如何消除誤差？室內(nèi)定位中的關(guān)鍵技術(shù)

1、互相關(guān)干擾消除技術(shù)

在室內(nèi)復(fù)雜的定位環(huán)境中，接收機(jī)很有可能接收到定位源直射的強(qiáng)信號(hào)和經(jīng)過(guò)反射、折射的弱信號(hào)，強(qiáng)信號(hào)和弱信號(hào)的功率差可以達(dá)到20～30dB。此時(shí)在弱信號(hào)的相關(guān)解算中，強(qiáng)信號(hào)產(chǎn)生的互相關(guān)峰與弱信號(hào)產(chǎn)生的自相關(guān)峰幅值處于同一量級(jí)，很有可能對(duì)弱信號(hào)的捕獲造成不利影響。因此在定位過(guò)程中通常需要通過(guò)消除互相關(guān)干擾的影響達(dá)到捕獲弱信號(hào)的目的，其中常用的方法有子空間投影法和扣除法。

⑴子空間投影法

子空間投影法是在載波多普勒、載波相位以及碼相位構(gòu)建的信號(hào)子空間中生成新碼，并將待檢測(cè)的弱信號(hào)在此空間內(nèi)分解并產(chǎn)生出與強(qiáng)信號(hào)完全正交、與弱信號(hào)相關(guān)性強(qiáng)的新碼，以此碼進(jìn)行弱信號(hào)的捕獲。由于新碼的構(gòu)建需要實(shí)時(shí)運(yùn)算，而此運(yùn)算中需要進(jìn)行大量的矩陣和向量運(yùn)算，因此構(gòu)建新碼十分困難。E.P.Glennon提出改變Gold碼的均衡性使得本地碼與強(qiáng)干擾信號(hào)互相關(guān)性最小，但該方法同時(shí)也會(huì)降低一定的自相關(guān)性。

⑵扣除法

扣除法比較常見(jiàn)的有兩種方法：一是利用已捕獲的強(qiáng)干擾信號(hào)的多普勒頻移、載波相位、碼相位、信號(hào)幅度等參數(shù)在本地接收機(jī)內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)干擾信號(hào)的重構(gòu)，然后將強(qiáng)信號(hào)從射頻信號(hào)中扣除，再進(jìn)行弱信號(hào)的捕獲；二是在做完接收信號(hào)與本地碼的相關(guān)運(yùn)算后從中扣除強(qiáng)干擾信號(hào)的互相關(guān)值，以此消除強(qiáng)干擾信號(hào)對(duì)弱信號(hào)捕獲的影響。根據(jù)扣除操作發(fā)生的位置是在相關(guān)運(yùn)算前和后可以分為前端消除法和后端消除法。與子空間投影法相比，扣除法占用資源少、易實(shí)現(xiàn)，但對(duì)強(qiáng)信號(hào)的參數(shù)依賴程度大，當(dāng)強(qiáng)信號(hào)的參數(shù)估計(jì)誤差較大時(shí)，扣除法對(duì)互相關(guān)干擾的消除作用就會(huì)減小甚至不起作用。

2、非視距效應(yīng)消除技術(shù)

非視距效應(yīng)是由于定位信號(hào)源與定位終端之間存在障礙物，導(dǎo)致定位信號(hào)無(wú)法沿視距傳播，只能通過(guò)折射、反射等方式傳播。由此產(chǎn)生的誤差稱為非視距(Non-Line of Sight，NLOS)誤差。在室內(nèi)定位中，由于建筑物內(nèi)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和經(jīng)常性的人員流動(dòng)導(dǎo)致非視距效應(yīng)十分顯著。影響定位精度的主要誤差來(lái)源有測(cè)量誤差和非視距誤差，其中非視距誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于測(cè)量誤差，因此消除非視距效應(yīng)是提高室內(nèi)定位精度的主要方式。

⑴極大似然算法

在非視距環(huán)境中，可以利用測(cè)量噪聲、非視距誤差統(tǒng)計(jì)和LOS/NLOS距離概率模型構(gòu)建最大似然問(wèn)題進(jìn)行定位解算，消除非視應(yīng)。Gezici使用最大似然算法最大化聯(lián)合概率密度函數(shù)剔除非視距觀測(cè)量，Qi采用最大后驗(yàn)概率估計(jì)非視距誤差統(tǒng)計(jì)分布。

⑵最小二乘算法

在視距環(huán)境中室內(nèi)定位最廣泛的算法之一是最小二乘法，在得到測(cè)量量后建立方程解出定位終端的位置。而在非視距環(huán)境下也可以通過(guò)最小二乘法進(jìn)行定位解算。殘差加權(quán)(RWGH)算法是Chen提出的一種針對(duì)非視距環(huán)境的定位算法，可以有效減小非視距效應(yīng)對(duì)定位精度的影響。

雖然眾多學(xué)者對(duì)非視距誤差的消除進(jìn)行了大量研究，但由于非視距的復(fù)雜性，目前消除模型仍難以有效消除，仍然是影響室內(nèi)定位精度的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

3、特征聚類技術(shù)

在基于指紋信息的定位方法中，通常采用特征聚類技術(shù)將離群點(diǎn)剔除，以此減小離群點(diǎn)對(duì)定位結(jié)果的影響，提高定位精度。

⑴HiWL方法

聚類算法通常需要使用大量數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，但為指紋庫(kù)中每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行位置標(biāo)記是非常繁瑣的，為此HiWL方法使用隱形馬爾科夫模型 (HiddenMarkovModel，HMM)對(duì)未標(biāo)記的數(shù)據(jù)進(jìn)行位置分類。在訓(xùn)練階段，該方法需要一定的室內(nèi)拓?fù)湫畔?。通過(guò)HMM訓(xùn)練，系統(tǒng)可以獲得地理坐標(biāo)和信號(hào)分布之間的映射關(guān)系，因此HiWL方法可以將未標(biāo)記的指紋地圖與地理坐標(biāo)聯(lián)系起來(lái)。但HMM 方法需要通過(guò)大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集 保證學(xué)習(xí)結(jié)果的準(zhǔn)確性，提高了系統(tǒng)的計(jì)算復(fù)雜度。

⑵UMLI方法

為了減少計(jì)算量，UMLI方法采用聚類方法對(duì)未標(biāo)記數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。訓(xùn)練階段通過(guò)聚類分析，將有相似特征的相鄰參考點(diǎn)聚集為一類。以此將未標(biāo)記的數(shù)據(jù)進(jìn)行位置標(biāo)記，減少測(cè)量和標(biāo)記的工作量。UMLI方法首先將未標(biāo)記的指紋地圖映射到對(duì)應(yīng)的房間中，然后在房間中進(jìn)行精度更高的定位解算。UMLI方法通過(guò)采用分層定位的方法提高了房間定位的精度。

4、融合濾波技術(shù)

在室內(nèi)環(huán)境下，單一的定位技術(shù)無(wú)法覆蓋全部區(qū)域，且定位精度有限。因此需要使用多種傳感器、多種定位信號(hào)定位。在此過(guò)程中就需要融合濾波技術(shù)將不同定位源的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合定位。

通常融合濾波分為三類，數(shù)據(jù)融合、特征融合和決策融合。表1所示為三類融合方法的一些相關(guān)特性。

表1 不同融合方法的相關(guān)特性

根據(jù)處理結(jié)構(gòu)的不同，也可以將融合濾波分為集中式、分布式和混合式。集中式融合濾波需要一個(gè)處理中心收集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，而分布式融合濾波中每個(gè)傳感器、定位信號(hào)接收器單獨(dú)處理自己的數(shù)據(jù)，并將結(jié)果發(fā)送到進(jìn)行全局分析的節(jié)點(diǎn)。混合式融合濾波中一部分傳感器和定位信號(hào)接收器自己進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理，而處理中心也會(huì)對(duì)一些原始數(shù)據(jù)進(jìn)行融合并進(jìn)行最后的決策融合。

如果一個(gè)系統(tǒng)中信號(hào)源產(chǎn)生的是相同物理測(cè)量量，那么就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)融合；相反若系統(tǒng)中的原始數(shù)據(jù)是異構(gòu)的，那么就不能直接進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，需要提高到特征或決策融合的高度。

結(jié)論

本文對(duì)目前室內(nèi)定位技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，分別針對(duì)不同種類的主流定位手段，進(jìn)行了詳細(xì)介紹與分析，并對(duì)室內(nèi)定位中常見(jiàn)的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了討論。通過(guò)對(duì)比分析，可以得到如下結(jié)論：

1)室內(nèi)定位技術(shù)發(fā)展迅速，亞米級(jí)及厘米級(jí)的高精度位置服務(wù)需求廣泛；

2)室內(nèi)定位技術(shù)種類繁多，不同技術(shù)之間各有優(yōu)缺點(diǎn)，廣域與局域定位技術(shù)形成一定互補(bǔ)；

3)組合導(dǎo)航與多系統(tǒng)融合定位可有效提高定位精度及定位魯棒性；4)導(dǎo)航通信一體化技術(shù)具有成本低、精度高等優(yōu)點(diǎn)，并易于與其他定位系統(tǒng)融合，成為未來(lái)室內(nèi)外定位技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。

隨著人們對(duì)室內(nèi)位置服務(wù)需求的持續(xù)增加，室內(nèi)定位技術(shù)將會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展。新一代通信技術(shù)的發(fā)展，會(huì)大幅推動(dòng)室內(nèi)定位技術(shù)的進(jìn)步，毫米波及MIMO技術(shù)的應(yīng)用，可有效增加測(cè)距精度并提高定位終端的抗多徑能力。低成本亞米級(jí)甚至厘米級(jí)的室內(nèi)定位技術(shù)成為今后的研究趨勢(shì)與熱點(diǎn)。