室內(nèi)外無(wú)縫定位技術(shù)的研究-畢業(yè)論文

PAGEPAGE1本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）室內(nèi)外無(wú)縫定位方法的研究Researchonthemethodofindoorandoutdoorseamlesspositioning學(xué)院：電信學(xué)院專(zhuān)業(yè)：通信工程學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）版權(quán)使用授權(quán)書(shū)PAGEi學(xué)士論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本學(xué)士論文作者完全了解有關(guān)保留、使用學(xué)士論文的規(guī)定。特授權(quán)可以將學(xué)士論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，提供閱覽服務(wù)，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。（保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說(shuō)明）學(xué)位論文作者簽名：指導(dǎo)教師簽名：簽字日期：年月日簽字日期：年月日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中文摘要中文摘要摘要：現(xiàn)如今室內(nèi)定位技術(shù)快速發(fā)展，主要形成了三大類(lèi)定位技術(shù)：AGPS[1]定位、無(wú)線定位及視覺(jué)傳感器定位。而無(wú)線定位因具有特殊優(yōu)勢(shì)如：設(shè)備體積小、成本低、易集成、易鋪設(shè)等，所以被本次定位研究所采用。而GPS作為如今最為成熟的室外定位技術(shù)，也擁有其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，因而也是本文定位研究方法。本文在總結(jié)了現(xiàn)如今室內(nèi)外無(wú)縫定位技術(shù)與室內(nèi)外導(dǎo)航技術(shù)的研究背景、研究現(xiàn)狀、所面臨的難點(diǎn)與問(wèn)題以及未來(lái)的發(fā)展方向的基礎(chǔ)上，闡述了聯(lián)合GPS與無(wú)線定位的組合定位法，使室內(nèi)外無(wú)縫定位得以高精度的實(shí)現(xiàn)。并且對(duì)基于信號(hào)強(qiáng)度的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)定位算法原理與GPS定位算法原理進(jìn)行深入的研究，同時(shí)對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使得定位的精度與可用性大大提高。同時(shí)針對(duì)不同的定位環(huán)境以及定位請(qǐng)求，本文探究其對(duì)應(yīng)的定位方案、轉(zhuǎn)換機(jī)制以及切換策略，以滿足室內(nèi)外的無(wú)縫定位。并且本文最后通過(guò)仿真，對(duì)改進(jìn)后的定位算法與原定位算法以及不同定位方案進(jìn)行比較，對(duì)本文的定位算法改進(jìn)與定位方案的提出以支持。關(guān)鍵詞：室內(nèi)外無(wú)縫定位；無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)定位；接收信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）；全球定位系統(tǒng)（GPS）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）英文摘要ABSTRACTABSTRACT:Nowtheindoorpositioningtechnologyhasdevelopedrapidly,mainlytoformthreekindsofpositioningtechnology:AGPS[1]positioning,wirelesspositioningandvisualsensorpositioning。Andwirelesspositioningbecauseofitsspecialadvantagessuchas:smallsizeofequipment,lowcost,YiJicheng,easytolay,etc.,areusedbythispositioningresearch.AndGPS,asthemostmatureoutdoorpositioningtechnology,alsohasitsuniqueadvantages,whichistheresearchmethodofthispaper.Thispapersummarizesthenowindoorandoutdoorseamlesspositioningtechnologyandindoorandoutdoornavigationtechnologyofresearchbackground,researchstatus,facingthedifficultiesandproblemsandonthebasisofthefuturedirectionofdevelopment,expoundsthecombinedpositioningmethodwithGPSandwirelesspositioning,makeindoorandoutdoorseamlesspositioningcanachievehighaccuracy.Andtoin-depthstudybasedonthesignalstrengthofthewirelesssensornodelocalizationalgorithmprincipleandGPSpositioningalgorithmprinciple,alsoofthealgorithmwereoptimizedandimproved,soastogreatlyimprovethepositioningaccuracyandavailability.Atthesametime,inordertomeettherequirementsofdifferentpositioningenvironmentandpositioning,thispaperexploresthecorrespondingpositioningscheme,switchingmechanismandswitchingstrategytomeettheseamlesspositioningofindoorandoutdoor.Finally,throughthesimulation,theimprovedpositioningalgorithmandtheoriginalpositioningalgorithmanddifferentpositioningschemesarecompared,thepositioningalgorithmofthispaperisimprovedandthepositioningschemeisproposedtosupport.KEYWORDS：Indoorandoutdoorseamlesspositioning;wirelesssensornodelocalization;receivedsignalstrength(RSSI);globalpositioningsystem(GPS)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）目錄目錄19690中文摘要 i8937ABSTRACT ii13881目錄 iii130711引言 9297391.1研究背景 9138711.2研究現(xiàn)狀與問(wèn)題 970501.3研究方法與設(shè)想 11304522室內(nèi)外無(wú)縫定位的有關(guān)理論研究 12228422.1室內(nèi)定位技術(shù)及其基本原理 12204892.1.1室內(nèi)GPS定位技術(shù) 13248732.1.2室內(nèi)無(wú)線定位技術(shù) 1386582.2室外定位技術(shù)及其基本原理 14178393室內(nèi)外無(wú)縫定位有關(guān)算法的研究與優(yōu)化 1588933.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)及其有關(guān)算法 157873.1.1AOA定位 16182433.1.2TOA定位 16102533.1.3TDOA與AOA混合定位 1799413.2.1RSSI定位算法 1829373.2.2對(duì)RSSI定位算法進(jìn)行優(yōu)化 19115913.2.3高斯濾波 19165453.2.4三邊測(cè)距定位算法及其改進(jìn) 2093333.2.5三邊測(cè)量法在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的迭代法求解算法 23181133.3GPS定位算法的研究與優(yōu)化 25164413.3.1GPS單點(diǎn)定位算法原理 265549３.3.２卡爾曼濾波算法 27263474室內(nèi)外無(wú)縫定位的解決方案與切換策略 29309264.1室內(nèi)外無(wú)縫定位的解決方案 297694.2室內(nèi)外無(wú)縫定位的切換策略 30293824.3定位流程 31201045實(shí)驗(yàn)仿真 31305935.1RSSI模型仿真 31203645.2三邊測(cè)量算法及其優(yōu)化算法的仿真 32186576.結(jié)論 3716948參考文獻(xiàn) 3823891致謝 4023933附錄 41畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）正文引言1.1研究背景隨著人類(lèi)的進(jìn)步，社會(huì)的發(fā)展，人類(lèi)對(duì)于自身位置信息的精確度與可用性越來(lái)越關(guān)注，對(duì)于興趣的的定位與導(dǎo)航的要求也越來(lái)越高。全球定位系統(tǒng)（GPS）應(yīng)運(yùn)而生，并給我們提供了方便有效的室外定位服務(wù)。但衛(wèi)星導(dǎo)航包括GPS都有其自身無(wú)法克服的不足與脆弱性，如：在受到干擾時(shí)，定位與導(dǎo)航能力將大幅下降；在充滿高樓大廈的城市，定位精度也將下降；在大型室內(nèi)場(chǎng)館之中，室內(nèi)定位的精度與可用性都將大幅降低。而在大型場(chǎng)館內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、人口密集，對(duì)于定位與導(dǎo)航有迫切的需求。室內(nèi)和室外的無(wú)縫定位的技術(shù)的提出之后，系統(tǒng)定位的包含的區(qū)域、可使用的情景都得到了及其巨大的豐富和加強(qiáng)，同時(shí)室內(nèi)和室外及多個(gè)不同的環(huán)境區(qū)域之間的定位能夠變得更加的平緩從而真正的體現(xiàn)出無(wú)縫連接這一特點(diǎn)，與此同時(shí)，定位的精確度也能夠大幅度的得以上升。泛在無(wú)線信號(hào)定位的計(jì)算對(duì)應(yīng)的泛在無(wú)線信號(hào)技術(shù)的定位,它的基礎(chǔ)條件是必須有無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在，所以它的定位往往只是適用于存在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的城鎮(zhèn)區(qū)域甚至僅僅是部分的室內(nèi)的區(qū)域。多種不想同的傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的定位甚至是不同的定位方案的集合或集成,例如兩種不同定位方法之間的集成：無(wú)線節(jié)點(diǎn)定位和無(wú)線指紋標(biāo)簽定位,又例如多種不相同的定位算法之間的集和：TOA定位、AOA定位與RSSI定位組合,它可以把其它的空間乃至于其它的特殊情景都包括進(jìn)來(lái)。室內(nèi)外無(wú)縫定位的技術(shù)可以把兩種或兩種以上的定位算法與技術(shù)聯(lián)合使用從而使室內(nèi)外的較精確的無(wú)縫定位的服務(wù)要求得以實(shí)現(xiàn)。1.2研究現(xiàn)狀與問(wèn)題在當(dāng)今的人類(lèi)社會(huì)之中，隨著定位技術(shù)的提出、發(fā)展與實(shí)踐，USA所研制與推廣應(yīng)用的GPS（全球定位系統(tǒng)）現(xiàn)已逐步成為了當(dāng)今世界的及其優(yōu)良的極其使用于室外環(huán)境的定位技術(shù)與方式，如今大家的生活中的方方面面，都有可能有GPS的影子，它廣泛應(yīng)用于當(dāng)今社會(huì)的無(wú)數(shù)的領(lǐng)域之中，發(fā)揮著巨大的作用。之所以它能有如此廣泛的應(yīng)用，是應(yīng)為它有著許多的其它的定位方法所沒(méi)有的長(zhǎng)處，首先它在定位時(shí)，只要擁有三顆可用定位衛(wèi)星（實(shí)際定位時(shí)一般為四顆定位衛(wèi)星）提供質(zhì)量較高的定位信號(hào)時(shí)，它的定位的精確度將大量的超出其它的定位方式；而且它的生存能力比之于其它定位系統(tǒng)顯得更加強(qiáng)大，例如能能在較大干擾的情況下依然完成較精確的定位與導(dǎo)航任務(wù)；除此之外，它的一大特點(diǎn)就是具有極好的實(shí)時(shí)性。在有如此之多的長(zhǎng)處的同時(shí)，它也不可避免的有部分的不足之處，首先便是它的經(jīng)濟(jì)成本的問(wèn)題，它的定位必須擁有大量的定位支撐設(shè)施，如大量的接收設(shè)備、大量的定位衛(wèi)星以及各種節(jié)點(diǎn)設(shè)備，同時(shí)它的接收機(jī)節(jié)點(diǎn)需要大量能源；此外它的各種設(shè)備所占用的空間較大，使得它在實(shí)際使用是的適用范圍減小了不少；還有最為重要的一點(diǎn)就是它在較復(fù)雜的區(qū)域如城鎮(zhèn)區(qū)域的定位精確度會(huì)有所下降，特別是在復(fù)雜的室內(nèi)區(qū)域如大型商場(chǎng)等的定位性能將大幅度下降。這么些局限性使得GPS并不適用于許多特殊環(huán)境。GPS原理是至少三顆定位點(diǎn)上空的定位衛(wèi)星（實(shí)際定位時(shí)一般為四顆可用定位衛(wèi)星）發(fā)送授時(shí)信號(hào)，再通過(guò)定位算法來(lái)計(jì)算定位點(diǎn)的位置。由于信號(hào)傳播速度誤差、授時(shí)信號(hào)誤差等，其精確度一般為十米左右。室內(nèi)環(huán)境使用衛(wèi)星定位精確度與可用性將大大下降，因此可使用室內(nèi)定位技術(shù)與衛(wèi)星定位聯(lián)合定位，使得衛(wèi)星信號(hào)較弱、被建筑物阻擋等問(wèn)題得以解決?，F(xiàn)如今主要使用無(wú)線定位、基站定位、慣導(dǎo)定位等多種技術(shù)方法共同構(gòu)成室內(nèi)定位體系，使得復(fù)雜區(qū)域的定位如城鎮(zhèn)、大型室內(nèi)場(chǎng)所的定位與導(dǎo)航的任務(wù)成為現(xiàn)實(shí)。在整個(gè)室內(nèi)定位體系之中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位有其極其特殊的優(yōu)勢(shì)與長(zhǎng)處，首先便是他的成本花費(fèi)較低、經(jīng)濟(jì)效益較高，因?yàn)樗诨A(chǔ)設(shè)施方面的投入較低，節(jié)點(diǎn)的設(shè)置也較方便，同時(shí)在很多的室內(nèi)與城鎮(zhèn)區(qū)域一樣大量的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；此外它的各種節(jié)點(diǎn)設(shè)施以及其他的所需設(shè)施所占空間極小，那么在實(shí)際使用中的可用性必然提高不少，且能夠在一些較小的電子設(shè)備中集成（計(jì)算機(jī)、平板電腦、智能機(jī)等）。因此它的應(yīng)用范圍與領(lǐng)域相當(dāng)廣泛?，F(xiàn)如今，隨著室內(nèi)無(wú)線定位技術(shù)的研究與發(fā)展，形成了多種較為優(yōu)良的無(wú)線定位技術(shù)，較常用的有：蜂窩定位技術(shù)適用于各種通訊網(wǎng)絡(luò)；無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)定位，適用于無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較強(qiáng)的區(qū)域；無(wú)線射頻識(shí)別定位，可用于有阻擋的短距離定位；與藍(lán)牙定位相似的，與當(dāng)前火熱的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)聯(lián)的ZigBee（紫蜂協(xié)議）定位，它的經(jīng)濟(jì)成本很低，所需消耗也不高，而且信號(hào)的傳輸速度快效率高；以及其他一些定位技術(shù)如：藍(lán)牙定位技術(shù)、紅外線定位技術(shù)、超寬帶定位技術(shù)等。[1]無(wú)線定位是利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間信號(hào)的到達(dá)時(shí)間、到達(dá)時(shí)間差、到達(dá)信號(hào)角度以及到達(dá)信號(hào)強(qiáng)度來(lái)計(jì)算定位點(diǎn)位置的方法。在現(xiàn)階段來(lái)說(shuō)，不可否認(rèn)無(wú)線定位技術(shù)與算法任然存在著諸多的挑戰(zhàn)，它們往往生存能力較差，不能應(yīng)對(duì)不同的環(huán)境以及較大的干擾；同時(shí)相對(duì)于GPS等較為成熟的定位技術(shù)來(lái)說(shuō)，定位的可用性與精確性急需加強(qiáng)；此外，它們?cè)趹?yīng)對(duì)多定位點(diǎn)與動(dòng)態(tài)定位點(diǎn)的位置與導(dǎo)航時(shí)，往往不夠理想。與此同時(shí)，因?yàn)槌擎?zhèn)化的推進(jìn)，人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)在實(shí)際中必將進(jìn)一步推進(jìn)，所以各種無(wú)線定位技術(shù)的使用必將越來(lái)越頻繁，所以我們對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的深入探索也將是大勢(shì)所趨、人心所向。當(dāng)今，對(duì)于室內(nèi)外無(wú)縫定位的研究也有了長(zhǎng)足的發(fā)展，如基于WIFI節(jié)點(diǎn)定位和GPS組合定位算法來(lái)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外無(wú)縫定位，但基于WiFi節(jié)點(diǎn)定位的穩(wěn)定性與可用性都還有待提高；又如北斗系統(tǒng)的室內(nèi)外無(wú)縫定位，它在室內(nèi)定位時(shí)主要是采用指紋節(jié)點(diǎn)定位，配合在室外定位時(shí)所采用的衛(wèi)星定位，通過(guò)一整套無(wú)縫定位方案與切換策略實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外無(wú)縫定位的任務(wù)；又如泛在無(wú)線信號(hào)輔助GPS組合定位系統(tǒng)；以及基于自適應(yīng)迭代加權(quán)算法的WLAN、MARG、GPS組合定位的方法。而不可否認(rèn)的是，相對(duì)于單獨(dú)的室內(nèi)或室外定位來(lái)說(shuō)，無(wú)縫定位技術(shù)的發(fā)展還處于起步階段，首先，現(xiàn)階段的無(wú)縫定位技術(shù)必須是兩種或兩種以上定位技術(shù)的結(jié)合，特別是室內(nèi)的定位技術(shù)與室外的定位技術(shù)在現(xiàn)階段來(lái)說(shuō)必須是兩種不同的技術(shù)[2];而且同一定位技術(shù)或定位信號(hào)在現(xiàn)階段往往只能服務(wù)于單一的情景或單一的模塊；最后在多個(gè)模塊之間的連接處的定位與連接的方案以及切換策略必須進(jìn)一步完善；無(wú)線節(jié)點(diǎn)信號(hào)在非視距傳播環(huán)境下的傳播信道較復(fù)雜的問(wèn)題；整個(gè)無(wú)縫定位系統(tǒng)所需的統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)與時(shí)間系統(tǒng)問(wèn)題；軟硬件與基礎(chǔ)設(shè)備的成本問(wèn)題；以及其它的如公眾無(wú)線服務(wù)定位服務(wù)模式、公眾隱私安全、開(kāi)放式服務(wù)等問(wèn)題。1.3研究方法與設(shè)想本文對(duì)無(wú)縫定位技術(shù)的研究需將GPS與無(wú)線定位相結(jié)合，從而達(dá)到無(wú)縫定位的要求。首先需要制定無(wú)縫定位的解決方案。在各種復(fù)雜的定位環(huán)境以及處于各種不同的定位區(qū)域都可提供較精確的位置服務(wù)是確保在各種不同情況下都可實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷的高精度的無(wú)縫定位的基礎(chǔ)。無(wú)縫定位系統(tǒng)必須能根據(jù)不同的定位情況與環(huán)境提供不同的無(wú)縫定位解決方案。之后需要確定無(wú)縫定位解決方案的切換策略。由于定位點(diǎn)位置的移動(dòng)、衛(wèi)星的運(yùn)行移動(dòng)、外界環(huán)境的改變會(huì)使得定位情景發(fā)生改變，那么就需要對(duì)無(wú)縫定位解決方案進(jìn)行自動(dòng)切換，必須確定切換的條件以及對(duì)應(yīng)于情景條件的切換方向。之后對(duì)GPS定位方法和算法進(jìn)行深入的探究，同時(shí)盡力改進(jìn)定位方案與算法。GPS定位的方法有多種分類(lèi),一般來(lái)說(shuō)，觀測(cè)量是其分類(lèi)的一大標(biāo)準(zhǔn)。偽距定位是將偽距作為了定位解算過(guò)程中的觀測(cè)量；而對(duì)應(yīng)的載波相位定位則是在定位結(jié)算過(guò)程中將其載波相位作為了定位的觀測(cè)量。此外,定位方式也可作為其定位分類(lèi)的一大法寶。其中最常用也是最簡(jiǎn)單方便的是單點(diǎn)定位；而較復(fù)雜但相對(duì)精確的則是差分定位。這些定位模型在求解時(shí)都可用非線性最小二乘算法求解,之后再迭代求解。通過(guò)對(duì)GPS定位原理的研究，嘗試改進(jìn)算法。之后對(duì)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)定位的原理、方法和算法進(jìn)行深入的探究，選取最佳的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)定位方法，并優(yōu)化改進(jìn)定位算法?；赗SSI的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)定位由于具有以下優(yōu)點(diǎn)：算法簡(jiǎn)單、操作方便易于實(shí)現(xiàn)、不需要在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中添加額外的硬件設(shè)施、成本低等，所以本文采用了基于RSSI的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位。它通過(guò)接受各個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信號(hào)，并感應(yīng)出各個(gè)信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度來(lái)計(jì)算出與各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的距離，從而實(shí)現(xiàn)定位服務(wù)。而對(duì)于其定位算法，在較理想的環(huán)境下，三邊測(cè)量法與加權(quán)質(zhì)心定位算法簡(jiǎn)單實(shí)用且精確度較高，因此將他們兩者結(jié)合使用。而對(duì)于環(huán)境情景不理想時(shí)，也可用三邊測(cè)量法與加權(quán)質(zhì)心算法，但還需結(jié)合最小二乘法或極大似然估計(jì)法.而在對(duì)基于信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）的無(wú)線節(jié)點(diǎn)定位算法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)時(shí)，可以考慮使用各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的不同信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算定位點(diǎn)與各個(gè)節(jié)點(diǎn)距離時(shí)加入遮蔽因子進(jìn)行修正，這將使得對(duì)于定位點(diǎn)的定位精度大大提高。除此之外，還可對(duì)于算法經(jīng)行自適應(yīng)迭代，通過(guò)數(shù)十次甚至數(shù)百次的自適應(yīng)迭代，根據(jù)定位算法的不同，定位的精確度都會(huì)有不同程度的上升。之后通過(guò)之前的無(wú)縫定位定位方案與與其對(duì)應(yīng)的切換策略將GPS與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位相結(jié)合，從而形成完整的可應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境的可同時(shí)覆蓋多區(qū)域?qū)崿F(xiàn)平滑過(guò)渡無(wú)縫連接的室內(nèi)外無(wú)縫定位系統(tǒng)。最后使用MATLAB對(duì)各個(gè)無(wú)縫定位算法方案進(jìn)行仿真研究，對(duì)比各個(gè)無(wú)縫定位方案算法，對(duì)各個(gè)室內(nèi)外無(wú)縫定位的方法與算法的仿真結(jié)果進(jìn)行研究，為本文中的無(wú)縫定位系統(tǒng)以及算法改進(jìn)提供足夠的依據(jù)，同時(shí)也促使無(wú)縫定位方案、算法、系統(tǒng)進(jìn)一步完善。最終，對(duì)整個(gè)室內(nèi)外無(wú)縫定位方案、算法、系統(tǒng)進(jìn)行總結(jié)分析，并得出結(jié)論。室內(nèi)外無(wú)縫定位的有關(guān)理論研究近年來(lái)在人類(lèi)發(fā)展中，無(wú)縫定位技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，它的應(yīng)用廣泛影響到安全服務(wù)、位置管理以及導(dǎo)航等方方面面，對(duì)于滿足用戶(hù)全域定位的導(dǎo)航要求、定位導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展有著重大意義?，F(xiàn)如今的無(wú)縫定位技術(shù)主要是通過(guò)無(wú)縫定位方案與無(wú)縫定位切換策略將室外的GPS技術(shù)或優(yōu)化的GPS技術(shù)與室內(nèi)的多種定位技術(shù)如各種無(wú)線定位技術(shù)相結(jié)合，從而達(dá)到室內(nèi)外無(wú)縫定位服務(wù)要求。室內(nèi)定位技術(shù)及其基本原理在環(huán)境復(fù)雜的室內(nèi)場(chǎng)景，如大型寫(xiě)字樓、大型體育場(chǎng)館、巨型防空洞、大型地下室、地下停車(chē)場(chǎng)以及礦井等復(fù)雜環(huán)境中，室內(nèi)定位技術(shù)將大有用武之地，它將滿足那些在大型室內(nèi)場(chǎng)館內(nèi)暈頭轉(zhuǎn)向的人們對(duì)與自身定位以及所需導(dǎo)航和各種室內(nèi)設(shè)施位置信息定位的要求。而由于之前我們提到的現(xiàn)如今室內(nèi)定位系統(tǒng)的各種局限性與不足之處，例如：較差的生存能力、較低的定位精確度、較小的定位范圍等，各種室內(nèi)定位技術(shù)在實(shí)際生活中的可用性急需加強(qiáng)。從而順應(yīng)著人們生活的需要，從人們生活中的各個(gè)領(lǐng)域以及各種需要來(lái)設(shè)想研究，室內(nèi)定位的研究先鋒們發(fā)表了各種各樣的室內(nèi)定位技術(shù)與方法，以及相應(yīng)的實(shí)施細(xì)則，例如：通過(guò)移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)基站從而實(shí)現(xiàn)快速定位的輔助GPS技術(shù)；無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)，它適用于無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較強(qiáng)的區(qū)域；有巨大發(fā)展前景的無(wú)線射頻識(shí)別定位技術(shù)，可用于有阻擋的短距離定位；與藍(lán)牙定位相似的，與當(dāng)前火熱的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)聯(lián)的ZigBee（紫蜂協(xié)議）定位技術(shù)，它的經(jīng)濟(jì)成本很低，所需消耗也不高，而且信號(hào)的傳輸速度快效率高；以及其他一些定位技術(shù)如藍(lán)牙定位、超寬帶定位、光學(xué)跟蹤定位等等；還有一些例如信標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)和別的一些可行的技術(shù)與方法。而隨著室內(nèi)定位技術(shù)與定位方案的不斷研究與發(fā)展，人們開(kāi)始總結(jié)這些技術(shù)與方案，漸漸地發(fā)展形成了這么幾大類(lèi)的室內(nèi)定位的技術(shù)：首先是全球衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)，它包括各種的室內(nèi)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，最多的是由GPS所延伸出的各種室內(nèi)定位技術(shù)如：A-GPS，除此之外還有其他的各種室內(nèi)衛(wèi)星定位系統(tǒng)如我國(guó)的北斗室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)[3]；之后則是無(wú)線定位技術(shù)，它也包括各種分支，在下文中也將對(duì)其各種分支有較詳細(xì)的敘述；還有一些如圖像分析、航行分析等的別的定位方法與技術(shù)；最后是兩種或兩種以上的室內(nèi)定位技術(shù)的組合的定位技術(shù)，在此不做過(guò)多敘述。在上文所述的各種室內(nèi)定位技術(shù)在現(xiàn)階段的研究之中，都不算令人滿意，也就是說(shuō)都還有極大的提升空間。但同時(shí)在未來(lái)，可以預(yù)見(jiàn)室內(nèi)定位技術(shù)絕不是單一技術(shù)與方法可以解決的，甚至需要涉及其它領(lǐng)域的發(fā)展。相對(duì)來(lái)說(shuō)將衛(wèi)星定位技術(shù)的優(yōu)勢(shì)同無(wú)線定位技術(shù)的優(yōu)勢(shì)相互彌補(bǔ)，是一個(gè)極為可行的定位方案，GPS定位技術(shù)相對(duì)來(lái)說(shuō)有著較好的定位精確度以及較好的實(shí)時(shí)性，而無(wú)線定位技術(shù)可以將系統(tǒng)的覆蓋面、可用情景都大大提高，它們之間如能強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，必將提供優(yōu)質(zhì)的室內(nèi)定位服務(wù)。室內(nèi)GPS定位技術(shù)在當(dāng)今的人類(lèi)社會(huì)之中，USA所研制與推廣應(yīng)用的GPS（全球定位系統(tǒng)）現(xiàn)已逐步成為了當(dāng)今世界的及其優(yōu)良的極其使用于室外環(huán)境的定位技術(shù)與方式，它廣泛應(yīng)用于當(dāng)今社會(huì)的無(wú)數(shù)的領(lǐng)域之中，發(fā)揮著巨大的作用?？墒钱?dāng)GPS永于室內(nèi)定位時(shí)，由于GPS信號(hào)并不適用于復(fù)雜的城鎮(zhèn)區(qū)域以及室內(nèi)環(huán)境，當(dāng)遇到阻礙物時(shí)，GPS信號(hào)往往衰減明顯，信號(hào)質(zhì)量沒(méi)有保障，那么隨之定位的精確度必將受到影響。以此時(shí)的信號(hào)靈敏度來(lái)說(shuō)，則是不可用的。而要使信號(hào)可用，信號(hào)質(zhì)量上升，那么就必須對(duì)信號(hào)碼做處理，使得對(duì)應(yīng)的碼延遲之上有足夠的時(shí)間進(jìn)行停留，這就是室內(nèi)GPS定位技術(shù)的關(guān)鍵所在。GPS進(jìn)行室內(nèi)定位時(shí)，與其進(jìn)行室外定位時(shí)一樣，由于是通過(guò)衛(wèi)星定位，所以具有極大的定位區(qū)域，可實(shí)現(xiàn)全覆蓋。但室內(nèi)GPS定位的精確度則明顯不如室外的GPS定位，因?yàn)槎ㄎ恍盘?hào)穿透阻礙物時(shí)，必然使信號(hào)質(zhì)量下降。同時(shí)與室外GPS定位一樣，成本經(jīng)費(fèi)較高。室內(nèi)無(wú)線定位技術(shù)在整個(gè)室內(nèi)定位體系之中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位有其極其特殊的優(yōu)勢(shì)與長(zhǎng)處，首先便是他的成本花費(fèi)較低、經(jīng)濟(jì)效益較高，因?yàn)樗诨A(chǔ)設(shè)施方面的投入較低，節(jié)點(diǎn)的設(shè)置也較方便，同時(shí)在很多的室內(nèi)與城鎮(zhèn)區(qū)域一樣大量的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；此外它的各種節(jié)點(diǎn)設(shè)施以及其他的所需設(shè)施所占空間極小，那么在實(shí)際使用中的可用性必然提高不少，且能夠在一些較小的電子設(shè)備中集成（計(jì)算機(jī)、平板電腦、智能機(jī)等）。因此它的應(yīng)用范圍與領(lǐng)域相當(dāng)廣泛?，F(xiàn)如今，隨著室內(nèi)無(wú)線定位技術(shù)的研究與發(fā)展，形成了多種較為優(yōu)良的無(wú)線定位技術(shù)，比較常用的有：蜂窩定位技術(shù)適用于各種通訊網(wǎng)絡(luò)；無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)定位，適用于無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較強(qiáng)的區(qū)域；無(wú)線射頻識(shí)別定位，可用于有阻擋的短距離定位；與藍(lán)牙定位相似的，與當(dāng)前火熱的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)聯(lián)的ZigBee（紫蜂協(xié)議）定位，它的經(jīng)濟(jì)成本很低，所需消耗也不高，而且信號(hào)的傳輸速度快效率高；以及其他一些定位技術(shù)如：藍(lán)牙定位技術(shù)、紅外線定位技術(shù)、超寬帶定位技術(shù)等。無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)：無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)(WLAN)是近來(lái)新興的信息網(wǎng)絡(luò)，他擁有廣泛的使用功能，在較復(fù)雜的環(huán)境下做出多種計(jì)算與反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)多種功能，應(yīng)用于生活中的各個(gè)的領(lǐng)域，其中它的定位功能與監(jiān)測(cè)功能尤為突出。而其中，它的實(shí)現(xiàn)定位的功能是它最為基礎(chǔ)的功能，也是完成其他功能的先決條件。IEEE802.11是在現(xiàn)階段最為人們所最為喜愛(ài)的無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)定位方法之一。它是無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)的一種系列標(biāo)準(zhǔn)，它之所以受到歡迎，是由于它的鋪設(shè)、設(shè)置、使用十分方便，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且所需的基礎(chǔ)設(shè)施較少，經(jīng)濟(jì)成本較低，而同時(shí)精度卻并不低。但是它的劣勢(shì)也十分明顯，定位的包含區(qū)域較小，且受到干擾時(shí)，信號(hào)質(zhì)量大幅下降，隨之定位精度不可避免的下降。ZigBee定位技術(shù)（紫蜂協(xié)議）：與藍(lán)牙定位相似的，與當(dāng)前火熱的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)聯(lián)的，適用于室內(nèi)定位的ZigBee（紫蜂協(xié)議）定位技術(shù)，它適用于較短距離的信號(hào)輸送，且傳播的速度并不高。它的最大的優(yōu)勢(shì)就是經(jīng)濟(jì)成本很低，所需消耗也不高，可是信號(hào)的傳輸效率卻不差。射頻識(shí)別定位技術(shù)（RFID）：射頻識(shí)別技術(shù)利用射頻方式進(jìn)行非接觸式雙向通信交換數(shù)據(jù)以達(dá)到識(shí)別和定位的目的[4]。此定位技術(shù)往往只能在較短距離范圍使用。但它的反應(yīng)時(shí)間極短，計(jì)算效率極高，同時(shí)定位的精確度卻極高。且相對(duì)來(lái)說(shuō)經(jīng)濟(jì)成本不高，設(shè)備的體積較小，可用性較高。卻能在較大范圍內(nèi)使用。此外它還有一個(gè)巨大長(zhǎng)處就是：不必視距傳播，不懼阻礙物。因此它具有極大的發(fā)展空間與發(fā)展前景，是當(dāng)前室內(nèi)定位技術(shù)的研究熱點(diǎn)所在。而在現(xiàn)階段的研究中，射頻識(shí)別的傳播模型并不容易構(gòu)建，當(dāng)前已有的構(gòu)建并不夠完善，還需優(yōu)化；此外還有一些人文社會(huì)問(wèn)題需要解決。2.2室外定位技術(shù)及其基本原理現(xiàn)如今，最為主流與實(shí)用的室外定位技術(shù)主要就是GPS以及各種優(yōu)化的GPS定位技術(shù)。GPS原理是至少三顆定位點(diǎn)上空的定位衛(wèi)星（實(shí)際定位時(shí)一般為四顆可用定位衛(wèi)星）發(fā)送授時(shí)信號(hào)，再通過(guò)定位算法來(lái)計(jì)算定位點(diǎn)的位置。由于信號(hào)傳播速度誤差、授時(shí)信號(hào)誤差等，其精確度一般為十米左右。GPS定位的方法有多種分類(lèi),一般來(lái)說(shuō)，觀測(cè)量是其分類(lèi)的一大標(biāo)準(zhǔn)。偽距定位是將偽距作為了定位解算過(guò)程中的觀測(cè)量；而對(duì)應(yīng)的載波相位定位則是在定位結(jié)算過(guò)程中將其載波相位作為了定位的觀測(cè)量。此外,定位方式也可作為其定位分類(lèi)的一大法寶。其中最常用也是最簡(jiǎn)單方便的是單點(diǎn)定位；而較復(fù)雜但相對(duì)精確的則是差分定位。這些定位模型在求解時(shí)都可用非線性最小二乘算法求解,之后再迭代求解。在此之中通過(guò)確立地球協(xié)議坐標(biāo)系，相對(duì)于地球質(zhì)心的位置可以得出觀測(cè)站相對(duì)應(yīng)的相對(duì)位置。這便是絕對(duì)定位。地球協(xié)議坐標(biāo)系中，通過(guò)計(jì)算地球表面某個(gè)參照物與觀測(cè)站之間的的相對(duì)位置。這便是相對(duì)定位。而按用戶(hù)接收機(jī)作業(yè)時(shí)所處的狀態(tài)可劃分為：靜態(tài)定位與動(dòng)態(tài)定位。GPS接收機(jī)在整個(gè)定位過(guò)程中的相對(duì)來(lái)說(shuō)處于靜止?fàn)顟B(tài)，對(duì)于某物或某點(diǎn)位置沒(méi)有變化。那么便是靜態(tài)定位。在定位時(shí)，GPS接收機(jī)的的天線并非靜止。那么便是動(dòng)態(tài)定位。在現(xiàn)如今使用中的GPS衛(wèi)星信號(hào)中共有載波、測(cè)距碼和數(shù)據(jù)碼這樣幾種信號(hào)的分量的存在[5]。其中，在實(shí)際的GPS定位中，所應(yīng)用最多的就是碼相位的觀測(cè)量以及載波相位的觀測(cè)量。它們分別可對(duì)應(yīng)得出了相應(yīng)的測(cè)碼偽距以及測(cè)相偽距。偽距的數(shù)值是通過(guò)信號(hào)的傳輸時(shí)間乘上傳輸速率所得。而相應(yīng)的傳輸時(shí)間則是定位衛(wèi)星所發(fā)出的定位信號(hào)傳輸?shù)诌_(dá)對(duì)應(yīng)的GPS接收機(jī)所經(jīng)歷的時(shí)間。而傳輸速率在此可約等于光速C。而載波相位測(cè)量則需要經(jīng)過(guò)兩個(gè)步驟。先是分別測(cè)量GPS接收機(jī)所得到的經(jīng)歷多普勒頻移后的載波衛(wèi)星信號(hào)以及GPS接收機(jī)自己所發(fā)出的參考載波信號(hào)。再通過(guò)計(jì)算得出它們之間的相位差，之后便可以求解定位點(diǎn)的位置。在現(xiàn)階段來(lái)說(shuō)，載波相位測(cè)量的精確度無(wú)疑以達(dá)到了很高的要求。室內(nèi)外無(wú)縫定位有關(guān)算法的研究與優(yōu)化由以上的討論可知GPS定位技術(shù)與無(wú)線定位技術(shù)均有其它定位技術(shù)所沒(méi)有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，并且它們可相互結(jié)合互補(bǔ)，因此本文此處主要討論GPS定位技術(shù)的相關(guān)算法以及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的相關(guān)算法。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)及其有關(guān)算法在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)中，定位網(wǎng)絡(luò)所測(cè)得的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算目標(biāo)物體的位置信息，主要分為測(cè)距定位和測(cè)向定位，其中在測(cè)距定位的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了很多種定位算法，比較經(jīng)典的有RSSI，DV—hop，TOA，TDOA，最近鄰居算法等，基于測(cè)向的算法有AOA算法，以及包括在AOA算法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的AOA定位算法等。無(wú)線定位有多種方法，比如我們可以通過(guò)不同的錨節(jié)點(diǎn)信號(hào)對(duì)于未知節(jié)點(diǎn)信號(hào)的到達(dá)時(shí)間的先后差值來(lái)實(shí)現(xiàn)未知節(jié)點(diǎn)的定位，這便是TDOA算法；我們還可以通過(guò)不同錨節(jié)點(diǎn)信號(hào)抵達(dá)未知節(jié)點(diǎn)分別所消耗的時(shí)間來(lái)計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)的位置，這便是TOA算法；此外，我們還可以通過(guò)測(cè)量出不同錨節(jié)點(diǎn)信號(hào)抵達(dá)未知節(jié)點(diǎn)時(shí)各自的角度來(lái)解算出未知節(jié)點(diǎn)的位置，這便是AOA算法；最后我們還可以通過(guò)測(cè)量錨節(jié)點(diǎn)信號(hào)抵達(dá)定位點(diǎn)時(shí)的不同信號(hào)強(qiáng)度來(lái)計(jì)算定位點(diǎn)的位置，這便是RSSI算法。除此之外，還有兩種或兩種以上算法的組合算法。AOA定位到達(dá)角度法（AOA）：這種定位算法可以通過(guò)測(cè)量出不同錨節(jié)點(diǎn)信號(hào)抵達(dá)未知節(jié)點(diǎn)時(shí)各自的角度來(lái)解算出未知節(jié)點(diǎn)的位置。這種算法的經(jīng)濟(jì)成本較少，算法也較簡(jiǎn)單，還可以確定出方向信息，而定位的精確度卻不低，因此得以大量的運(yùn)用于實(shí)際。典型的AOA系統(tǒng)有MIT的“TheCricketCompass”。AOA定位算法對(duì)于外界干擾的抵抗力較弱，例如當(dāng)收到NLOS干擾時(shí)精確度大幅度下降。AOA定位算法可由以下方法求得：正如下面的圖1所示。定位節(jié)點(diǎn)：A，錨節(jié)點(diǎn)：B。角秒為B相對(duì)于A的方位角。A位于兩個(gè)接收機(jī)之間線段的中點(diǎn)。風(fēng)和R2到錨節(jié)點(diǎn)的距離設(shè)為X1、X2。已知兩接收機(jī)Ri、R2的相對(duì)位置。A的兩邊的兩個(gè)接收機(jī)收到B發(fā)出的信號(hào)。有TOA技術(shù)可測(cè)量并計(jì)算出Xl、X2。B相對(duì)于A的方位角可由幾何關(guān)系得出。如圖2所示，利用上面的方法，分別測(cè)得相鄰3個(gè)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)各自的方位角，如節(jié)點(diǎn)B相對(duì)節(jié)點(diǎn)A的方位角為Zab，同樣可以測(cè)得節(jié)點(diǎn)C相對(duì)于節(jié)點(diǎn)A的方位角Zac。根據(jù)上文所述可知：Z（CAB）=Zac-Zab。所以當(dāng)我們已經(jīng)知道了B的方向，那么可知其方向角為z:b即與中垂線夾角。那么就上所述我們可以得出A的夾角為2π-(Lba十π-Zab)+Zb。圖1節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖圖2方位角測(cè)量3.1.2TOA定位到達(dá)時(shí)間法(TOA）可以通過(guò)不同錨節(jié)點(diǎn)信號(hào)抵達(dá)未知節(jié)點(diǎn)分別所消耗的時(shí)間來(lái)計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)的位置。它的算法我們必須已知定位節(jié)點(diǎn)的位置已知，通過(guò)測(cè)量定位節(jié)點(diǎn)于待測(cè)未知節(jié)點(diǎn)的信號(hào)的接收與發(fā)送的時(shí)間，來(lái)計(jì)算出待測(cè)未知節(jié)點(diǎn)的位置。其定位算法如下：假設(shè)有N個(gè)AP信標(biāo)的節(jié)點(diǎn)，＋2節(jié)點(diǎn)到第i個(gè)已知節(jié)點(diǎn)的距離如以下公式所示：(1)(2)式中，i=1,2,3,…,N;ti為第i個(gè)定位節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)的時(shí)間和距離；c為無(wú)線信號(hào)的傳播速度。在理想情況時(shí)，每個(gè)定為節(jié)點(diǎn)在各自時(shí)間周期內(nèi)向待測(cè)移動(dòng)終端發(fā)送無(wú)線節(jié)點(diǎn)信號(hào)，其待測(cè)的移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)位于以定為節(jié)點(diǎn)為圓心、以定為節(jié)點(diǎn)待測(cè)移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)的距離為半徑的圓上，如果定位節(jié)點(diǎn)位于S點(diǎn)，同時(shí)有多個(gè)定位節(jié)點(diǎn)分別接收到了待測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的同一個(gè)信號(hào)，那么對(duì)于每一個(gè)接收到信號(hào)的定位錨節(jié)點(diǎn)都能做出一個(gè)圓來(lái)（半徑為錨節(jié)點(diǎn)到定位節(jié)點(diǎn)之間的距離）。顯而易見(jiàn)，定位點(diǎn)則是它們幾個(gè)的重合點(diǎn)。正如圖3所示：其中D1，D2，D3都可以通過(guò)傳播時(shí)間求出相應(yīng)的距離，進(jìn)一步則可以求出S點(diǎn)的位置圖3TOA幾何模型3.1.3TDOA與AOA混合定位由上文可知，TOA定位算法中由于到達(dá)時(shí)間與距離與位置直接相關(guān)，因此錨節(jié)點(diǎn)與定位節(jié)點(diǎn)在時(shí)間上必須同時(shí)其實(shí)，不能有絲毫的誤差。那么其算法的經(jīng)濟(jì)成本無(wú)疑會(huì)超出效益。同時(shí)在實(shí)際操作中錨節(jié)點(diǎn)與定為節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間誤差也不可能完全消除。因此為了消除此誤差，時(shí)間差算法就應(yīng)運(yùn)而生了。此種定位算法由于是通過(guò)時(shí)間差與距離直接相關(guān)，因此并不需要起始時(shí)間完全相同，因此對(duì)于硬件以及算法的要求都比較低，所以相對(duì)TOA算法來(lái)說(shuō)，在實(shí)際中運(yùn)用的更多?；赥DOA與AOA的混合三位定位，首先我們需要通過(guò)這兩種算法以及與之相關(guān)的Chan氏算法來(lái)打造出一個(gè)可行的三位非線性方程組來(lái)。之后我們需要確定待測(cè)移動(dòng)終端的三維位置。這要求我們分別進(jìn)行兩次對(duì)位置的估算。第一次的位置估算是通過(guò)WLS算法來(lái)獲得目標(biāo)初始位置的解，之后再利用初始解分量之間的相互相關(guān)性和CWLS算法，來(lái)重新建立方程來(lái)修正第一次的估算值。3.2基于RSSI的定位算法的研究與優(yōu)化在現(xiàn)如今的各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位算法之中，RSSI定位由于其經(jīng)濟(jì)成本較低、復(fù)雜性低的優(yōu)勢(shì)而被廣泛運(yùn)用到各個(gè)各個(gè)領(lǐng)域。因此本文中的室內(nèi)外無(wú)縫定位技術(shù)也將采用RSSI算法，作為其中室內(nèi)定位的主要算法?？墒?，與此同時(shí)我們知道信號(hào)強(qiáng)度的穩(wěn)定性較低，抗干擾的能力也不高，從而RSSI算法的精確度必然將不會(huì)有很好的保障，會(huì)有所影響。正因如此，本文之中將會(huì)探索一種甚至多種能有效提高定位的精確度的RSSI算法，使得RSSI算法大幅度的優(yōu)化與提高。3.2.1RSSI定位算法RSSI算法是通過(guò)測(cè)量錨節(jié)點(diǎn)信號(hào)抵達(dá)定位點(diǎn)時(shí)的不同信號(hào)強(qiáng)度來(lái)計(jì)算錨節(jié)點(diǎn)信號(hào)在整個(gè)過(guò)程中的消耗，再將其消耗通過(guò)各種辦法來(lái)計(jì)算出相應(yīng)的距離，最后得出待測(cè)節(jié)點(diǎn)的位置。可是，與此同時(shí)我們知道信號(hào)強(qiáng)度的穩(wěn)定性較低，抗干擾的能力也不高，從而RSSI算法的精確度必然將不會(huì)有很好的保障?？墒潜娝苤猂SSI算法有其巨大的優(yōu)勢(shì)。其經(jīng)濟(jì)成本較低、算法復(fù)雜性低，而且大量的無(wú)線通信甚至于都會(huì)告知RSSI的數(shù)值。所以RSSI算法在實(shí)際的生活中都得到了大量的使用。下圖為RSSI算法的簡(jiǎn)易模型圖：圖4RSSI算法簡(jiǎn)易模型圖正如上圖所示：定位節(jié)點(diǎn)在與傳感器相距d距離時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度為：R（d）。錨節(jié)點(diǎn)在與傳感器相距d1距離時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度為：R（d0）。由信號(hào)損耗與距離的關(guān)系，我們可以得出以下公式（3）：式（3）上式之中的n為信號(hào)強(qiáng)度衰減指數(shù)，可由實(shí)際而取（2,5），為一經(jīng)驗(yàn)值。那么經(jīng)由公式（3），易得距離公式，可見(jiàn)公式（4）如下：式（4）如果現(xiàn)已知節(jié)點(diǎn)A的坐標(biāo)為（x0，y0），兩個(gè)傳感器Ａ、Ｂ的坐標(biāo)可表示為（x1,y1）與(x2,y2),那么我們就可以通過(guò)距離運(yùn)算公式與式（４）將目標(biāo)物體的坐標(biāo)（ｘ，ｙ）通過(guò)下兩式求得：式（5）式（6）3.2.2對(duì)RSSI定位算法進(jìn)行優(yōu)化本文主要針對(duì)RSSI定位算法的距離值容易受影響而導(dǎo)致定位精度低的問(wèn)題，提出了在RSSI定位算法的基礎(chǔ)上，通過(guò)高斯濾波的方法優(yōu)先選取RSSI值的策略，并融入了非理想情況下的多邊測(cè)量法與加權(quán)質(zhì)心算法，以及自適應(yīng)迭代與遮蔽因子修正，來(lái)保證RSSI定位算法精度的提高。3.2.3高斯濾波本文通過(guò)高斯濾波尋找來(lái)最優(yōu)的RSSI值：首先定義在某段時(shí)間內(nèi)，信號(hào)接收器接收到未知節(jié)點(diǎn)的n個(gè)RSSI值，由于這n個(gè)RSSI值是隨機(jī)離散的變量，則這些值服從或近似服從高斯分布（正態(tài)分布），選取那些高概率，即分布密度比較大的區(qū)域（一般經(jīng)驗(yàn)值位大于等于0.6的區(qū)域），測(cè)量結(jié)果關(guān)于x的密度函數(shù)f(x)如下公式所示：式（7）式中，。高斯濾波后，選取范圍在[0.15&+u,3.09&+u]之間的RSSI值，并對(duì)這些值進(jìn)行幾何平均，那么就可以得到未知節(jié)點(diǎn)在這一段時(shí)間之中的RSSI值。再根據(jù)上面的傳播損耗模型，就可估算出未知節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)間的距離。3.2.4三邊測(cè)距定位算法及其改進(jìn)本文結(jié)合三邊測(cè)量算法模型，以及質(zhì)心定位算法，提出改進(jìn)的加權(quán)質(zhì)心定位算法，使得算法的定位精度得以提高。在無(wú)誤差狀態(tài)下的三邊測(cè)量算法的簡(jiǎn)單模型：設(shè)三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)分別為C(x1,y1)、B(x2,y2)、A(x3,y3)時(shí)，A、B、C三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)分別收到來(lái)自于待測(cè)節(jié)點(diǎn)(x,y)的三個(gè)RSSI值，并將它們分別設(shè)為Ra，Rb，Rc。而根據(jù)距離損耗模型可以將這三個(gè)信號(hào)強(qiáng)度值輕易的變換為相應(yīng)的距離值，并可設(shè)它們?yōu)镽1，R2，R3。再分別作出三個(gè)圓，易知它們分別以A，B，C為圓心，同時(shí)分別以R1，R2，R3為半徑。容易看出這些圓的交點(diǎn)便是待測(cè)節(jié)點(diǎn)。我們可利用之前的算法接觸待測(cè)節(jié)點(diǎn)（x，y）的相應(yīng)位置：式（8）式（9）式（10）圖5三邊測(cè)量法模型非理想情況下的三角測(cè)量法模型：圖6三角測(cè)量法模型M、N、E其中的任意一點(diǎn)（Xm，Ym），我們都可使用下面的公式得出位置：式（11)式（12）式（13）同理可以求出N點(diǎn)，E點(diǎn)的坐標(biāo)，最后可以通過(guò)求解三角形質(zhì)心的位置來(lái)得到待測(cè)節(jié)點(diǎn)D的位置：式（14）除此之外我們還可研究一種對(duì)質(zhì)心算法進(jìn)行到質(zhì)心距離的加權(quán)。經(jīng)過(guò)到質(zhì)心距離的加權(quán)后的質(zhì)心算法對(duì)于待測(cè)點(diǎn)的定位的精確度將會(huì)有極大的增長(zhǎng)。在此我們可設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單的模型與相應(yīng)的算法。可設(shè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中的位置已知的四個(gè)接收機(jī)節(jié)點(diǎn)分別為A，B，C,F?，F(xiàn)在我們需要通過(guò)4個(gè)錨節(jié)點(diǎn)求得待測(cè)節(jié)點(diǎn)位置。任選A，B，C，F(xiàn)中的三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)即可使用三邊測(cè)量法求得待測(cè)節(jié)點(diǎn)的位置信息。并分別將它們?cè)O(shè)為D3（x3,y3）,D4（x4,y4），D1（x1,y1），D2（x2,y2）。我們?cè)賮?lái)求其加權(quán)平均便可得到待測(cè)節(jié)點(diǎn)D的最佳位置估計(jì)。我們將其相應(yīng)的距離作為加權(quán)因子，之后便可以得到下式：式（15）式（16）式（17）式（18）式（19）根據(jù)以上進(jìn)行的對(duì)比分析中得出了質(zhì)心定位算法的優(yōu)缺點(diǎn)，因此在本文中提出的混合算法，在已有的理論基礎(chǔ)上更好的提高了質(zhì)心定位算法的精度。優(yōu)化前的質(zhì)心算法只是直接計(jì)算三角形的質(zhì)心，之后把所得質(zhì)心作為待測(cè)節(jié)點(diǎn)的定位位置。因此，這種定位算法所得的位置的最佳估計(jì)的精確度必然較低。下文中提出了一種新型的混合算法。它通過(guò)在移動(dòng)中的物體動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)參數(shù)來(lái)搜索尋求區(qū)域內(nèi)對(duì)于目標(biāo)函數(shù)的精度最高，因此可以將其用來(lái)優(yōu)化質(zhì)心算法得到的更好的定位效果。對(duì)于個(gè)固定錨點(diǎn)，將待測(cè)節(jié)點(diǎn)與其它各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)之間的的間隔分別設(shè)為。我們對(duì)其中的錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行探討。若設(shè)這兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)有質(zhì)心且位于，并將與之間間隔可設(shè)為，由此可知下式：式（20）式（21）易得：式（22）式（23）通過(guò)上式我們推得為加權(quán)因子，那么可知其加權(quán)能力的決定因素。根據(jù)以上的判斷推理，從而我們可以得到的加權(quán)質(zhì)心計(jì)算公式為：式（24）式（25）權(quán)值動(dòng)態(tài)選擇為：。3.2.5三邊測(cè)量法在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的迭代法求解算法三邊測(cè)量法是現(xiàn)如今無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)中的最為基本的定位算法，在其中的多種定位技術(shù)與算法中都有著大量的應(yīng)用。有了三邊測(cè)量法后，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的任意待測(cè)或未知節(jié)點(diǎn)都能被其測(cè)量定位，這通過(guò)超過(guò)兩個(gè)的與這一待測(cè)節(jié)點(diǎn)相關(guān)的距離位置信號(hào)便可實(shí)現(xiàn)?？墒怯捎诙ㄎ患夹g(shù)的不斷發(fā)展，原有的三邊測(cè)量法的定位精確度已漸漸不能滿足人們的愿望?，F(xiàn)如今的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之中，人們往往是大片狀鋪設(shè)錨節(jié)點(diǎn)及其它節(jié)點(diǎn)。如果錨節(jié)點(diǎn)的需求過(guò)多，必將導(dǎo)致其經(jīng)濟(jì)效益大大降低，同時(shí)錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)量在整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)往往也會(huì)有其上線。由此相對(duì)應(yīng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位算法必須把已知的定位節(jié)點(diǎn)作為新的錨節(jié)點(diǎn)，利用已知節(jié)點(diǎn)來(lái)定位其它未知節(jié)點(diǎn)。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)中錨節(jié)點(diǎn)大大減少，而降低經(jīng)濟(jì)成本。但它也有著一個(gè)明顯的局限：節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系不再獨(dú)立，而是相互聯(lián)系，這就使得一個(gè)節(jié)點(diǎn)存在誤差，其它相關(guān)節(jié)點(diǎn)也將被此誤差共同拖累影響。如果我們從整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)看，則像是多米諾骨牌一般產(chǎn)生連鎖效應(yīng)，甚至是放大此效應(yīng)。而只要我們能大大加強(qiáng)改進(jìn)優(yōu)化三邊測(cè)量算法，使其精確度在極大范圍內(nèi)滿足我們的要。那么上述問(wèn)題便迎刃而解了。隨著人們對(duì)三邊測(cè)量法的研究改進(jìn)，它漸漸發(fā)展出了兩種在實(shí)際定位解算中運(yùn)用最多且最為實(shí)用的實(shí)現(xiàn)方式。第一種實(shí)現(xiàn)方式需要兩步實(shí)現(xiàn)，首先進(jìn)行矩陣測(cè)量，得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)關(guān)于位置與距離的信息，第二步將各個(gè)信息化為方程并用最小二乘法解出待測(cè)位置信息，這便是直接矩陣求解算法。第二種方法是迭代求解法。它利用通過(guò)梯度的下降法求解各種約束條件的極小值來(lái)求解位置的最優(yōu)估計(jì)。這相當(dāng)于是最優(yōu)化問(wèn)題的求解辦法。其中，直接矩陣求解的優(yōu)化目標(biāo)同距離約束沒(méi)有直接關(guān)聯(lián)，因此結(jié)果的誤差有可能超過(guò)測(cè)距距離本身[6]。因此，本文將采用迭代法求解來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的三邊測(cè)量法。我們?cè)谑褂萌厹y(cè)量算法求解待測(cè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，由于實(shí)際情況下的距離與位置信息往往會(huì)有些許誤差，導(dǎo)致幾個(gè)解算圓并不能在同一點(diǎn)重合，所以我們必須將待測(cè)節(jié)點(diǎn)的定位信息進(jìn)行最佳估計(jì)。在此我們打算使用最小二乘法來(lái)達(dá)到對(duì)待測(cè)節(jié)點(diǎn)定位信息進(jìn)行最佳估計(jì)的目的，因?yàn)樽钚《朔梢允沟梦恢霉烙?jì)與測(cè)量間距的誤差降到最低。最佳的優(yōu)化節(jié)點(diǎn)的算法為：式（26）對(duì)上式的每一項(xiàng)在處進(jìn)行泰勒展開(kāi)：式（27）式（28）上式中：代入優(yōu)化方程可得：式（30）上面的優(yōu)化方程可用矩陣表達(dá)為：式（31）式（32）式（33）要使上式的估計(jì)得以最優(yōu)化，我們可選用自適應(yīng)迭代法進(jìn)行解算。而要使用迭代法解算就必須確定其初值為多少，而使用參考節(jié)點(diǎn)重心作為其初值進(jìn)行自適應(yīng)迭代較為常見(jiàn)。即：式（34）3.3GPS定位算法的研究與優(yōu)化GPS是美國(guó)研制的在海、陸、空及三位環(huán)境中都可進(jìn)行實(shí)時(shí)導(dǎo)航與定位功能的衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。伴隨著人們對(duì)GPS系統(tǒng)的進(jìn)一步研究，它在測(cè)繪、氣象、航空等跟多領(lǐng)域都有了全新的應(yīng)用。這也就對(duì)GPS系統(tǒng)的可用性與精度有了更高的要求，所以我們也就必須對(duì)GPS定位算法進(jìn)行進(jìn)一步的研究與改進(jìn)。目前所使用的GPS單點(diǎn)定位，一般都是使用ＬＳ法來(lái)經(jīng)行位置信息的定位解算。最小二乘法解算的優(yōu)勢(shì)在于能對(duì)測(cè)量值進(jìn)行優(yōu)化改善，從而極大的改善了殘余平方和。但最小二乘法的不足之處在于最終的定位估計(jì)并不平滑。因?yàn)樽钚《朔](méi)有將不同時(shí)刻的定位值聯(lián)系起來(lái)互相制約。如果對(duì)最小二乘解經(jīng)過(guò)一定的濾波處理，那么定位結(jié)果將大大改善，定位精度也將大大提高。卡爾曼濾波（KF）是對(duì)自回歸數(shù)據(jù)處理算法進(jìn)行最佳化處理，它可以使得信號(hào)中的噪聲量大大下降。并且不得不說(shuō)它擁有著極高的效率。本文對(duì)LS和KF兩種解法進(jìn)行了對(duì)比與分析，以此來(lái)提高定位精度。3.3.1GPS單點(diǎn)定位算法原理先讀取導(dǎo)航信息，再讀取衛(wèi)星觀測(cè)值，可以一次將同一觀測(cè)歷元的所有的衛(wèi)星觀測(cè)值全部同時(shí)讀入。給定待測(cè)值的初始近似坐標(biāo)（Ｘ，Ｙ，Ｚ）以及初始近似接收機(jī)時(shí)鐘差δｔ，選取第一顆衛(wèi)星的觀測(cè)值，設(shè)為Ｐ１，得到的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)必須與它選擇的那個(gè)觀測(cè)值對(duì)應(yīng)的觀測(cè)時(shí)間以及所對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星相呼應(yīng)，那么便可使得此星歷數(shù)據(jù)的ＴＯＥ距離其觀測(cè)歷元的時(shí)刻相對(duì)來(lái)說(shuō)最小。如此便可直接得出其偽距定位的基本觀測(cè)方程為下式：式（３５）式中：ρ=（Xs?X)3+(Ys?Y)2+(Zs?Z)2為衛(wèi)星相對(duì)于GPS接收機(jī)的距離的集合形式，(X,Y,Z)則是衛(wèi)星坐標(biāo)。δｔδtj分別為電離層和對(duì)流層的改正項(xiàng)。δtk為接收機(jī)鐘差。δtj為衛(wèi)星鐘差。ρj對(duì)應(yīng)于偽距觀測(cè)值。c為光速。j為衛(wèi)星號(hào)。k為接收機(jī)號(hào)。再將偽距定位方程轉(zhuǎn)化為線性化模型形式：設(shè)分別為觀測(cè)站坐標(biāo)的近似值與改正值。將式（３５）按泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，同時(shí)令：式（３６）對(duì)上式進(jìn)行一次微小項(xiàng)處理，可以得出偽距觀測(cè)方程對(duì)應(yīng)的線性化方程：式（３９）上式中有：。取其中的單獨(dú)一個(gè)歷元ti，并同時(shí)觀察測(cè)量了四顆定位衛(wèi)星。那么通過(guò)式（39）可以得到下面的方程組，令，方程組如下：式（40）

式（4０）可以化簡(jiǎn)為：

式（４１）

對(duì)于同時(shí)觀察測(cè)量的定位衛(wèi)星數(shù)目達(dá)到五顆或五顆以上時(shí)，那么我們不得不用到的解算算法是最小二乘平差來(lái)進(jìn)行定位解算，。將式（４１）添加實(shí)際誤差可得到下式：式（４２）

根據(jù)最小二乘平差法求解未知數(shù)：式（４３）

３.3.２卡爾曼濾波算法設(shè)某一過(guò)程動(dòng)態(tài)模型與測(cè)量模型為：式（44）上式中：Xk表示tk時(shí)刻的估計(jì)狀態(tài)向量。?k,k?1為tk?1時(shí)刻至tk時(shí)刻的一步轉(zhuǎn)移矩陣。Γk?1為系統(tǒng)噪聲驅(qū)動(dòng)陣。Wk系統(tǒng)噪聲激勵(lì)序列。Hk為量測(cè)陣。Vk為量測(cè)噪聲序列。此式即為卡爾曼濾波基本方程?？柭鼮V波方程的遞推算法：方差預(yù)測(cè)方程為：

式（45）

濾波增益方程為：式（46）狀態(tài)預(yù)測(cè)估計(jì)方程為：式（47）

方差迭代方程為：Pk=Pk/k?1?Pk/k?1HkT[HkPk/k?1HkT+Kk]?1HkPk/k?1式（48）

上面的Kk表示了濾波增益陣。Pk表示了協(xié)方差陣。Qk?1表示了動(dòng)態(tài)噪聲其協(xié)方差。Rk表示了測(cè)量誤差的協(xié)方差?？柭鼮V波器需要外界提供初始條件，即初始狀態(tài)x0與初始協(xié)方差陣P0，協(xié)方差陣通過(guò)下式求得：式（49）式中X?是估計(jì)的狀態(tài)向量，X是實(shí)際的狀態(tài)向量，E是期望因子。偽距單點(diǎn)定位的卡爾曼濾波模型：由上面介紹可以看出，要想用卡爾曼濾波算法求解，必須首先列出式（44）介紹得GPS偽距定位的狀態(tài)方程和量測(cè)方程，狀態(tài)方程的列法有很多種，本文采用9參數(shù)法，即狀態(tài)向量X由9個(gè)參數(shù)組成。對(duì)于GPS接收機(jī)來(lái)說(shuō)，假定W為零，則狀態(tài)方程為：式（50）上式中的狀態(tài)向量為X=[x,y,z,Vx,Vy,Vz,x,y,z]。(x,y,z)與(x,y,z)分別為當(dāng)前位置誤差向量和先驗(yàn)誤差向量。（Vx,Vy,Vz)為當(dāng)前速度誤差向量[6][11]其狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣如下：式（51）GPS測(cè)量方程：計(jì)算偽距時(shí)，通常通過(guò)定義Z=ρ?ρ0來(lái)表示其測(cè)量向量，其中P表示偽距的觀測(cè)值，PO為衛(wèi)地距離。觀測(cè)矩陣H與LS中A相似，計(jì)算方法相同，但構(gòu)造略有不同，如下所示：式（52）室內(nèi)外無(wú)縫定位的解決方案與切換策略室內(nèi)外無(wú)縫定位要求本系統(tǒng)能夠提供多區(qū)域、室內(nèi)外三維立體的能平滑過(guò)渡、無(wú)縫連接的定位與導(dǎo)航服務(wù)。室內(nèi)外無(wú)縫定位的解決方案面對(duì)不同的定位環(huán)境，都能夠?qū)崿F(xiàn)較精確的定位是室內(nèi)外無(wú)縫定位的前提與基礎(chǔ)。而對(duì)應(yīng)不同的定位環(huán)境，無(wú)縫定位系統(tǒng)需要提供與之對(duì)應(yīng)的定位解決方案。在本文的論述中，由于需要確保盡可能多的定位情景都有與之相對(duì)應(yīng)的定位方案，本文共提供了四種解決方案。在使用GPS定位時(shí)，GPS定位系統(tǒng)本身以測(cè)偽距的方式做空間定位只需3星定位，但是為了實(shí)現(xiàn)單程測(cè)距，統(tǒng)一時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，GPS采用四星定位，有一顆衛(wèi)星專(zhuān)門(mén)用于授時(shí)。至于同時(shí)能接收幾顆衛(wèi)星的信號(hào)跟星歷有關(guān)，GPS應(yīng)該是選其中信號(hào)失真最小的4顆，以保證定位精度。而在使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位時(shí)，定位系統(tǒng)的可用性主要與可用的已知坐標(biāo)的錨節(jié)點(diǎn)數(shù)目以及接收機(jī)接收的信號(hào)質(zhì)量有關(guān)。因此，我們可以得出四套定位方案：在定位終端只能單獨(dú)接收到GPS信號(hào)時(shí)，那么使用GPS單獨(dú)定位。當(dāng)定位終端同時(shí)能接收到GPS信號(hào)與無(wú)線信號(hào)，但GPS信號(hào)并不能滿足精確定位的的要求時(shí)，即可用GPS衛(wèi)星數(shù)小于四顆或處于復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境GPS信號(hào)質(zhì)量受到很大影響，那么我們采用GPS與無(wú)線定位聯(lián)合定位。當(dāng)同時(shí)存在GPS信號(hào)與無(wú)線信號(hào)，且GPS信號(hào)質(zhì)量良好可用衛(wèi)星數(shù)大于等于四足夠單獨(dú)精確定位時(shí)，那么我們采用無(wú)線定位輔助GPS定位；當(dāng)只有無(wú)線信號(hào)存在GPS信號(hào)無(wú)法接收時(shí)，那么我們采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)單獨(dú)定位。在本文中，我們的無(wú)線定位采用的是基于RSSI進(jìn)行無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位，整個(gè)定位過(guò)程需要經(jīng)過(guò)前期測(cè)量以及后期解算。在第二個(gè)方案中，GPS衛(wèi)星數(shù)不夠而使用GPS與無(wú)線定位聯(lián)合定位時(shí)，首先移動(dòng)接收機(jī)同時(shí)接收GPS信號(hào)數(shù)據(jù)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，再根據(jù)接收的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的RSSI值，將其轉(zhuǎn)化為偽距，再與GPS偽距聯(lián)立方程組，之后可用卡爾曼濾波算法進(jìn)行定位解算，得出定位點(diǎn)位置。而在方案三中，同時(shí)有GPS信號(hào)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)且環(huán)境滿足GPS單獨(dú)精確定位，我們使用無(wú)線定位輔助GPS定位時(shí)，我們采用聯(lián)邦卡爾曼濾波算法進(jìn)行解算，從而可解得定位點(diǎn)與系統(tǒng)的位置、速度等信息數(shù)據(jù)，并對(duì)估計(jì)結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化。4.2室內(nèi)外無(wú)縫定位的切換策略由于衛(wèi)星的移動(dòng)、定位點(diǎn)位置的移動(dòng)、定位系統(tǒng)外部環(huán)境的變化，有可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星數(shù)目、衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量、無(wú)線接入點(diǎn)數(shù)目、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)質(zhì)量發(fā)生變化，從而定位環(huán)境發(fā)生改變。那么我們定位系統(tǒng)的定位方案也就必須隨之切換。這將極大的影響定位系統(tǒng)的定位精度與可用性。無(wú)縫定位系統(tǒng)的切換準(zhǔn)則有：最大定位精度準(zhǔn)則、最大可用性準(zhǔn)則、最小負(fù)荷準(zhǔn)則等這些準(zhǔn)則要求我們?cè)谶M(jìn)行切換時(shí)具有低時(shí)延、低切換次數(shù)。在本文中的切換策略則與之前的定位方案息息相關(guān)。GPS定位的可用性與精確度主要與可用衛(wèi)星數(shù)目有關(guān)，而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位則主要與可用AP點(diǎn)以及無(wú)線信號(hào)質(zhì)量有關(guān)。所以本文的定位系統(tǒng)的切換策略也可根據(jù)可用衛(wèi)星數(shù)目和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可用AP點(diǎn)來(lái)確定：當(dāng)可用衛(wèi)星數(shù)目減少為零時(shí)，則切換為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)單獨(dú)定位；當(dāng)可用AP點(diǎn)減少為三個(gè)以下或無(wú)線信號(hào)質(zhì)量極差時(shí)，則切換為GPS單獨(dú)定位；當(dāng)可用衛(wèi)星數(shù)目增大到四個(gè)且有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)時(shí)，切換為無(wú)線定位輔助GPS定位；當(dāng)衛(wèi)星數(shù)目減小到三個(gè)，且有較好的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)時(shí)，切換為GPS和無(wú)線節(jié)點(diǎn)定位聯(lián)合定位。4.3定位流程在進(jìn)行實(shí)際定位時(shí)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位終端先向定位與導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)出定位服務(wù)請(qǐng)求。定位系統(tǒng)通過(guò)接受到的GPS信號(hào)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)進(jìn)行定位環(huán)境判定。判定成功后將所確定的定位環(huán)境與接受到所有信號(hào)信息發(fā)送給定位程序，定位程序先會(huì)根據(jù)所接收的定位環(huán)境與定位信息確定與之對(duì)應(yīng)的定位方案，再調(diào)用相應(yīng)方案的定位程序進(jìn)行定位解算，確定位置信息的最優(yōu)估計(jì)。5實(shí)驗(yàn)仿真為了說(shuō)明驗(yàn)證本文中對(duì)于用于室內(nèi)外無(wú)縫定位的各種方法算法的可行性與優(yōu)勢(shì)，并為本文中的算法優(yōu)化提供依據(jù)。本文采用了MATLAB軟件對(duì)各種算法及優(yōu)化進(jìn)行了仿真分析。5.1RSSI模型仿真接收功率Pr本應(yīng)由實(shí)際測(cè)量而得但在沒(méi)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備的情況下,也可以利用假定的未知節(jié)點(diǎn)得出模擬測(cè)量值方法為:根據(jù)假定的未知節(jié)點(diǎn)位置,各信標(biāo)節(jié)點(diǎn)得到精確的接收功率在此基礎(chǔ)上加上高斯隨機(jī)變量作為環(huán)境干擾,將此接收功率作為Pr的測(cè)量值再將Pr的測(cè)量值作為RSSI來(lái)求出T-R距離。將區(qū)域劃分為若干個(gè)鄰的三角形,將信標(biāo)節(jié)點(diǎn)分別置于三角形的頂點(diǎn)也可以說(shuō)是將傳感器節(jié)點(diǎn)隨意但盡量均勻地投放在區(qū)域中,經(jīng)過(guò)自身定位后作為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)未知節(jié)點(diǎn)向周?chē)l(fā)射定位信號(hào),各信標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收后利用RSSI測(cè)距算法得到它們距未知節(jié)點(diǎn)的距離從這些距離中選取三個(gè)最小的距離,將其對(duì)應(yīng)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)作為選定信標(biāo)節(jié)點(diǎn)以保證未知節(jié)點(diǎn)在選定信標(biāo)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的三角形內(nèi)部以下程序中的T-R距離都指的是選定信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)的距離。以下兩圖是仿真結(jié)果。圖7RSSI仿真1圖8RSSI仿真25.2三邊測(cè)量算法及其優(yōu)化算法的仿真為了便于進(jìn)行Matlab仿真實(shí)驗(yàn)，我們?cè)O(shè)置已知節(jié)點(diǎn)為等邊三角形的頂點(diǎn)，并用隨機(jī)數(shù)取點(diǎn)來(lái)設(shè)置未知節(jié)點(diǎn)。下圖為采用三邊測(cè)量算法定位時(shí)的仿真圖：圖9：三邊定位算法仿真取已知節(jié)點(diǎn)>>AA=00>>BB=50.000086.6025>>CC=1000圖10：三邊定位節(jié)點(diǎn)圖進(jìn)行三邊測(cè)量定位，得到定位結(jié)果仿真圖：圖11：三邊定位仿真結(jié)果圖進(jìn)行多邊測(cè)量定位仿真，得：圖12:多邊定位仿真圖進(jìn)行質(zhì)心多邊測(cè)量定位仿真，得仿真圖：畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）參考文獻(xiàn)圖13：質(zhì)心多邊定位仿真圖進(jìn)行加權(quán)質(zhì)心三邊定位仿真，得仿真圖：圖14：加權(quán)質(zhì)心算法仿真再進(jìn)行多次迭代質(zhì)心多邊單點(diǎn)定位最優(yōu)化估計(jì)仿真,得仿真結(jié)果為：圖15：多次迭代質(zhì)心多邊單點(diǎn)定位仿真圖再對(duì)多次迭代質(zhì)心加權(quán)三邊定位算法在節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中多節(jié)點(diǎn)定位進(jìn)行仿真，得：圖16：多次迭代質(zhì)心加權(quán)三邊定位算法在節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中多節(jié)點(diǎn)定位仿真圖通過(guò)對(duì)以上的仿真結(jié)果進(jìn)行比較分析，可知定位的精度與可用性通過(guò)算法改進(jìn)逐級(jí)上升，從普通RSSI定位到三邊測(cè)量算法定位，到質(zhì)心三邊測(cè)量算法定位，再到加權(quán)質(zhì)心三邊測(cè)量算法定位，最后到多次迭代加權(quán)質(zhì)心三邊測(cè)量算法定位，定位越來(lái)越精確，可用性也越來(lái)越高。這說(shuō)明本文的無(wú)線節(jié)點(diǎn)定位算法可用，且對(duì)于算法的改進(jìn)也較為成功。6.結(jié)論GPS定位與基于RSSI的無(wú)線節(jié)點(diǎn)定位各自有其無(wú)法替代的優(yōu)勢(shì)，并且較為適用的情景也各有不同。如果能將兩者相結(jié)合，可以使它們的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而使定位系統(tǒng)的可用性與精確性都大幅度提高，從而真正達(dá)到室內(nèi)外無(wú)縫定位的服務(wù)要求。本文通過(guò)分別對(duì)GPS定位原理與基于RSSI的無(wú)線節(jié)點(diǎn)定位原理的學(xué)習(xí)，提出了GPS定位與無(wú)線節(jié)點(diǎn)定位的改進(jìn)算法。仿真結(jié)果表明改進(jìn)后的基于RSSI的自適應(yīng)迭代加權(quán)質(zhì)心三邊測(cè)量算法的定位精度有了極大的提高。在此基礎(chǔ)之上，本文提出了分別對(duì)應(yīng)于四種不同情境時(shí)的定位方案與定位方案切換策略。這四種情境的條件分別是無(wú)法接收到GPS信號(hào)，可用GPS定位衛(wèi)星數(shù)目小于四顆，可用GPS定位衛(wèi)星數(shù)目大于等于四顆而無(wú)線信號(hào)無(wú)法良好接收，可用GPS定位衛(wèi)星數(shù)目大于等于四顆而無(wú)線信號(hào)質(zhì)量良好。通過(guò)本文的研究表明，本文提出的無(wú)縫定位系統(tǒng)與原有的GPS定位系統(tǒng)相比，大幅提高了系統(tǒng)的可用性范圍，定位精度則有小幅的提高。而與單獨(dú)的無(wú)線節(jié)點(diǎn)定位相比，系統(tǒng)的定位精確度有了大幅度的上升，可用性也有不少的提高。因此本文提出的定位系統(tǒng)具有實(shí)際的可行性與應(yīng)用價(jià)值。參考文獻(xiàn)[1].《一種高效的指紋庫(kù)構(gòu)建方法及其在WiFi定位中的應(yīng)用》周薇[北京工業(yè)大學(xué)碩士論文].北京工業(yè)大學(xué).北京工業(yè)大學(xué).2013.[2].《多傳感融合的室內(nèi)定位技術(shù)研究》宋欣[上海交通大學(xué)碩士論文].上海交通大學(xué).上海交通大學(xué)碩士論文.2013.[3].《超高頻段RFID基帶信號(hào)處理及相位檢測(cè)》房靜靜[天津大學(xué)碩士論文].天津大學(xué).天津大學(xué).2010.[4].《基于RFID的室內(nèi)定位技術(shù)研究》李魏峰[上海交通大學(xué)碩士論文].上海交通大學(xué).上海交通大學(xué).2010.[5].《GPS相位平滑偽距差分定位技術(shù)的研究及應(yīng)用》楊永平[河海大學(xué)碩士論文].河海大學(xué).河海大學(xué).2005.[6].《三邊測(cè)量法的結(jié)果穩(wěn)定性研究》王小平；羅軍；沈昌祥[計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)].2012.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）致謝致謝1）2）老師3）陳錦華學(xué)長(zhǎng)4）圖書(shū)館。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）附錄附錄附錄A翻譯文獻(xiàn)無(wú)縫切換的GNSS和基于WLAN室內(nèi)定位系統(tǒng)普遍存在的定位HamidMehmood&NitinK.Tripathi&TaravudhTipdecho2013.410/接受：2014.5.11/在線出版：2014.5.22#施普林格出版社柏林海德堡2014摘要無(wú)處不在的定位技術(shù)是一個(gè)術(shù)語(yǔ)，來(lái)完全尋址要求指定的位置。該技術(shù)包括室內(nèi)和室外定位系統(tǒng)。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，如GPS、GLONASS、Galileo和QZSS是一些提供室外定位的系統(tǒng)。而室內(nèi)定位系統(tǒng)（IPSS）正在迅速發(fā)展，該系統(tǒng)可以提供使用的短距離無(wú)線技術(shù)，如Wi-Fi、藍(lán)牙、RFID、紅外。基于Wi-Fi的定位系統(tǒng)被特別強(qiáng)烈的研究因其無(wú)處不在。在本文中，在一個(gè)三維的室內(nèi)環(huán)境定位是利用接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）探索以多層前饋BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）輸入，并集成了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)來(lái)創(chuàng)建一個(gè)無(wú)處不在的定位系統(tǒng)（UPS）。成對(duì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，提高數(shù)據(jù)采集的方法，并對(duì)UPS的結(jié)構(gòu)也提出，在UPS是一個(gè)真正的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行徹底調(diào)查。結(jié)果表明，配對(duì)安達(dá)到精度提高30

%相比單安，而UPS顯示3.5

M.平均距離誤差。關(guān)鍵詞三維定位

室內(nèi)定位

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

無(wú)處不在的定位

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)

Wi-Fi定位介紹基于位置的服務(wù)（LBS）市場(chǎng)已經(jīng)被證明了在過(guò)去的十年中呈指數(shù)增長(zhǎng)，市場(chǎng)容量預(yù)計(jì)30億8250萬(wàn)（尤格拉斯達(dá)到2011美元，沃森2008）。用戶(hù)的位置信息，也被稱(chēng)為“最前面”，是基礎(chǔ)層對(duì)這些服務(wù)的開(kāi)發(fā)。作為L(zhǎng)BS市場(chǎng)發(fā)展的需求，提高精度，延遲，降低部署成本，定位系統(tǒng)的可用性提高，種類(lèi)也越來(lái)越多.無(wú)處不在的定位系統(tǒng)（UPS）被認(rèn)為是LBS技術(shù)將開(kāi)發(fā)的主要領(lǐng)域。這種基于普適計(jì)算的概念，也被稱(chēng)為普適計(jì)算或環(huán)境智能。這個(gè)概念最初是由韋澤在1991提出，我們看到他們的設(shè)備變得更小和更便宜而適合現(xiàn)在的發(fā)展。普適計(jì)算的概念并沒(méi)有保持有界的計(jì)算，但其技術(shù)如互聯(lián)網(wǎng)，電信，傳感器，無(wú)線和全球定位系統(tǒng)（全球定位系統(tǒng)）已經(jīng)成為或正在發(fā)展成為無(wú)處不在的定位系統(tǒng)的一部分。室外領(lǐng)域定位一直占據(jù)著主導(dǎo)地位，在該領(lǐng)域的定位仍然被認(rèn)為是一個(gè)重要的里程碑，。然而，在此系統(tǒng)中任然有限制，，如它的所有權(quán)和持續(xù)可用性。這些制約因素引發(fā)了世界各國(guó)如中國(guó)、印度、日本、歐洲和俄羅斯等世界各國(guó)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)的發(fā)展，或是在開(kāi)發(fā)類(lèi)似于全球定位系統(tǒng)的其他系統(tǒng)的過(guò)程中。這些其他系統(tǒng)的集合稱(chēng)為全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）。新的GNSS像伽利略或羅盤(pán)已經(jīng)解決了GPS的一些局限性，但都未能解決室內(nèi)環(huán)境中的定位的局限性。雖然一直在天空開(kāi)放環(huán)境下提高精度，“最前面”在室內(nèi)環(huán)境中還需要解決的問(wèn)題。然而，在室內(nèi)環(huán)境下的定位是EVOLV的一個(gè)獨(dú)特的解決方案。Wi-Fi、藍(lán)牙、RFID、紅外、和偽衛(wèi)星是一些用來(lái)開(kāi)發(fā)IPSS技術(shù)（Liuetal.。2007）、由于GNSSs未能提供室內(nèi)定位。IPSS已在一個(gè)二維的測(cè)試床常用的探索（lamarca等人。2005；李等。2008鐘等。2010），但現(xiàn)在LBS在室內(nèi)環(huán)境中開(kāi)發(fā)的三維定位（陳等人。2010）支持LBS如智能小車(chē)，在醫(yī)院跟蹤高價(jià)值資產(chǎn)，自我導(dǎo)航的工具卡，士兵的位置，和室內(nèi)機(jī)器人導(dǎo)航（行業(yè)發(fā)展部2008）。定位系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，方便與例如在室內(nèi)環(huán)境中的三維定位要求的LBSS，Mandal和洛佩斯（2004），這是一個(gè)基于發(fā)達(dá)的嗶嗶聲室內(nèi)三維定位系統(tǒng)，而gansemer等人。（2009）開(kāi)發(fā)了一個(gè)WPS支持多層建筑的LBS，和Dijk等人。（2003）開(kāi)發(fā)了一種用于室內(nèi)環(huán)境中三維定位的超聲波反射系統(tǒng)。用于2D和3D室內(nèi)環(huán)境定位技術(shù)中，基于Wi-Fi的定位系統(tǒng)（WPS）站出來(lái)為最相關(guān)的，建立在IEEE802.11的客戶(hù)和基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的增殖的研究熱點(diǎn)，也是因?yàn)橛幸粋€(gè)范圍廣泛的LBS可以納入現(xiàn)有的無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）不需要任何額外的基礎(chǔ)設(shè)施（borenovic和斯科維克2009）。有三種基本方法，用于計(jì)算一個(gè)室內(nèi)環(huán)境中，用戶(hù)的位置，即：（一）到達(dá)角（AOA），（b）到達(dá)時(shí)間（TOA）和到達(dá)時(shí)間差（TDOA）（Rabinowitz和恩格2006），和（c）的接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）（Bahl和Padmanabhan2000）。這些技術(shù)各不相同，在準(zhǔn)確性方面，硬件要求和部署成本，但最受歡迎的方法依靠RSSI。預(yù)測(cè)用戶(hù)在無(wú)線局域網(wǎng)室內(nèi)環(huán)境中的位置是一個(gè)模式匹配的問(wèn)題，這也被稱(chēng)為指紋識(shí)別。指紋識(shí)別是無(wú)線局域網(wǎng)中最常用的技術(shù)。這種技術(shù)包括離線和在線階段的階段。離線階段，也稱(chēng)為訓(xùn)練階段，包括從不同的接入點(diǎn)組成的RSSI向量訓(xùn)練數(shù)據(jù)的發(fā)展（APS）和位置信息的RSSI向量測(cè)量。在線階段計(jì)算用戶(hù)位置使用模式匹配算法，這與先前存儲(chǔ)的載體在訓(xùn)練數(shù)據(jù)的在線階段測(cè)量RSSI向量。本文探討了基于多層前饋反向傳播模型與增強(qiáng)的配對(duì)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)定位為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集（ODC）在一個(gè)三維的室內(nèi)空間的方法。的好處，可以得到從ODC和配對(duì)安，與常見(jiàn)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)采集技術(shù)和單一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，也顯示了。此外，討論了IPS和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)之間的無(wú)縫切換提供無(wú)處不在的定位。本文的其余部分組織如下：“相關(guān)工作”對(duì)已開(kāi)發(fā)WPS的概述。在“試驗(yàn)區(qū)”，試驗(yàn)區(qū)和ODC的解釋。在“無(wú)處不在的定位系統(tǒng)”，無(wú)縫切換和細(xì)節(jié)配對(duì)安實(shí)施了建筑，而結(jié)果進(jìn)行了分析和比較，一個(gè)單一的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和其他流行的技術(shù)，在“結(jié)果顯示”。結(jié)論在“結(jié)論”部分介紹。相關(guān)的工作雷達(dá)（Bahl和Padmanabhan2000），是創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，利用RSSI參數(shù)室內(nèi)定位（IP）。雷達(dá)將RSSI比SNR由于RSSI參數(shù)比信噪比反射更多的移動(dòng)用戶(hù)的位置。在這里，兩種算法給出了：最近鄰（NN）和貝葉斯方法。最近鄰算法是通過(guò)計(jì)算最接近的參考點(diǎn)（反相），其中的算法的性能是直接正比于K的值的值的貝葉斯方法是基于計(jì)算每個(gè)反相的條件概率，其中所得到的貝葉斯算法已被認(rèn)為是更準(zhǔn)確比神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。另一個(gè)值得注意的研究的發(fā)展，無(wú)線局域網(wǎng)（無(wú)線局域網(wǎng)）的基礎(chǔ)知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)是由鄉(xiāng)等。（2004）。研究提出了定位模型代表的無(wú)線信號(hào)的分布及其物理位置之間的相關(guān)性。結(jié)果表明使用拓?fù)渲R(shí)的定位精度的增加。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于通過(guò)Battiti等人首次在WLAN網(wǎng)絡(luò)定位。（2002）。然而，他們的研究并沒(méi)有強(qiáng)調(diào)對(duì)無(wú)線局域網(wǎng)的信號(hào)傳播，實(shí)驗(yàn)地區(qū)結(jié)構(gòu)或AP的位置，但與割線激活函數(shù)的多層前饋網(wǎng)絡(luò)代替。RSSI值的平均值和在線階段而不是在離線階段與其他基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的WLAN定位系統(tǒng)相比歸一化（ngah等人。2009；該等。2010）。另一個(gè)值得注意的研究利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的WLAN網(wǎng)絡(luò)的borenovic和斯科維克進(jìn)行了（2009），其中級(jí)聯(lián)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在實(shí)驗(yàn)地區(qū)和拓?fù)渲R(shí)的考慮使用。試驗(yàn)區(qū)劃分為較小的實(shí)驗(yàn)區(qū)域稱(chēng)為子空間，和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被用來(lái)計(jì)算位置內(nèi)的子空間，而不是在完成試驗(yàn)區(qū)。也有其他的替代方法，使用IP像插值技術(shù)研究（muttitanon等人。2007）和卡爾曼濾波器（guvenc等人。2003）。此外，陳等人。（2010）正在開(kāi)發(fā)一個(gè)多傳感器的UPS，采