实时定位系统概要

1、实时定位系统（RTLS目录引言RTLS基础:测距传感器和定位装置测距传感器定位装置RTLS的方法到达角定位法（AOA到达时间测量法（ToA到达时间差定位法接收信号强度指示法飞行时间定位法往返时间定位法对称双边两路测量法（SDS-TWR所用带宽和测量法信号检测两路测量避免了时钟同步化时钟发生振荡的限制零漂误差实时定位系统的应用例子工业的后勤装备管理保健服务-病人，保健提供者，资源跟踪紧急服务机构练习生跟踪安全和人员的身份识别危险资产跟踪工业会议或者娱乐活动上部分出席者跟踪总结参考文献摘要这个白皮书讨论了最常用的展开建立实时定位系统的方法。这些包括到达时 间定位法（TOA，时间差定位法（TDoA，

2、接受信号强度定位法（RSS，运行时间定位法 （ToF ,往返时间定位法（RTT。RTT的一种特别情况就是SDS-TWR，它提供了 一种 对复杂情况的方法,但是具有很高的能量消耗,在大多数实时定位系统的方法中具 有很高的费用。这个白皮书包含一系列实时定位系统应用的例子。引言尽快的确定人和对象的位置的需要已经成为任何组织或者工业,尤其是在制造 业，卫生保健,输给系统中的一个重要部分。随着无线技术的逐步改进，现在可能遥远 的确定人或对象的位置在一个预先定义的时帧里。完成这种功能的系统就叫做实 时定位系统。他们通常使用小型低功率发射机，它被称为RFID标签,它依附识别标 签和一系列标出待测点位置的参考

3、节点。标出对象的经度和方向角的系统是全球 系统,一般用GPS来定位标出。在相对固定的坐标系中精确标出位置的系统称为实 时定位系统。这些是将在这个白皮书中讨论的无线定位系统的类型。一些技术人员曾经去建立实时定位系统。一些人用专用的RFID标签和接受 者而其他人用已经存在的无线局域网并在这些网络中增加无线定位系统。这篇文 章讨论了无线定位系统在2D或者3D空间中定位一个对象的最常用的方法,包括时 间差定位法（TDoA和接受信号强度定位法（RSSI .对称的两种测距方式在下面就会 被介绍，那是基于可靠运行时间的方式，但是改善它是靠减少系统的复杂度和费用。无线定位系统在宽量程问题上非常感兴趣，能够由上

4、面说的那些系统解决。举 下面这两个例子，无线定位系统能应用在一个忙碌医院病房里定位医院所有员工或 者在制造业去快速定位和决定关键能源的实用性。无线定位系统的大量实际应用 在各种各样关键工业上证明了无线定位系统带来了改善产品和增强组织工作流程 的真正好处。RTLS基础:测距传感器和定位装置在越来越普遍应用的工业，商务办公室，安全系统和军事应用方面，无线定位系统已经得到重要的新发展。然而，具有重大意义的是，大多数实时定位系统只 包含两个关键部分,一个是用来计算系统中大量节点间的距离的无线测距传感器， 另一个是用来决定系统中某个节点位置的定位装置。测距传感器测距传感器是用来测量并计算两个或者多个节点

5、之间距离的一套装置。这些 节点包含待测节点和参考节点。待测节点通常用活动的RFID标签，它是可移动的， 位置需要系统决定的节点。这些标签来自于一组组态的宽量程,从简单的活动 RFID标签到包含温度，光,气压,运动等传感器的更加复杂的RF模块。参考节点是 通常位置已经确定的更复杂的节点，而用来去确定待测节点位置的。此外,这些参 考节点可能是一个网络的一部分,这个网络包含连接在一个监控系统的有线基础设 施的一个或者几个节点,即网页界面或者软件界面。定位装置定位装置收集依靠系统节点布局，并由系统中待测节点和参考节点提供的估计 的计算结果。这些计算结果接下来就作为输入数据送入定位装置，然后定位装置就

6、运行算法去决定目标节点或者一系列节点的位置。RTLS的方法许多方法都可能来执行距离计算，这取决于所测定的信号特性。这些方法不是 独有的包含以下这些：到达角定位法到达时间定位法到达时间差定位法接收信号强度定位法飞行时间定位法对称双边两路测距法以上方法的一些组合也在实践中得到应用。到达角定位法（AOA到达角定位法（AOA是决定RF信号从待测节点到参考节点传播方向的一种方法。在待测节点或者参考节点上用方向敏感的天线，那么发射器的方向就能够 被获得。到达角是由测量待测节点和参考节点之间的线和参考节点预先定义的某 条线之间的角来决定的，比如北方。这种方法能够被如下的图说明,在这里R1是参 考节点,T表示

7、待测节点。图1 :到达角定位法决定待测节点的位置利用两个已知位置的参考节点，待测节点发射到两个参考节点的位置能够利用 简单的三角计算来决定。对每个参考节点来说，所收到的信号的到达角是来自于同 一个待测节点并计算的,然后当地的引擎利用算法来决定这个待测节点的位置。这种方法能够被如下的图说明，在这里,两个参考节点R1, R2, T表示正在被确 定位置的待测节点。图2:用到达角定位法确定待测节点的位置与到达角定位法有关的问题用这种方法来进行测量常常需要一套复杂的4-12个位于同一水平线，许多电池 位置的天线组。这种方法的精确度随着所用天线组的数量的增加而增加。此外这 种方法的费用，所测定的角的结果与

8、所建立的环境中的普遍的多径传播敏感相关。 因此，在待测节点和参考节点之间最适合于光的直线传播测量。而且，到达角测量 法也对安全威胁很敏感，因为进攻者能够很容易从一个不同的位置反射或者中途转 发。到达时间测量法（ToA到达时间测量法（ToA是一种基于待测节点与一个或者多个参考节点之间无线 信号的传播时延的测量方法。传播时延,能够被计算为ti-t0,是指的一个信号从源站 达终点站之间的时间滞后，换句话说，它就是一个信号从发射器到接受器之间所传播 的时间，如下图所示。图3:到达时间测量法决定待测节点的位置放大传播时间ti-t0,是用传播信号的速度，传播时延能够转换成待测节点和参考 节点之间的距离。用

9、到达时间测量法在二维空间中确定待测节点的位置至少需要3个参考节点。 用到达时间测量法在三维空间中确定待测节点的位置至少需要4个参考节点。在 二维空间中，待测节点的位置能够被看做三个以上圆的交点，而在三维空间中，待测 节点的位置能够被看做四个以上球的交点。到达时间测量法在二维空间测量计算中如下图所示。在这里,T表示待测节点, R1，R2，R3表示参考节点。信号在t0时刻发射，在t1,t2,t3时刻被接收。图4:用到达时间测量法决定待测节点的位置与到达时间定位法有关的问题为了在经过时间t i -t 0,的计算上得到合理的确认,那么待测节点和参考节点之 间时钟就必须同步。待测节点和参考节点之间的距离

10、能够由这种方法来决定，但是 这产生了相当大的费用。为了获得精确到毫微秒的标度，这样距离测量上也就更精 确，就必须发展一个精细的时钟系统，而这根据发展的时间和努力需要高额费用。 而且，在二维和三维空间中都至少需要三个参考节点，这也增加了系统的费用和复杂 性。到达时间差定位法到达时间定位法可以看作是已知位置的点作为球心的球的交点,而到达时间差 定位法则可以看作是空间里的双曲线的交点。用到达时间差定位法的系统测量收 到每一个待测信号的传播时间差。因此,TDoA方法也被认为是三维空间的双曲线 定位法。鉴于到达时间定位法记录的时间是待测节点发送信号到参考节点之间的 时间，到达时间差定位法则需要参考节点记

11、录信号所到达的时间。和到达时间定位法 一样，到达时间差定位法也需要每个信号能同时开始传播，或者同时或者在信号传 播之间有某个已知的延时。用到达时间差定位法，三或者四个参考节点需要在固定的已知的位置。每一个 参考节点需要同时接收从待测节点发送过来的信号并且当信号接收的时候要同时 记录。这个信息被发送定位装置那里去,进而计算出每一个参考节点所接受信号的 时间差。这个时间差就通过一个算法换算，并提供了待测节点的一个位置估计值。 在数学上,待测节点位于在二维空间里三个双曲线的交点，而待测节点位于在三维空 间里三个双曲线的交点。待测节点在三维空间中的位置能够被如下的图来说明。图5:用到达时间差定位法确定

12、待测节点的位置与到达时间差定位法有关的问题到达时间差定位法的问题和到达时间定位法相似。到达时间差定位法需要每 一个参考节点的时钟都是同步的。定位装置的估计值与参考节点所用时钟的精确 度相关（时钟的精确度越高结果就越精确，但是系统也就有越高的费用。因此在大 多数情况下,时钟运行的异步就影响着定位的估计值。而且,到达时间差定位法也受多路径传播的影响，噪音和干扰就导致了双曲线的 不准确的交点。场所的直线是可取的，比如在一个开放空间里或者在一个大的开放 建筑里。接收信号强度指示法接收信号强度指示法同时用几个802.11无线局域网的接入点去追踪装置的位 置。来自于至少三个接入点的接受信号的强度来决定被追

13、踪的人或者对象的位 置。为了提高准确度，更多先进的RSSI方法用一张叫做RF指纹的图，这张图是基 于在一个预定的区域里取很多WLAN信号强度的点的标度。在一个RSSI系统中，待测节点与参考节点之间的距离是由参考节点的信号强度 转换成一种测量的距离所决定的,这基于待测节点的已知输出信号强度和特殊的路 径消耗模型。位置服务器用一个算法和计算得出的待测节点和参考节点之间的距 离来估计待测节点的位置。虽然这种特殊决定待测节点与参考节点之间距离的方 法在本质上与TOA方法不同,但是位置的计算依靠相似的算法。接受信号强度指示法能够用如下的图来说明,在这里T表示待测节点， R1,R2,R3是参考节点。S1,

14、S2,S3分别表示每一个参考节点的信号强度。图6:用接受信号强度指示法确定待测节点的位置与接受信号强度指示法有关的问题为了有效地进行定位,RSSI定位法需要有密集的接入点搭配，而这却相当大地 增加了系统的费用。然而,RSSI基础系统的关键问题是在光非直线传播和非稳定的 环境中找到一个适当的潜在路径损耗模型。因此在实践中，所估计的距离值是有点 不可靠的。见1是RSSI技术一种特殊实现的讨论。而且，用RSSI的系统在安全 应用上是不合格的，因为进攻者能用放大，衰减信号或者其他方式来很容易地改变 所接受信号的强度。最终，过量的WLAN网络的关键目的就是发行量，而承担着增 加的任务网络的RTLS是仍然

15、待解决的。飞行时间定位法飞行时间定位法是测量一个信号从待测节点到参考节点经过的时间，而这基于 典型信号通过媒介的估计传播速度。因为这种方法是基于时间值，时间的准确要比 前面的方法具有更重要的意义。伴随高精确度的参考节点R记录到伴随高精确度 的待测节点T已知的传播信号出发时间值。出发时间是t 1，相应的到达时间是t 2, 用一个估计的信号传播速度S，在两个装置之间的距离D能够被决定准确度在1-2 米里。用三个参考节点，一个算法就能决定待测节点在三维空间中的位置。这种 方法能够被如下的图来说明。图7:用飞行时间定位法确定待测节点的位置这种方法没有增加额外的系统的硬件制作费用，因为它能用同样的硬件来

16、进行 数据传输和信号处理。与飞行时间定位法有关的问题一个理想的TOF系统需要昂贵的精确时钟。事实上，时钟的补偿和漂移腐化了 测量的精确性。而且,信号能够受其他信号的干扰，噪音，多路径传播的影响。然而, TOF系统有一个超越其他系统的优点，因为所增加的硬件费用是最小的。而且它在 室内环境中也相当成功，比如混凝土墙和楼梯，而且相比其他方法，它有一个比较高 的精确度。此外，在实时定位系统上,TOF被认为是一个安全的方法。往返时间定位法一种克服TOF法固有困难的方法就是使得所要求的时钟同步化与测量无关。 这能够被做靠发送一个测量信号然后等应答信号（这个过程就是“先贷后存的利 差”。这能够被如下的图来说

17、明。Nodeata sign alA.cknofw1&dgerMentNode 2图8:往返时间定位法用一个数据信号和一个应答信号来缓和时钟同步化问题。RTT用可以很好预 料的硬件生成应答数据包，在这里假定，在两个节点MAC的处理时间是相等的。所 用的时间戳记在物理层上,而不是在应用层上。Nanotron改善了往返时间法,并发展了对称双边两路测量法（SDS-TWR，这将在 下一节中被描述。对称双边两路测量法（SDS-TWRNanotron技术发展了飞行时间法，它采用参考节点发送一个测量信号并由待测 节点发送回来一个应答信号来抵消时钟同步化的要求。它建立在依靠附加宽频调 频技术能够保护多径传播和

18、噪音干扰的优点上。为了消除时钟漂移和补偿的影响, 测量结果是在待测节点和参考节点的测量结果上进行平均。这个结果有合理的精确度，在1米的误差范围内，即使是在最复杂的环境里。这个方法就叫对称双边两路 测量法，或者叫 SDS-TWR。所用带宽和测量法测量方法比如TOF常常用互相关函数的主要边缘检测去估计信号接收的准确 时间。信号带宽越宽，相关峰值就越窄。相关峰值尽可能的窄就会增加这种方法 的时间分辨率，同时也增加了定位的精确度。这就是UWB技术被普遍认为是测量 系统技术选择的原因。然而，发展UWB技术有两个障碍。首先,UWB技术还没有 在世界范围内得到认可,即使在2002年,UWB首次得到FCC的批

19、准应用在美国室 内营运方面。第二,UWB技术仍然是一个很新的技术并不被研究实验室以外的人 所广泛接受。500MHzUWB无线电的典型期待就是提供一个合理的测量精度，它比 通常认为的要少很多带宽。一个这样供选择的就是Nanotron的附加展频调频（CSS 技术，它只需要用80MHz的带宽。而且,CSS在操作上已经被欧盟，美国，日本所认 可。信号检测SDS-TWR信号检测的机制就是当收到数据包时，结合一些相关函数毫微秒的时 间分辨率来取相关测量结果的平均值。所获得结果的分辨率和由基于UWB技术用 TOA技术所获得的结果接近。两路测量避免了时钟同步化因为SDS-TWR和TOF方法相似,它避免了在节点

20、测量结果所需要的时钟同步 化。在SDS-TWR测量方法中，信号从一个节点传播到下一个节点并返回原来的节 点（往返传播或者两路测量。信号从节点1（比如参考节点传播到节点2（比如待测 节点的时间是被节点2所测量的。这能被如下的图来说明。图10:由两路测量法测量距离仅当节点2收到节点1发送的数据包开始时间测量，当节点2发送回数据包给 节点1时结束时间测量。在这种情况下，节点2不需要和节点1保持时间同步化。 当节点1收到节点2的应答信号后，收到数据包的累计时间值用来去计算两个节点 之间的距离。由节点1测量的时间减去由节点2测量的时间的差就是信号通过空 气传播时间的2倍。时钟发生振荡的限制虽然节点之间的

21、同步不再需要了,但是在TWR方案中又有了另一个问题，那就 是时钟发生振荡的质量。这是因为往返时间与信号通过空气传播所需的时间相比 是一个相当长的间隔。收发机发送接收数据包需要几百微秒而不是信号通过空气 传播所需要的几十毫微秒。一个可以接受的由于振荡漂移，测量的往返时间误差不 能超过1毫微秒，但是这大略需要晶体10ppm的偏差或者更好。然而，这在大多数实 时定位系统所布置得典型晶体的质量范围之外。零漂误差一个简单的方法去避免时钟漂移的障碍就是对称地执行测量方法两次。第一 次测量结果计算是基于从节点1到节点2然后回到节点1的往返路径。第二次测 量结果是基于从节点2到节点1然后回到节点2的往返路径。

22、这种双边测量法把 由于时钟漂移第一顺序的误差清零了。SDS能够被如下的图来说明。Node 1First Measurement Node 1 - Node 2 - Node 1Node 2Node 1Second MeasurementNode 2 - Node 1 - Node 2Node 2图11:用 SDS-TWR法测量距离SDS-TWR方法用标准质量40ppm的晶体提供了所需要的时间分辨率（更多细 节请参考6。虽然由于TOA的同步化需要，一些数据包需要交换,而不是仅仅一 个，但是时钟漂移的影响是可以消除的，而且时钟同步化也是不需要的。SDS-TWR 方法能够被如下的图来说明。图12:对

23、称双边测量法实时定位系统的应用例子跟踪由人所带的电子标签或者某种类型的对象的能力通过前面所跟踪的方法手 册提供了一个有意义的改进，这就是某人物理上所要寻找的人或者对象。这导致了 在许多行业和机构增加了效率，因此成为了一种面目一新的应用。几个例子在下面 的几节中会被提供。工业的后勤装备管理在工业或者后勤部门，在制造业间的不断交换，分配部门和运输系统之间发生 着。设备和资产的稳流不断从一个场进和出。场管理的主要任务就是提供关于场 情况的最新消息,什么设备是空闲的,设备的情况是什么,设备现在在哪。通常，输入 进管理软件的数据是手动的用装置完成的，比如手动扫描和记录装备的每一个活 动。所不幸的是,手动

24、数据输入倾向于错误并常常过期。为了缓和所蕴含信息的 不可靠性，要求设置一个调节性库存储备。过量的使用导致了经营和维护场的高额 费用。另一方面,实时定位系统的发展，消除了手工扫描对象上条形码的需要，因为 设备和资产会直接自动发送它们的情况和位置数据，由无线连接在场管理软件上。因此,在任何 给定的时刻，全部存盘和所用场的设备都是可用的，甚至当场在节假日处于关闭或 者其他不经营的时间。保健服务-病人，保健提供者，资源跟踪实时定位系统在保健环境上的调配，比如医院里病人，工作人员,资源的跟踪,为 许多病人和保健提供者提供了很多好处。举个例子,病人不是总被限制在病房中，而 是被鼓励去在病房外面徘徊，参观自

25、助餐厅,甚至在医院广场上作短暂的散步。然 而对某些类型的病人来说，人口统计可能会不断地被监测，而且这些病人当然被限制 在医院的病床上。能够远程监视那些被鼓励散步对他们复原有好处的病人的能力， 能够极大地有利于这些能够自由闲逛的病人或者保健提供者,这些保健提供者当在 医院里需要注意并快速确定病人位置的时候是灵敏的。而且，保健服务提供者，比如医生或者护士,能够快速位于医院或者诊所中去帮 助估计主治医师多长时间能到达病房。为了长期的观察，主治医师通过病房或者诊 所的位置和活动能够被用来去更好的理解他们的工作量，为的是更好的组织病房或 者提高人事水平。最终，典型的医院限制了非常昂贵的移动医疗设备的数量

26、。当主治医师或者护 士需要某个特殊设备时，实时定位系统能够立即进行定位。跟踪这些资产的位置能 够显示这个特殊设备在什么时候什么地方被经常用到,而且联营设备在哪里可能减 少增加设备的需求。所悲伤的是,医院设备像其他高技术设备一样容易受到偷窃和 滥用。跟踪系统能够被用来去复原这些装置，而且当它离开医院的大楼时能够有警 觉的安全性。紧急服务机构练习生跟踪消防队员和其他其他紧急服务机构人员有广泛的训练程序，提供安全但是现实 的环境，在这个环境中，新兵学习怎样处理它们所碰到的问题一旦他们在这个领域 工作。在这些演练中事故确实发生过。为了缓和这些事故，实时定位系统能够帮助 在跟踪和定位新兵的位置去确定爆炸

27、或者火灾模拟程序不是偶然发生在这些新兵 身边。实时定位系统的另一个好处是在紧急服务机构的新兵在训练的过程中能够记录 这些新兵的运动路线，这能够用来去评价他们在演练中的表现。是否他们在正确的 位置并有效地用设备救火,是否他们移动太快或者太慢，或者是否他们发现他们自 己在一个对他们生命有潜在威胁的位置。在处理突发事件人员的训练中用实时定 位系统的可能性范围仅仅限制在训练人员的想象中。安全和人员的身份识别拜访者的身份确认标签长久被使用去为办公室和工业生产设备提供安全。条 形密码被增加去允许电脑去跟踪何时何地一个特殊的标签被扫描器所扫描,典型的 就是一个入口大门的接收装置。这些标签的效力是被接收器网络

28、的深度所限制 的。一旦标签在安全空间里，身份信息就不再是可用的，直到标签被再次扫描。实时定位系统对于拜访者身份确认标签的发展增加了在一个工厂里定位和跟踪 拜访者的能力。通过工厂里分布式探测器活动的使用和戴在拜访者身上被实时定 位系统所加强的ID标签,所限制的区域能够被很好的管辖。而且,在任何一个给 定的时间里，安全人员确认谁在工厂里的每一个部门里并且跟踪他们的活动来确保 所遵从的安全保密条令是不断被维护的。危险资产跟踪和戴在拜访者身上的身份确认标签一样，被RTLS加强了的ID标签也能固定在 工厂里的危险资产上。工厂里的分布式探测器的活动以及被RTLS加强了的ID标 签连接在这些资产上提供了安全

29、工作人员在任何时间跟踪他们的活动和确定他们 位置的能力。当一个非法尝试去移动这些工厂里的资产发生时，或者甚至当这些资 产被运出工厂时,这些装置能够发出警报来调整行为来确定是否遵从安全保密条 令。此外，危险品的仓库比如炸药或者兵器能够更安全一些。然而在这种情况下， 这些物品能够被另外保护来确认只有编制人员才能允许在这些资产的范围内。一 个警报或者其他类型的信号能被提供,当危险资产上的标签开始接近非编制人员上 所戴的标签的时候。工业会议或者娱乐活动上部分出席者跟踪一个典型的工业销售展或者会议可能有成百上千的出席者,展出者，清洁人员，保 安员，管理员和其他帮助人员。现代会议厅通常和飞机跑道一样宽阔而

30、且比许多足 球场都要大，在这样的环境中确定一个特定的人的位置几乎是不可能的。现在唯一 的选择就是如果某人有手机就打他的手机，或者用公共的公告系统来广播信息希望 他们能听到或者设法接通。被RTLS所加强的ID标签能够使会议提供另外一种服 务，允许公司和其他出席者去定位和联系另外一个出席者，当他们在会议场所里闲逛 时。和销售展相似,游乐场和县展览会也有成百上千的出席者。被RTLS所加强 的ID标签的参观者，比如一个孩子，失踪了或者和他们的团队分离,公园里的电话 亭就将成为失踪人们的避难所，也是其他旅客来确定他们失踪成员的地方。保安人 员能够用位置应用软件在电脑上去确定ID标签在公园里的位置从而定位

31、并使失踪 的人员和他们的团队再次在一起。总结许多方法已经被发展或者正在被发展来建立实时 定位系统。这种热情是基于这个系统爆炸的市场，因为他们提高了生产效率，减 少了费用而且保证了安全。我们只是简短的覆盖了 RTLS的竞争者，只是把使用 802.11WLAN粗略的分成了几种方法，比如RSS，和其他用专用硬件方法， AOA,TOA,TDOA,TOF。更多方法和这些方法的变更正在被发展，但是这些方法的 关键问题是由多路干涉，时钟同步化，时钟漂移软弱性所引起的定位不准确度。 同时，一些方法也需要昂贵的天线阵，不管在室内还是室外都有不完全的定位对 象，而且大多数都处于放大或者衰减信号所引起的安全攻击威胁中。许多这些困 难都通过往返运行法所处理和在SDS-TWR下一个对称的双路的测量结果。因为 扩频脉冲的能量效率问题，所要求的接收器的基本结构不应该是有线的。相反， 无线传感器网络能够被用来连接到以太网上来进行基于万维网的监测和系统的控 制。而且，所配置的硬件也能够尽可能的简单，因为在这个系统中的节点中，同