短距离高精度无线定位方法的研究及其实现

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摘要：节点定位作为无线传感网络的关键技术，已成为国内外的研究热点。本文首先对当今无线定位技术进行了介绍，现有的技术在短距离定位上精度不够。然后针对两种定位测距技术进行改进，提出了基于信号相关性的TDOA测距方案和基于信号变频反射的TOA测距方案。接着对这两种方案进行了仿真实验，讨论了各自的优缺点。最后得出了基于信号变频反射的TOA测距方案更适合应用于短距离高精度无线定位系统的结论。

关键词：定位TDOA；变频反射；TOA

中图分类号：TP212.9 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 04-0000-02

Short-range High-precision Wireless Location Methods Research and Implementation

Li Shu

(Sichuan Leshan Vocational Technical College,Leshan614000,China)

Abstract:The node location as a key technology of wireless sensor networks has become a hotspot at home and abroad.Firstly,in today’s wireless location technology introduced,the existing technology in the short-range positioning accuracy is not enough.And ranging technology for positioning both proposed to improve the correlation based TDOA signal ranging programs and TOA based on the signal frequency ranging program of reflection.Then these two programs were simulated to discuss their respective advantages and disadvantages.Came to the conclusion of the TOA based on the signal frequency ranging program of reflection is more suitable for wireless short-range high-precision positioning system of the conclusions.

Keywords:TDOA location;Frequency reflection;TOA

无线传感器网络被评为对21世纪产生巨大影响力的技术之一，其应用遍布生活各个层面，特别在国防和重大灾害事件监测等领域。节点定位技术是无线传感器网络应用的关键支撑技术，在目标的定位和跟踪以及提高路由效率等方面都发挥着重要的作用。它能够间接提升无线Ad hoc网络路由的有效性；利用基于节点位置的网络协议，能够进一步减少网络节点的数量。因此，定位算法的研究对传感器网络的有效性起着关键作用。目前，户外系统中使用较为广泛的有全球定位系统（GPS，Global Positioning System），但是GPS系统不适合用于无线传感网络。基于测距的定位算法对节点硬件配置的要求比与距离无关的算法要高，但其定位精度优于与距离无关的算法，因此更适合短距离（0~100米）定位精度要求较高的环境。针对短距离高精度的定位环境本文提出基于TDOA和TOA的定位算法的两种定位方案，并对这两种方案进行仿真测试。

一、基于测距的定位方案研究

（一）基于信号相关性的TDOA定位方案

利用信号的相关性间接可以得到两信号到达时间差。对两端接收机接收到的基带信号进行异或。异或信号与两信号到达的时间差相关，时间差的不同直接导致异或信号脉宽不同。但是，在10米测距的范围内，异或信号的脉宽在0-300ns之间，对这样的单个信号的测量在硬件上是几乎无法实现的。通过对多个异或信号积分，积分值的大小对应异或信号的脉宽，可以得到信号到达时间差，从而得到移动节点的位置信息。

（二）方案设计及仿真

基于接收信号相关性的TDOA定位系统结构如图1所示。

测距过程：

1.移动节点D向接收机A和B同时发射n个周期的数字调制波。2.接收机A、B接收D的信号、解调，然后将解调的数字信号通过有线方式发送到计算中心C。3.计算中心C用CPLD对接收的两路信号进行异或，产生n个窄脉冲，并判断A、B信号到达的信后顺序。4.积分器对n个异或窄脉冲进行积分。5.单片机根据积分值计算A、B接受的信号的时间差，进而计算D的位置。

本文采用SystemView平台对系统进行仿真。在信道中引入功率谱密度为n0的加性高斯白噪声。对A、B接收的基带信号异或后积分，根据不同的积分值可以得到A、B接收的信号时间差，即移动节点发送信号到达接收机A、B的时间差。实验分别引入噪声功率谱密度为50×10-15 W/Hz和100×10-15 W/Hz和加性高斯白噪声，分别对5、10、100个周期的异或信号进行积分，最后根据积分值计算A、B的时间差。测试结果表明，该系统的理论测距精度在1米以内。通过不同噪声环境下的仿真结果可见在噪声比较大的时候误差也比较大。在同一噪声环境下，时间差越长，信噪比越低，因而误差越大。

三、基于变频反射的TOA定位方案

（一）原理概述

TOA是最直接的无线定位技术。基于信号到达时间定位的基本方法是测量基站到移动终端发射信号的时间进而计算移动终端到基站的距离。图2给出了TOA测距的原理图。

基站发射电磁波，同时开始计时，电磁波在空中传播后，移动终端接收到电磁波，同时停止计时。计时结果是电磁波从发射机到接收机所传播的时间 。于是，发射机到接收机之间的直线距离L可以用公式（1）求得： （1）

其中， 是电磁波在空中传播速度，它接近真空中光速，约为 。

如果能够精确得到 ，就能够对移动终端精确测距。由于电磁波在的传播速率非常快，仅需300多纳秒即可传播100米的距离，所以要在短距离中实现精度小于1米的精确定位，需要能够达到3个纳秒的分辨率。

另一方面，采用传统TOA定位方案要求基站和移动终端严格时间同步。利用协议通信能够实现移动端与基站保持同步，然而，大多数同步技术产生的同步误差在几微秒到几十微秒之间[5]。1μs的同步误差会产生三百米的定位误差，因此利用协议同步可行性非常低。

本文提出利用电磁波“反射”测距的方案。基站控制信号的收发以及计时器的开始和结束。移动端收到电磁波后再回传电磁波，当基站接收到回传的电磁波后立即停止计时。通过计时得到的值t能够得到两端的距离L。 （2）

其中，t0是电磁波在移动终端内部的延时，它包括电磁波在经过滤波、低噪声放大、解调等内部电路处理的延时。通常，对固定的电路、特定的调制方式的无线信号，t0可以认为是一个常量。

移动终端需要判断是否已经接收到无线信号，就要求无线信号中具有调制的信息，并且对该信息进行解调。假设在信号中调制500kpbs的信息，接收到1bit信息需要2μs。同样，对于短距离测距来说2μs是无法接受的，且其波特率的误差直接影响到测量误差。为了把这个误差消除，提高定位精度，本文提出了变频反射的思想，解决了这个问题。图3给出了基于变频反射的TOA系统方案图。

在计时端，单片机控制计时的开始以及信号的发射。移动端不对信号进行解调，仅对信号进行变频处理，仍然保持着原有的调制方式，因此可以看作把无线信号直接“反射”回去。这种基于反射思想的处理，使得信号在移动端处理的不确定延时降到了最低程度，增加了信号在空中的传输延时占总延时的比重，从而极大地提高了定位精度。计时的控制放在同一端，也可以回避同步的问题。

（二）方案设计及实验仿真

系统由基站、移动终端组成。基站控制信号的收发以及计时器的开始和结束。

测距过程：

1.基站开启计时器，同时发射频率是433MHz的OOK信号。2.移动终端由接收433M射频信号，然后与118MHz本地振荡混频，实现对基站信号的变频。变频后产生频率为315MHz的OOK信号。3.移动终端发射变频后的信号，完成信号的“反射”。4.基站接收移动终端的射频信号，解调，同时停止计时器。

在一维巷道模型中，多径等因素是不能忽略的，可能会造成测距的误差。本文采用SystemView平台对系统进行仿真，考虑了多径因素并对传输信道引入加性高斯白噪声。从仿真结果表明接收信号的信噪比在一定程度上影响测试结果的误差。为了减小误差，需要研究一种更精确的信号到达判断方法，或者更换一种调制方式，使其判断信号到达的时间受信噪比影响较小。

三、总束结

TDOA测距方案将测量两个接收机信号时间差的问题转化成测量两信号异或积分值的问题。有效的解决了同步难以实现和时间测量精度低的困难。理论精度比较高，但是当移动终端在两接机中间及附近时，则无法准确测距。在实际情况中，由于温度湿度的影响易对积分器引入而外的误差，且误差是不可预测的。而且系统通过有线进行数据的传递，降低了系统的安全性，鲁棒性，布设成本高。在TOA测距方案中基站同时控制信号的发射以及计时器的开始和停止，能够有效的解决TOA中同步的问题。移动终端将基站信号变频后反射给基站，极大地减少了信号在非传播过程中的延时。计时芯片的高分辨率和双时钟保障了测时精度。该方案的误差主要由移动端的本地振荡信号初始相位不可预测和OOK信号解调误差引起。理论测距精度比TDOA测距方案低一些。综上所述，TOA的测距方案更适合短距离的无线测距系统。通过提高接收信号的信噪比或者探索其它的调制方式以减小信噪比对误码率的影响，能够进一步提高系统的测距精度。

参考文献：

[1]孙利民,李建中,陈渝,朱红松.无线传感器网络.北京:清华大学出版社,2005,5

[2]段渭军,王建刚,王福豹.无线传感器网络节点定位系统与算法的研究和发展[J].信息与控制,2006,35(2):239-245

[3]孙佩刚,赵海,罗玎玎,张晓丹,尹震宇.智能空间中RSSI定位问题研究[J].电子学报,2007,35:1240-1245

[4]张洁颖,孙懋珩,王侠.基于RSSI和LQI的动态距离估计算法[J].电子测量技术,2007,30:142-145

[5]IEEE 1588.http：//ieee1588.nist.gov. Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control System.