定位技术研究分析综述

发表时间:2019/5/13   来源:《知识-力量》2019年8月26期   作者:王中宏 汪国强
[导读] 随着定位技术的研究与发展,其在人们的日常生活中也得到了越来越广泛的应用,在经济、军事等各行各业产生了一定的影响。文中首先介绍了定位技术的应用背景以及发展现状。然后介绍了目前主要的定位算法,包括基于无线传感器网络的定位技术及典型系统,以及主要的室内定位技术。以及衍生出来的各种定位技术。
(黑龙江大学,黑龙江 哈尔滨 150000)
摘要:随着定位技术的研究与发展,其在人们的日常生活中也得到了越来越广泛的应用,在经济、军事等各行各业产生了一定的影响。文中首先介绍了定位技术的应用背景以及发展现状。然后介绍了目前主要的定位算法,包括基于无线传感器网络的定位技术及典型系统,以及主要的室内定位技术。以及衍生出来的各种定位技术。最后指出了定位技术亟待解决的问题,以及对下一步进行相关研究的展望。
关键词:无线传感器网络定位;典型系统;室内定位技术

 
         1.前言
         自从以GPS为代表的定位技术出现以来,其高效、方便、快速与准确的特点使人们的生活出现了巨大的变化,带动了一批应用和服务的快速发展。基于用户位置信息的相关技术的应用和发展,位置服务(LBS)已经成为人们日常工作、生活所必须的一项基本服务需求。无论是室内还是室外,人们对位置服务有着迫切的需要。
         2.定位技术的发展现状
         定位技术可以分为室外定位技术和室内定位技术两种。在室外环境下,全球定位系统(GPS)、北斗定位系统(BDS)等全球导航卫星系统(GNSS)为用户提供米级的位置服务,基本解决了在室外空间中进行准确定位的问题,并在日常生活中得到了广泛的应用。在室内环境下,由于障碍物的遮挡等问题,对室内定位技术的精度、成本、可靠性、覆盖范围以及响应时间有了更高的要求。
         3.定位技术概述
         3.1 基于无线传感器网络的定位技术
         无线传感器网络是一种特殊的网络,可以应用于布线和电源供给困难以及人员不能到达的区域和一些临时场合等。它不需要固定网络支持,具有快速展开,抗毁性强等特点。基于无线传感为网络的几节点定位技术可以根据是否测距分为距离相关的定位算法和距离无关的定位算法。距离相关的定位算法分为基于事件时间的定位算法和基于角度的定位算法。基于时间的定位算法主要有基于到达时间和基于到达时间差的定位算法。基于到达时间的定位算法测量方式简单,但是只有在视距范围内定位精度较高,且要求严格的时间同步,其难点在于如何精准的测量时间,以及外界环境的影响。基于到达时间差的定位算法能够提高定位精度,但是对硬件要求较高,信号在传输过程中易受影响,应用场景单一。基于角度的定位算法主要有基于到达角和接受信号强的指示的算法。基于到达角的定位算法由一端发射信号,另一端有多个超声波接收器或天线阵列测出信号到达方向,据此得出发射端与接收端的相对角度,由三角定位估计接收端位置,但是需要增加硬件设备,对硬件尺寸、功耗、成本要求较高,易受环境影响。基于接收信号强的指示的定位算法具有低功耗、低成本的优点,但是存在噪声干扰,非视距下会产生多径效应、反射等问题,从而产生不同的路径损耗,增加建立信号衰减模型的复杂程度。
         3.2典型的自定位系统
         Cricket定位系统属于距离定位和松散耦合系统,采用RF和超声波收发器的TDOA技术。信标节点位置信息通过RF传送,若待定节点获得三个以上信标节点位置信息,就可采用三边定位法或极大似然估计法来估计待定为节点的位置。
         RADAR系统可提供两种定位方式:场景分析和三边定位。场景分析在定位区域预先建立信标节点RF信号强度和传播距离之间的对应关系的数据库。定位时待定节点获得RF信号强度,并查询数据库,选择最小的位置作为待定位节点的位置。

三边定位中,待定点通过RSSI获得与三个以上信标节点的距离,采用三边定位法进行自身定位。RADAR仅需部署三个以上信标节点就可实现,且可为室内设备提供无线网络。但待定为节点必须支持无线网络连接,易受环境影响。
         Active Badge系统属于室内定位系统,是粗粒度定位和符号定位的典型代表。通过以太网将放置在建筑物内部的红外接收信标节点连接在一起。待定为节点Badge周期性发送红外信号IR,IR信标节点所在房间即为待定为节点Badge位置。
         3.3室内定位技术
         目前,国内外研究者们提出了蓝牙、红外线、RFID、WLAN、超宽带、超声波等室内定位技术及应用系统,但是不同的室内定位技术根据其定位性能有一定的应用局限,还没有一种普适化技术能满足当前所有的室内定位服务需求。以下是目前国内外各种主流的室内定位技术的简单介绍。
         红外定位精度在5-10米,优点是定位精度高,但是不能穿越障碍物,且造价较高,功耗较大且易受光干扰;超声波定位精度在1-10厘米,优点是定位精度高,结构简单,但是具有多径效应,衰减明显,受温度影响且成本较高;视觉定位精度在1厘米到1米,优点是环境依赖性低,但是其成本较高,稳定性低;蓝牙定位精度在2-10米,优点是功耗低,易集成,但是其定位距离短,稳定性低,受噪声干扰;Wifi定位精度在2-50米,优点是易安装,精度高,但是工作量大,功耗大,易受其他信号干扰;RFID定位精度在5厘米到5米,优点是精度高,造价低,标识小,但是作用距离短,无通信能力,难于整合;UWB定位精度在6-10厘米,优点是穿透力强,精度高,功耗低,但是造价低;Zigbee精度在1-2米,优点是功耗低,成本低,但是其稳定性低,受环境干扰;惯性传感器辅助定位的定位精度在2-10米,覆盖范围低,长时间定位后误差较大;A-GPS优点是速度快,精度高,但占用大量通信资源,在使用手机密集的区域受网络堵塞影响;光跟踪优点是成本高,通信速率高,抗干扰能力强,但是定位范围小。
         4.总结与展望
         到目前为止。无线传感器网络已经取得了很大的进展,但是仍然存在一些问题。即规模大的无线传感器网络有定位误差积累的问题;定位所有节点的所耗时长较长,效率低下;节点定位的降低通信代价的问题;能耗与算法复杂度之间的平衡问题;动态移动节点的定位方法少的问题;目前都是信标节点辅助定位未知节点,仅依赖节点之间的协作、信息传输,实际定位的算法少;部署大规模的无线传感器网络硬件成本较高。
         虽然目前室内定位技术得到了国内外较多学者的关注,但是实际上高效、便捷、准确的室内定位技术仍然急需。如何在室内障碍物较多,干扰较多,动态性强的环境下提高定位精度,扩大定位的覆盖范围,降低定位成本,提高可靠性以及缩短定位时间是目前室内定位的主要难题。
参考文献
[1]吕淑芳.无线传感器网络节点定位研究综述 [J].传感器与微系统:2016(05).
[2]贾丽.无线传感器网络定位技术及典型系统 [J].信息技术:2017(01).
[3]马静宜.室内定位技术现状和发展趋势 [J].电子产品世界2014(11).
[4]阮陵.室内定位:分类、方法与应用综述 [J].地理信息世界2015(04).

作者简介:王中宏(1995.04-),女,黑龙江省哈尔滨市人,哈尔滨市南岗区黑龙江大学,信息与通信工程专业2018级,在读硕士,研究方向为图像处理技术;
汪国强(1963.09-),男,黑龙江省哈尔滨市人,黑龙江大学电子工程学院副院长,在职教授,研究方向为图像处理技术及信号检测方向等。
 
 
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