监狱管理中三维精确定位系统规划与设计研究(2)

发布时间：2014-08-27 15:51

红外线技术实现定位功能主要是因为具有红外线反射型传感器，其工作原理是：由IR标识发射管发射出红外线，当在检测范围内遇到人或者事物时，部分红外线会被反射到终端的光学接收设备，由于接收管的光敏电阻发生改变进而引起电压发生变化来完成定位功能。该技术的最大优点是具有相当高的定位功能，存在的不足是红外线不具有穿透性，当目标物体周围有障碍物的时候，就比较容易出现错误检测，因而只能完成LOS传播。例如最早的室内定位系统Active Badget，由于红外线自身的穿透力不强和环境中直射光线引起的散射，导致定位效果并不理想[21]。

（2）超声波技术
超声波技术往往被用来定位测距，其核心器件主要是超声波发射器，它的工作原理为：由发射器向某个方向发出超声波，当遇到空气中的物体时，马上返回，由终端接收器接收，通过时间差和空气中声音的传播速度计算距离。超声波的主要优点是传播距离远、方向性强。但是超声波的定位功能往往不如红外线技术，需要结合反射式方法（三角定位）来实现精确地定位。典型的系统有Active Bat和改进的MIT的Cricket，这两个系统的实现原理都是通过超声波与射频测距，三角方法定位目标[22]。实际上Cricket是Active Bat的改进系统，将系统的平均二维误差缩小在40-50cm之间，精确度得到了提高，但是整个系统却缺乏管理中心监控，并且移动接收设备的计算负荷也相当大。
（3）无线局域网技术
家户喻晓的定位系统GPS就是通过无线局域网技术实现定位功能的，它的主要原理是通过接收机捕获基站无线设备的信号，通过测量发射场强与信噪比来估算终端位置[23]。它的优点是覆盖的范围比较广、定位的精度比较高、并且能够实现全天候连续定位功能。但是也有其不足的地方，如在遮挡比较严重的环境下，由于信号强度不够，而无法完成定位。使用无线局域网技术定位在实际应用中具有很多的局限性，例如跟踪定位的目标物体必须是支持无线局域网的。同时要保证具有足够的信号强度。
（4）蓝牙技术
蓝牙技术定位应用于短距离定位，与无线局域网技术定位的原理相似，通过不断的搜索周围的基站信号或者蓝牙信号实现定位功能[24]。蓝牙技术的最主要优点是功耗较低、对人体危害小，而且应用简单、容易实现，体积较小，方便集成在PDA、PC和手机中，所以易于推广。但是蓝牙的造价比较高，稳定性容易受环境影响。
（5）ZigBee技术
ZigBee技术是一种高可靠的无线数传网络，也是近几年新兴的短距离、低功耗无线技术。其工作原理是通过ZigBee RF设备内嵌的定位引擎使用ZigBee网络设施计算人与事物的具体位置。其精确度能与室内的GPS相媲美。但是ZigBee有自己的独特性，拥有自己的网络规范，可以将定位技术纳入网络协议，并通过多个参考节点采集数据，优先选择信号最强来实现精确定位[25]。低功耗、低成本等优点使其在以后的发展中得以推广。
（6）RFID技术
RFID定位技术是属于覆盖式定位，通过射频识别的方式来实现。即在每一个读卡器的范围内，当标签进入该读取范围的时，根据读卡器的位置来确定标签的位置。该技术具有非接触识别、非可视性、高速阅读、NLOS等优点。该技术的最大缺点是工作的距离比较近，不利于与其他系统进行联合工作[26]。
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2.2 UWB 技术基本原理
超宽带技术（UWB）是一种无线电通信技术，该技术是非常规的。因其在技术上较其它的技术具有无法比拟的优越性，在电子、社会安全、卫生等领域均体现出了该技术的特殊价值和广阔的应用前景[28]。美国联邦通信委员会（FCC）针对UWB技术也制定了一系列的民用标准，UWB技术通过该标准后，国内外许多大型企业和研究机构对其的关注强度和研究力度大为增加。
2.2.1 UWB 概述
UWB并不是新兴起的技术，约在100年前，马可尼等学者在研究越洋无线电报时研究出的火花隙发射器发射出的信号的带宽较一般信号的带宽要宽的多，然而，当时现代意义上的超宽带无线电并没有形成一定的理论和概念，直到1960年前后，超宽带无线电初现雏形，当时被人们称为脉冲无线电（Impulse Radio, IR）。美国Sperry研究中心的Ross博士于1978年详细描述了UWB，特别是对UWB信号的产生、时域信号的处理方法，并对信号特征进行了详尽分析，另外，还对基带雷达和天线技术进行了一定程度的概括和描述，大家所熟知的Ross博士的标题为“时域电磁学”一篇论文，该论文对UWB的知识进行了系统总结。

在过去的十年里，随着UWB商业化程度不断地增强，UWB技术投入商用是大势所趋，研究人员也不断向FCC施加压力，希望具有明显优越性的UWB能够尽快进入商用领域[29]。迫于压力，2002年，FCC发布了使UWB通信投入民用的的典型标准，这代表UWB的正式商业化，同时这也推动了有关UWB产业化进程和学术研究。其中在标准中，授权UWB的应用领域及其使用频段如表2.2所示。
从频域来看，与传统的窄带和宽带不同，超带宽具有更宽的频带。表2.3给出了窄带、宽带和超宽带的界定，其中表中的信号带宽与中心频率之比字段又称为相对带宽，其中相对带宽小于1%的称为窄带，宽带的相对带宽在1%到25%之间，而对于相对带宽大于20%则被称为超宽带，另外中心频率大于500MHz的也是超带宽，其表达式如下所示：

其中fH为信号最高频率，fL为信号最低频率，fC为信号中心频率，其值为fC=(fH-fL)/2。

时域上，传统的通信系统的信号调制是通过发送射频载波完成的，而超宽带系统不同，其中UWB中信号的调制是通过起、落点的时域脉冲（几十ns）实现的。超带宽系统是在一个非常宽的频带上进行信息调制的，且该频带所占据的频率范围由信息调制过程的持续时间决定。在日常通信中，UWB凭其特殊优势，可实现数据的高质量、高速传输，但UWB受限的发射功率严重影响了传输距离，有关资料显示，有效传输距离限制在10m以内，因此，若利用UWB进行信号传输则更适合于个人局域网。因为UWB信号进行定位必须要承载大量信息，这就使得信息调制持续时间明显缩短，占用的频率范围缩小，使得传输距离可达50m以上。
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3 常用的室内无线定位算法概述.......................................... 14
3.1 测距定位算法及其几何模型...................................... 14
3.1.1 无线定位算法........................................... 14
3.1.2 定位算法几何模型..................................... 18
3.2 非测距定位算法......................................... 19
3.3 影响定位精度的因素........................................... 21


本文编号：8487