CN101114019B - 基于三角插值的射频电子标签定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于射频电子标签定位技术领域，其特征在于，含有一个射频电子标签，三个设有射频收发器的无线接入点以及一个中央服务器，其中中央服务器根据射频电子标签发来的强度信息以及各射频收发器发来的位置信息计算出射频电子标签和各无线接入点之间的距离，再以三个射频收发器的位置为圆心，以其与射频电子标签的距离为半径作圆，得到六个交点，再以这六个交点坐标的算术平均值与射频电子标签的实际坐标之差来计算射频电子标签的位置估计误差。这种三角插值定位方法具有提高定位精度、降低计算复杂度以及适用范围广的优点。

Description

基于三角插值的射频电子标签定位系统

技术领域

“基于三角插值的射频电子标签定位系统”的应用领域是局域环境下基于射频信号技术的目标定位追踪。所提出的方法适合于射频收发器分布较密集，目标射频电子标签能同时接收到多个射频收发器信号的场景。它能够以比较小的计算量和较高的精度，快速的估计目标射频电子标签的坐标位置，为定位追踪技术的发展提供有力支持。

背景技术

随着各类移动计算设备和无线网络技术的迅速发展，位置追踪相关的系统和服务越来越受到人们的关注和重视。其中，实时定位追踪系统(Real Time Locating Systems，RTLS)能够通过收发射频信号实时的确定和跟踪目标物品的位置。局部定位追踪系统(Local LocatingSystems，LLS)是一类典型的定位追踪系统，它通常用于在特定的局部区域内对目标进行追踪，例如公园、机场、酒店、博物馆等。通常在这些区域的关键位置上安装射频收发器，然后在追踪目标上安装射频电子标签。射频电子标签将定期的向收发器发送特定的辨别信息，发送间隔根据具体应用的需要，可以设置为若干秒、分钟或者小时，以满足不同的实时性要求。通常一个电子标签将处于两个或多个收发器的信号覆盖范围内，通过估计电子标签和收发器之间的距离，就可以在一定精度下计算出电子标签所处的位置，从而实现定位和追踪。

根据射频收发器的位置和电子标签与收发器之间的距离，对电子标签的位置进行估计，称为估值定位。目前已有的估值定位方法，包括随机收发器选择和最强收发器选择。其中，随机收发器选择是指，当一个电子标签处于多个射频收发器的信号覆盖范围内时，随机选择其中一个收发器的坐标位置作为电子标签位置的估值。该方法不需检测收发器的信号强度，使用简单，但定位精度较低；而最强收发器选择方法是指，当一个电子标签处于多个射频收发器的信号覆盖范围内时，选择信号最强的一个收发器的坐标位置作为电子标签的位置估值。在所有收发器信号发射功率相同的前提下，信号最强意味着距离最近。这种方法在一定程度上提高了定位精度。

发明内容

本发明基于三角插值的思想，提出了一种较精确估计射频电子标签位置的方法。根据射频电子标签和多个射频收发器之间的距离，作出电子标签可能处于的位置圆。以各圆的交点作为估值基础，以算术平均方法对电子标签的位置进行插值估计，对电子标签进行定位。

本发明的特征在于：

含有一个射频电子标签，三个无线接入点以及一个中央服务器，其中：

射频电子标签，是定位和追踪的目标，所述标签收集三个无线接入点的信号强度信息并发送到所述中央服务器，

无线接入点，设有射频收发器，通过边界路由器向中央服务器发送自己的位置坐标信息，是所述定位系统的位置基准点，也是射频电子标签与中央服务器通信的媒介，

中央服务器，依次按以下步骤估计射频电子标签的位置误差Er：

步骤(1)，根据射频电子标签发送来的信号强度信息，按下式估算出该射频电子标签与各无线接入点之间的距离d，用DS1、DS2、DS3表示：

$d=d_0\·\sqrt[n]{\frac{P\left(d_0\right)}{P\left(d\right)}}$

其中，d₀为参考距离，通常选择为3米，n为路径衰减因子，是由射频信号传播特性决定的常数，P(d₀)和P(d)分别为距离d₀和d处的信号强度。

步骤(2)，根据三个无线接入点中射频收发器发送来的位置坐标信息，分别以三个所述射频收发器的位置坐标为圆心，用matlab软件以DS1、DS2、DS3为半径分别作圆，得到六个交点，其中：

若两圆相交，产生两个交点，

若两圆相离，以连接两圆圆心的直线与两圆产生的两个交点来计算，

对于剩下的一个圆与其他两圆无论相交或相切，都将形成四个交点，

记录这六个交点的坐标为：X_Pi，Y_Pi，i＝1，2...6；

步骤(3)，对步骤(2)所述六点的坐标求算术平均值X，Y，作为射频电子标签的坐标位置估计值：

$\stackrel{\‾}{X}=\frac{1}{6}\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{X}_{\mathrm{Pi}},$ $\stackrel{\‾}{Y}=\frac{1}{6}\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_{\mathrm{Pi}}$

步骤(4)，按下式计算射频电子标签的位置坐标估计误差Er，并引出：

$E_r=\sqrt{{(X-\stackrel{\‾}{X})}^2+{(Y-\stackrel{\‾}{Y})}^2}$

其中(X，Y)表示目标射频电子标签的实际坐标。

本发明的有益效果是：

本发明可以以较小的计算量和复杂度，获得较为精确的目标定位结果。本发明与已有方法的性能比较如下表所示。

表格1各种定位方法误差的比较

从表中可以看出，本发明与已有的定位方法相比，定位精度有较大幅度的提高。

附图说明

图1.本发明的系统框图：

SS表示信号强度，SS[3]表示三个无线接入点的信号强度数据。ID表示无线接入点的唯一编号。

图2.本发明中中央服务器的程序流程框图

图3.三角插值定位示意图

具体实施方式

射频电子标签到各个射频收发器(选取三个，记为AP1、AP2、AP3)之间的距离，分别记为DS1、DS2、DS3。分别以三个射频收发器位置坐标为圆心，以DS1、DS2、DS3为半径作圆，如图1所示。

在理想情况下，三圆应该有一个公共交点，此交点即射频电子标签所在的位置。但是，由于理想的射频信号传输模型与实际情况的误差，三圆难以交于一点。任取其中两个圆考察，可能存在如下两种情况：

两圆相交。那么将产生两个交点，记录这两个交点的坐标。

两圆相离。那么记录连接两圆圆心的直线与两圆产生的交点坐标。

对剩下一个圆与其他两圆的组合进行同样过程，将一共得到六个交点(特别的是，若两圆相切，则切点需要被计算两次)，分别记为P1-P6。根据估计理论，算术平均是一种性能和复杂度都较优的估计方法。因此，对这六点的坐标求算术平均，作为目标射频电子标签的位置估值，即：

$\stackrel{\‾}{X}=\frac{1}{6}\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{X}_{\mathrm{Pi}},$ $\stackrel{\‾}{Y}=\frac{1}{6}\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_{\mathrm{Pi}}$

其中(X，Y)表示目标射频电子标签的估计坐标。估计误差E_r使用绝对距离描述：

$E_r=\sqrt{{(X-\stackrel{\‾}{X})}^2+{(Y-\stackrel{\‾}{Y})}^2}$

其中(X，Y)表示目标射频电子标签的实际坐标。估计误差E_r用于描述本方法和其他估值定位方法的性能差异。

本方法可以快速的应用到现有的各种基于射频信号的定位系统上。目前已经在基于无线局域网2.4GHz WiFi信号的硬件平台上验证通过，如附图1所示。

上述硬件验证平台主要包括WiFi电子标签，无线接入点(AP)和中心服务器三个部分。WiFi电子标签是一个体积较小的ARM9嵌入式硬件系统，它是定位和追踪的目标，它负责收集AP的信号强度信息并将其发送到中心服务器。AP(无线接入点)传输无线网络信号，提供无线局域网络的接入服务。它既是定位系统的位置基准点，也是WiFi电子标签与中心服务器进行通信的中转媒介。中心服务器根据WiFi电子标签发送来的信号强度信息，估算出目标WiFi电子标签与各个无线接入点之间的距离，并以此为基础，采用三角插值定位方法计算出WiFi电子标签的位置。

本方法的具体实现可以采用matlab等数学计算工具，也可以采用C/C++或其他编程语言，进行函数封装或DLL封装，方便系统集成。

详细的软件流程实现参阅附图2。

本发明的技术优势在于：

1、本方法具有较好的估计性能，能有效提高现有定位方法的定位精度，扩大现有定位追踪系统的应用范围，为人民群众的生产生活提供便利；

2、本发明算法复杂度较低，额外开销小，对系统的运算和存储能力的要求都比较低，能有效的降低应用成本；

3、本发明移植性好，适用范围广。可以应用于各种以射频信号的强度随距离的衰减关系为基础的定位追踪系统上。

Claims (1)

1.基于三角插值的射频电子标签定位系统，其特征在于，含有：一个射频电子标签，三个无线接入点以及一个中央服务器，其中：

射频电子标签，是定位和追踪的目标，所述标签收集三个无线接入点的信号强度信息并发送到所述中央服务器，

无线接入点，设有射频收发器，通过边界路由器向中央服务器发送自己的位置坐标信息，是所述定位系统的位置基准点，也是射频电子标签与中央服务器通信的媒介，

中央服务器，依次按以下步骤估计射频电子标签的位置误差Er：

步骤(1)，根据射频电子标签发送来的信号强度信息，按下式估算出该射频电子标签与各无线接入点之间的距离d，用DS1、DS2、DS3表示：

$d=d_0\·\sqrt[n]{\frac{P\left(d_0\right)}{P\left(d\right)}}$

其中，d₀为参考距离，通常选择为3米，n为路径衰减因子，是由射频信号传播特性决定的常数，P(d₀)和P(d)分别为距离d₀和d处的信号强度；

步骤(2)，根据三个无线接入点中射频收发器发送来的位置坐标信息，分别以三个所述射频收发器的位置坐标为圆心，用matlab软件以DS1、DS2、DS3为半径分别作圆，得到六个交点，其中：

若两圆相交，产生两个交点，

若两圆相离，以连接两圆圆心的直线与两圆产生的两个交点来计算，

对于剩下的一个圆与其他两圆无论相交或相切，都将形成四个交点，

记录这六个交点的坐标为：X_Pi，Y_Pi，i＝1，2...6；

步骤(3)，对步骤(2)所述六点的坐标求算术平均值X，Y，作为射频电子标签的坐标位置估计值：

$\stackrel{\‾}{X}=\frac{1}{6}\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{X}_{\mathrm{Pi}},$ $\stackrel{\‾}{Y}=\frac{1}{6}\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_{\mathrm{Pi}}$

步骤(4)，按下式计算射频电子标签的位置坐标估计误差Er，并引出：

$E_r=\sqrt{{(X-\stackrel{\‾}{X})}^2+{(Y-\stackrel{\‾}{Y})}^2}$

其中(X，Y)表示目标射频电子标签的实际坐标。

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