监狱管理中三维精确定位系统规划与设计研究

1 绪论

1.1 研究背景
新中国成立六十多年以来，尤其是改革开放三十多年以来，我国监狱管理体制已经取得了显著的进步。然而，由于观念和体制的原因，我们的监狱管理体系与发达国家相比还比较落后。我国建立监狱系统的目的与其他国家一样，是实现对罪犯的改造。监狱管理的好坏关键是监控，但如果监控不能很好地与其他子系统兼容和联动，那么实际上监狱管理的作用将变得很有限。随着监狱服刑人员成分日益复杂，他们的狡猾性，不安分意识也比之前有了增强，一有机会便会铤而走险，伺机越狱，给监狱管理的持续稳定带来了极其不利的影响。
为此，在这种背景下提出了研制精确定位监狱人员这一系统，同时在将精确定位算法改进的基础上，精确定位精度得到了明显提升。精确定位技术应用到监狱管理，既能实时了解监狱人员动态，又提供了一种特殊情况下的直接通讯方式，从而使监狱管理安全性得到极大的提高[1]。
21世纪是一个网络时代到无线互联时代迅速转变的时代。近年来，随着一些新型网络技术，比如WiFi技术、WiMax技术、Ad hoc技术、BlueTooth以及UWB技术等，在家庭、办公室、公园、工厂等领域的广泛应用，使得广大群众生活变得更加快捷便利。在这些新兴的技术当中，基于无线网络的定位技术显示出了更加有潜力的的发展前景。就目前来说，影响最大定位覆盖范围最广的定位系统是GPS，也就是全球定位系统。20世纪70年代末，美国陆海空三军联合而研制出了这种空间卫星导航定位系统，在全球范围内，只要是拥有一定接收设备的用户就能收到它提供的精准持续的三维位置信息[2]。遗憾的是，全球定位系统除了在导航和室外环境定位上被应用之外，室内定位以及短距离定位等并不被人们所熟知。为了弥补这一缺憾，未来的无线定位技术会将室内定位与室外定位的结合作为其奋斗目标，来达到完全无缝、精确定位的完美效果。也就是说，现有的网络技术并没有完全达到这个效果，但是在众多现有的无线定位技术当中，UWB技术以它自身的诸多优势崭露头角，并逐渐成为未来无线定位技术的研究热点[3]。它的优点有：较低的功耗、很高的安全性、良好的抗多径效果、很低的系统复杂度以及能够精确提供定位精度等。
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1.2 研究意义
在众多无线定位技术当中，UWB无线定位技术以无可比拟的优势达到了未来无线定位的一系列要求。研究结果表明，在实验室环境下超宽带定位已然可以达到十几厘米的精度[4]，另外，超宽带无线电定位技术的出现又非常容易地将定位与通信两种技术结合了起来，毫无疑问，正在迅猛发展的短距离超宽带通信技术会将UWB定位技术带动起来，而常规无线电技术却难以达到如此效果。目前，尽管无线精确定位这一技术已经发展了好多年，但是超宽带技术还仍然处在发展的初级阶段，无线精确定位技术正在向商业化迈进，其定位算法仍需改进。随着市场需求的不断提高和超宽带技术的不断成熟，不久的将来，超宽带定位技术便可以完全商业化，届时精准的超宽带定位系统也会得到广泛运用[5]。
目前，现有的无线定位算法虽然已经比较成熟，但在很多现场环境还不能很好得利用UWB技术进行精确定位且实现起来困难重重。例如：TOA（Time of Arrival）算法要求定位基站和移动标签保持绝对的时钟同步，而TDOA（Time Different ofArrival）则要求一组定位基站之间保持严格的时钟同步。因此，对于算法的改进势在必行，也很需要一种可以改进及替代传统定位算法的方法，实现更高的精确度以及更好的实时性。

1.3 研究现状
1992年，最早的室内定位系统其中之一就是英国剑桥ORL（Olivetti Research Ltd）的Active Badge系统。这种系统的优点是使用了红外线收发器，从而无需测距就可实现定位，但是其缺点就是，在户外很容易被光线所干扰，因而不容易部署。因此，基于蜂窝单元的Active Badge系统只能应用于室内定位[6]。
1998年，一种新的利用“指纹识别”技术进行定位的系统产生了，它就是Microsoft公司生产研发的RADAR系统，这种室内无线射频定位系统是在RSSI技术基础上，将经验测试和信号传播模型结合起来法进行定位的。在RADAR系统中，为了获得传播距离和信号衰减程度二者的关系，就需要将建筑物墙壁对信号传输的影响考虑进去。在实际生活中，随着建筑物的改变，测试出的信号穿墙衰减因子也会改变，然后再利用经验模型计算出距离，进而就可估算到具体的位置。RADAR系统不仅实现了室内2-3m范围内的实时定位，而且提出了一种推断节点位置的新方法，即将经验数据用WAF模型来替代的方法，并且在这个基础上作了初步的试验。但是这种方法非常容易受到外界环境的影响，因此它只能达到定位一片区域的效果，却不能做到精确定位[7]。
1999年，剑桥AT<实验室设计出了Active Bat和改进的MIT的Cricket系统。这两种系统均利用了超声波信号和射频的到达时间差（TDOA）进行距离测量，并且运用了三角方法来达到定位目标的目的。Active Bat属于主动型系统，它的定位精度可以达到9cm左右。Cricket系统在Active Bat系统的基础上进行了改进，它的二维误差平均为40-50cm，但是该系统也有其缺点，那就是它不会被管理中心监控，并且拥有较大的移动接收设备计算负荷等[8]。
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2 无线定位技术研究

目前，针对于室内外的无线定位技术多种多样，比如红外线、蓝牙、Zigbee、wifi、RFID、超宽带等。这些技术都分别适用于不用的环境也都有各自的优势与不足，UWB技术由于精度高、抗多径效应好，更适合于作为像监狱这种室内环境使用。接下来，将分别介绍几种无线技术以及对UWB技术的基本原理进行探讨研究。

2.1 无线定位技术简介
无线定位技术从空间上又可分为室内定位和室外定位。室内定位技术同样可以从不同的角度来分类，如下表2-1所示，室内无线定位系统大体上可以分为两大类，分别是基于参数估计的定位系统和基于模式匹配的定位系统。以下分别介绍几种常用的无线定位技术以及使用这些定位技术的一些典型的无线定位系统。

（1）红外线定位技术


本文编号：8487