jù)定位算法中測(cè)量的特征量值不同，可以分為RSSI、TOA、TDOA、AOA和PDOA等方法。1）TOA定位算法TOA是根據(jù)信號(hào)到達(dá)時(shí)間（TimeofArrival）進(jìn)行定位的方法。圖6中P表示攜帶有RFID標(biāo)簽的目標(biāo)物體，A、B、C代表閱讀器，(x,y)代表閱讀器的位ii置。圖6基于到達(dá)時(shí)間的定位示意圖Fig.6PositioningbasedonTOAmeasurements電磁波傳播速度接近光速，由測(cè)距公式計(jì)算出目標(biāo)物體至各閱讀器的距離：r=c*(t?t)ii0得到目標(biāo)物體至閱讀器A、B、C的距離后建立方程，解算目標(biāo)物體位置坐標(biāo)。-17- 華北理工大學(xué)碩士學(xué)位論文222?r=(x?x)+(y?y)11m1m?222?r2=(x2?xm)+(y2?ym)?222r=(x?x)+(y?y)?33m3m使用TOA方法定位所有的射頻電波發(fā)送方和接收方必須同步，并且所傳送的信號(hào)中一定要含有時(shí)間戳信息，這樣才能進(jìn)行后續(xù)的計(jì)算。2）TDOA定位算法TDOA是根據(jù)信號(hào)到達(dá)時(shí)間差（TimeDifferenceofArrival）實(shí)現(xiàn)定位的方法，該方法測(cè)量信號(hào)傳送至各測(cè)量裝置的時(shí)間之差，然后根據(jù)至少三個(gè)時(shí)間差信息建立方程，以計(jì)算出目標(biāo)物體的二維平面坐標(biāo)。2222r?r=(x?x)+(y?y)?(x?x)+(y?y)ijiijjTDOA方法相對(duì)于AOA方法僅要求各接收節(jié)點(diǎn)時(shí)間必須精確同步，對(duì)絕對(duì)到達(dá)時(shí)間無(wú)要求，減弱了由于信道在接收節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的誤差對(duì)定位精度的影響。3）AOA定位算法AOA是根據(jù)信號(hào)到達(dá)的角度（AngleofArrival）實(shí)現(xiàn)定位的方法，原理為目標(biāo)物體發(fā)出RFID信號(hào)，陣列天線接收后獲得待定位物體所在的方向，當(dāng)至少有2個(gè)測(cè)量點(diǎn)時(shí)便可以得到交點(diǎn)，從而確定物體的坐標(biāo)，當(dāng)有3個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行三維空間上的目標(biāo)物體定位。4）PDOA定位算法在電磁波傳播過(guò)程中，相位是重要的變化量之一?；谙辔蛔兓亩ㄎ环椒ǎc基于信號(hào)的傳播時(shí)間（TOA/TDOA）和基于信號(hào)能量衰減（RSSI）作為特征量進(jìn)行定位的方法不同，是根據(jù)到達(dá)信號(hào)相位差轉(zhuǎn)換得到標(biāo)簽與閱讀器之間的距離，然后由多個(gè)距離、已知坐標(biāo)建立方程，進(jìn)行解算估計(jì)待定位物體的位置。設(shè)閱讀器工作頻率為f，發(fā)送給標(biāo)簽的射頻信號(hào)中一部分會(huì)反射給閱讀器得到相位?，采用雙頻或多頻可以消除相位的整周模糊度，根據(jù)多個(gè)相位差計(jì)算一系列距離。?kd=?λ+λ4π2式中：λ—為射頻信號(hào)的波長(zhǎng)，m；k—由相位值得到的整周數(shù)。利用信號(hào)到達(dá)相位差進(jìn)行測(cè)距對(duì)信號(hào)強(qiáng)度要求低，但需要相關(guān)的技術(shù)測(cè)量相位-18- 第2章RFID室內(nèi)定位技術(shù)差，目前技術(shù)還不成熟。閱讀器發(fā)送的射頻信號(hào)頻率范圍廣泛，波長(zhǎng)不一，采用基于相位變化的定位方法測(cè)量范圍受射頻信號(hào)的波長(zhǎng)的影響，使用超高頻信號(hào)波長(zhǎng)約33cm，定位范圍有限。5）基于RSSI的定位算法RSSI即根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行定位的方法，通過(guò)測(cè)得節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度，將信息傳播造成的損耗通過(guò)信號(hào)傳播衰減模型計(jì)算得到被測(cè)目標(biāo)與基站間的距離，然后選擇合適的算法求得被測(cè)目標(biāo)的位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行定位。對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型（Log-distancePathLossModel）是射頻信號(hào)在空間傳播距離與信號(hào)衰減程度的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，表達(dá)了信號(hào)的衰減與傳播距離之間是關(guān)系。對(duì)數(shù)距離損耗模型公式如下：dP=P?10nlg+?0d0式中：P—為測(cè)得的信號(hào)強(qiáng)度，dBm；P—參考信號(hào)強(qiáng)度值，dBm；0n—路徑損耗指數(shù)；d—標(biāo)簽到閱讀器的距離，m；d—參考距離，m；0?—隨機(jī)誤差，dBm。圖7基于RSSI的定位示意圖Fig.7PositioningbasedonRSSImeasurement常見(jiàn)的基于RSSI的定位方法是由目標(biāo)攜帶標(biāo)簽，進(jìn)入事先布設(shè)好閱讀器的區(qū)域，有三個(gè)或三個(gè)以上閱讀器讀取到標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度值，閱讀器的位置已知，根據(jù)公式得到兩者之間的距離，建立方程并解算標(biāo)簽的坐標(biāo)，即可得到目標(biāo)物體的位置。這種方法一般需要另外設(shè)置數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)接收、處理標(biāo)簽傳輸給閱讀器的-19- 華北理工大學(xué)碩士學(xué)位論文數(shù)據(jù)，除標(biāo)簽和閱讀器外需要額外的設(shè)備，并且需要保證通電、網(wǎng)絡(luò)正常，否則將無(wú)法進(jìn)行定位。本文中的定位方法與常見(jiàn)的RSSI方法正好相反，在一定區(qū)域內(nèi)布設(shè)并記錄標(biāo)簽的坐標(biāo)作為已知量，由移動(dòng)目標(biāo)攜帶閱讀器，閱讀器識(shí)別標(biāo)簽并讀取其信號(hào)強(qiáng)度值，根據(jù)對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型計(jì)算距離，由距離和標(biāo)簽坐標(biāo)建立方程求解閱讀器的坐標(biāo)。定位方法無(wú)需額外設(shè)備，成本低，只要閱讀器電池有電正常工作即可實(shí)現(xiàn)定位，在惡劣的環(huán)境下仍然可以應(yīng)用，不需要網(wǎng)絡(luò)和持續(xù)通電。6）幾種典型定位算法的對(duì)比TOA、TDOA、AOA、PDOA和RSSI定位算法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，可以從設(shè)備成本、定位精度和抗干擾能力等方面綜合分析，根據(jù)具體需求選擇適合的定位算法。其中TOA和TDOA方法對(duì)時(shí)間同步的要求都很高，為了精確定位參考節(jié)點(diǎn)必須保持時(shí)間同步，TOA方法還需要保持時(shí)鐘的精確度，TDOA利用時(shí)間差對(duì)此要求較低，兩種定位方法硬件成本都較高?；谛盘?hào)到達(dá)相位差PDOA定位方法是近幾年才開(kāi)始研究，目前技術(shù)尚不成熟，定位范圍受波長(zhǎng)限制，在超高頻波段應(yīng)用較少。表4基于RFID室內(nèi)定位方法對(duì)比Table4ComparisonofindoorpositioningmethodsbasedonRFID方法特征量特點(diǎn)廉價(jià)易實(shí)現(xiàn)，硬件設(shè)備需求較少。對(duì)環(huán)境抗干擾弱RSSI基于接收信號(hào)強(qiáng)度定位精度不高。硬件配置需求高，價(jià)格昂貴，節(jié)點(diǎn)之間時(shí)間必須精TOA基于傳播信號(hào)的到達(dá)時(shí)間確同步，精度高TDOA基于傳播信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差分節(jié)點(diǎn)的時(shí)間必須精確同步，成本較高，精度高測(cè)角必須配置特殊的硬件，成本高，適用性差，精AOA基于傳播信號(hào)的到達(dá)入射角度高PDOA基于信號(hào)到達(dá)相位差定位范圍受波長(zhǎng)影響，技術(shù)未發(fā)展成熟TOA、TDOA、AOA三種方法雖然位置估計(jì)精度高，但硬件配置需求高，室內(nèi)大區(qū)域應(yīng)用這類技術(shù)增大成本，難以普及。而RSSI定位技術(shù)簡(jiǎn)單，對(duì)硬件要求低，市場(chǎng)上手機(jī)類多種無(wú)線通信模塊均有直接讀取RSSI硬件。如果利用算法改進(jìn)能夠適當(dāng)提高位置解算精度，在室內(nèi)定位普及推廣具有一定積極作用。-20- 第2章RFID室內(nèi)定位技術(shù)2.5本章小結(jié)本章主要介紹了RFID技術(shù)的組成和工作原理，RFID系統(tǒng)具有可同時(shí)非接觸讀取大量標(biāo)簽、RFID標(biāo)簽形狀多樣小巧、可重復(fù)使用無(wú)需更換、RFID電波具有一定的穿透性、可使用于惡劣的氣候環(huán)境中的特點(diǎn)。然后描述了被動(dòng)式定位和主動(dòng)式定位的特點(diǎn)、工作流程和應(yīng)用領(lǐng)域。本文采用的主動(dòng)式RFID室內(nèi)定位流程主要有布設(shè)標(biāo)簽、計(jì)算標(biāo)簽與閱讀器之間的距離、解算定位目標(biāo)的坐標(biāo)。最后介紹了幾種典型的定位方法RSSI、TOA、TDOA、AOA和PDOA，并從設(shè)備成本、定位精度和抗干擾能力等方面綜合分析進(jìn)行對(duì)比分析，選擇基于RSSI的主動(dòng)式室內(nèi)定位算法作為本文的研究重點(diǎn)。-21- 華北理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第3章室內(nèi)定位RSSI-距離模型的建立無(wú)線信號(hào)在傳播過(guò)程會(huì)有很大損耗，信號(hào)損耗程度和傳播距離之間具有一定的關(guān)系，室內(nèi)定位算法中基于RSSI的測(cè)距定位方法中，便是利用這一原理對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位。對(duì)于無(wú)源射頻識(shí)別電子標(biāo)簽，進(jìn)入RFID閱讀器的識(shí)別范圍后，獲取能量并反饋信號(hào)給閱讀器，閱讀器識(shí)別標(biāo)簽編號(hào)同時(shí)獲得該標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度值（RSSI），利用已經(jīng)建立好的距離擬合模型計(jì)算出電子標(biāo)簽與閱讀器之間的距離，然后根據(jù)多個(gè)電子標(biāo)簽的坐標(biāo)以及距離信息建立方程，對(duì)閱讀器的位置坐標(biāo)進(jìn)行估計(jì)。應(yīng)用最普遍的基于RSSI的距離擬合模型是對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型，在采用該模型前，需要利用已知數(shù)據(jù)對(duì)模型中的未知參數(shù)進(jìn)行解算，已知數(shù)據(jù)是射頻識(shí)別設(shè)備實(shí)地測(cè)量得到的標(biāo)簽的RSSI值和其距閱讀器的距離。3.1RFID信號(hào)傳播模型在無(wú)線信號(hào)傳播中，信號(hào)的傳輸損耗是很大的，也是影響無(wú)線電傳播距離的主要因素。理論上，RFID信號(hào)的在傳輸過(guò)程中的損耗大小與距離的平方以及工作頻率的平方成正比關(guān)系。這僅僅是天線以及傳輸環(huán)境為理想狀態(tài)的情況，在實(shí)際的室內(nèi)無(wú)線定位過(guò)程中，由于室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，室內(nèi)物品尺寸各異，會(huì)給RFID信號(hào)的傳播造成影響，包括造成反射、繞射、散射等。目前對(duì)于RFID信號(hào)在建筑物內(nèi)傳播有一些經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，無(wú)線信道的對(duì)數(shù)距離損耗模型如下。采用的對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型公式如下：dP=P?10nlg+?0d0其中路徑損耗指數(shù)n，即為無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度隨著傳輸距離而衰減的速率，根據(jù)無(wú)線信號(hào)的傳播環(huán)境而改變，在有遮擋物時(shí)會(huì)增大，由環(huán)境決定。同一大型建筑物內(nèi)部，不同位置的地理特征有差異，比如寬敞的空間和狹窄的樓道，樓道的中間部分、樓道的拐角和樓道的盡頭；室內(nèi)相似的位置物體的擺放也不盡相同；標(biāo)簽所附著的物體的材質(zhì)對(duì)信號(hào)的傳輸有影響，不同材質(zhì)的損耗系數(shù)不同；當(dāng)空氣含水量不同時(shí)，電磁波的傳播情況也不同，電磁波隨著含水量的增加傳輸過(guò)程中損耗變得更大，但其影響較小，數(shù)值波動(dòng)不顯著，因此對(duì)空氣中含水量對(duì)電磁波的影響不考慮。由于無(wú)線信號(hào)在傳播過(guò)程中受上述因素的影響，在同一大型建筑物內(nèi)部不同位置上電磁波傳播情況并非完全相同的，對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型中-22- 第3章室內(nèi)定位RSSI-距離模型的建立的路徑損耗指數(shù)也會(huì)有差異，因此理論上應(yīng)該對(duì)所有不同位置的無(wú)線信號(hào)傳播情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，即選擇特征點(diǎn)位置對(duì)其路徑損耗指數(shù)進(jìn)行求解。3.2RSSI測(cè)距誤差來(lái)源分析3.2.1干擾因素和現(xiàn)象電磁波在室內(nèi)環(huán)境中傳播時(shí)，在各種物體媒介上會(huì)發(fā)生多種物理過(guò)程，如吸收、折射、反射、散射、繞射、導(dǎo)引、多徑干涉和多普勒頻移等。電磁波頻段不同，在同一物體上會(huì)有不同的傳播現(xiàn)象；同一電磁波在經(jīng)過(guò)不同物體時(shí)，也會(huì)因物體材質(zhì)產(chǎn)生不同的物理過(guò)程；電磁波在經(jīng)過(guò)材質(zhì)不均勻的物體會(huì)發(fā)生散射。反射、繞射、散射等非視距傳播會(huì)使得信號(hào)信息不準(zhǔn)確從而干擾定位。圖8多徑現(xiàn)象Fig.8Multipathphenomenon多徑效應(yīng)是RFID信號(hào)在室內(nèi)傳播時(shí)很常見(jiàn)的一種現(xiàn)象，RFID信號(hào)遇到房間的墻壁、放置的家具、天花板、地板、甚至在周圍移動(dòng)的人員，經(jīng)過(guò)多條路徑最終一起到達(dá)感應(yīng)裝置，各條路徑的時(shí)間延遲、合成的幅度和相位將表現(xiàn)為信號(hào)的快衰落。除了多徑效應(yīng)，標(biāo)簽附著物的材質(zhì)是RFID傳播過(guò)程中的重要干擾因素。RFID室內(nèi)定位系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)生活中，需要將標(biāo)簽粘貼于物體上，比如墻壁，門窗，金屬物體等，由于標(biāo)簽所附著的物體材質(zhì)會(huì)吸收或反射讀寫器發(fā)來(lái)的射頻電磁波，從而影響識(shí)別距離，因此還需做實(shí)驗(yàn)選擇最適合的附著物材質(zhì)。對(duì)RFID標(biāo)簽的識(shí)別距離影響明顯的是材質(zhì)為金屬和液體的附著物。因?yàn)榻饘贂?huì)吸收閱讀器發(fā)出的電磁波并在內(nèi)部形成渦流，減弱原來(lái)磁場(chǎng)的能量，表現(xiàn)為信號(hào)損耗大，識(shí)別距離變短。裝有液體的物體作為附著物時(shí)，由于液體的介電常數(shù)非常高，波長(zhǎng)較短的超高頻電磁波最容易被吸收，從而大大降低信號(hào)強(qiáng)度，表現(xiàn)為識(shí)別距離變短。-23- 華北理工大學(xué)碩士學(xué)位論文3.2.2附著物材質(zhì)對(duì)識(shí)別距離的影響實(shí)驗(yàn)中測(cè)試了3種抗金屬射頻標(biāo)簽，抗金屬標(biāo)簽是采用特殊的防磁材料封裝的電子標(biāo)簽，有效防止金屬對(duì)RFID電波的影響，使其附著在金屬物體上識(shí)別距離相對(duì)于空氣中更遠(yuǎn)。其中標(biāo)簽1為ABS材質(zhì)，尺寸為135mm×22mm×12（厚）mm，孔徑4mm，兩孔間距120mm，工作頻率為860～960MHz，有效識(shí)別距離為0～6m。標(biāo)簽2和標(biāo)簽3的基材為FR-4，工作頻率為902～928MHz，有效識(shí)別距離為0～4m，尺寸分別為100mm×30mm×3.5mm和60mm×22mm×3.5mm。這三種標(biāo)簽的讀取速度≤0.05s，協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)為EPCClass1Gen2（ISO18000-6C）。為了研究不同附著物的材質(zhì)對(duì)標(biāo)簽識(shí)別距離的影響，將標(biāo)簽放在不同的物體上，測(cè)試閱讀器能夠穩(wěn)定識(shí)別的最遠(yuǎn)距離。這三種射頻標(biāo)簽在不同附著物上的最遠(yuǎn)識(shí)別距離見(jiàn)表5，其中懸空是指射頻標(biāo)簽由人手持無(wú)遮擋地進(jìn)行測(cè)量。表5附著物材質(zhì)對(duì)識(shí)別距離的影響Table5Influenceofattachmentmaterialonidentificationdistance附著物材質(zhì)標(biāo)簽類型最遠(yuǎn)識(shí)別距離/m標(biāo)簽1（D902）4.50墻壁標(biāo)簽2（1437）1.50標(biāo)簽3（1055）1.37標(biāo)簽1（D902）7.24玻璃標(biāo)簽2（1437）3.20標(biāo)簽3（1055）3.10標(biāo)簽1（D902）3.20金屬標(biāo)簽2（1437）2.03標(biāo)簽3（1055）4.19標(biāo)簽1（D902）1.71暖氣片標(biāo)簽2（1437）1.71標(biāo)簽3（1055）2.46標(biāo)簽1（D902）7.15懸空標(biāo)簽2（1437）2.90標(biāo)簽3（1055）0.75由表5可以看出，不同類型的標(biāo)簽，受附著物材質(zhì)的影響是不同的。標(biāo)簽1抗金屬效果差，放在電梯旁和暖氣片上之后，識(shí)別距離明顯變小；相反，標(biāo)簽3的抗金屬效果最好，放在有金屬的地方，識(shí)別距離最大。有一個(gè)共同點(diǎn)，將標(biāo)簽貼在玻璃上之后，所有標(biāo)簽的識(shí)別距離都有所增加。但是將標(biāo)簽放在玻璃上在實(shí)際操作中-24- 第3章室內(nèi)定位RSSI-距離模型的建立是不可行的，會(huì)增大標(biāo)簽的體積和重量。標(biāo)簽的識(shí)別距離與所附著的物體材質(zhì)有很大關(guān)系。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)以及對(duì)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)標(biāo)簽3放在金屬上，識(shí)別距離變遠(yuǎn)，且比較穩(wěn)定，信號(hào)穩(wěn)定讀數(shù)連續(xù)。雖然標(biāo)簽2在人拿著的情況下，識(shí)別距離最遠(yuǎn)，但是實(shí)際應(yīng)用中不可能懸空放置，且標(biāo)簽2有段距離測(cè)不到信號(hào)，識(shí)別距離也不穩(wěn)定。因此根據(jù)上表中各個(gè)標(biāo)簽在不同材質(zhì)附著物的識(shí)別距離大小，以及射頻標(biāo)簽3信號(hào)的穩(wěn)定性，最后選擇將標(biāo)簽3貼在金屬盒表面進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。3.3基于對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型的推導(dǎo)3.3.1模型中的未知參數(shù)在對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型的公式中，參考距離d0是人為擬定的，要求距離信號(hào)源不遠(yuǎn)，參考距離的數(shù)值對(duì)于對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型來(lái)說(shuō)非常重要，文中將其設(shè)為1m，參考信號(hào)強(qiáng)度P0理論上是信號(hào)源沿著所有可能的路徑經(jīng)過(guò)參考點(diǎn)所處的位置時(shí)的RSSI平均值。除了參考距離d0可以人為擬定外，無(wú)線電波損耗的兩個(gè)參數(shù)，路徑損耗指數(shù)n和參考信號(hào)強(qiáng)度P0是不確定的，要根據(jù)標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度值計(jì)算出標(biāo)簽至閱讀器之間的距離，首先需要對(duì)公式中的未知參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，且由于無(wú)線傳播環(huán)境不同，不同的位置需要重新測(cè)定和解算。參數(shù)的估計(jì)需要用到已知數(shù)據(jù)，通過(guò)已知數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)路徑損耗指數(shù)n和參考信號(hào)強(qiáng)度P0。即在室內(nèi)放置標(biāo)簽和閱讀器，測(cè)量閱讀器和標(biāo)簽之間的一組距離值以及標(biāo)簽在這些點(diǎn)位上的信號(hào)強(qiáng)度值，這樣就得到了一組d和P值，根據(jù)這些值來(lái)估計(jì)信道參數(shù)。這個(gè)標(biāo)簽只是為了獲得先驗(yàn)信道參數(shù)信息，在定位過(guò)程中不再需要，獲取已知數(shù)據(jù)后剔除這個(gè)標(biāo)簽。由對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型的公式可以看出，信號(hào)強(qiáng)度值P與距離d之間的關(guān)系符合對(duì)數(shù)衰減關(guān)系。由于?是隨機(jī)變量，相當(dāng)于是偶然誤差，令f(x)=Pdx=?10lgd0代入對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型，則f(x)=P+nx0-25- 華北理工大學(xué)碩士學(xué)位論文由上式可以看出f(x)與x滿足線性關(guān)系，f(x)是關(guān)于x的線性表達(dá)式。利用獲得的已知數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，求出斜率和直線與x軸的交點(diǎn)值，即得到路徑損耗指數(shù)n和參考信號(hào)強(qiáng)度P0。3.3.2模型參數(shù)解算方法在解算對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型的參數(shù)時(shí)采用最小二乘估計(jì)。最小二乘法是測(cè)量數(shù)據(jù)處理中最普遍的方法，它在平差領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。使用最小二乘法可以達(dá)到誤差的平方和最小的要求，完成方程解算，得到模型參數(shù)。其線性方程方程為：L+V=BX式中L為n×1的觀測(cè)向量，V為誤差向量，X為m×1的未知參數(shù)向量，B為X的系數(shù)矩陣，行列數(shù)是n×m。上式的數(shù)學(xué)解有三種情況：當(dāng)n＜m，上式有無(wú)窮多解；當(dāng)m＝n，上式有唯一解；當(dāng)n＞m時(shí)，上式為超定方程，沒(méi)有確定解，需要通過(guò)最小二乘算法對(duì)上式進(jìn)行求解，以獲得X的最優(yōu)估計(jì)。最小二乘估計(jì)的基本原則是：TVPV=min式中P為權(quán)矩陣，當(dāng)B為列滿秩時(shí)，方程的加權(quán)最小二乘解為T?1TX=(BPB)BPl在實(shí)際應(yīng)用中，權(quán)的計(jì)算是根據(jù)具體情況以及工程經(jīng)驗(yàn)獲得，沒(méi)有固定的公式，所以使用起來(lái)較為困難，因此有時(shí)直接使用最小二乘解。在不設(shè)置權(quán)重的情況下，方程的解為T?1TX=(BB)Bl使用最小二乘方法求解對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型中的參數(shù)時(shí)，式中的L是由觀測(cè)數(shù)據(jù)中的信號(hào)強(qiáng)度值組成的向量，已知數(shù)據(jù)中的讀卡器至標(biāo)簽的距離為d，將id=1代入，則0P=P?10nlgdi0i最小二乘方法中的B是由?10lgd組成的向量，即i?P1???PL=?2??????P?n?-26- 第3章室內(nèi)定位RSSI-距離模型的建立??10lgd1????10lgdB=?2???????10lgd?n?代入最小二乘估計(jì)求解的公式，進(jìn)行計(jì)算即可得到X。?P0?X=???n?這樣就求出了參考信號(hào)強(qiáng)度和路徑損耗指數(shù)。在對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型解算過(guò)程中會(huì)存在偶然誤差的影響。在實(shí)際解算過(guò)程中，使用最小二乘估計(jì)解算方法，可以保證解算結(jié)果的可靠性和實(shí)用性，論文通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析不同地點(diǎn)實(shí)際距離擬合精度。3.4基于RSSI的距離估計(jì)實(shí)驗(yàn)3.4.1數(shù)據(jù)采集的實(shí)驗(yàn)條件由于室內(nèi)無(wú)線環(huán)境的復(fù)雜性和不確定性，電磁波在建筑內(nèi)部不同位置的傳播情況是不同的，因此需要在不同地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲取參數(shù)估計(jì)過(guò)程中需要的先驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后求解不同地點(diǎn)的參考信號(hào)強(qiáng)度和路徑損耗指數(shù)。在采集數(shù)據(jù)時(shí)，選取了四個(gè)具有代表性的地點(diǎn)，其中地點(diǎn)1位于樓道的中間，地點(diǎn)2位于樓道的拐角，是南北方向，地點(diǎn)3在樓道拐角的東西方向，地點(diǎn)4接近樓道的盡頭。site3site4site1site2圖9實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)示意圖Fig.9Sketchmapofexperimentalsite-27- 華北理工大學(xué)碩士學(xué)位論文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集采用的是DC-0651B超高頻RFID讀卡器和無(wú)源標(biāo)簽，具有讀寫距離較遠(yuǎn)和數(shù)據(jù)傳輸快的特點(diǎn)。其頻率范圍為840~960MHz，通訊協(xié)議EPCC1GEN2/ISO18000-6C，有效識(shí)別距離為5m左右。無(wú)源標(biāo)簽采用的是PCB抗金屬標(biāo)簽，基材為FR-4，天線材質(zhì)為蝕刻銅箔，標(biāo)簽芯片為AlienHiggs3/ImpinjMonza4QT，頻率范圍為902~928MHz，尺寸為65×25×3.5mm，體積較小、芯片靈敏。由于標(biāo)簽附著物的材質(zhì)損耗系數(shù)不同，對(duì)于抗金屬標(biāo)簽來(lái)說(shuō)，選擇附著物為金屬最佳，所有標(biāo)簽的附著物保持一致，也可以避免因附著物材質(zhì)不同對(duì)信號(hào)強(qiáng)度值的影響導(dǎo)致的誤差。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，所有標(biāo)簽均附著于120×60×0.5mm的鐵盒上。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先確定讀卡器的位置，以0.5m的距離為間隔做標(biāo)記，將標(biāo)簽依次放在不同的距離處進(jìn)行測(cè)量，記錄標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度值。觀測(cè)時(shí)閱讀器參數(shù)配置天線增益為30，保持讀卡器和標(biāo)簽水平。實(shí)際觀測(cè)過(guò)程中閱讀器和標(biāo)簽的高度為1.1m。標(biāo)簽不可以被遮蓋，不能將標(biāo)簽放在水中或含水量很高的物體上。使用閱讀器觀測(cè)標(biāo)簽時(shí)，讀取速度≤0.05秒，采集頻率20次/秒。表6部分原始數(shù)據(jù)Table6FractionalrawdataEPC讀取時(shí)間RSSI0000000000002016072501012017-03-3111:05:41-73.800000000000002016072501012017-03-3111:05:41-70.300000000000002016072501012017-03-3111:05:41-70.300000000000002016072501012017-03-3111:05:41-70.300000000000002016072501012017-03-3111:05:41-71.000000000000002016072501012017-03-3111:05:41-71.000000000000002016072501012017-03-3111:05:41-71.800000000000002016072501012017-03-3111:05:41-71.000000000000002016072501012017-03-3111:05:41-71.000000000000002016072501012017-03-3111:05:41-69.600000000000002016072501012017-03-3111:05:41-71.80閱讀器讀取標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度值后，得到的原始數(shù)據(jù)格式如表6。原始數(shù)據(jù)包含標(biāo)簽的編號(hào)、讀取標(biāo)簽的RSSI值時(shí)的時(shí)間和當(dāng)時(shí)當(dāng)處所對(duì)應(yīng)的RSSI值，RSSI值越大，表示標(biāo)簽距離閱讀器越近，反之亦然。3.4.2RSSI數(shù)據(jù)處理由于觀測(cè)值中帶有少量粗差，在數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)，使用拉依達(dá)準(zhǔn)則將粗差剔除。-28- 第3章室內(nèi)定位RSSI-距離模型的建立求出一組觀測(cè)數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差估計(jì)值（即中誤差），該組數(shù)據(jù)中的每個(gè)數(shù)與平均值相減，將差值的絕對(duì)值大于三倍中誤差的數(shù)據(jù)剔除。某次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的粗差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表7，其中包括樣本總個(gè)數(shù)、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差、統(tǒng)計(jì)出的粗差個(gè)數(shù)和剔除粗差后的平均值，剔除粗差后的數(shù)據(jù)可用于后續(xù)研究。表7粗差統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table7Statisticalresultsofgrosserrors距離/m樣本總個(gè)數(shù)平均值標(biāo)準(zhǔn)差sigma粗差數(shù)量/個(gè)剔除粗差后平均值0.6191-55.8480.5980-55.8481.2284-62.3750.9430-62.3751.8248-67.4971.4331-67.4802.4436-72.4301.8710-72.4303529-71.0811.5024-71.0453.6187-77.6152.3292-77.5284.2334-76.8211.9470-76.821從表7中可以看出，每組數(shù)據(jù)中所包含的粗差數(shù)量并不多，對(duì)平均值的影響比較微弱，各組數(shù)據(jù)的數(shù)量不同是因?yàn)閷?shí)際觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)短不同，同一距離處的一組數(shù)據(jù)可以看作重復(fù)性觀測(cè)。將四個(gè)地點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，將信號(hào)強(qiáng)度平均值進(jìn)行整理，表8中的“—”表示在該距離沒(méi)有對(duì)應(yīng)的RSSI值，意味著標(biāo)簽超出了閱讀器的識(shí)別范圍。表8距離與RSSI實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table8DistanceandRSSIexperimentaldata距離/m地點(diǎn)1地點(diǎn)2地點(diǎn)3地點(diǎn)40.6-55.3431-55.848-56.061-55.43871.2-61.8866-62.375-62.8648-62.49461.8-67.2371-67.480-65.7509-67.44252.4-74.4482-72.430-70.2061-74.13823.0-72.4216-71.045-68.6811-70.97923.6-75.0071-77.528-75.2599-75.77594.2-74.3758-76.821-72.9509-70.79914.8——-75.7505-73.7425.4——-74.7431—6.0——-76.8685—-29- 華北理工大學(xué)碩士學(xué)位論文3.4.3模型參數(shù)估計(jì)采用最小二乘方法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型參數(shù)解算，求得的各個(gè)地點(diǎn)對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型的路徑損耗指數(shù)和參考信號(hào)強(qiáng)度見(jiàn)表9。從表9中可以看出，四組數(shù)據(jù)的參考信號(hào)強(qiáng)度相差不大，但是路徑損耗指數(shù)略有差異。地點(diǎn)2和地點(diǎn)3都在樓道拐角，位置很接近，只是方向不同，但求得的路徑損耗指數(shù)相差略大。表9參數(shù)擬合結(jié)果Table9Parameterfittingresults參數(shù)地點(diǎn)1地點(diǎn)2地點(diǎn)3地點(diǎn)4P0-61.087-61.065-60.981-61.519n2.4712.6092.0582.0720.6m1.2m3.0m1.8m4.2m2.4m3.6ma地點(diǎn)1b地點(diǎn)2c地點(diǎn)3d地點(diǎn)4圖10參數(shù)擬合圖Fig.10Parameterfittingchart-30- 第3章室內(nèi)定位RSSI-距離模型的建立圖10是將原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用于擬合的散點(diǎn)圖和最小二乘方法擬合得到的直線同時(shí)表示出來(lái)，其中坐標(biāo)軸的橫軸是-10lg(d/d0)，縱軸是信號(hào)強(qiáng)度P。前面的點(diǎn)是標(biāo)簽距離閱讀器較遠(yuǎn)的點(diǎn)，后面的點(diǎn)是標(biāo)簽距離閱讀器較近的點(diǎn)，圖中最右端的點(diǎn)是距離為0.6m的點(diǎn)，前面的以此類推。圖a是地點(diǎn)1的數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖和擬合出直線，圖b是地點(diǎn)2，圖c是地點(diǎn)3，圖d是地點(diǎn)4。從圖10中可以看出，擬合得到的直線與后4個(gè)點(diǎn)之間的距離很近，前面的點(diǎn)比較分散，距直線較遠(yuǎn)，這意味著受室內(nèi)無(wú)線傳播環(huán)境影響，較遠(yuǎn)的距離得到的信號(hào)值不準(zhǔn)確，這也是室內(nèi)定位的難點(diǎn)。綜合對(duì)比這四幅圖，信號(hào)強(qiáng)度值隨著距離的增大而變小，這種關(guān)系在1.8m的距離之內(nèi)保持良好。標(biāo)簽和閱讀器之間的距離超過(guò)1.8m之后，RSSI值開(kāi)始在擬合出的直線兩側(cè)徘徊，上下波動(dòng)，這意味著數(shù)據(jù)不再完全符合線性關(guān)系，因此利用無(wú)源RFID設(shè)備的RSSI值只能夠很好地預(yù)測(cè)較小的距離，距離較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生更大的誤差。其中圖a、b、c的線性關(guān)系較為明顯，RSSI值的變化大致趨勢(shì)相同，圖d前面的點(diǎn)嚴(yán)重偏離直線，且頗為分散，這跟地點(diǎn)4所處的位置有關(guān)，地點(diǎn)4接近墻角，周邊物品較其他三處都多，無(wú)線信號(hào)在傳播時(shí)多徑效應(yīng)復(fù)雜，因此環(huán)境狹隘、障礙物較多時(shí)，RSSI值與距離之間的關(guān)系不再適用對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型，即較遠(yuǎn)處的標(biāo)簽RSSI值無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其與閱讀器之間的距離值。3.4.4基于RSSI的距離估計(jì)將求得的對(duì)數(shù)距離損耗模型中的參數(shù)代入到公式中，對(duì)各個(gè)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的距離進(jìn)行擬合，參與擬合計(jì)算的真實(shí)距離值與擬合值的差即擬合殘差，各個(gè)地點(diǎn)距離擬合的殘差和中誤差見(jiàn)表10。使用最小二乘方法進(jìn)行擬合得到殘差圖見(jiàn)圖11，圖a是地點(diǎn)1的數(shù)據(jù)擬合殘差圖，圖b是地點(diǎn)2，圖c是地點(diǎn)3，圖d是地點(diǎn)4。從殘差圖中可以看出，每個(gè)地點(diǎn)的數(shù)據(jù)殘差情況是不同的，地點(diǎn)1的殘差最大值是在標(biāo)簽距離閱讀器2.4m的位置，地點(diǎn)2無(wú)殘差過(guò)大的點(diǎn)，地點(diǎn)3的殘差最大值在標(biāo)簽距離閱讀器3.6m的位置，地點(diǎn)4的殘差明顯大于其他地點(diǎn)，因?yàn)樗臄?shù)值最大。這和觀測(cè)地點(diǎn)周圍具體的遮擋物、反射物、空間大小有關(guān)系，屬于不可控且不可預(yù)測(cè)的因素，而且信號(hào)強(qiáng)度值的變化與周圍環(huán)境情況之間的關(guān)系無(wú)法定量分析。-31- 華北理工大學(xué)碩士學(xué)位論文a地點(diǎn)1b地點(diǎn)2c地點(diǎn)3d地點(diǎn)4圖11殘差圖Fig.11Residualsgraph表10距離擬合殘差Table10Distancefittingresiduals距離/m地點(diǎn)1地點(diǎn)2地點(diǎn)3地點(diǎn)40.6-0.0150.023-0.023-0.0911.2-0.123-0.0770.035-0.0861.8-0.026-0.035-0.0950.1312.41.0730.3310.4081.6643-0.124-0.580-0.633-0.1393.60.0590.7081.3431.2754.2-0.750-0.184-0.383-1.3964.8——0.422-0.9115.4——-0.735—6——-0.083—中誤差/m0.5400.4450.6381.097從表10中各個(gè)地點(diǎn)距離擬合的殘差可以看出，地點(diǎn)1的中誤差為0.540m，殘差絕對(duì)值較大的點(diǎn)是2.4m和4.2m，其它點(diǎn)殘差均小于0.2m；地點(diǎn)2的中誤差為-32- 第3章室內(nèi)定位RSSI-距離模型的建立0.445m，殘差絕對(duì)值從1.8m以內(nèi)殘差均小于0.1m，2.4m開(kāi)始明顯變大，且有正有負(fù)，殘差最大的點(diǎn)在距離3.6m的地方，為0.708m；地點(diǎn)3數(shù)據(jù)殘差情況和地點(diǎn)2類似，中誤差為0.638m，在距離3.6m時(shí)殘差最大，為1.343m；地點(diǎn)4的中誤差在所有地點(diǎn)中最大，為1.097m，距離超過(guò)1.8m之后的殘差都很大，甚至在1m以上。在距離1.8m以內(nèi)4組數(shù)據(jù)的殘差均很小，對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型在1.8m的范圍內(nèi)將會(huì)非常適用，可以滿足室內(nèi)定位的需求。超過(guò)1.8m后，殘差均增大，個(gè)別距離的殘差很大，比如2.4m時(shí)殘差陡然增大。所有殘差中絕對(duì)值最小為地點(diǎn)1的0.015m，殘差絕對(duì)值最大為地點(diǎn)4的1.664m；距離擬合地點(diǎn)2的中誤差最小，為0.445m，地點(diǎn)4的中誤差為1.097m，是4組數(shù)據(jù)中最大的，且明顯大于其他地點(diǎn)。地點(diǎn)2和3都在樓道拐角，因此數(shù)據(jù)散點(diǎn)分布相似，比較均勻地分布在直線兩側(cè)，但是地點(diǎn)3受較遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)影響，得到的路徑損耗指數(shù)偏小，中誤差較大。地點(diǎn)4的殘差和中誤差較大的原因是樓道盡頭環(huán)境復(fù)雜，有一個(gè)小小的拐角，并且擺放著東西，這些都對(duì)射頻信號(hào)的傳播造成了影響，因此圖中的數(shù)據(jù)散點(diǎn)最為分散，中誤差最大。閱讀器的識(shí)別距離和環(huán)境之間的關(guān)系不明確，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)規(guī)律。3.4.5殘差與距離之間關(guān)系的分析圖12實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)殘差曲線圖Fig.12Experimentalsiteresidualsplot-33- 華北理工大學(xué)碩士學(xué)位論文將各個(gè)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)不同距離上的擬合殘差用折線圖表達(dá)出來(lái)，效果見(jiàn)圖12。從圖12中可以看出，在1.8m以內(nèi)折線在0m上下波動(dòng)，使用求解得到的對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型參數(shù)由RSSI計(jì)算距離，得到的擬合值與真實(shí)值相差很小。在1.8m之后折線上下波動(dòng)幅度開(kāi)始增大，十分劇烈，最大值接近2m，最小值接近-1.5m，這說(shuō)明得到的擬合值與真實(shí)值嚴(yán)重不符。這四條折線中，波動(dòng)最大的是地點(diǎn)4，波動(dòng)較小的是地點(diǎn)2。距離與信號(hào)強(qiáng)度值之間的關(guān)系與對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型的符合程度，和觀測(cè)地點(diǎn)周圍具體的遮擋物、反射物、空間大小有關(guān)系，屬于不可控且不可預(yù)測(cè)的因素，而且信號(hào)強(qiáng)度值的變化與周圍環(huán)境情況之間的關(guān)系無(wú)法定量分析。但在一定的距離范圍內(nèi)，對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型可以很好地表達(dá)距離與信號(hào)強(qiáng)度值之間的關(guān)系。3.5本章小結(jié)本章介紹了基于RSSI的距離擬合模型——對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型，分析了影響RFID信號(hào)識(shí)別距離的干擾因素，并實(shí)驗(yàn)測(cè)試了標(biāo)簽在不同材質(zhì)附著物上的識(shí)別距離。選擇4個(gè)具有代表性的地點(diǎn)使用超高頻RFID設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)預(yù)處理后根據(jù)先驗(yàn)數(shù)據(jù)求解對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型參數(shù)。對(duì)于超高頻RFID設(shè)備而言，對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型在1.8m以內(nèi)可以很好地表達(dá)距離與信號(hào)強(qiáng)度值之間的關(guān)系。不同地點(diǎn)的模型參數(shù)雖然相近但不相同，周圍具體的遮擋物、反射物、空間大小均會(huì)影響參數(shù)變化。-34- 第4章基于RSSI的主動(dòng)式室內(nèi)定位算法第4章基于RSSI的主動(dòng)式室內(nèi)定位算法第二章詳盡分析了室內(nèi)定位方式和主要定位算法，RSSI方法具有低成本易實(shí)現(xiàn)、對(duì)硬件要求低等優(yōu)點(diǎn)，第三章進(jìn)行了對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型參數(shù)解算和基于RSSI的距離擬合。本章就室內(nèi)定位數(shù)學(xué)模型和解算方法進(jìn)行了討論。4.1定位算法的數(shù)學(xué)模型本文定位方法屬于主動(dòng)式RFID目標(biāo)定位，定位目標(biāo)是處于定位區(qū)域范圍內(nèi)活動(dòng)的人員，通過(guò)解算人員所攜帶的閱讀器的坐標(biāo)，從而確定待定位人員的位置。定位的基本思想是，采取單個(gè)閱讀器接收多個(gè)標(biāo)簽信號(hào)的方法，利用標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度值（RSSI）得到各標(biāo)簽與待定位閱讀器之間的距離，求解待定位閱讀器的位置坐標(biāo)。本文定位方法的特點(diǎn)是：1）在無(wú)網(wǎng)絡(luò)的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)人員定位。2）定位過(guò)程中所需的設(shè)備簡(jiǎn)單成本低，提前布設(shè)好標(biāo)簽并采集標(biāo)簽的坐標(biāo)，定位時(shí)只需攜帶閱讀器。3）定位是為需要獲取自身位置信息的人群服務(wù)，通過(guò)識(shí)別周圍標(biāo)簽可計(jì)算出自己的坐標(biāo)，如果能夠加載地圖便可以顯示自己在地圖中的位置。該定位方法適用于室內(nèi)人員自主定位，即便在斷電斷網(wǎng)的情況下，仍能夠?qū)崿F(xiàn)人員自主定位，并可根據(jù)閱讀器配備的地圖進(jìn)行導(dǎo)航（若已儲(chǔ)存地圖數(shù)據(jù)），必要的情況下可以自主求生避險(xiǎn)。圖13主動(dòng)式室內(nèi)定位示意圖Fig.13Sketchmapofactiveindoorpositioning如圖13所示，若室內(nèi)安裝了C1-C6共6個(gè)標(biāo)簽，人員P001攜帶RFID閱讀器進(jìn)入室內(nèi)?？梢噪S時(shí)接收C1-C6共6個(gè)標(biāo)簽射頻信息（含坐標(biāo)信息xi，yi）和信號(hào)-35- 華北理工大學(xué)碩士學(xué)位論文RSSI值。在進(jìn)行定位時(shí)，已知數(shù)據(jù)是4個(gè)標(biāo)簽的坐標(biāo)和各標(biāo)簽到閱讀器的距離，由此建立方程，求解待定位閱讀器的坐標(biāo)。假設(shè)第i個(gè)標(biāo)簽坐標(biāo)（xi，yi）無(wú)誤差，移動(dòng)目標(biāo)精確坐標(biāo)為（M，N）；第i個(gè)標(biāo)簽到移動(dòng)物體或人員距離為di，是將實(shí)測(cè)的RSSI值根據(jù)傳播經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)數(shù)距離路徑損耗信號(hào)模型（d0取1m）間接轉(zhuǎn)換得到的，誤差為Vi。如圖1所示，人員P001可以同時(shí)收到6個(gè)標(biāo)簽信號(hào)，按照距離優(yōu)選法則選取其中3、4個(gè)距離數(shù)值較小標(biāo)簽列出方程，本例中選取是C1、C2、C3、C4標(biāo)簽。22d+V=(x?M)+(y?N)111122d+V=(x?M)+(y?N)222222d+V=(x?M)+(y?N)333322d+V=(x?M)+(y?N)44444.2定位數(shù)學(xué)模型線性化根據(jù)讀卡器和標(biāo)簽之間的距離來(lái)定位待定位人員的坐標(biāo)，則可將距離看作觀測(cè)量，為便于后續(xù)計(jì)算，用L表示，并考慮觀測(cè)中的誤差，對(duì)待定位人員所持閱讀器建立定位算法模型：22L+v=(x?x)+(y?y)（1）iiii上式中Li為待定位讀寫器到第i個(gè)標(biāo)簽距離的實(shí)際測(cè)量值，v為相應(yīng)的測(cè)量誤差。設(shè)（x0，y0）為待定位讀寫器的初始估計(jì)位置，則在（x0，y0）處用泰勒級(jí)數(shù)法展開(kāi)可得：22(xi?x0)(x?x0)+(yi?y0)(y?y0)L+v=(x?x)+(y?y)+(?)+iii0i0（二22(x?x)+(y?y)i0i0次以上項(xiàng)）當(dāng)x與x0非常接近時(shí)，上式中二次以上各項(xiàng)很微小，可以略去，則上式可以寫為(xi?x0)(x?x0)+(yi?y0)(y?y0)22v=??(L?(x?x)+(y?y))iii0i022(x?x)+(y?y)i0i0令-36- 第4章基于RSSI的主動(dòng)式室內(nèi)定位算法δx=x?x0δy=y?y022f=(x?x)+(y?y)ivi0i0x?xi0b=?i122(x?x)+(y?y)i0i0y?yi0b=?i222(x?x)+(y?y)i0i0則展開(kāi)后的式子可以寫作：v=bδx+bδy?(L?f)ii1i2iiv將其改寫成矩陣形式：V=BX?l其中：?b11b12???bbB=?2122???????bb?n1n2??δx?X=???δy??L1?f1v???L?fl=?22v??????L?f?nnv?4.3定位數(shù)學(xué)模型的常見(jiàn)解算方法4.3.1近似解算法近似解算法是將方程組進(jìn)行變換后求取近似解。由定位算法的數(shù)學(xué)模型，式（1）可以寫作：222L=(x?x)+(y?y)iii（2）當(dāng)式（2）中i=1時(shí)，-37- 華北理工大學(xué)碩士學(xué)位論文222L=(x?x)+(y?y)111（3）式（2）中各個(gè)方程減去式（3），并將方程組轉(zhuǎn)換成矩陣形式為：AX=Y（4）如果標(biāo)簽數(shù)量為4，式（4）中：?2(x2?x1)2(y2?y1)???A=2(x?x)2(y?y)?3131??2(x?x)2(y?y)??4141?222222?L?L+x?x+y?y?122121?222222?Y=L?L+x?x+y?y?133131??L2?L2+x2?x2+y2?y2??144141??x?X=???y?最后，方程的解為：T?1TX=(AA)AY近似解算法是由定位算法數(shù)學(xué)模型變形得到的，在解算過(guò)程中計(jì)算量比較小，能實(shí)現(xiàn)快速定位，算法簡(jiǎn)單但是精度有限，一般可以用于粗略定位。4.3.2最小二乘法最小二乘法是測(cè)量數(shù)據(jù)處理中最普遍的方法，它在平差領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。使用最小二乘法可以達(dá)到誤差的平方和最小的要求，完成方程解算，獲得待定位讀卡器的位置。其線性方程方程為：L+V=BX式中：L—為n×1的觀測(cè)向量；V—為誤差向量；X—為m×1的未知參數(shù)向量；B—為X的系數(shù)矩陣，行列數(shù)是n×m。最小二乘估計(jì)的基本原則是：TVPV=min式中P為權(quán)矩陣，當(dāng)B為列滿秩時(shí)，方程的加權(quán)最小二乘解為-38- 第4章基于RSSI的主動(dòng)式室內(nèi)定位算法T?1TX=(BPB)BPl在實(shí)際應(yīng)用中，權(quán)的計(jì)算是根據(jù)具體情況以及工程經(jīng)驗(yàn)獲得，沒(méi)有固定的公式。在室內(nèi)定位的數(shù)學(xué)模型線性化后，使用最小二乘法對(duì)方程組進(jìn)行求解，需要給方程賦初始值，初始值跟真值的接近程度將直接影響最終定位結(jié)果的精度，這是最小二乘方法的不足之處。4.4室內(nèi)定位算法的改進(jìn)4.4.1半?yún)?shù)估計(jì)最小二乘估計(jì)中，僅考慮觀測(cè)值的偶然誤差，不考慮系統(tǒng)誤差，得到的參數(shù)解是最優(yōu)線性無(wú)偏估計(jì)量。但是在實(shí)際問(wèn)題中，如果不考慮模型誤差的影響，有時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響參數(shù)估值結(jié)果。為克服以上參數(shù)模型的局限，半?yún)?shù)回歸模型提供了一種新方法。半?yún)?shù)回歸的函數(shù)模型可以表達(dá)為：L=BX+S+VS是一個(gè)表述模型誤差的n維未知向量，一般情況下與某個(gè)量的有函數(shù)關(guān)系。半?yún)?shù)估計(jì)的補(bǔ)償最小二乘原理，與觀測(cè)方程對(duì)應(yīng)的誤差方程為∧∧V=Bx+S?l∧∧000式中，S是S的估計(jì)向量，其中l(wèi)=L?BX，X是X的近似值，x是X的改正向量。在誤差方程的基礎(chǔ)上附加最優(yōu)化準(zhǔn)則：∧∧TTVPV+αSRS=min式中，R是一個(gè)給定的正定矩陣，α是平滑因子，本文使用L曲線法確定平滑因子。解得參數(shù)X以及非參數(shù)分量S?：X=HYS?=M(I?BH)l其中：T?1TH=(BP(I?M)B)BP(I?M)?1M=(P+αR)P-39- 華北理工大學(xué)碩士學(xué)位論文4.4.2加權(quán)迭代法加權(quán)迭代法的主要思想是通過(guò)泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)法將非線性方程轉(zhuǎn)化為線性方程，再進(jìn)行求解，是對(duì)最小二乘估計(jì)定位解算方法的改進(jìn)。主要原理為在通過(guò)幾何原理建立非線性方程組后，將其在初始估計(jì)值處進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，展開(kāi)后只取前兩項(xiàng)，后面的高次項(xiàng)忽略。經(jīng)過(guò)泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)處理后，最高項(xiàng)為二次項(xiàng)。這樣就將非線性方程轉(zhuǎn)化為了線性方程，之后采用加權(quán)最小二乘估計(jì)算法求解該方程組。以下過(guò)程為建立方程組，再通過(guò)泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)法進(jìn)行求解的過(guò)程?？梢郧蟮米钚《私?，即：T?1TX=(BPB)BPl其中P為定義的權(quán)陣，考慮在實(shí)際的RFID定位系統(tǒng)中，測(cè)量誤差會(huì)根據(jù)定位系統(tǒng)中讀寫器功率的大小、定位系統(tǒng)所處環(huán)境中對(duì)定位有影響的障礙物等因素而變化，因此權(quán)陣由RSSI值演變得來(lái)。加權(quán)因子的確定是非常重要的一環(huán)，距離閱讀器越近標(biāo)簽RSSI權(quán)值越大，通過(guò)加權(quán)可以減弱遠(yuǎn)距離標(biāo)簽RSSI對(duì)定位的影響，從而減弱因遠(yuǎn)處RSSI值擬合距離不準(zhǔn)確帶來(lái)的誤差對(duì)定位精度的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)閱讀器精確定位。已知閱讀器共識(shí)別到n個(gè)標(biāo)簽，它們的信號(hào)強(qiáng)度值分別為Pi，則第i個(gè)標(biāo)簽的權(quán)重為：wi=78-Pi其中wi表示每個(gè)標(biāo)簽的權(quán)值，可以看出權(quán)值是閱讀器與標(biāo)簽之間距離的函數(shù)，通過(guò)加權(quán)增大信號(hào)強(qiáng)度值大的標(biāo)簽在計(jì)算中的影響，信號(hào)強(qiáng)度值越大意味著標(biāo)簽距離閱讀器越近。加權(quán)迭代計(jì)算確定初始值后，每次計(jì)算求得的X都是上一次初始坐標(biāo)的改正數(shù)，相加后得到新的近似估計(jì)位置，代入方程中進(jìn)行下一次迭代，直到求得的坐標(biāo)改正數(shù)小于給定的數(shù)值，滿足定位精度要求停止迭代，得到最終的坐標(biāo)估計(jì)值。加權(quán)迭代法相對(duì)近似解算法計(jì)算過(guò)程更為復(fù)雜，但該算法通過(guò)加權(quán)的方式充分地利用了RSSI信息，能在一定程度上有效消除測(cè)距誤差引起的定位偏差，可達(dá)到更高的定位精度。4.5解算方法對(duì)比模型解算方法和估計(jì)法則會(huì)直接影響到解算坐標(biāo)實(shí)用性和準(zhǔn)確性。估計(jì)法則不同，模型解求結(jié)果會(huì)有所差別。主動(dòng)式RFID室內(nèi)定位數(shù)學(xué)模型中存在多種誤差的-40- 第4章基于RSSI的主動(dòng)式室內(nèi)定位算法來(lái)源：1）室內(nèi)無(wú)線傳播環(huán)境的復(fù)雜性，實(shí)測(cè)RSSI值誤差通過(guò)距離轉(zhuǎn)換傳遞的系統(tǒng)誤差；2）主動(dòng)式RFID室內(nèi)定位的非線性數(shù)學(xué)模型，在模型線性化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生模型誤差；3）方程中觀測(cè)值可能包含了多種誤差，如偶然誤差、少量粗差。表11不同解算方法比較Table11Comparisonofdifferentsolutions方法約束法則處理思想缺陷222未考慮觀測(cè)值誤差影近似解算di=(x?xi)+(y?yi)方程線性變換，矩陣求解響，精度低。以偶然誤差為主，未T運(yùn)用最小二乘原理處理觀測(cè)誤最小二乘估計(jì)VV=min考慮系統(tǒng)誤差和模型差的平方和最小。誤差。T多次運(yùn)用最小二乘處理迭代至運(yùn)算次數(shù)多，計(jì)算量加權(quán)迭代估計(jì)VV=min結(jié)果符合給定的限差。大?！摹目紤]多種誤差綜合影半?yún)?shù)估計(jì)VTPV+αSTRS=min運(yùn)用半?yún)?shù)回歸模型響，但運(yùn)算量較大。這四種解算方法有不同的約束法則和處理思想，各有其優(yōu)缺點(diǎn)，由于在主動(dòng)式RFID室內(nèi)定位解算過(guò)程中會(huì)同時(shí)存在偶然誤差、粗差、系統(tǒng)誤差及模型誤差綜合影響，因此在實(shí)際解算過(guò)程中，需要一種實(shí)用性強(qiáng)的解算方法，保證解算結(jié)果的可靠性和實(shí)用性。論文通過(guò)實(shí)驗(yàn)選取用了近似解算、最小二乘估計(jì)、半?yún)?shù)估計(jì)、加權(quán)迭代運(yùn)算等來(lái)對(duì)比分析不同算法實(shí)際定位坐標(biāo)解算精度。4.6本章小結(jié)本章根據(jù)基于RSSI的定位方法建立數(shù)學(xué)模型并通過(guò)泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)法進(jìn)行模型線性化，介紹了近似解算法、最小二乘估計(jì)和半?yún)?shù)估計(jì)，對(duì)常用的最小二乘估計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，提出加權(quán)迭代法，根據(jù)超高頻射頻信號(hào)傳播特點(diǎn)確定權(quán)重公式，并對(duì)不同解算方法的約束法則、處理思想和缺陷進(jìn)行了比較。-41- 華北理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第5章定位精度影響因素實(shí)驗(yàn)研究在第四章中闡述了基于RSSI主動(dòng)式室內(nèi)定位的數(shù)學(xué)模型和解算方法，本章通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)不同解算方法進(jìn)行對(duì)比分析，比較加權(quán)迭代法是否具有優(yōu)越性，并就影響定位精度的因素展開(kāi)實(shí)驗(yàn)，以及確定合適的標(biāo)簽布設(shè)方案。在采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備與3.4.1中的型號(hào)相同，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選擇建筑物內(nèi)部無(wú)遮擋物的樓道，其中初始值對(duì)算法精度的影響、不同定位算法和路徑損耗指數(shù)實(shí)驗(yàn)中，布設(shè)格網(wǎng)規(guī)格為1.8m×1.8m。5.1不同定位算法精度比較為了比較近似解算法、最小二乘估計(jì)、半?yún)?shù)估計(jì)和加權(quán)迭代法的性能優(yōu)劣，進(jìn)行定位實(shí)驗(yàn)對(duì)比不同算法的精度，選擇一個(gè)無(wú)障礙物的樓道，將標(biāo)簽布設(shè)在同一水平高度平面內(nèi)作為待測(cè)區(qū)域。y軸105501021.8AC02760160B1.8x軸(0,0)圖16定位實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.16Schematicdiagramofpositioningexperiment待測(cè)區(qū)域如圖16，A、B、C代表待測(cè)點(diǎn)，1055、0102、0160、0276為標(biāo)簽的號(hào)碼，按照1.8m×1.8m布設(shè)標(biāo)簽，進(jìn)行距離擬合實(shí)驗(yàn)，解算路徑損耗指數(shù)和參考信號(hào)強(qiáng)度值，表14為RSSI值實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。-42- 第5章定位精度影響因素實(shí)驗(yàn)研究表14標(biāo)簽坐標(biāo)和RSSI值Table14LabelcoordinatesandRSSIvalues待測(cè)點(diǎn)標(biāo)簽號(hào)RSSI值坐標(biāo)X坐標(biāo)Y0276-66.24181.800102-66.37861.81.8A1055-68.285501.80160-62.3023000276-61.83811.800102-74.19801.81.8B1055-67.360201.80160-57.2856000160-66.992001055-63.392301.8C0102-66.651.81.80276-61.45191.80分別使用近似解算法、最小二乘估計(jì)、半?yún)?shù)估計(jì)和迭代法處理定位數(shù)學(xué)模型，閱讀器的位置估計(jì)結(jié)果見(jiàn)表15，實(shí)際計(jì)算中采用參與計(jì)算的標(biāo)簽的坐標(biāo)平均值作為最小二乘估計(jì)、半?yún)?shù)估計(jì)和加權(quán)迭代法的初始值，進(jìn)行計(jì)算距離的步驟時(shí)采用該處的距離擬合參數(shù)，A和B的參考信號(hào)強(qiáng)度值為-60.087，路徑損耗指數(shù)為2.471，C的參考信號(hào)強(qiáng)度值為-61.065，路徑損耗指數(shù)為2.609。半?yún)?shù)估計(jì)過(guò)程中平滑因子使用L曲線法確定，A、B、C的平滑因子為0.79，0.80，0.79。表15不同算法解算結(jié)果Table15Calculationresultsofdifferentalgorithms點(diǎn)號(hào)坐標(biāo)真實(shí)值近似解算法最小二乘半?yún)?shù)加權(quán)迭代法X/m0.60.76030.83690.94870.7669AY/m0.60.45920.59710.59710.5425X/m0.60.01010.20350.03520.6150BY/m0-1.2719-0.3069-0.3069-0.2305X/m1.21.12040.98610.83691.0261CY/m0.60.99890.84940.84670.8092分析表16中不同算法解算誤差，近似解算法、最小二乘、半?yún)?shù)和加權(quán)迭代法中，單點(diǎn)點(diǎn)位中誤差最小的是使用加權(quán)迭代法對(duì)點(diǎn)A的解算0.1765m，估計(jì)坐標(biāo)值最為接近真實(shí)值；點(diǎn)位中誤差最大的是使用近似解算法對(duì)點(diǎn)B的解算1.4021m，解算得到的坐標(biāo)嚴(yán)重偏離真實(shí)值。近似解算法的點(diǎn)位中誤差絕對(duì)值之和最大，為-43- 華北理工大學(xué)碩士學(xué)位論文2.022m，半?yún)?shù)估計(jì)1.4305m，較最小二乘估計(jì)1.0669m大，加權(quán)迭代法的點(diǎn)位中誤差絕對(duì)值之和為0.679m，總的定位誤差最小。表16不同算法解算誤差分析Table16Erroranalysisofdifferentalgorithms點(diǎn)號(hào)坐標(biāo)誤差真實(shí)值近似解算法最小二乘半?yún)?shù)加權(quán)迭代法X/m0.60.16030.23690.34870.1669AY/m0.6-0.1408-0.0029-0.0029-0.0575點(diǎn)位中誤差/m--0.21330.23700.34870.1765X/m0.6-0.5899-0.3965-0.56480.0150BY/m0-1.2719-0.3069-0.3069-0.2305點(diǎn)位中誤差/m--1.40210.50130.64280.2310X/m1.2-0.0796-0.2139-0.3631-0.1739CY/m0.60.39890.24940.24670.2092點(diǎn)位中誤差/m--0.40680.32860.43900.2720X軸誤差絕對(duì)值之和/m0.82980.84731.27660.3558Y軸誤差絕對(duì)值之和/m1.81160.55920.55650.4972點(diǎn)位中誤差絕對(duì)值之和/m2.02221.06691.43050.6795單個(gè)坐標(biāo)軸誤差中絕對(duì)值最大的為近似解算點(diǎn)B的Y軸誤差-1.2719m。X軸誤差絕對(duì)值之和最大的是半?yún)?shù)估計(jì)1.2766m，Y軸誤差絕對(duì)值之和最大的是近似解算法1.8116m，加權(quán)迭代法的X軸、Y軸誤差絕對(duì)值之和分別為0.3558m、0.4972m，均是四種算法中的誤差最小值。分析A、B、C點(diǎn)位分布對(duì)解算誤差的影響，由近似解算法、最小二乘估計(jì)、半?yún)?shù)估計(jì)的解算誤差可以看出，點(diǎn)B的坐標(biāo)解算誤差明顯大于A、C，這是由于點(diǎn)B相對(duì)于A、C更偏離4標(biāo)簽的中心位置，解算起始值距離點(diǎn)B最遠(yuǎn)，受距離擬合誤差和起始值的影響，這三種解算方法得到的位置估計(jì)嚴(yán)重偏離真實(shí)坐標(biāo)。而加權(quán)迭代法點(diǎn)B坐標(biāo)中誤差0.2310m和點(diǎn)A的0.1765m、C的0.2720m不相上下，X軸、Y軸誤差均小于0.3m。加權(quán)迭代法通過(guò)加權(quán)的方式修正了距離擬合傳遞給位置估計(jì)的誤差，以多次迭代計(jì)算消除了起始值偏離真實(shí)值的影響，顯著提高了偏離中心的點(diǎn)位的定位精度。對(duì)比近似解算法、最小二乘估計(jì)、半?yún)?shù)估計(jì)和選權(quán)迭代法：1）近似解算法定位精度有限但無(wú)需初始值，估計(jì)格網(wǎng)相交區(qū)域時(shí)解算誤差顯著增大。2）半?yún)?shù)估計(jì)的點(diǎn)位中誤差較大且X軸誤差絕對(duì)值為最大，這說(shuō)明半?yún)?shù)估-44- 第5章定位精度影響因素實(shí)驗(yàn)研究計(jì)中的補(bǔ)償最小二乘原理并不適用于室內(nèi)定位的位置估計(jì)，使用L曲線主要靠曲線擬合來(lái)顧及補(bǔ)償最小二乘準(zhǔn)則中的擬合和光滑部分，定位標(biāo)簽數(shù)量有限使得觀測(cè)值個(gè)數(shù)較少，因此平滑因子的確定不合理。3）最小二乘法的點(diǎn)位中誤差絕對(duì)值之和小于近似解算法，最小二乘法的定位精度高于近似解算法和半?yún)?shù)估計(jì)，當(dāng)目標(biāo)物體位于格網(wǎng)相交區(qū)域時(shí)最小二乘估計(jì)定位精度明顯降低。4）加權(quán)迭代法定位精度明顯高于近似解算、最小二乘和半?yún)?shù)，各點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差均最小，點(diǎn)位在格網(wǎng)中的分布對(duì)位置估計(jì)精度無(wú)明確影響，應(yīng)用中算法精度穩(wěn)定。其次，加權(quán)迭代的初始值對(duì)其最終結(jié)果影響微弱，最終都會(huì)得到穩(wěn)定的解。而最小二乘估計(jì)和半?yún)?shù)估計(jì)受初始值影響較大，初始值接近真值時(shí)最小二乘法的定位精度高于近似解算法，初始值嚴(yán)重偏離真實(shí)值時(shí)甚至?xí)陀诮平馑惴?。加?quán)迭代法通過(guò)加權(quán)的方式修正了距離擬合傳遞給位置估計(jì)的誤差，以多次迭代計(jì)算消除了起始值偏離真實(shí)值的影響，可以達(dá)到更高的定位精度，且求解過(guò)程中算法穩(wěn)定，定位結(jié)果最接近目標(biāo)物體真實(shí)位置。是這4種算法中最優(yōu)的定位算法。5.2初始值對(duì)算法精度的影響基于RSSI的主動(dòng)式RFID目標(biāo)定位解算方法中近似解算法無(wú)需初始值，最小二乘估計(jì)、半?yún)?shù)估計(jì)和加權(quán)迭代法在解算過(guò)程中需給待定位目標(biāo)賦予初始值，初始值與真實(shí)值之間的接近程度會(huì)影響最終定位結(jié)果，為研究初始值對(duì)定位精度的影響，設(shè)置四組數(shù)據(jù)作為初始值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，初始值的點(diǎn)位坐標(biāo)與真實(shí)坐標(biāo)之間的距離分別為0m、0.424m、0.849m、1.697m，在設(shè)置初始值時(shí)其中的數(shù)值不能與標(biāo)簽坐標(biāo)數(shù)值相同。表12初始值設(shè)置Table12Initialvaluesetting坐標(biāo)軸X/mY/m初始值與真實(shí)值距離/m真實(shí)值0.60.6—第一組0.60.60第二組0.30.30.424第三組1.21.20.849第四組1.71.71.556圖14為采用不同初始值的定位效果圖，其中黑色的點(diǎn)代表目標(biāo)真實(shí)位置，坐標(biāo)為（0.6，0.6），紅色的點(diǎn)為加權(quán)迭代法解算得到的閱讀器坐標(biāo)，采用四組不同-45- 華北理工大學(xué)碩士學(xué)位論文的初始值加權(quán)迭代法估計(jì)的位置都相同，且在所有解算方法中最接近目標(biāo)物體真實(shí)位置。圖中標(biāo)的數(shù)字表示解算過(guò)程中使用的初始值組號(hào)。隨著組號(hào)增加，初始值與真實(shí)值之間的距離增大，最小二乘估計(jì)和半?yún)?shù)估計(jì)的定位結(jié)果也隨之遠(yuǎn)離目標(biāo)真實(shí)位置。顯而易見(jiàn)，半?yún)?shù)估計(jì)的定位結(jié)果比最小二乘估計(jì)更加偏離目標(biāo)真實(shí)位置，最小二乘估計(jì)的解算結(jié)果得到的點(diǎn)位距離真實(shí)值較加權(quán)迭代法遠(yuǎn)，加權(quán)迭代法的定位效果最好。圖14不同初始值定位效果圖Fig.14Positioningeffectdrawingfordifferentinitialvalues表13不同初始值解算結(jié)果Table13Calculationresultsofdifferentinitialvalues初始值組號(hào)加權(quán)迭代法最小二乘半?yún)?shù)X/m0.7540.7760.881第一組Y/m0.5210.5800.567點(diǎn)位中誤差/m0.1730.1770.283X/m0.7540.6990.838第二組Y/m0.5210.4340.499點(diǎn)位中誤差/m0.1730.1930.259X/m0.7540.9681.047第三組Y/m0.5210.7360.658點(diǎn)位中誤差/m0.1730.3930.451X/m0.7541.1851.277第四組Y/m0.5210.8890.675點(diǎn)位中誤差/m0.1730.6520.681最小二乘估計(jì)、半?yún)?shù)估計(jì)和加權(quán)迭代法進(jìn)行定位解算的結(jié)果見(jiàn)表13。從不同初始值解算結(jié)果中可以看出，最小二乘估計(jì)和半?yún)?shù)估計(jì)的所有點(diǎn)位中誤差均大-46- 第5章定位精度影響因素實(shí)驗(yàn)研究于加權(quán)迭代法。隨著初始值偏離真實(shí)值，最小二乘估計(jì)的點(diǎn)位中誤差持續(xù)增大，采用第三組和第四組初始值半?yún)?shù)估計(jì)的點(diǎn)位中誤差明顯增大，甚至達(dá)到0.681m，為所有點(diǎn)位中誤差中最大值，解算得到的X坐標(biāo)分別為1.047m和1.277m，嚴(yán)重偏離真實(shí)值。初始值的取值直接影響最小二乘估計(jì)和半?yún)?shù)估計(jì)的定位精度，定位誤差隨初始值偏離真實(shí)值而增大。加權(quán)迭代法采用不同初始值得到的X坐標(biāo)始終為0.754m，Y坐標(biāo)始終為0.521m，點(diǎn)位中誤差為0.173m，無(wú)論初始值如何變化，使用加權(quán)迭代法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行位置估計(jì)得到的點(diǎn)位結(jié)果都相同，定位誤差不會(huì)因初始值偏離真實(shí)坐標(biāo)值而增大。圖15不同初始值誤差曲線Fig.15Errorcurvesofdifferentinitialvalues將所有點(diǎn)位中誤差按解算方法分類表達(dá)為圖15誤差曲線。從誤差曲線可以看出，加權(quán)迭代法的定位誤差始終偏低，不受初始值的影響，而最小二乘估計(jì)和半?yún)?shù)估計(jì)的誤差曲線呈上升趨勢(shì)，隨著初始值組號(hào)增加而定位誤差增大。最小二乘估計(jì)和半?yún)?shù)估計(jì)定位精度會(huì)受到初始值的影響，初始值距離真實(shí)值越近則定位誤差越小，實(shí)際應(yīng)用中無(wú)法得知真實(shí)值，這就意味著最小二乘估計(jì)和半?yún)?shù)估計(jì)的定位精度不穩(wěn)定。加權(quán)迭代法的定位效果優(yōu)于最小二乘估計(jì)和半?yún)?shù)估計(jì)。通過(guò)設(shè)置四組與真實(shí)值距離不同的初始值參與計(jì)算，對(duì)比解算結(jié)果誤差發(fā)現(xiàn)，最小二乘和半?yún)?shù)存在缺陷，定位誤差隨著初始值偏離真實(shí)值而增大，兩種解算方法的定位精度不穩(wěn)定。而加權(quán)迭代法不受初始值的限制，通過(guò)多次迭代消除了初始值偏離真實(shí)值對(duì)定位的影響，始終可以得到穩(wěn)定的解，定位效果較好且算法性能穩(wěn)定。-47- 華北理工大學(xué)碩士學(xué)位論文5.3格網(wǎng)大小對(duì)定位精度的影響無(wú)源RFID閱讀器的識(shí)別范圍一般為4~7m，較有源RFID設(shè)備范圍小，本實(shí)驗(yàn)中閱讀器的讀取距離可達(dá)5m，在不同環(huán)境下識(shí)別范圍會(huì)有所變化。由距離擬合實(shí)驗(yàn)可知，標(biāo)簽距離閱讀器在1.8m以內(nèi)，對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型可以很好地表達(dá)距離和信號(hào)強(qiáng)度值之間的關(guān)系。布設(shè)標(biāo)簽時(shí)所構(gòu)成格網(wǎng)的大小決定了定位過(guò)程中距離變化范圍，從而影響由RSSI計(jì)算距離的準(zhǔn)確度，因此對(duì)定位精度產(chǎn)生影響。圖17所示的環(huán)狀區(qū)域設(shè)在無(wú)雜物的建筑物樓道二維平面空間中，區(qū)域內(nèi)布設(shè)了間隔相等、高度一致的4個(gè)標(biāo)簽。格網(wǎng)間距減小則意味著布設(shè)標(biāo)簽的數(shù)量及定位計(jì)算量隨之增加。根據(jù)DC-0651B超高頻RFID閱讀器技術(shù)參數(shù)，對(duì)1.8m、2.4m、3m的標(biāo)準(zhǔn)正方形格網(wǎng)進(jìn)行測(cè)試以尋找最為理想的單元格網(wǎng)。圖中圓表示閱讀器的識(shí)別范圍，在圓圈范圍內(nèi)的標(biāo)簽可以被識(shí)別并讀取信號(hào)強(qiáng)度值。1.8m格網(wǎng)采用之前實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，2.4m和3.0m格網(wǎng)分別對(duì)點(diǎn)A2、B2、C2和E進(jìn)行位置估計(jì)。C1C21055010201600276C4C3圖17格網(wǎng)布設(shè)示意圖Fig.17Schematicdiagramofgridlayout為了確定合適的標(biāo)簽布設(shè)方案，1.8m格網(wǎng)采用不同定位算法精度比較中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，加權(quán)迭代法解算閱讀器的點(diǎn)位坐標(biāo)結(jié)果見(jiàn)表17，2.4m格網(wǎng)和3.0m格網(wǎng)待測(cè)點(diǎn)的解算結(jié)果見(jiàn)表18。對(duì)比1.8m、2.4m、3.0m解算結(jié)果，在所有不同大小格網(wǎng)的定位誤差中，3.0m格網(wǎng)平均點(diǎn)位中誤差最大為0.374m，1.8m格網(wǎng)平均點(diǎn)位中誤差最小為0.2263m，標(biāo)簽所形成的格網(wǎng)增大的同時(shí)定位中誤差隨之增大。1.8m格網(wǎng)的定位精度最高且定位精度穩(wěn)定均小于0.3m；2.4m和3.0m格網(wǎng)的定位誤差-48- 第5章定位精度影響因素實(shí)驗(yàn)研究有高有低，部分區(qū)域定位精度較低；3.0m格網(wǎng)的定位精度最低，定位精度隨標(biāo)簽布設(shè)愈加稀松而降低。格網(wǎng)過(guò)密會(huì)增加定位的計(jì)算量和標(biāo)簽布設(shè)數(shù)量，因此標(biāo)簽布設(shè)方案中選擇1.8m的格網(wǎng)最合適。表171.8m格網(wǎng)解算結(jié)果Table17Calculationresultsof1.8mgrid點(diǎn)號(hào)坐標(biāo)真實(shí)值加權(quán)迭代法X/m0.60.7669AY/m0.60.5425點(diǎn)位中誤差/m—0.1765X/m0.60.6150BY/m0-0.2305點(diǎn)位中誤差/m—0.2310X/m1.21.0261CY/m0.60.8092點(diǎn)位中誤差/m—0.2720平均點(diǎn)位中誤差/m0.2263表182.4m和3.0m格網(wǎng)解算結(jié)果Table18Calculationresultsof2.4mand3.0mgrid點(diǎn)號(hào)真實(shí)值2.4m定位結(jié)果3.0m定位結(jié)果X/m1.21.0661.204A2Y/m1.21.2501.279點(diǎn)位中誤差/m—0.1430.079X/m0.60.7231.168B2Y/m1.21.1141.016點(diǎn)位中誤差/m—0.1500.597X/m00.7980.425C2Y/m1.21.0631.313點(diǎn)位中誤差/m—0.8100.440X/m0.60.8520.541EY/m0.60.5330.975點(diǎn)位中誤差/m—0.2610.380平均點(diǎn)位中誤差/m0.3410.3745.4路徑損耗指數(shù)對(duì)定位精度的影響定位誤差的來(lái)源之一是對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型，因?yàn)槭覂?nèi)環(huán)境復(fù)雜且各個(gè)位置-49- 華北理工大學(xué)碩士學(xué)位論文無(wú)線信號(hào)的傳播情況都是不同的，所以同一個(gè)路徑損耗指數(shù)不能完全契合各個(gè)位置的實(shí)際情況，路徑損耗指數(shù)與區(qū)域無(wú)線傳播情況不符，致使擬合出的距離不準(zhǔn)確，最終影響位置估計(jì)誤差。路徑損耗指數(shù)的取值與周圍環(huán)境緊密相關(guān)，常見(jiàn)環(huán)境中路徑損耗指數(shù)的取值范圍見(jiàn)表19。表19不同環(huán)境下的路徑損耗指數(shù)取值Table19Pathlossindexvaluesindifferentenvironments環(huán)境路徑損耗指數(shù)n走廊1.9