基于移动基站的室内定位技术研究

朱长安+刘崇科

【摘要】 随着社会的发展和科技的进步，定位导航技术在人们的生活中扮演着越来越重要的角色。在室外定位技术日趋完善的情况下，室内定位技术的准确性是摆在我们面前的一个亟待解决的问题。本文在介绍目前几种主要室内定位技术的基础上，研究和探讨了利用移动基站和TDOA技术进行室内定位的方法。

【关键词】 移动基站 室内定位 TDOA

在人类社会的发展进程中，定位、导航等技术一直处于非常重要的地位，尤其是近年以来，地图、网约车等服务的兴起更是大大增加了对定位技术的需求。但是在处于商场、地下停车场、图书馆等室内复杂环境下时，定位技术的准确性就大大降低了。如何解决在室内环境下精确定位的问题，无论是从个人信息服务还是从紧急救援等方面来看，都具有重大的现实意义[1]。

一、室内定位相关技术概述

相对于室外环境而言，室内环境的范围较小，相对应的对于定位精度的要求也提高了。除此之外，室内环境中多径传播等问题对信号的影响也较大，因此对定位技术也提出了更高的要求。目前主要的室内定位技术有：室内GPS技术、超声波定位技术、Wi-Fi定位技术、ZigBee定位技术、RFID定位技术、超宽带定位技术、基于移动通信数据网的定位技术等。

这些技术各具优势，也具有各自的局限性，如RFID技术只能统计进入大楼的人员数，无法对楼内人员实现精确定位；WLAN、ZigBee、超宽带等技术若要精确定位时需要在室内布设大量节点，喜好覆盖成本较高，适于在重点场所进行局域定位系统建设，难于向广域推广；相比之下，基于移动数据通信网的定位技术定位需要的基站少，信号覆盖范围广、精度高、成本低，适合大范围推广，可满足人们对室内外高精度定位的需求。因此，本文主要讨论基于移动基站的室内定位技术。

二、移动基站室内定位相关技术原理

2.1 常用无线定位原理

常见的无线定位方法有基于电波到达入射角（AOA）的定位方法、基于电波到达时间（TOA）的定位方法以及基于电波到达时间差（TDOA）的定位方法。在本文中主要讨论基于TDOA的定位方法。

TDOA算法即到达时间差（Time Difference of Arrival）解算方法，也称为双曲线定位，是对TOA算法的改进，克服了TOA算法的部分缺点。

TDOA的基本原理如下：在有三个或三个以上基站的移动通信网中，移动终端通过测量各个基站发出的信号到达移动终端的时间，再以某一基站为基准求出两两基站之间的到达时间差。

以这些两两基站为焦点绘制双曲线，移动终端必然位于这些双曲线的交点上，因此可以通过计算交点来求出移动终端的坐标。

TDOA定位方法测量的是信号传播的时间差，不需要绝对的传输时间，因此对时钟同步的要求就降低了。除此之外，这种时间差的解算方式有效地减少了信号传播时所产生的非视距等误差，所以这种解算模式被广泛应用于很多传统的定位系统中[2]。

2.2 TDOA定位解算方法

在已知标校点坐标和TDOA信息的情况下，一般采用的解算方法有K临近算法（KNN，k-nearest neighborhood）和加权临近算法（WKNN，weight-k-nearest neighborhood），除了这两种解算方法之外，目前又提出了一种融合非视距误差的迭代解算方法，其解算过程如下：

此解算方法需要以下条件：四个基站（分别命名为基站0、1、2、3）；三个标校点（分别命名为A、B、C）；一台有定位和采集功能的移动终端。其中，标校点的位置信息和TDOA信息已知。

在A、B、C三个标校点分别测得6个TDOA值，计算出对应的TDOA非视距修正值。利用标校点A、B、C的坐标以及对应的非视距修正值求得线性差值参数，再据此计算出定位点的TDOA值，继而求出计算值与测量值之间的差值，将其与门限值进行比较，若大于门限值则重复以上步骤直至此差值小于或等于门限值为止。

在上述三种解算方法的结果对比中发现，此种解算方法效果明显优于传统的定位解算方法，其误差在3米左右[3]。

三、結语

本文主要讨论了基于移动基站的室内定位技术。本文在一开始介绍了目前室内定位的需求和发展现状，介绍了目前室内定位的一些主要方法，在此基础上重点分析了基于移动基站的室内定位技术中常用的一些方法的原理，并推介了一种基于TDOA的定位解算方法，希望通过本文的一些介绍能够引发更多对室内定位技术的重视。

参 考 文 献

[1] 邹杰，李珊君，陈晓明. 一种改进的室内无线定位算法[J].计算机工程，2011（14）：76-78.

[2] 邓平，范平志. 蜂窝系统无线定位原理及应用[J].移动通信，2005（5）：19-23.

[3] 曹佳雯. 基于地面移动网的室内外关键定位算法的研究[D].北京：北京邮电大学，2013.