摘 要

随着时代的发展，社会对于定位技术，尤其是室内定位技术的需求越来越大。基于商业、科研、保密等各种原因，社会各方面都亟需成熟稳定的室内定位技术，所以目前对于楼宇内部移动物体实现高精度的室内定位是一个前景巨大的开发领域。

本文主要对当前主流的几种定位算法进行原理分析，得出各定位技术的适用范围。在得出射频识别（RFID）技术成本低廉，且可以优秀的完成非接触、非视距、高精度的定位效果的结论后，着重研究基于RSSI方式的三种RFID定位算法：基于距离-损耗模型的定位算法、LANDMARC算法和VIRE算法。经过对这三种算法的分析与仿真，发现VIRE 算法成本低，定位精确度高，十分适宜对楼宇内物体定位。其改进算法BVIRE算法不仅能和VIRE算法一样实现高精度定位，且能更好地实现在区域边缘对物体的定位，可以看出BVIRE算法是目前实现室内高精度定位的一种优秀算法。

关键词：室内定位技术、RFID技术、定位算法、LANDMARC、VIRE

Abstract

With the development of society, people's demand for positioning technology is growing,especially the demand for indoor positioning technology. Based on business, research, confidentiality and other reasons, all aspects of society need mature and stable indoor positioning technology. So in this case, it will be a promising area of development to achieve high-precision indoor positioning for the current building for the internal movement of objects.

In this paper, I will try to obtained the positioning of the application of the scope by analying the principle of the current mainstream of several positioning algorithms. After getting the conclusion that the radio frequency identification (RFID) technology is inexpensive and can accomplish the non-contact, non-line-of-sight and high-precision positioning effect, I focus on three RFID positioning algorithms based on RSSI: location algorithm based on distance - loss model, LANDMARC algorithm and VIRE algorithm. Through the analysis and simulation of these three algorithms, it is found that the VIRE algorithm has the advantages of low cost and high positioning accuracy,which means that the VIRE algorithm is very suitable for positioning objects in buildings. As the improved algorithm of VIRE algorithm ,BVIRE algorithm can not only achieve high precision positioning as VIRE algorithm, but also can better locate the object at the edge of the region. So in summary,the BVIRE algorithm is a very ideal way to achieve achieve high-precision indoor positioning.

Keywords: Indoor positioning technology, RFID technology, Positioning algorithm, LANDMARC, VIRE

绪论

课题研究背景与意义

在社会的不断发展中，人们对于相关物体的定位就十分关注，自最早的古代人们离开栖居地前往其他城市时，定位要求就开始进入人类社会的视野，那时候的人们对于自身或者目标的定位依靠的还是原始地图或标记。而随着人类进入科技时代，对于城市、地区甚至于具体的大楼的定位需求已经是可以轻松被满足。对于人们寻找中型和大型目标的问题已经不复存在，但是这并不意味着人们不再需要定位技术的发展。恰恰相反，随着科技的进步，人们越来越需要精确的定位技术来满足各行各业的需求。

如今在移动互联网时代，各行各业对于定位服务需求越来越大，尤其是建筑内的定位需求，比如说矿井作业中需要对工人进行定位跟踪以防止意外发生；日常中企业或工厂对于库中重要仪器要保持实时定位以及医院对病人的行至也要有准确的定位等。而且不仅是日常各种行业的需求，在某些特殊地点如军事建筑，或者存放机密文件的地方地区对于能够实时定位的需求更为急切。这些地区往往对于保密性要求较高，于是十分需要对进入人员的行踪进行随时随地的跟踪，防止外来人员尝试进入未授权领域或者保密区域。所以在这些楼宇内部，能随时对于移动物体进行定位也是如今社会的一个巨大需求。

而且现在移动智能终端发展十分迅速，在社会的普及度也越来越高，在如今的数字生活中，用户们需要能够及时的获得基于当前位置的诸多信息，伴随着越来越多的应用程序也需要调用一些室内定位信息从而实现自身的功能。所以对于楼宇内移动物体的定位算法研究是具有相当作用和价值的。生活中对于室内定位技术的需求日益增长，而室内定位技术起步较晚，发展不够完善，不能完全的满足用户要求。所以对于室内定位技术进行学习研究，分析各算法的优缺点并加以妥善应用，是一个十分有价值和意义的课题。

国内外研究现状

随着无线通信技术和计算机科学及互联网应用的发展，伴随着位置服务的需求增加，无线定位技术越来越受到重视。自上个世纪60年代开始，无线定位技术就逐渐被开发，逐步运用于军事和日常生活之中。进入21世纪，社会对于定位技术的的需求不断增长，定位技术也发展的越来越快。

定位技术可分为室外定位技术和室内定位技术。室外定位技术发展较早，目前发展的也较为成熟。使用室外定位技术最为出名的是基于卫星定位技术的美国全球定位系统 ，即GPS 定位系统。GPS系统通过部署在地球轨道上一定数量的GPS定位卫星，可以实现在全球范围内对目标物体实时进行定位。进过多年的建设，目前的GPS系统作为一个全方位、全天候、高精度的卫星导航系统，可以为全球用户提供成本低廉但精度较高的的室外三维位置，能实现精度在米级别的定位。与此同时，我国自主研发的“北斗”卫星导航系统以及欧洲的“伽利略”定位系统也可在全球范围内为各类用户全天候、全天时提供高精度、高可靠定位、导航和授时服务^[1]。

尽管GPS系统和北斗系统在室外定位具有很好的表现，能够满足人们的日常需求。但GPS 等卫星定位系统信号会受到建筑物的遮挡产生的多径效应影响，很难在楼宇内或者隧道、地下建筑内传播，所以现有的室外定位技术很难在室内定位领域有所作为。

因为室外定位技术难以满足室内定位的需求，所以近些年室内定位技术逐步被大家关注并开始逐渐发展。国外对于室内定位研究开始较早，自上个世纪 90 年代末，国外研究机构逐渐开始研究室内定位技术，经过即这些年的发展，已经出现了较多的成果，例如微软研究院的 RADAR 定位系统和Ekahau 定位系统。另外美国高通公司也对GPS系统提出了一些改进方案，结合互联网实现了移动终在室内外端准确的定位。室内定位系统在国内的发展起步较为滞后，发展时间短，不过近年来，随着需求的增加和电子信息技术的发展，很多公司也投入到室内定位系统尤其是无线定位系统的研究开发当中，并相继推出自己的定位解决方案。其中较典型的有“康柏电脑公司的移动定位服务解决方案、中兴的移动通信系统定位业务解决方案等。

经过这些年国内外的研发，目前业界存在几种较为成熟的室内定位技术，目前主要包括：蓝牙定位技术、红外线定位技术、超宽带定位技术、超声波定位技术、基于WLAN的定位技术、基于ZigBee的定位技术和射频识别（RFID）定位技术这几种定位技术^[2]。因为室内定位技术发展还在尚在起步阶段，各种室内定位技术也尚不完善，各自拥有自己的优点和不足，例如红外线室内定位技术的定位精度较高，但是红外线仅限用于视距传输，无法绕过障碍物传输，在高精度定位上存在很多限制。蓝牙技术在短距离内方便用户传输信息并且体积小、易于集成在手机和智能设备中，但是该设备稳定性较差，容易受噪声信号的干扰等，所以室内定位技术还需要发展。同时基于这些室内定位技术，全球各科研机构和实验室也提出了一些系统，例如RADAR、Active Bat、Cricket系统等。这些系统有一些已经初步进入商业应用之中，但受定位精度、可靠性等方面影响，并未能够广泛应用于社会之中。

论文主要内容与结构

本文主要基于对楼宇内移动物体的定位需求进行算法研究，分析各种室内定位技术的相关内容，在分析它们的优缺点之后选择表现较好的射频识别技术进行深入分析，着重对RFID定位技术的主要算法——LANDMARC算法和VIRE算法进行原理研究，分析它们的适用性，最后提出相关改进意见。

第一章 绪论：主要阐释本课题的研究背景和意义，定位技术的国内外研究现状，以及本文的研究内容和所做的主要工作等内容。

第二章 室内定位技术综述：对当前主流的几种室内定位算法进行研究与分析，对它们原理的进行分析并结合实际情况，对他们的优缺点进行比较，最终得出它们的适用范围。然后对新兴的ZigBee技术和较为出色的RFID定位技术进行介绍，着重于RFID定位技术的研究。

第三章 定位算法分析：这一章主要对目前定位算法中的基于测距和测距无关的算法原理进行研究，在分析对比下，最终得出RSSI方法比较适合定位的需求的绝伦，为下一章研究具体算法打下基础。

第四章 基于RSSI的RFID室内定位技术算法分析：针对基于RSSI方法的三种RFID定位算法：基于距离-损耗模型的定位算法、LANDMARC定位算法和VI RE定位算法进行研究，分析原理并得出他们的适用性结论。

第五章 基于RSSI的RFID定位算法仿真与改进：对LANDMARC算法与VIRE算法进行软件仿真模拟，根据数据分析他们的定位精度与优缺点。然后针对VIRE算法在边缘定位时的较差表现，提出了改进算法—BVIRE算法，解决了边缘定位的问题。

第六章 总结与展望：对全文进行总结，简要总结本文的主要内容，并对本文所涉及的内容进行可做深入研究的展望。

室内定位技术综述

本章主要对现有的几种较为成熟的室内定位技术进行研究，并简要介绍它们实现定位的一些系统，同时分析他们的优缺点。在介绍各种定位技术之后，将重点研究在实现楼宇内移动物体定位中笔者感兴趣的射频识别（RFID）定位技术并介绍关于实现目标定位的相关原理理论。

2.1几种室内定位技术介绍与分析

2.1.1 红外线定位技术

红外线定位技术工作原理：在目标物体上佩戴红外线发射模块，红外线发射模块定期发射调制的红外线。同时在目标区域放置一定数量的光学传感器，通过光学传感器接受红外线信号来判断物体的位置。另外也可以使用数对发射器和接收器，对目标区域形成一个较高密度覆盖的红外线网，然后通过运动目标对光线的遮挡作用来进行定位。

典型系统：由 ATamp;T 剑桥实验室提出的 Active Badge 系统便使用的是第一种方式来定位，对目标物体使用红外发射模块，定期向外部发送唯一的识别码，通过在定位区域里固定放置的红外接收机来接收并提取红外信号携带的数据，最终实现定位^[3]。

优缺点及适用范围：红外线的技术如今较为成熟，红外线定位技术精度较高。但是由于红外线无法穿透障碍物，在传播途中会被物体遮挡，在空间内只能实现视距内传播，这便导致一旦要定位的物体被其他障碍物遮挡，红外线定位系统就无法正常实现定位功能。与此同时，红外线在空间内传播也极易受日光、灯光等含有红外线的光源影响，在有烟雾、尘埃等环境内红外线定位系统也会降低精度。最后因为红外线传播距离较短，所以在实际运用中，安装较多的接收机，使得定位方式布局复杂，成本较大。故红外线定位技术虽然精度较高，但仅适用于障碍物较少且外界灯光干扰较小的小型空旷区域内定位，定位条件较为苛刻，定位局限性较大。

2.1.2 超声波定位技术

超声波定位技术工作原理：采用反射式测距法，测量点固定时间间隔会发出发射超声波，超声波在传播过程中如果遇到被测物体，便反射相应的回波，当测量点接收到回波时可以通过发射的超声波与回波的时间差来计算出物体的距离。通过目标区域多个测量点测出的距离可以使用三角测距法确定物体的位置。

典型系统：Cricket 定位系统^[4]和 Active Bat 定位系统^[5]，它们均采用超声波与回波的传播时间差来获得目标的位置信息。Cricket定位系统在实际应用中能够对4x4 平方米的室内区域进行精确定位；Active Bat系统则能够以 95％的概率获得误差在 9cm 以内的目标位置。