你清楚自己的定位吗？
新开栏目，创万联的科普环节。
本栏目计划用四期的时间，给大家科普目前主流的室内定位系统。
要了解各种室内定位系统，我们必须知道定位系统的构成， 定位系统由两个部分组成：包括数据的收集方式（主要是传输信息的形式如：Wi-Fi技术，UWB，可见光等）和数据的处理（算法，如：TOA TDOA AOA RSSI算法）
在这一期当中，我们先简单了解一下算法。
室内定位算法——几何法（包括TOA TDOA AOA 等）
TOA（Time of Arrival到达时间定位法)
TOA定位方法就是利用信号传输的所需时间，将各锚节点到标签所需的传播时间分别乘以光速，从而计算出各个锚节点到标签之间的距离。在二维平面内通常需要至少三个或以上的锚节点基站，分别利用其到标签的距离大小，利用几何关系即可计算出一个精确的坐标。（而在三维空间中则需要四个或以上的锚点，通过相同的原理也可以求出标签的坐标。）
TOA定位技术——二维平面定位原理
但是，这种方法在实际使用当中存在很严重的问题——时间同步问题。
由于TOA定位方法是依赖于标签和锚节点的时间差，进而计算出两点距离的，因而假使标签和锚节点的基准时间不一致，细小的时间误差将会造成十分严重的位置误差。
那如何解决这一问题呢？唯一的办法就是使标签和锚节点时间同步，但是标签上的时间为用户所自带的时间，受到实际环境的影响想要两者时间完全同步很难实现。
既然不能解决问题，那为什么不试着避开问题呢？于是，一项无需标签和锚节点严格时间同步的算法就诞生了——TDOA算法（到达时间差算法）。
TDOA算法（Time Difference of Arrival到达时间差算法）
相比于按照直接计算出各锚点到标签的距离作圆求出坐标，TDOA算法要求利用出标签到达各节点的时间之差，求出距离差，在任意两个锚节点中只要知道其到标签的距离差即可做出一条双曲线，在二维平面内只需要三个锚节点即可求得两条双曲线知道标签的坐标。
TDOA定位技术——二维平面定位原理
利用这种算法，虽然标签和锚节点的时间不同步，不能求出准确的距离，但是求出的距离差确是一个确切的值，因而求出的坐标也是一个准却的点。在这种算法当中，只要要求各锚节点的基准时间同步，无需标签和锚节点时间同步，这种算法的要求比TOA算法更加低，实现“各锚点时间同步”的难度相比于“标签和锚节点同时同步”更低，定位坐标精度更加高。
标签-锚节点时间不同步的定位效果
以上两种方法都是利用距离，根据几何关系直接求出坐标点。然而，在实际的应用当中还会遇到多径效应干扰，非视距误差的问题。目前解决这两种误差的比较新的方法是利用CHAN算法计算出TDOA的标签初始位置的估计值，利用高斯牛顿迭代法GN对初始位置进行寻优迭代，利用基站计算加权矩阵W，从而得出更新位置与原位置的差值，用这个差值和迭代门限进行比较，在满足一定的迭代门限后就可以得到一个较优的解。（聂睿等，2020）
但是，无论是TOA还是TDOA都需要各锚节点的时间严格同步，为了彻底避免时间的同步问题，直接利用角度计算的算法（AoA算法和AOD算法）便应运而生。
AoA定位算法（Angle of Arrival到达角交汇定位法）
AoA技术以接收器和发射器为基础，通过接收器计算出发射器所发射电波的到达角度，又因为接收器都有确定的位置，在二维平面内只需要两个确定的到达角度就可以得到发射器所在坐标。（如图：在确定的两个接收器下，通过计算发射器发射电波的到达角度，可以得到发射器的坐标）
二维平面内AoA定位方法
但是，我们都知道发射器所发射的电波是没有方向性的，即电波是往四周广播扩散的。然而接收器却需要判断出发射器的来源角度，那么这一过程是如何实现的呢？（以蓝牙5.1角度定位为例子）
在二维平面内，以一个具备多天线线性数组的设备作为接收器，另取一个不断向外广播的单天线设备作为发射器，发射器以正弦波的形式向四周发送电波。当电波到达接收器时，由于发射器上不同的天线接收到的信号是不同步的，每个天线接收到的信号函数波形相同，但是这些信号函数波形都存在着相位差，而正是利用这些相位差，即可估算出电波的到达角度。[2]（如图，每个天线同一时间内，接收的图形相同但有相对位移，利用相位差求得到达角度）
AoA角度定位原理
（PS：通常情况下，相邻天线的距离不能超过半个波长。采用2.4GHz的发射频率时，对应的波长为0.125m）
AoD定位算法（出发角交汇定位法）
同样是利用相位差计算角度的计算原理，与AoA不同的时，AoD定位算法要求发射器具有多天线，接收器为单天线，从原来的接收器利用多天线分析，转变成单天线分析多天线的发射特征，尽管应用原理相同，但是AoD与AoA分别适用于不同的解决方案。
AoA测向方法适用于RTLS，项目查找和PoI信息定位服务解决方案。
AoD测向方法适用于IPS解决方案，例如用于寻路，导航。[3]
我们将继续讲解室内定位算法当中的RSSI算法（信号强度定位法）
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参考文献：
[1]聂睿.一种基于UWB定位的误差抑制TDOA算法研究[C].海南大学,2020.
[2]RF_star.AoA/AoD技术应用于蓝牙室内定位
https://blog.csdn.net/RF_star/article/details/98862360.2020.10.3
[3] beautifulzzzz .[蓝牙前沿应用] 照明即平台 —— 通过蓝牙增强服务提高照明投资回报率（蓝牙MESH、定位AoA、AoD）.https://www.cnblogs.com/zjutlitao/p/10604840.html.
2020.10.4.
