位置指纹室内无源定位技术

冯 伟，王玉文

0 引言

随着科技的发展，窃听手段层出不穷，使得信息的防护遇到了很大的挑战。如何保证自己的重要信息不被敌人/对手窃取是国家机关、军队、商业机构不得不面临的重要问题。反窃听就是其中很重要的一个手段，如果能够高效，准确的对窃听器进行定位，则能够很大程度上降低信息泄露的可能。目前，大型的专业无线窃听器检测设备在进行无线窃听器定位时，几乎都是利用方位角信息和接收强度变化，通过移动检测设备而最终实现信号源定位，时效性较差，难以满足日益复杂的情报战需求［1］。

由于手机的普及，无源定位还可以广泛的用于的地震、火灾等灾害的救援当中，通过定位可以迅速的确定迅速的确定待救人员和救援人员的位置信息。以保证救援的高速和有效以及救援人员的人生安全。为满足快速、高效定位的要求，文中对室内无源定位方法进行了深入的研究。

1 室内无源定位方法

1． 1 无源定位方法

在对辐射源的定位过程中，由于定位者自身不主动辐射信号，因此对辐射源的定位又称为无源定位技术，因其在战场上的重要应用，受到了各国的重视，并且定位方法在复杂电磁环境的适应能力以及对辐射源的定位精度也有所提高，我国也将无源定位技术的研究作为一项关键技术［2］。

目前无源定位的方法有:到达时间定位法、测向交叉定位法、测相位差变化率定位法、时差定位、差分多普勒定位、混合定位方法等等［3］。

1． 2 室内定位方法研究

在自由空间中，无线信号强度随着发射机和接收机之间的距离呈现指数衰减趋势。而室内由于墙壁、桌椅、人员的走动、门窗等因数造成的信号的非视距传输、多径传输效应以及人的随机移动所造成信号的传输的偶然性等［4］。这些都对信号模型的建立带来了巨大的困难。

由于非视距传输和多径效应，信号到达接收端时具有不同的时延和入射角，并且由于狭小的室内空间内存在的严重的干涉、衍射、绕射等情况，使得各多径分量在时间上难以区别，并且高精度的时钟造价非常昂贵，因此到达时间差定位技术(TDOA)并不适合室内定位由于差分多普勒需要对设备的移动速度要求比较精确，设备相对复杂，因此也不适合用在室内定位当中。

相比之下，RSSI检测设备和机制简单，可通过多次测量平均获得较准确的信号强度值，降低多径和遮蔽效应影响，是室内定位研究的焦点［5－6］。

1． 3 基于RSSI的位置指纹定位方法

(1)电磁波的传输损耗:

式中，Pt为发射功率，Pr为接收功率，传输损耗PL与发射功率无关。

(2)由于3个接收机接收信号比值:

与发射机的功率无关，在环境不变并且接收机位置不变的情况下与目标发射机的发射功率无关。如果以为虚拟坐标，虚拟坐标由物理计算所得，因此每一个物理坐标(现实中目标发射机的位置)对应一个虚拟坐标。如果某数据点计算所得虚拟坐标，与其他数据点所对应虚拟坐标相同则放弃该点，必须保持虚拟坐标与物理坐标的一一对应。即每个虚拟坐标代表的是独一无二的物理位置，而在数据库中每个虚拟坐标都关联一个物理坐标。因此，如果得到三个接收机接收到信号的强度即可得到目标的物理坐标。

(3)虚拟坐标和物理坐标的关联

位置指纹无源定位也称为数据库相关无源定位，位置指纹无源定位方法，是通过对不同数据点接收功率测量，通过计算建立数据库，将需要定位的定位终端用户实测数据与位置数据库数据进行对比，来确定移动终端用户的实际位置。

采用指纹匹配的定位方法可以很好地完成在复杂多径传播环境下的定位，基本不受非视距(NLOS)传输的影响，在室外与室内环境下都可以取得较高的定位精度［7］。

由于室内无源定位，时延、入射角等均无法很难进行准确的测量，于是在离线信号采集阶段，每个点采集两个坐标:首先是虚拟坐标，即在测量点放一个辐射源，得到三个测量站的接收功率比值，即虚拟坐标，第二个坐标为该信号采集点的物理坐标。将测量点的虚拟坐标和物理坐标映射。

(4)定位阶段

在定位阶段，三个接收机根据测得待测目标信号的功率，计算得到虚拟坐标。定位设备根据所得虚拟坐标，采用相应的匹配算法对数据库中的数据进行匹配，得到匹配数据进而通过求均值、质心等方法确定信号终端的位置。

2 算法仿真及结果分析

2． 1 定位方法仿真

由式(3)可得:

考虑但楼层的情况，信号传输模型采用衰减因子模型，建筑物内传播模型中包括了建筑物类型影响以及阻挡物引起的变化。衰减因子模型具有很强的灵活性［8］。

式中，P(d0)是基准距离d0的功率，γMF表示基于测试的多楼层路径损耗指数，d是发信机与收信机间的距离。

取10 m×10 m的仿真场景，在离线信号采集阶段，每隔两米取一个点建立位置指纹数据库。随机得到一些待定位点坐标，根据计算得到待测点的虚拟坐标，然后K加权近邻法［9］得到待测点的定位结果。

2． 2 结果分析

待测点的实际位置与定位所得位置结果如图1所示。

由图1，图2可以看出，离线阶段，在场景中每隔两米采集一个点的数据加入指纹数据库，定位时定期误差小于2 m，定位准确度在95%。而定位的平均误差只有1 m左右。该定位方法具有较高的定位准确度和精确性。用户可以根据定位精准度的要求，来采集指纹数据库，具有较大的灵活性。

图1 位置指纹室内无源定位效果Fig．1 Renderings of indoor passive location based on location fingerprint

图2 位置指纹室内无源定位误差Fig．2 Error of indoor passive location based on location fingerprint

3 结语

文中将RSSI设备信号采集和位置指纹定位方法得到基于位置指纹的室内无源定位方法。将RSSI设备采集到的信号，处理得到虚拟坐标，然后映射成物理坐标，得到定位结果。该定位方法不需要太过复杂、大型的设备，硬件要求不高，具有较高的精准度和灵活性，为室内无源定位提供了一种新方法。

［1］ 孔德强，刘作学，冯树芳．室内无源定位算法研究［J］．计算机工程与应用，2009－11，45(专刊):20－22．

KONG De－qiang，LIU Zuo－xue，FENG Shu－fang．Study on Indoor Passive Location Algorithm［J］．Computer Engineering and Applications，2009－11，45(专刊):20－22．

［2］ 刘聪锋．无源定位与跟踪［M］．西安:西安电子科技大学出版社，2011．

LIU Chong－feng．Passive Location and Tracking［M］．Xi'an:Xidian University Press，2011．

［3］ 王本才，张国毅，侯慧群．无源定位技术研究［J］．舰船电子对抗，2006，29(06):20－26．

WANG Ben－cai，ZHANG Guo－yi，HOU Hui－qun．Study of Passive Location Technologies［J］．Shipboard E-lectro－ NICCountermeasure ，2006，29(06):20－26．

［4］ 常晓洁，江肖强．基于 WIFI无线区域定位的精确度影响因子研究［J］．通信技术，2013，46(06):62－65．

CHANG Xiao－jie，JIANG Xiao－qiang．Study on Influence Factors of WIFI Indoor Location Accuracy［J］．Communications Technology，2013，46(06):62－65．

［5］ 赵军，李鸿斌，王智．无线网络室内定位方法研究［J］．信息与控制，2008，37(04):465－471．

ZHAOJun，LI Hong－bin，WANG Zhi．An Active Queue Management Algorithm Based on Single Neuron Adaptive PI Controller［J］．Information and Control，2008，37(04):465－471．

［6］ 王振强，朱义胜．改进的基于RSSI差值的定位算法［J］．通信技术，2011，44(07):78－80．

WANG Zhen－qiang，ZHU Yi－sheng．A Modified Mobile Location Algorithm based on RSSI Difference［J］．Communications Technology ，2011，44(07):78－80．

［7］ 李昊．位置指纹定位技术［J］．山西电子技术，2007(05):84－87．

LI Hao．Indoor Position Techniques Based on Location Fingerprint［J］．Shanxi Electronic Technology，2007(05):84－87．

［8］ 马润．室内无线信道的传播模型及其在家庭网中的应用［D］．北京:北京邮电大学，2008．

MA Run．Simulation of the Radio Propagation in Laboratory house with Application in Homenetwork［D］．Beijing:Beijing University of Posts and Telecommunicatons，2008．

［9］ LI B，WANGY，LEE H K，et al．Method for Yielding a Database of Location Fingerprints in WLAN［J］．Communications，IEEE Proceedings，2005，152(05):580－586．