实时定位系统RTLS.docx

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实时定位系统RTLS

实时定位系统（RTLS）

摘要

这个白皮书讨论了最常用的展开建立实时定位系统的方法。

这些包括到达时间定位法（TOA），时间差定位法（TDoA），接受信号强度定位法（RSS），运行时间定位法（ToF），往返时间定位法（RTT）。

RTT的一种特别情况就是SDS-TWR，它提供了一种对复杂情况的方法，但是具有很高的能量消耗，在大多数实时定位系统的方法中具有很高的费用。

这个白皮书包含一系列实时定位系统应用的例子。

引言

尽快的确定人和对象的位置的需要已经成为任何组织或者工业，尤其是在制造业，卫生保健，输给系统中的一个重要部分。

随着无线技术的逐步改进，现在可能遥远的确定人或对象的位置在一个预先定义的时帧里。

完成这种功能的系统就叫做实时定位系统。

他们通常使用小型低功率发射机，它被称为RFID标签，它依附识别标签和一系列标出待测点位置的参考节点。

标出对象的经度和方向角的系统是全球系统，一般用GPS来定位标出。

在相对固定的坐标系中精确标出位置的系统称为实时定位系统。

这些是将在这个白皮书中讨论的无线定位系统的类型。

一些技术人员曾经去建立实时定位系统。

一些人用专用的RFID标签和接受者而其他人用已经存在的无线局域网并在这些网络中增加无线定位系统。

这篇文章讨论了无线定位系统在2D或者3D空间中定位一个对象的最常用的方法，包括时间差定位法（TDoA）和接受信号强度定位法（RSSI）.对称的两种测距方式在下面就会被介绍，那是基于可靠运行时间的方式，但是改善它是靠减少系统的复杂度和费用。

无线定位系统在宽量程问题上非常感兴趣，能够由上面说的那些系统解决。

举下面这两个例子，无线定位系统能应用在一个忙碌医院病房里定位医院所有员工或者在制造业去快速定位和决定关键能源的实用性。

无线定位系统的大量实际应用在各种各样关键工业上证明了无线定位系统带来了改善产品和增强组织工作流程的真正好处。

RTLS基础：

测距传感器和定位装置

在越来越普遍应用的工业，商务办公室，安全系统和军事应用方面，无线定位系统已经得到重要的新发展。

然而，具有重大意义的是，大多数实时定位系统只包含两个关键部分，一个是用来计算系统量节点间的距离的无线测距传感器，另一个是用来决定系统中某个节点位置的定位装置。

测距传感器

测距传感器是用来测量并计算两个或者多个节点之间距离的一套装置。

这些节点包含待测节点和参考节点。

待测节点通常用活动的RFID标签，它是可移动的，位置需要系统决定的节点。

这些标签来自于一组组态的宽量程，从简单的活动RFID标签到包含温度，光，气压，运动等传感器的更加复杂的RF模块。

参考节点是通常位置已经确定的更复杂的节点，而用来去确定待测节点位置的。

此外，这些参考节点可能是一个网络的一部分，这个网络包含连接在一个监控系统的有线基础设施的一个或者几个节点，即网页界面或者软件界面。

定位装置

定位装置收集依靠系统节点布局，并由系统中待测节点和参考节点提供的估计的计算结果。

这些计算结果接下来就作为输入数据送入定位装置，然后定位装置就运行算法去决定目标节点或者一系列节点的位置。

RTLS的方法

许多方法都可能来执行距离计算，这取决于所测定的信号特性。

这些方法不是独有的包含以下这些：

到达角定位法

到达时间定位法

到达时间差定位法

接收信号强度定位法

飞行时间定位法

对称双边两路测距法

以上方法的一些组合也在实践中得到应用。

到达角定位法（AOA）

到达角定位法（AOA）是决定RF信号从待测节点到参考节点传播方向的一种方法。

在待测节点或者参考节点上用方向敏感的天线，那么发射器的方向就能够被获得。

到达角是由测量待测节点和参考节点之间的线和参考节点预先定义的某条线之间的角来决定的，比如北方。

这种方法能够被如下的图说明，在这里R1是参考节点，T表示待测节点。

图1：

到达角定位法

决定待测节点的位置

利用两个已知位置的参考节点，待测节点发射到两个参考节点的位置能够利用简单的三角计算来决定。

对每个参考节点来说，所收到的信号的到达角是来自于同一个待测节点并计算的，然后当地的引擎利用算法来决定这个待测节点的位置。

这种方法能够被如下的图说明，在这里，两个参考节点R1，R2，T表示正在被确定位置的待测节点。

图2：

用到达角定位法确定待测节点的位置

与到达角定位法有关的问题

用这种方法来进行测量常常需要一套复杂的4-12个位于同一水平线，许多电池位置的天线组。

这种方法的精确度随着所用天线组的数量的增加而增加。

此外这种方法的费用，所测定的角的结果与所建立的环境中的普遍的多径传播敏感相关。

因此，在待测节点和参考节点之间最适合于光的直线传播测量。

而且，到达角测量法也对安全威胁很敏感，因为进攻者能够很容易从一个不同的位置反射或者中途转发。

到达时间测量法（ToA）

到达时间测量法（ToA）是一种基于待测节点与一个或者多个参考节点之间无线信号的传播时延的测量方法。

传播时延，能够被计算为ti-t0,是指的一个信号从源站达终点站之间的时间滞后，换句话说，它就是一个信号从发射器到接受器之间所传播的时间，如下图所示。

图3：

到达时间测量法

决定待测节点的位置

放大传播时间ti-t0,是用传播信号的速度，传播时延能够转换成待测节点和参考节点之间的距离。

用到达时间测量法在二维空间中确定待测节点的位置至少需要3个参考节点。

用到达时间测量法在三维空间中确定待测节点的位置至少需要4个参考节点。

在二维空间中，待测节点的位置能够被看做三个以上圆的交点，而在三维空间中，待测节点的位置能够被看做四个以上球的交点。

到达时间测量法在二维空间测量计算中如下图所示。

在这里，T表示待测节点，R1,R2,R3表示参考节点。

信号在t0时刻发射，在t1,t2,t3时刻被接收。

图4：

用到达时间测量法决定待测节点的位置

与到达时间定位法有关的问题

为了在经过时间ti-t0,的计算上得到合理的确认，那么待测节点和参考节点之间时钟就必须同步。

待测节点和参考节点之间的距离能够由这种方法来决定，但是这产生了相当大的费用。

为了获得精确到毫微秒的标度，这样距离测量上也就更精确，就必须发展一个精细的时钟系统，而这根据发展的时间和努力需要高额费用。

而且，在二维和三维空间中都至少需要三个参考节点，这也增加了系统的费用和复杂性。

到达时间差定位法

到达时间定位法可以看作是已知位置的点作为球心的球的交点，而到达时间差定位法则可以看作是空间里的双曲线的交点。

用到达时间差定位法的系统测量收到每一个待测信号的传播时间差。

因此，TDoA方法也被认为是三维空间的双曲线定位法。

鉴于到达时间定位法记录的时间是待测节点发送信号到参考节点之间的时间，到达时间差定位法则需要参考节点记录信号所到达的时间。

和到达时间定位法一样，到达时间差定位法也需要每个信号能同时开始传播，或者同时或者在信号传播之间有某个已知的延时。

用到达时间差定位法，三或者四个参考节点需要在固定的已知的位置。

每一个参考节点需要同时接收从待测节点发送过来的信号并且当信号接收的时候要同时记录。

这个信息被发送定位装置那里去，进而计算出每一个参考节点所接受信号的时间差。

这个时间差就通过一个算法换算，并提供了待测节点的一个位置估计值。

在数学上，待测节点位于在二维空间里三个双曲线的交点，而待测节点位于在三维空间里三个双曲线的交点。

待测节点在三维空间中的位置能够被如下的图来说明。

图5：

用到达时间差定位法确定待测节点的位置

与到达时间差定位法有关的问题

到达时间差定位法的问题和到达时间定位法相似。

到达时间差定位法需要每一个参考节点的时钟都是同步的。

定位装置的估计值与参考节点所用时钟的精确度相关（时钟的精确度越高结果就越精确，但是系统也就有越高的费用）。

因此在大多数情况下，时钟运行的异步就影响着定位的估计值。

而且，到达时间差定位法也受多路径传播的影响，噪音和干扰就导致了双曲线的不准确的交点。

场所的直线是可取的，比如在一个开放空间里或者在一个大的开放建筑里。

接收信号强度指示法

接收信号强度指示法同时用几个802.11无线局域网的接入点去追踪装置的位置。

来自于至少三个接入点的接受信号的强度来决定被追踪的人或者对象的位置。

为了提高准确度，更多先进的RSSI方法用一叫做RF指纹的图，这图是基于在一个预定的区域里取很多WLAN信号强度的点的标度。

在一个RSSI系统中，待测节点与参考节点之间的距离是由参考节点的信号强度转换成一种测量的距离所决定的，这基于待测节点的已知输出信号强度和特殊的路径消耗模型。

位置服务器用一个算法和计算得出的待测节点和参考节点之间的距离来估计待测节点的位置。

虽然这种特殊决定待测节点与参考节点之间距离的方法在本质上与TOA方法不同，但是位置的计算依靠相似的算法。

接受信号强度指示法能够用如下的图来说明，在这里T表示待测节点，R1,R2,R3是参考节点。

S1,S2,S3分别表示每一个参考节点的信号强度。

图6：

用接受信号强度指示法确定待测节点的位置

与接受信号强度指示法有关的问题

为了有效地进行定位，RSSI定位法需要有密集的接入点搭配，而这却相当增加了系统的费用。

然而，RSSI基础系统的关键问题是在光非直线传播和非稳定的环境中找到一个适当的潜在路径损耗模型。

因此在实践中，所估计的距离值是有点不可靠的。

见[1]是RSSI技术一种特殊实现的讨论。

而且，用RSSI的系统在安全应用上是不合格的，因为进攻者能用放大，衰减信号或者其他方式来很容易地改变所接受信号的强度。

最终，过量的WLAN网络的关键目的就是发行量，而承担着增加的任务网络的RTLS是仍然待解决的。

飞行时间定位法

飞行时间定位法是测量一个信号从待测节点到参考节点经过的时间，而这基于典型信号通过媒介的估计传播速度。

因为这种方法是基于时间值，时间的准确要比前面的方法具有更重要的意义。

伴随高精确度的参考节点R记录到伴随高精确度的待测节点T已知的传播信号出发时间值。

出发时间是t1，相应的到达时间是t2，用一个估计的信号传播速度S，在两个装置之间的距离D能够被决定准确度在1-2米里。

用三个参考节点，一个算法就能决定待测节点在三维空间中的位置。

这种方法能够被如下的图来说明。

图7：

用飞行时间定位法确定待测节点的位置

这种方法没有增加额外的系统的硬件制作费用，因为它能用同样的硬件来进行数据传输和信号处理。

与飞行时间定位法有关的问题

一个理想的TOF系统需要昂贵的精确时钟。

事实上，时钟的补偿和漂移腐化了测量的精确性。

而且，信号能够受其他信号的干扰，噪音，多路径传播的影响。

然而，TOF系统有一个超越其他系统的优点，因为所增加的硬件费用是最小的。

而且它在室环境中也相当成功，比如混凝土墙和楼梯，而且相比其他方法，它有一个比较高的精确度。

此外，在实时定位系统上，TOF被认为是一个安全的方法。

往返时间定位法

一种克服TOF法固有困难的方法就是使得所要求的时钟同步化与测量无关。

这能够被做靠发送一个测量信号然后等应答信号（这个过程就是“先贷后存的利差”）。

这能够被如下的图来说明。

图8：

往返时间定位法

用一个数据信号和一个应答信号来缓和时钟同步化问题。

RTT用可以很好预料的硬件生成应答数据包，在这里假定，在两个节点MAC的处理时间是相等的。

所用的时间戳记在物理层上，而不是在应用层上。

Nanotron改善了往返时间法，并发展了对称双边两路测量法（SDS-TWR），这将在下一节中被描述。

对称双边两路测量法（SDS-TWR）

Nanotron技术发展了飞行时间法，它采用参考节点发送一个测量信号并由待测节点发送回来一个应答信号来抵消时钟同步化的要求。

它建立在依靠附加宽频调频技术能够保护多径传播和噪音干扰的优点上。

为了消除时钟漂移和补偿的影响，测量结果是在待测节点和参考节点的测量结果上进行平均。

这个结果有合理的精确度，在1米的误差围，即使是在最复杂的环境里。

这个方法就叫对称双边两路测量法