一种动态调整RSSI室内定位测距参数的改进算法

2019-07-04吕晓磊吴志森

安徽电子信息职业技术学院学报 2019年3期

吕晓磊，吴志森

（泉州经贸职业技术学院，福建泉州 362000）

一、前言

随着电子科学技术的不断发展，如今定位技术已经广泛应用于人们的日常生活之中，比如常见的地图导航、物流跟踪、天气服务、外卖点餐等都离不开定位技术。但随着定位应用的不断扩大与深入，人们发现主流卫星定位导航技术应用存在局限性，比如地下停车场、洞穴隧道、室内商场等环境中，卫星定位导航并不能提供有效定位服务，此时常见车载导航系统提示惯性导航，卫星数0，这是因为卫星信号无法穿越障碍物所造成的。即便是在室外环境，如果出现多云、阴雨天或者大雾天气，卫星定位的精度也会受到很大的影响，此时常见的现象有，明明在主干道行驶，但车载导航显示远远偏离主干道；这是由于云层、雾气等对卫星信号的遮挡造成的。

因此对室内定位技术的研究，对于满足人们在室内环境中的定位服务需求，具有重要意义和很高的研究价值，受到了各大高校和科技公司的重视，他们纷纷加入对室内定位技术的研究当中，并提出自己的室内定位技术解决方案。

二、研究现状

目前主流的室内技术有超声波定位、WiFi定位技术、ZigBee定位和蓝牙定位[1]。超声波定位由一个主测距器、多个已知位置超声波接收器及待测超声波发射设备组成，待测设备发出超声波信号，接收器收到信号后立即向主测距器发送射频信号，根据主测距器接收时间差，计算得到待测设备与已知设备的距离[2]，再利用多边定位等算法，确定待测设备位置。WiFi定位原理是待测点接收到多个固定AP信号，利用RSSI计算出待测点与固定AP的距离，再利用多边定位等算法确定待测设备位置；或者利用临近法粗略确定位置，即接收到哪个AP信号最强，就认为待测点处于该处。ZigBee定位系统由多个已知位置参考节点、待定位节点和一个协调器组成，待定位节点接收到参考节点信号，利用RSSI计算待定位节点与参考节点距离，再利用多边定位等算法确定待定位节点坐标。蓝牙定位原理与前两种定位技术类似。

通过对多种主流室内定位技术的研究，我们不难发现有多种室内定位技术都采用到RSSI室内定位算法，主要区别是定位精度、成本、抗干扰能力、组网能力和功耗的不同[3]。

三、RSSI室内定位算法原理

通过RSSI计算节点距离，普遍采用Shadowing模型，其数学模型见公式（1）。

图1 三边测量法示意图

经过换算，可得公式（4），求得待定位节点Z坐标。

四、存在的问题

三边定位算法仅适用于理想状态，实际情况中由于信号的干扰等因素的影响，导致三圆关系复杂，并非理想状态的相交于一点，而是会出现相交于一片区域、不相交、仅两圆相交于一点或一片区域等情况。为了解决这些问题，人们提出了多种对三边定位算法的改进优化算法，如最大似然估计定位算法、三角定位算法、质心算法、APIT定位算法等。这些定位算法往往集中在对多边定位算法的改进优化，但对于RSSI测距模型的优化改进较少。

五、改进算法

假设待定位节点Z的RSSI最强的三个参考节点分别为C1、C2、C3，其坐标分别记为（X1，Y1）、（X2，Y2）、（X3，Y3），利用信号最强的三个参考节点确定待定位节点Z所处环境的和，其准确性通常是最高的，平面模型如图2所示。

图2 平面模型

测量得到参考节点C1接收到C2、C3的RSSI值分别为RSSI12、RSSI13，RSSI测距模型参数记为1和1，根据公式（2）可以得到公式（5）。

利用上述改进算法，在实际应用中，当Z点移动时，其RSSI最强的三个参考节点也会跟着改变；并且考虑到即使Z保持静止，周围环境的变化也会造成和变化，因此采取待定位节点Z每发出一次定位请求，就计算一次和，这样可以保持参数的动态调节，提高的计算准确性，从而提高定位精度。

六、实验测试

本文通过ZigBee定位系统测试改进的算法。ZigBee定位系统包含4个参考节点和和1个协调器，其主控芯片使用CC2430；1个待定位节点采用CC2431作为主控芯片。测试场所是一间长、宽各7.5米的实验室，将4个参考节点分别放在实验室的（0,0）、（0,7）、（7,0）和（7、7）坐标处，待定位节点放在（2，5）坐标处，对比算法改进前后的定位精度，测试效果如图3所示，其中黄色圆点为参考节点，绿色圆点为待定位节点[5]，X、Y为待定位节点坐标。测量得到多组对比数据见表1，其中Δd是待定位节点实际坐标与计算坐标的误差距离。