南京邮电大学硕士研究生学位论文
第一章 绪论
第六章，总结与展望，包括对本文的总结，并指出了存在的缺陷，并对以后的研究工作 作出了进一步的展望。
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第二章 相关背景知识介绍
第二章 相关背景知识介绍
本章主要介绍室内定位相关的基本知识，包括室内定位使用的传感网络介绍、室内地位 算法介绍、室内定位的评价标准以及 Android 开发平台简介。介绍了室内地位系统使用的传 感网络包括：WiFi、蓝牙、惯性传感器等。还分析比较了各种室内定位算法，包括：三角测 量法、WiFi 指纹法、行人航位推算法等，得出了 WiFi 指纹法较为适合室内定位的结论。接 着列举了室内定位的评价标准，包括定位误差、误差累积概率、定位方差等。最后介绍了本
文的实现平台——Android 操作系统的相关知识，包括系统框架、应用组件等。
2.1 室内定位传感网络介绍
(1)基于超声波
基于超声波的定位技术[11]利用超声波信号测量距离，在测距前超声波传感器发送高频信 号到待测目标，到达待测目标后再返回到超声波传感器，则从发送超声波到接收到返回超声 波之间的时间间隔和超声波传播速度的乘积的一半，即为传感器与待测目标间的距离，再利
用三角测量法确定待测目标的位置。基于超声波的技术定位精度可达厘米级,但由于超声波信 号在传输过程中衰减较快, 因此定位范围较小。
(2)基于红外线
基于红外线的定位技术中[12][13]，发送机和接收机之间直接通信，因为红外线不能穿过门 和墙等障碍物。为了确定物体或者人的位置，通常会在房间里安装很多红外线接收装置，以 保证当待测物体在房间的任何位置都能被扫描到。基于红外线的定位技术要求用户随身携带 一个包含特殊信息的标签， 然后部署在房间里的红外线探测装置通过检测这些标签信息来返
回用户的位置信息，完成定位。由于红外线信号容易受到桌椅、墙壁等障碍物阻挡,因此传输 距离较短,实现复杂度也较高。
(3)基于超宽带
基于超宽带的定位系统主要包括接收机、主动标签以及参考标签三大部分。定位时接收 机收到从参考标签发来的信号后,滤除信号在传输过程中受到的各种噪声,得到有效的信号,最 后通过 TDOA 延时测距法来计算位置。基于超宽带(UWB)的定位技术[14][15]发射功率低、传输 速率高、穿透力强，而且具有较高的定位精度，但是由于成本造价高，因此不适合大规模应
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第二章 相关背景知识介绍
用。
(4)基于 RFID
基于 RFID（射频识别技术）的室内定位系统[16]主要包括: 射频读写器、数字标签、数据 库以及中间件。首先在实验环境中部署大量存储固定位置信息的射频读写器，在待测物体上
安装有数字标签,当数字标签靠近某一射频读写器时，会被射频读写器识别到，最后根据射频 读写器储存的位置信息可计算得到数字标签位置坐标。基于 RFID 的定位系统的优点是标签 体积小巧，价格便宜，且适合非视距传播环境。缺点是，必须部署大量射频读写器, 才能获 得较高的定位精度，而较大的部署密度会干扰信号正常传输，反而影响定位。
(5)基于 ZigBee
基于 ZigBee 的定位系统[17]需要预先在实验环境中布置大量物理位置已知的参考节点，移 动节点利用无线传感器网络与参考节点进行通信，参考节点将接收信号强度(Received Signal Strength) 和位置信息发送给移动节点,移动节点根据接收到的信息计算位置坐标，最终完成定 位。系统采用的 ZigBee 传感器网络可以缩短信号传输时间，并减小网络传输数据量。基于 ZigBee 的技术定位精度在 2m 以内，并且功耗和成本都较低。
(6)基于蓝牙
基于蓝牙的定位系统[18]需要事先在室内环境中安放一定数量的蓝牙局域网接入点，并将 网络设置为面向多用户的网络连接模式。基于蓝牙的室内定位的优点是信号传播不受视距影 响且容易探测到移动设备。缺点是蓝牙器件价格较贵，并且在复杂的室内环境中，蓝牙系统 受噪声信号干扰大，稳定性不够高，并且只适合小范围的定位。
(7)基于惯性传感器
随着惯性传感器成本不断降低，体积不断变小,越来越多的传感器被集成到移动终端设备
中。惯性传感器包括加速度传感器、方向传感器、陀螺仪[19]等。基于惯性传感器的室内定位 技术主要使用行人航位推算方法[20]，利用加速度传感器测量行人移动的步长，利用方向传感 器测得行人移动的方向，将步长和方向叠加起来，实现对行人的连续跟踪定位。但是由于硬 件构造特性，其在使用过程中需要消除累积误差，因而不适合长时间定位使用。
(8)基于 WiFi
目前基于 IEEE802.11b 标准的无线 WiFi 网络已被人们广泛使用,由于它覆盖范围广、使用 便捷, 已经成为目前室内定位系统中的热门技术。人们只需使用移动终端或者笔记本电脑就 可以连接上无线 WiFi 信号,常用的 WiFi 室内定位技术[21]有位置指纹法、信号传播衰减模型等,
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第二章 相关背景知识介绍
都是基于 RSS 的室内定位的典型算法。基于 WiFi 的室内定位技术覆盖范围广，信号传输速 度快，易于维护，网络建设成本低，适合大规模定位应用,且定位精度较高(2m 一 3m)。
对各种定位传感网络的综合比较如下表 2.1 所示。
表 2.1 各种室内定位传感网络的比较
综上分析，WiFi 网络较其他传感网络（如红外线、超声波、RFID 等）有以下一些优点： 覆盖范围广，信号传输速度快，易于维护，网络建设成本低，适合大规模定位应用，因此本
文选择 WiFi 作为传感网络研究室内定位。
2.2 室内定位算法介绍
当前的室内定位方法主要有以下四种，如图 2.1 所示：
室内定位方法 三角测量法
临近法 WiFi指纹法 行人航位推算
图 2.1 现有的室内定位算法
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2.2.1 三角测量法
第二章 相关背景知识介绍
基于测距的三角测量法利用三角形的地理属性来定位目标。主要分为两个方向：测距和 测角，测距是测目标到多个参考点的距离，测角是测目标到多个参考点的角度。经典的技术
包括：到达时间法（TOA）、到达时间差法(TDOA)、到达角度法（AOA）。 (1)到达时间法（TOA）
TOA(Time of Arrival)[22][23]指的是从基站发送信号到接收端接收信号时间间隔。根据公式 d = t * v 就能得出基站和接收端的距离，其中 d 是基站到接收端的距离，t 是信号传输的时间， v 是传输速度，再利用三边定位法就能得出待测点的位置。所谓三边定位法就是分别以三个 基站为圆心，以基站到接收端的距离为半径画圆，在理想情况下，三个圆会相交于一点，此
点即为待测点位置，如图 2.2 所示。
d1 基站1 待测点 d2
基站2 基站3 d3
图 2.2 TOA 原理图
TOA 要求基站的位置已知，而且对测量时间精度要求非常高，哪怕出现 1 微秒的误差都 会产生 300 米的定位误差，因此对硬件的要求很高，不适合实际应用。
(2)到达时间差法（TDOA）
不同于 TOA 利用信号到达的绝对时间，TDOA 的技术[24][25]利用信号到达的时间差来估算 距离。待测点发出的信号到达两个不同的信号接收端（基站）的时间差为一定值，即待测点 与不同基站的距离差也为一定值，这样待测点就位于一组以两个基站为焦点的双曲线上，如
图 2.3 所示。故两组不同双曲线的交点即为待测点位置。TDOA 方法不像 TOA 对时间的测量 要求那么高，只要接收端之间保持同步即可，因此更易于实现，但随之需要额外的硬件设备 支持。
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基于WiFi指纹的室内定位系统中采样和匹配算法研究--毕业论文
