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測距誤差較大，如何降低測距誤差對定位精度的影響，是精確室內(nèi)定位系統(tǒng)前進路上的一個挑戰(zhàn)。本文針對實測環(huán)境下TOA測距誤差較大且存在非單調(diào)等特點，利用指紋算法降低誤差影響，并使用動態(tài)閾值，誤差加權(quán)等方法實現(xiàn)定位，并于Nanoloc平臺實現(xiàn)。實驗結(jié)果表明，本文所用方法在相同測距誤差情況下，對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量值的準確性，改善了惡劣環(huán)境下定位結(jié)果的穩(wěn)定性。

　　引言

　　隨著射頻識別技術(shù)的飛快發(fā)展，人們對室內(nèi)物體的位置信息需求日益增長，室內(nèi)定位技術(shù)已成為全球研究的熱點。目前所研究的算法以基于測距技術(shù)為主，包括測量到達時間(TOA)、測量到達時間差(TDOA)、測量到達角度(AOA)以及測量信號強度(RSSI)。電磁因素、實現(xiàn)技術(shù)不完善、環(huán)境變化等因素造成上述幾種技術(shù)的測距結(jié)果都會存在誤差，為了消除或減小誤差，人們研究改進三邊測量算法、虛擬陣算法、Bancroft算法、VIRE算法、REC算法、Taylor級數(shù)展開算法等^[4-9]數(shù)據(jù)后期處理算法，也有MUSIC、CHAN^[3]、最強徑檢測^[1]、高階累積量^[10]等不同時延估計算法，希望利用不同的方法使得測距結(jié)果更準確或利用已有數(shù)據(jù)得到更準確的目標位置。這些方法或過分依賴測量值的準確性，或計算量過大，或存在實際條件不易達到等缺點，在實際中并不能達到很好的定位精度。本文研究基于到達時間的TOA測距技術(shù)，結(jié)合指紋算法進行定位，此方法既不會過分依賴測量值的準確度，也易于實現(xiàn)。

　　TOA雙邊測距原理

　　TOA(Time of Arrival)是常見的射頻測距技術(shù)，其原理為通過測量信號在閱讀器和標簽之間傳輸?shù)臅r間來估計兩者之間的距離，測量誤差的大小主要取決于測距過程中傳輸信道的狀態(tài)，這些因素會影響接收方對信號的傳輸時延的判斷，進而對定位精度產(chǎn)生影響。室內(nèi)環(huán)境下，嚴重的多徑效應(yīng)和NLOS(非視距)條件造成測距誤差較大。

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

　　其中c為信號在空氣中傳播的速度，即光速。

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