超宽带室内定位算法研究

随着科技的发展和移动互联网的普及，GPS导航、中国北斗导航等基于卫星的室外定位系统已深度嵌入我们的生活，但是，室外定位基于卫星系统，无法应用于室内定位。但随着楼宇规模越来越大，如图书馆、商场、体育馆、地下车库、物品仓库等区域急需成熟的室内定位技术，其具有很大的发展空间和广泛的应用范围。

超宽带定位算法在众多室内无线定位技术中因其误差小、功耗小、抗干扰、复杂度低等优点脱颖而出，能够满足人们对新时代下无线定位技术的需求。

1  超宽带无线定位及其优势

超宽带无线定位技术最早用于美国军方，2002年后许可民用，我国在该领域的研究起步晚，但发展较快，虽然没有进行大规模的商用，但成绩骄人，已被广泛应用于智能家居、智能交通、车载雷达、成像应用、智能识别等民用领域，相较于传统的无线定位技术，其具有结构简单、抗干扰能力强、分辨能力强、安全性高、保密性强、穿透能力强、定位精度高等优势。

2  无线定位的基本原理

 超宽带无线定位采用脉冲信号，由多个传感器采用定位算法对标签位置进行分析，通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据来进行精确定位。常用的定位方法有：依据信号强弱与信号传播距离正相关关系的基于信号强度的定位方法、依据发射信号到达基站接收天线时的入射角度的基于信号到达角度的定位方法、依据等定位节点到参考基站的时延估计的基于到达时间的定位方法、基于到达多个参考基站的的时间差的定位方法、混合定位方法等等。

3  超宽带室内定位算法研究

依据不同的超宽带定位的实现原理，在实际工程运用中有许多不同的算法。 

超宽带室内定位算法基于的基本模型如上图所示，A、B、C是事先设置的锚节点，依据未知待定位点d与参考基站间的不同参数来进行定位。具体实现算法有很多种。

3.1  LS定位算法

因为网络、时间延迟及信号干扰等原因，基站与参考定位节点间的距离计算会存在一定的误差，LS算法是解决这种偏差的简单有效的定位算法。经过计算，可以得出以下方程组： 

3.2  Chan定位算法

在待定位节点与参考基站之间存在多个距离差值，依此构造一个双曲方程组，通过求解可以获得定位点的具体位置。 

这个方程的计算结果服从均值为0的高斯分布的假设下计算出来的，然而在实际应用中，受多种因素影响，结果的误差较大。

3.3  Taylor定位算法

Taylor算法是一种基于初值的UWB定位递归算法。它通过递归来更新要定位的节点的位置。因此，初始坐标的选择直接关系到Taylor定位算法的定位性能。一个良好的初始点可以使算法具有收敛速度快、计算复杂度低、定位精度好的优点。当我们使用Taylor算法定位时，我们通常只保留两个以下的组件，然后递归，直到我们设置的错误阈值被停止。

4  超宽带室内定位算法仿真与分析

上述介绍的多种算法可以在MATLAB平台上进行仿真分析。通过分析，可以得出基站数量、信噪比、测距误差等因素对定位精度的影响关系，通过多次仿真分析，可以得出：均方误差会随着参考锚点基站数量的增加而下降，并最后趋于一个稳定值；信噪比增加会使算法精度变好，但信号的信噪比很高的时候，对定位精度的影响几乎为零；测距误差服从标准差为0:0.05:0.4，均值为0的高斯分布。

5  结语

随着室内无线定位技术的迅猛发展，超宽带室内定位算法因其自身的许多优点正被越来越多的专业人士所研究，本文做了简单的研究，但仍有许多不足，以后将继续努力。