1.3.5　定位

1. 基本概念[28]

在大部分传感网应用场合里，必须知道节点的具体位置才是有意义的。通过人工测量或配置来获取节点的精确坐标的方法往往是不可行的，这时传感网能够通过网络内部节点之间的相互测距和信息交换，形成一套全网节点坐标，进行精确位置数据输出。

网络中传感器节点自身位置信息的获取是大多数应用的基础。首先，传感器节点必须明确自身位置才能详细说明“在什么位置发生了什么事件”，从而实现对外部目标的定位和跟踪；其次，了解传感器节点的位置分布状况可以对提高网络的路由效率提供帮助，从而实现网络的负载均衡及网络拓扑的自动配置，改善整个网络的覆盖质量。因此，必须采取一定的机制或算法来实现无线传感网中各节点的定位。

2. 定位方法的性能评价标准

传感网定位性能的评价标准主要分为七种，下面分别进行介绍。

1）定位精度

定位技术首要的评价指标就是定位精度，其又分为绝对精度和相对精度。绝对精度是测量的坐标与真实坐标的偏差，一般用长度计量单位表示。相对误差一般用误差值与节点无线射程的比例表示。定位误差越小，定位精度越高。

2）规模

不同的定位系统或算法也许可以在一栋楼房、一层建筑物或仅仅是一个房间内实现定位。另外，给定一定数量的基础设施或一段时间，一种技术可以定位多少目标也是重要的评价指标。

3）锚节点密度

锚节点定位通常依赖人工部署或使用GPS实现。人工部署锚节点的方式不仅受网络部署环境的限制，还严重制约了网络和应用的可扩展性。而使用GPS定位，锚节点的费用会比普通节点高两个数量级，这意味着即使仅有10%的节点是锚节点，整个网络的价格也将提高10倍。另外，定位精度随锚节点密度的增加而提高的范围有限，当到达一定程度后不会再提高。因此，锚节点密度也是评价定位系统和算法性能的重要指标之一。

4）节点密度

节点密度通常用网络的平均连通度来表示，许多定位算法的精度受节点密度的影响。在无线传感网中，节点密度增大不仅意味着网络部署费用的增加，而且会因为节点间的通信冲突问题带来有限带宽的阻塞。

5）容错性和自适应性

定位系统和算法都需要比较理想的无线通信环境和可靠的网络节点设备。而真实环境往往比较复杂，且会出现节点失效或节点硬件受精度限制而造成距离或角度测量误差过大等问题，此时，物理地维护或替换节点或使用其他高精度的测量手段常常是困难或不可行的。因此，定位系统和算法必须有很强的容错性和自适应性，能够通过自动调整或重构纠正错误，对无线传感网进行故障管理，减小各种误差的影响。

6）功耗

功耗是对无线传感网的设计和实现影响最大的因素之一。由于传感器节点的电池能量有限，因此在保证定位精度的前提下，与功耗密切相关的定位所需的计算量、通信开销、存储开销、时间复杂性是一组关键性指标。

7）代价

定位系统或算法的代价可从不同的方面来评价。时间代价包括一个系统的安装时间、配置时间、定位所需时间；空间代价包括一个定位系统或算法所需的基础设施和网络节点的数量、硬件尺寸等；资金代价则包括实现一种定位系统或算法的基础设施、节点设备的总费用。

3. 主要定位方法

传感网的定位方法较多，可以根据数据采集和数据处理方式的不同来进行分类。在数据采集方式上，不同的算法需要采集的信息有所侧重，如距离、角度、时间或周围锚节点的信息，其目的都是采集与定位相关的数据，并使其成为定位计算的基础。在信息处理方式上，无论是自身处理还是上传至其他处理器处理，其目的都是将数据转换为坐标，完成定位功能。目前比较普遍的分类方法有三种：

（1）依据距离测量与否可划分为：测距算法和非测距算法。其中测距算法是对距离进行直接测量，非测距算法依靠网络连通度实现定位，测距算法的精度一般高于非测距算法，但测距算法对节点本身硬件要求较高，在某些特定场合，如在一个规模较大且锚节点稀疏的网络中，待定位节点无法与足够多的锚节点进行直接通信测距，普通测距方法很难进行定位，此时需要考虑用非测距的方式来估计节点之间的距离，两种算法均有其自身的局限性。

（2）依据节点连通度和拓扑分类可划分为：单跳算法和多跳算法。单跳算法较多跳算法来说更加简便易行，但是存在着可测量范围过小的问题，多跳算法的应用更为广泛，当测量范围较广，导致两个节点无法直接通信的情况较多时，需要利用多跳通信来解决。

（3）依据信息处理的实现方式可划分为：分布式算法和集中式算法。以监测和控制为目的的算法因为其数据要在数据中心汇总和处理，大多使用集中式算法，其精度较高，但通信量较大。分布式算法是传感器节点在采集周围节点的信息后，在其自身的后台执行定位算法，该方法可以减少网络通信量，但目前节点的能量、计算能力及存储能力有限，复杂的算法难以在实际平台中实现。

其中，基于测距的算法中，距离的测量方法主要有以下三种：第一种是基于时间的方法，包括基于信号传输时间的方法（Time Of Arrival，TOA）和基于信号传输时间差的方法（Time Difference Of Arrival，TDOA）；第二种是基于信号角度的方法（Angle Of Arrival，AOA）；第三种是基于接收信号强度的方法（Received Signal Strength Indicator，RSSI）。

4. 新型定位算法

除了传统的定位算法，新型的无线传感网定位算法也逐渐出现，如基于移动锚节点的定位算法、三维定位算法及智能定位算法等，下面分别介绍：

1）基于移动锚节点的定位算法

利用移动锚节点定位可以避免网络中多跳和远距离传输产生的定位误差累计，并且可以减少锚节点的数量，进而降低网络成本。例如MBAL（Mobile Beacon Assisted Localization）定位算法，锚节点在移动过程中随时更新自身的坐标，并广播位置信息。未知节点测量与移动节点处于不同位置时的距离，当得到三个或三个以上的位置信息时，就可以利用三边测量法确定自己的位置，进而升级为锚节点。此外，移动锚节点用于定位所有未知节点时所移动的路径越长则功耗越大，因此对移动锚节点的活动路径进行合理规划可以减小功耗。

2）三维定位算法

目前的三维定位算法之一是基于划分空间为球壳并取球壳交集定位的思想，提出的对传感器节点进行三维定位的非距离定位算法APIS（Approximate Point In Sphere）。在此基础上，针对目前三维定位算法的不足，提出了基于球面坐标的动态定位机制，该机制将定位问题抽象为多元线性方程组求解问题，最终利用克莱姆法则解决多解、无解问题。三维定位算法可扩展传感网的应用场合，目前三维定位算法在许多方面还有待完善，如获取更准确的锚节点需要寻求更精确的广播周期和消息生存周期，缩减定位时间需要改进锚节点的选择和过滤机制等。

3）智能定位算法

随着电子技术的发展和芯片计算能力的提高，传感网节点本身的性能也有提升，复杂算法也可以在网络中实现。因此，智能定位算法也纷纷被提出。

对于无线传感网的户外三维定位，将锚节点固定在直升机上，通过GPS实时感知自身位置，采用基于RSSI的测距方法，利用粒子滤波定位技术实现定位，该方法不需要任何关于未知节点的先验知识，非常适合应用于户外定位。

对于解决无线传感网的定位问题，神经网络是一个切实可行的办法，将三种神经网络：多层感知神经网络、径向基函数神经网络和递归神经网络与卡尔曼滤波的两个变形进行比较，可以根据不同情况下的定位需求灵活选择定位方法。使用神经网络和网格传感器训练的灵活的模型，可以提高定位精度，且不需要额外的硬件支持。网络训练每隔一段时间进行一次更新以最小化误差，并且通过增加网格节点密度来提高定位精度。

对于节点定位中的非视距问题，常规的办法是采用机器学习中的支持向量回归（Support Vector Regression，SVR）方法进行定位以减小误差，但其定位精度仍然受到一定的非视距误差影响，为了减小这种影响，有人提出了基于直推式回归的定位算法。利用锚节点的坐标和TOA信息并借用核函数直接推导出未知节点的位置，进一步提高定位精度。

5. 常见的定位技术及其优缺点

1）射频识别室内定位技术

利用射频方式，固定天线将无线电信号调成电磁场，附着于物品的标签经过磁场后生成感应电流，把数据传送出去，以多对双向通信交换数据，从而达到识别和三角定位的目的。

射频识别室内定位技术作用距离很近，但它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息，且由于电磁场非视距等优点，传输范围很大，而且标识的体积比较小，造价比较低。但其不具有通信能力，抗干扰能力较差，不便于整合到其他系统之中，且用户的安全隐私保障和国际标准化都不够完善。射频识别室内定位已经被仓库、工厂、商场广泛使用在货物、商品流转定位上。

2）Wi-Fi室内定位技术

Wi-Fi定位技术有两种：一种是利用移动设备和三个无线网络接入点的无线信号强度，通过差分算法，来比较精准地对人和车辆进行三角定位；另一种是事先记录巨量的确定位置点的信号强度，通过用新加入的设备的信号强度对比拥有巨量数据的数据库，来确定位置。

Wi-Fi定位可以在广泛的应用领域内实现复杂的大范围定位、监测和追踪任务，总精度比较高，但是用于室内定位的精度只能达到2m左右，无法做到精准定位。Wi-Fi路由器和移动终端的普及，使定位系统可以与其他客户共享网络，硬件成本很低，而且Wi-Fi的定位系统可以降低射频（RF）干扰的可能性。Wi-Fi定位适用于对人或车的定位导航，可以用于医疗机构、主题公园、工厂、商场等各种需要定位导航的场合。

3）超宽带（UWB）室内定位技术

超宽带技术是近年来新兴的一项全新的、与传统通信技术有极大差异的无线通信技术。它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或微秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有3.1~10.6GHz量级的带宽。目前，包括美国、日本、加拿大等在内的国家都在研究这项技术，在无线室内定位领域具有良好的应用前景。

UWB技术是一种传输速率高、发射功率较低、穿透能力较强并且是基于极窄脉冲的无线技术，无载波。正是这些优点，使它在室内定位领域得到了较为精确的结果。超宽带室内定位技术常采用TDOA演示测距定位算法，利用信号到达的时间差，通过双曲线交叉来定位。超宽带定位系统，包括产生、发射、接收、处理极窄脉冲信号的无线电系统。而超宽带室内定位系统则包括UWB接收器、UWB参考标签和主动UWB标签。定位过程中由UWB接收器接收标签发射的UWB信号，通过过滤电磁波传输过程中夹杂的各种噪声干扰，得到含有效信息的信号，再通过中央处理单元进行测距定位计算分析。

超宽带室内定位技术可用于室内精确定位，如战场士兵的位置发现、机器人运动跟踪等。超宽带系统与传统的窄带系统相比，具有穿透力强、功耗低、抗干扰效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位等优点。因此，超宽带室内定位技术可以应用于室内静止或移动物体及人的定位跟踪与导航领域，且能提供十分精确的定位。根据不同公司使用的技术手段或算法不同，精度可保持在0.1～0.5m。

4）地磁定位技术

地球可视为一个磁偶极，其中一极位于地理北极附近，另一极位于地理南极附近。地磁场包括基本磁场和变化磁场两个部分，基本磁场是地磁场的主要部分，起源于地球内部，比较稳定，属于静磁场部分。变化磁场包括地磁场的各种短期变化，主要起源于地球内部，相对比较微弱。

现代建筑的钢筋混凝土结构会在局部范围内对地磁产生扰乱，指南针可能也会因此受到影响。原则上来说，非均匀的磁场环境会因其路径不同产生不同的磁场观测结果。被称为IndoorAtlas的定位技术，正是利用地磁在室内的这种变化进行室内导航，并且导航精度已经可以达到0.1～2m。不过使用这种技术进行导航的过程还是稍显麻烦，需要先将室内楼层平面图上传到IndoorAtlas提供的地图云中，然后使用其移动客户端实地记录目标地点不同方位的地磁。记录的地磁数据都会被客户端上传至云端，这样其他人才能利用已记录过的地磁进行精确室内导航。百度于2014年战略投资了地磁定位技术开发商IndoorAtlas，并于2015年6月宣布在自己的地图应用中使用其地磁定位技术，将该技术与Wi-Fi热点地图、惯性导航技术联合使用。精度高，可以达到米级定位标准，但磁信号容易受到环境中不断变化的电、磁信号源干扰，定位结果不稳定，精度会受影响。

5）超声波定位技术

超声波定位技术通过在室内安装多个超声波扬声器，发出能被终端麦克风检测到的超声信号，通过不同声波的到达时间差，推测出终端的位置。

由于声波的传送速度远低于电磁波，其系统实现难度非常低，可以非常简单地实现系统的无线同步，然后用超声波发送器发送，接收端采用麦克风接收，自己运算位置即可。由于声波的速率比较低，传送相同的内容需要的时间比较长，只有通过类似TDOA的方式才能获得较大的系统容量。

6）ZigBee室内定位技术

该项技术中，通过若干个待定位的盲节点和一个已知位置的参考节点与网关之间形成组网，每个微小的盲节点之间相互协调通信以实现全部定位。

ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个节点传到另一个节点，作为一个低功耗和低成本的通信系统。ZigBee的工作效率非常高，但ZigBee的信号传输受多径效应和移动的影响都很大，而且定位精度取决于信道物理品质、信号源密度、环境和算法的准确性，造成定位软件的成本较高，提高空间还很大。ZigBee室内定位技术已经被很多大型工厂和车间的人员在岗管理系统所采用。

7）红外线室内定位技术

红外线是一种波长介于无线电波和可见光波之间的电磁波。红外线室内定位技术定位的原理是，红外线标识发射调制的红外线，通过安装在室内的光学传感器接收进行定位。虽然红外线具有较高的室内定位精度，但是由于红外线不能穿过障碍物，使红外线仅能视距传播。直线视距和传输距离较短这两大主要缺点使其室内定位的效果很差。当标识放在口袋里或者有墙壁及其他遮挡时就不能正常工作，需要在每个房间、走廊安装接收天线，造价较高。因此，红外线只适合短距离传播，而且容易被室内的灯光干扰，在精确定位上有局限性。

典型的红外线室内定位系统Activebadges使待测物体附上一个电子标，该标识通过红外发射机向室内固定放置的红外接收机周期性地发送该待测物唯一ID，接收机再通过有线网络将数据传输给数据库。这个定位技术功耗较大且常常会受到室内墙体或物体的阻隔，实用性较低。如果将红外线与超声波技术相结合，就可方便地实现定位功能。用红外线触发定位信号，使参考点的超声波发射器向待测点发射超声波，应用TOA基本算法，通过计时器测距定位。一方面降低了功耗，另一方面避免了超声波定位技术传输距离短的缺陷，使红外线技术与超声波技术优势互补。

8）蓝牙定位技术

蓝牙定位技术通过测量信号强度进行定位。这是一种短距离、低功耗的无线传输技术，在室内安装适当的蓝牙局域网接入点，把网络配置成基于多用户的基础网络连接模式，并保证蓝牙局域网接入点始终是这个微微网（Piconet）的主设备，就可以获得用户的位置信息。蓝牙定位技术主要应用于小范围定位，如单层大厅或仓库。

蓝牙室内定位技术最大的优点是设备体积小、易于集成在PDA、PC及手机中，因此很容易推广普及。理论上，对于持有集成了蓝牙功能移动终端设备的用户，只要设备的蓝牙功能开启，蓝牙室内定位系统就能够对其进行位置判断。采用该技术进行室内短距离定位时容易发现设备且信号传输不受视距的影响。根据使用的技术手段或算法不同，精度可保持在3～15m。

9）北斗卫星等定位技术

北斗卫星定位系统是中国自主研发的，利用地球同步卫星为用户提供全天候、区域性的卫星定位系统。它能快速确定目标或用户所处地理位置，向用户及主管部门提供导航信息。

北斗卫星定位系统在2008年的汶川地震抗震救灾中发挥了重要作用。在当地通信设施严重受损的情况下，通过北斗卫星定位系统实现各点位、各部门之间的联络，精确判定各路救灾部队的位置，以便根据灾情及时下达新的救援任务。现阶段北斗卫星应用于民事的比较少，而市面上也可以看到有北斗手机和北斗汽车导航。

10）基站定位技术

基站定位一般应用于手机用户，手机基站定位服务又称为移动位置服务（Location Based Service，LBS），它是通过电信移动运营商的网络（如GSM网）获取移动终端用户的位置信息（经纬度坐标），在电子地图平台的支持下，为用户提供相应服务的一种增值业务，如目前中国移动动感地带提供的动感位置查询服务等。

由于GPS定位比较费电，所以基站定位是GPS设备的常见功能。但是基站定位精度较低，误差一般在500~2000m。