基于室内复杂环境分析的定位算法研究

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自人类进入信息化社会以来,科学技术的诞生给社会带来广泛且深刻的影响。其中,定位技术就是科学技术创新发展的产物之一,它的出现以及延伸的相关位置服务把抽象的时空距离变成近在咫尺的公共服务,让我们的生活逐渐尽在掌握,一切变得触手可及。现有的定位技术根据卫星通信的局限性,可分为室外和室内两种情况。室外定位借助卫星通信定位实现,定位精度达到了理想的效果;而室内定位因其环境特点,卫星通信技术大大受限,相关技术发展还处于发展阶段,因而,成为一项需要完善改进的技术。室内定位技术脱离卫星通信,发展了独立的定位技术,在将来有着极大的发展潜力和应用价值。但在发展过程中,目前仍存在一些制约条件:首先,室内定位需借助于室内独特的环境,而此环境复杂多变,内部陈设千变万化,且受非视距传播、阴影效应、多径效应等因素的影响,信号在采集及传播过程中,存在噪声干扰,对数据可靠性和定位的精度有着不同程度的影响。其次,定位技术在客观条件下,还要考虑性价比,对于不同应用环境,定位模块的选取至关重要。因此室内定位技术实现的手段需要经受市场的检验和淘汰。最后,传统室内定位算法在定位精度、算法复杂度等方面仍存在一定缺陷,还需进一步改进传统算法,提出新的定位算法。本文针对室内环境中出现的噪声影响及定位算法问题,以定位精度为目标,做了总结对比和创新,内容如下:第一,总结对比。首先,讨论了室内定位的意义及应用价值,梳理了如今的主流定位技术,概括了室内定位的技术原理。接着,在此基础上,对相关技术做了性能对比,方便在不同场合下选取不同技术,以满足实践需求。最后,对室内环境及影响因素做了大量分析总结,为室内定位的信号处理提供原理依据。第二,改进算法。针对环境噪声干扰影响和传统算法定位精度不高,提出了差值最小化滤波,并用泰勒公式改进了最小二乘法算法,实现了目标定位。选取对数正态分布模型,导入信号强度值,构建滤波模型,确定差值最小化滤波流程,减少随机噪声的干扰;用最小二乘法先求得目标位置,根据距离相同原理构建误差函数,用泰勒公式展开所求函数,迭代得到最终值,完成改进算法的定位。其中,将差值最小化滤波与均值滤波做了对比,发现真实值与差值最小化滤波值更加接近;将泰勒公式改进最小二乘法与最小二乘法的定位精度做了对比,前者的误差明显小于后者。第三,提出新算法。针对随机噪声干扰和算法定位精度问题,提出了拉格朗日对偶定位法。首先从原理上分析定位方程的由来及特征;接着根据所得的距离数据提出了误差矩阵和数据中心化处理,将矩阵中的随机干扰减小,得出更加接近真实距离的数据;最后,将定位方程使用拉格朗日对偶法求解,从而得到目标位置的坐标。其中,由仿真分析可知,拉格朗日对偶算法的定位误差完全低于各类算法。
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