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幾種室內定位技術的原理及應用探討

所屬欄目:電子技術論文 發布日期:2013-01-22 08:51 熱度:

  摘 要:考慮到GNSS衛星定位技術對于遮擋區域的定位精度差或者無法定位的因素,本文詳細探討和分析了幾類室內定位技術的原理,定位精度及其應用領域。經過對比分析得到,未來室內定位技術的發展趨勢將是以偽衛星,iGPS 和UWB 為代表的定位技術。

  關鍵詞:室內定位,偽衛星,iGPS,UWB定位

  1、緒論

  全球定位系統作為一種室外定位技術,已經在車輛導航,物流配送,災害應急,軍事打擊等領域得到了廣泛的應用。為了獲得最佳的衛星信號,該系統要求接收器存在于開闊的地帶,以得到較高的定位精度。對于室內,礦井,茂密樹林環境下的定位,基于GNSS定位技術的應用得到了極大的限制。目前,室內定位技術具有以下幾種實現方式:基于GNSS信號的室內轉發定位,偽衛星定位,室內GPS定位,室內無線定位(包括WiFi定位,藍牙定位,RFID定位等)。這幾類定位方式具有不同的定位原理和定位精度,其應用領域也各不相同。

  本文探討和總結了當前幾類主要的室內定位技術的原理,定位精度及其應用領域,以期能夠獲取當前室內定位技術的發展趨勢。

  2、定位原理

  2.1 基于GNSS的室內轉發定位

  通過正常的GNSS衛星信號接收天線接收沒有遮擋的衛星信號,該衛星信號經過降噪、放大后,直接通過安裝在室內的信號轉發器轉發,從而把室外真實的 GNSS 衛星信號“引入”到室內,完成室內 GNSS信號的覆蓋。

  基于這種方法的室內定位不能獲得室內 GNSS 接收機的真實位置,主要原因是因為衛星信號在轉發過程中的時間延遲和 GNSS 衛星接收天線可見衛星的物理參數與實際位置接收到 GNSS 衛星的物理參數不一致造成。

  鑒于信號轉發使得 GNSS 接收機不可以準確測定其實際位置的事實,該種方法可以用于對 GNSS 接收機的信號干擾[1,2],這種干擾也就是我們常說的“轉發式干擾”,因其容易實現且干擾能力好,常被用于戰時需要。

  2.2 偽衛星定位

  偽衛星通常布設于局部區域地面或空中平臺上,可以發射某種定位信號,行使衛星功能,主要由接收機、發射機和天線等部分組成。偽衛星具有抗干擾能力強、靈活組網、可靠性高、經濟性好等特點,可有效解決衛星導航系統的幾何圖形不佳,冗余度差以及由于衛星損壞或遮擋所造成的衛星數目不足等問題。特別當衛星導航系統由于某種原因暫時不能使用時,偽衛星可完成局部范圍內的獨立組網,替代衛星導航系統進行工作[3,4]。

  2.3 室內GPS定位

  目前,iGPS 系統所能達到的技術指標為:單個發射器的信號覆蓋范圍為2m~55m;隨著發射器的增多,可視空間范圍可以無線擴展。測角精度優于 1.0″;水平測量覆蓋范圍為±180 度;垂直測量覆蓋范圍為±20 度;信號發射時發射器的旋轉速度為 40~55Hz,不同發射器的旋轉頻率差小于 0.1Hz,預熱時間為 15分鐘。因測量精度與發射器的安裝誤差,發射器和位置傳感器的制造工藝均有關系,一般來說,空間測量精度:在 30 米范圍內,按照 1 倍中誤差的不確定度可達到 0.12mm;按照 2 倍中誤差的不確定度可達到 0.25mm;按照 3 倍中誤差的不確定度可以達到 0.37mm。

  2.4 WiFi定位

  WIFI 定位系統主要包括:WIFI 基站和帶有 WIFI 模塊的手機或者 PDA 等其它終端。在定位測量方法上,按照所取參數的不同可分為基于接收信號強度的測量法(RSSI,Received Signal Strength Indication)、基于達到角度的測量法(AOA,Angle of Arrival)、基于到達時間的測量法(TOA,Time of Arrival)和基于到達時間差的測量法(TDOA,Time Difference of Arrival)。 WIFI 定位需要的設備模塊包括:WIFI 網絡,定位標簽和定位管理軟件等三大部分。WIFI 網絡除了具備定位功能外,還肩負著通訊功能。WIFI 具有覆蓋范圍廣、有效距離長、傳輸速度快、可靠性高等特點。

  2.5 藍牙定位

  藍牙作為一種短距離、低功耗無線通信技術,在各領域中得到廣泛應用,如手機、PDA 等設備都已具備了藍牙模塊。構建一個藍牙定位網絡,就能對持有藍牙設備的用戶實現定位追蹤,提供特定的基于位置的服務。藍牙技術中主要利用信號強度 RSSI 實現室內高精度定位。基于 RSSI 指紋標定的定位方法定位精度較高,但需要耗費大量人力采集標定數據,限制了該方法的推廣應用。

  2.6 ZigBee定位

  ZigBee 技術和 RFID 技術在 2004 年被列為當今世界發展最快, 市場前景最廣闊的十大最新技術中的兩個。今后一個時期, 將是 Zigbee 技術廣泛應用的時期。Zigbee 技術主要是針對工業、家庭自動化, 遙測遙控, 汽車自動化、農業自動化和醫療護理等, 例如燈光自動化控制、傳感器的無線數據采集和監控、油田、電力、礦山和物流管理等應用領域。另外它還可以對局部區域內移動目標例如城市中的車輛進行定位[8]。

  2.7 RFID定位

  基本的 RFID 系統通常由 3 部分組成:RFID 標簽,RFID 讀寫器,和 RFID 應用軟件。RFID 標簽,依據標簽供電方式的不同,可以分為有源電子標簽(Active tag)和無源電子標簽(Passive tag)。無源標簽(Passive Tag)本身不會自主發出包含資料電波,由讀寫器(Reader)發出電波產生訊號,RFID 標簽的天線接收到磁場的產生感應電流,然后送出儲存在晶片(Chip)中的資訊給讀寫器(Reader)接收判讀;有源標簽(Active Tag)中除了有晶片(Chip)和天線(Antenna)之外,又增加了電源(battery-supported),可以不斷主動發出資料訊號,給與讀寫器(Reader)接受。

  2.8 超寬帶(UWB)定位

  UWB 超寬帶無線通信技術,是一種不用載波,而采用時間間隔極短(>lns)的脈沖進行通信的方式,也稱作脈沖無線電(Impulse Radio)、時域(Time Domain)或無載波(Carrier Free)通信。這種技術最初被作為軍用雷達技術開發,早期主要用于雷達技術領域。UWB 技術用于以下三個方面:①Imaging systems(地質勘探及可穿透障礙物的傳感器等);②Vehicle Radar System(汽車防沖撞傳感器等);③Communication and Measurement systems(家電設備及便攜終端之間的無線數據通信等)。與藍牙(Bluetooth)和無線局域網(WLAN)等帶寬相對較窄的無線系統不同,超寬帶通信技術不利用余弦波進行載波調制,而是通過發送納秒級的脈沖傳輸數據,而且信號傳輸時的功耗只有 uW。UWB 在保證高數據速率傳輸的同時解決了移動終端的功耗問題,因此被認為是 WIFI 技術的最具競爭性的技術[9]。

  3、應用領域

  考慮到上述室內定位技術的原理和定位特點等因素,不同的定位技術適應于不同的條件。下表總結了各類室內定位技術的特定和應用領域。從表中可以看出,除了室內GPS定位技術,偽衛星定位技術和UWB技術具有較高的定位精度,其他定位技術往往只是作為一種輔助精度手段或者用于GPS信號的干擾。

  4、總結

  考慮到GNSS衛星定位技術對于遮擋區域的定位精度差或者無法定位的因素,本文詳細探討和分析了基于GNSS信號轉發,偽衛星定位,室內GPS定位,WiFi定位,UWB定位等技術的原理,定位精度及其應用領域。從這些定位技術的精度可以看出,未來室內定位技術的發展趨勢將是以偽衛星,iGPS 和UWB 為代表的定位技術。因此,對于這類技術的研究將為遮擋區域的高精度定位提高可靠的解決方案。

  參考文獻

  [1] 徐彬,霍立平;轉發式干擾對GPS定位精度的影響[J],航空兵器,2007年第3期;p30-33.

  [2] 劉建永,陸云,王源,等;轉發式 GPS 干擾技術及其計算機模擬[J],武器裝備自動化,2004年第 23卷第 6期;p6-7.

文章標題:幾種室內定位技術的原理及應用探討

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