基于CSS的高精高室内定位技术研究与实现

摘要

普适计算力图将以计算机为中心的计算模式转变为以人为中心的计算模式，其目标是构建一个计算和通信无处不在的环境，并在此基础上透明地提供以人为中心的服务。获取物体的位置信息是实现普适计算的关键环节，全球定位系统(Global Positioning System，GPS)可以实现普适计算条件下物体位置信息的获取，但在室内环境下GPS的定位精度降低，达不到普适计算要求。因此，研究一种适合于室内环境的定位系统有重要的理论和现实意义。
　　 现有的定位系统各有优劣，其中定位精度比较高的系统存在信号带宽过宽、成本较高的问题，而定位精度比较低的系统存在不够精确、不够稳定的问题。本文在分析多种定位系统技术的基础上，采用线性调频扩频(Chirp SpreadSpectrum，CSS)的高精度室内定位方法。针对定位过程出现的信号碰撞问题，以及初始估算坐标精度不高的问题，提出了相应解决方案，所完成的工作如下:
　　 (1)通过分析两类经典防碰撞算法，并借鉴动态帧时隙防碰撞算法(DynamicFrame Slot Aloha，DFSA)，提出了一种确认动态帧时隙的防碰撞算法(Acknowledge Dynamic Frame Slot Aloha，ADFSA)。ADFSA算法继承DFSA算法的动态调整帧时隙的原理，并且利用历史帧识别信息来决定标签向哪个时隙发送数据，减少了标签随机发送数据的情况。实验表明，所提出的ADFSA算法的吞吐率相对于以前算法有明显的提高。
　　 (2)针对智能家居定位场景需要高精度定位的特点，为克服室内环境对定位精度造成的不利影响，本文提出了结合三边测量定位的加权校正定位算法。定位系统首先利用三边测量定位算法估算出标签的初始位置，然后利用初步定位得到的待测标签与参考标签的位置信息来确定待测标签与参考标签的近邻程度，并结合参考标签的估算坐标与实际坐标间的误差，来校正待测标签的初始估算坐标，从而提高定位精度。
　　 (3)基于现有硬件设备以及提出的加权校正定位算法，设计开发了一个定位系统原型，实现了基于CSS的高精度室内定位方法，平均定位精度达到0.8890米，基本普适计算定位要求。
　　 以上工作表明本文所采用的基于CSS的高精度室内定位方法是可行的，能提供一种成本较低，基本满足普适计算精度要求的室内定位解决方案。

目录

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摘要

插图索引

第1章 绪论

1．1 课题来源

1．2 背景意义

1．3 研究现状

1．3．1 定位技术研究现状

1．3．2 防碰撞算法研究现状

1．3．3 定位算法研究现状

1．3．4 定位方案研究现状

1．4 研究内容及创新点

1．5 论文结构

第2章 定位相关技术介绍

2．1 定位技术

2．1．1 ZigBee定位技术

2．1．2 射频识别定位技术

2．1．3 UWB定位技术

2．1．4 CSS定位技术

2．2 定位方法

2．2．1 到达角度法

2．2．2 到达时间法

2．2．3 到达时间差法

2．2．4 接收信号强度法

2．2．5 位置指纹定位法

2．3 定位方案

2．3．1 RADAR系统

2．3．2 SpotON系统

2．3．3 LANDMARC系统

2．3．4 Ubisense系统

2．3．5 定位方案比较

2．4 本章小结

第3章 防碰撞算法

3．1 防碰撞算法

3．1．1 基于ALOHA的不确定性算法

3．1．2 基于二进制搜索的确定性算法

3．1．3 动态帧时隙防碰撞算法

3．2 防碰撞算法设计

3．3 算法评价指标

3．4 实验及分析

3．5 本章小结

第4章 高精度定位算法

4．1 定位算法

4．1．1 三边测量定位法

4．1．2 K近邻算法

4．1．3 校正定位算法

4．2 定位算法设计

4．3 算法评价指标

4．4 实验设计

4．5 本章小结

第5章 系统设计与实现

5．1 定位精度分析

5．2 定位框架

5．3 定位模型

5．4 滤波算法

5．5 系统评价指标

5．6 定位系统评价

5．7 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文