WSN(Wireless Sensors Network)是集傳感器技術(shù),、MEMS技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一體的一種信息獲取和信息處理技術(shù)[1],，它具有自組織、自適應(yīng)能力,，在智能交通方面具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和廣闊的應(yīng)用前景[2],。

    在智能公交系統(tǒng)中，車輛位置的準(zhǔn)確求取和傳遞是其他系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的先決條件,。當(dāng)前已經(jīng)有了一些利用無(wú)線傳感器搭建智能公交系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)的方案[4-6],，但這些方案均利用其他手段實(shí)現(xiàn)車輛的定位，鮮有利用無(wú)線傳感器自身的TOF測(cè)距功能實(shí)現(xiàn)車輛定位功能,。而利用基于TOF的無(wú)線傳感器實(shí)現(xiàn)公交車載節(jié)點(diǎn)的定位可以降低系統(tǒng)建設(shè)和實(shí)用成本,，對(duì)公交系統(tǒng)智能化改造具有參考意義。
    在無(wú)線傳感器定位算法中,，由于Range-free定位算法要求大密度的參考節(jié)點(diǎn),，所以不適合智能公交系統(tǒng)車輛定位。而通?；赥OA,、TDOA以及AOA的定位技術(shù)需要添加額外的硬件，導(dǎo)致系統(tǒng)的定位成本增加,?；?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/RSSI" title="RSSI" target="_blank">RSSI測(cè)距的方法雖然易于實(shí)現(xiàn)，但由于其有效定位距離近,，遠(yuǎn)距離情況下定位精度較低,，因此很難單獨(dú)應(yīng)用。近年來(lái),，英國(guó)Jennic公司最新推出了采用TOF(Time Of Flight)測(cè)距技術(shù)的ZigBee芯片JN5148,，能夠有效地提高無(wú)線傳感器測(cè)距精度。本文即以此為背景對(duì)公交車載節(jié)點(diǎn)的定位算法和策略進(jìn)行了深入研究,。
1 基于TOF/RSSI定位算法分析研究
    為了充分發(fā)揮JN5148的測(cè)距能力,，本文對(duì)其進(jìn)行了測(cè)距實(shí)驗(yàn)，并對(duì)其在車載節(jié)點(diǎn)定位上的應(yīng)用方法進(jìn)行了研究和討論。
1.1 TOF測(cè)距效果實(shí)驗(yàn)分析
    JN5148通過(guò)測(cè)定無(wú)線信號(hào)在兩節(jié)點(diǎn)間雙向傳遞時(shí)間計(jì)算節(jié)點(diǎn)間距離[5-6],，同時(shí)其數(shù)據(jù)幀中包含RSSI參數(shù),。JN5148芯片在戶外的測(cè)距實(shí)驗(yàn)曲線如圖1所示，圖1(a)是在300 m范圍內(nèi)每10 m進(jìn)行一次測(cè)量的測(cè)距誤差圖,；圖1(b)是10 m范圍內(nèi)每0.2 m進(jìn)行一次測(cè)量的測(cè)距誤差圖,。

1.3 車載節(jié)點(diǎn)定位方案分析
    為了提高車載節(jié)點(diǎn)定位精度，考慮了以下幾種改進(jìn)方案：
    （1）縮短固定參考節(jié)點(diǎn)間距離
    通過(guò)增加固定節(jié)點(diǎn)的數(shù)量,，以縮短相鄰固定節(jié)點(diǎn)間的平均距離,、優(yōu)化幾何構(gòu)型。如可將圖2(a)中固定節(jié)點(diǎn)A,、B間距離縮短到100 m,。
    （2）引入高度因素構(gòu)建三維定位
    通過(guò)調(diào)整固定參考節(jié)點(diǎn)高度（如：將固定節(jié)點(diǎn)C安裝在附近高樓上），構(gòu)建立體三維定位,，以改善固定參考節(jié)點(diǎn)與待測(cè)節(jié)點(diǎn)的幾何構(gòu)型,。
    （3）采用線性定位思路
    根據(jù)實(shí)際道路特點(diǎn)，忽略道路寬度,，采用線性定位法,，僅考慮車載節(jié)點(diǎn)在道路上的一維位置。
    綜合考慮以上三種改進(jìn)方法,，第一種方案的系統(tǒng)造價(jià)高,，構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜；第二種方案受道路環(huán)境影響較大,，操作困難：第三種方案可將無(wú)線傳感器固定在路中間(如信號(hào)燈上,、道路指引牌上等)，通過(guò)無(wú)線傳感器測(cè)距,，直接估算車輛的位置,，對(duì)WSN節(jié)點(diǎn)的要求低，較為可行,。
2 車載節(jié)點(diǎn)組合定位思路研究
    在公交車線性定位過(guò)程中,，可利用里程儀信息，里程儀的測(cè)距誤差一般在1%左右[8],。若公交車受復(fù)雜路況等因素影響,，僅用里程儀定位將產(chǎn)生較大誤差。如圖3所示的城市道路示意圖中,，僅由道路轉(zhuǎn)盤（綠島）產(chǎn)生的差異就會(huì)使公交車往返路程差超過(guò)30 m,。為了提高車輛定位的魯棒性和精度，本文提出了使用里程儀與無(wú)線傳感器的TOF/RSSI測(cè)距相結(jié)合進(jìn)行車載節(jié)點(diǎn)組合定位的方法,。

    根據(jù)無(wú)線傳感器的TOF/RSSI以及車輛里程儀的測(cè)距特點(diǎn),，定位算法的主要思想如下：車載節(jié)點(diǎn)在離固定節(jié)點(diǎn)較近時(shí)采用RSSI測(cè)距定位，同時(shí)計(jì)算里程儀誤差修正參數(shù),；車輛節(jié)點(diǎn)距離固定節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí),，采用由TOF測(cè)距定位修正的里程儀進(jìn)行定位的組合定位思路。詳細(xì)的定位算法流程如圖4所示,。

    車載節(jié)點(diǎn)將RSSI值與設(shè)定閾值比較,，當(dāng)RSSI值大于閾值時(shí)，說(shuō)明節(jié)點(diǎn)即將到達(dá)或剛開(kāi)始遠(yuǎn)離某固定節(jié)點(diǎn),；然后判斷RSSI值的變化趨勢(shì),，RSSI值減小則說(shuō)明節(jié)點(diǎn)在前一個(gè)數(shù)據(jù)采集時(shí)刻車輛與固定節(jié)點(diǎn)位置最近，此時(shí)利用RSSI值進(jìn)行測(cè)距定位,，并使用RSSI測(cè)距值和里程儀測(cè)距值估計(jì)里程儀偏差值,。利用無(wú)線傳感器RSSI估計(jì)里程儀的偏差值算法流程如圖5(a)所示。
    當(dāng)公交車輛繼續(xù)遠(yuǎn)離固定節(jié)點(diǎn)時(shí),，所采集的RSSI值小于閾值,，開(kāi)始進(jìn)入基于里程儀和TOF組合定位模式。利用TOF修正里程儀偏差的算法如圖5(b)所示,，其中,，dODM為里程儀測(cè)距值，dTOF為TOF測(cè)距值,，?啄TOF為TOF測(cè)距誤差,。利用車載節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)多個(gè)TOF測(cè)距值，與相應(yīng)里程儀測(cè)距值相減,，可得到一組差值序列,。該歷史差值序列可以用于求解里程儀偏差和刻度系數(shù)誤差，對(duì)里程儀誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償,。
    一般來(lái)說(shuō),，當(dāng)里程儀測(cè)距值與TOF測(cè)距值的差值大于兩倍的TOF測(cè)距誤差時(shí)，說(shuō)明里程儀定位誤差較大,，需要進(jìn)行修正,。通過(guò)差值序列獲取方式的不同，還可以將該補(bǔ)償算法分為靜態(tài)TOF校正法(利用某固定時(shí)段的差值序列)和動(dòng)態(tài)TOF校正法（利用實(shí)時(shí)更新的差值序列）,。
3 組合定位算法的驗(yàn)證
    為了驗(yàn)證上述組合算法的有效性,，利用MATLAB對(duì)上述算法進(jìn)行了仿真。TOF及RSSI的測(cè)距誤差按式(1),、式(2)的誤差模型進(jìn)行設(shè)置,；里程儀的刻度系數(shù)誤差設(shè)為1%，里程儀的初始偏差設(shè)為16 m,。
    圖6(a)為模擬車載節(jié)點(diǎn)離開(kāi)固定節(jié)點(diǎn)時(shí)利用RSSI修正里程儀誤差結(jié)果,。從圖中可以看出，利用RSSI估計(jì)并修正里程儀測(cè)距誤差的效果十分明顯。
    將TOF測(cè)距值與對(duì)應(yīng)里程儀測(cè)距值的差值序列進(jìn)行一階線性擬合,，可求解刻度系數(shù)誤差和里程儀偏差,，并對(duì)里程儀數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。仿真中靜態(tài)校正法采用0 m～200 m的差值序列進(jìn)行里程儀誤差的補(bǔ)償,，結(jié)果如圖6(b)所示,。動(dòng)態(tài)校正法實(shí)時(shí)使用修正點(diǎn)前，200 m的差值序列進(jìn)行里程儀誤差的補(bǔ)償,，結(jié)果如圖6(c)所示,。兩種算法結(jié)果都表明：TOF校正后的里程儀測(cè)距精度遠(yuǎn)高于TOF和里程儀自身的測(cè)距精度。
    表1中匯集了其中5次的仿真結(jié)果,。其中,，組合算法1包含了RSSI校正和靜態(tài)TOF校正，組合算法2包含了RSSI校正和動(dòng)態(tài)TOF校正,。

    由表1可知,，基于TOF/RSSI的公交車載節(jié)點(diǎn)組合定位算法定位效果優(yōu)于三種獨(dú)立的測(cè)距定位方法，定位標(biāo)準(zhǔn)差小于5 m（與GPS定位精度相當(dāng)）,。組合算法1定位標(biāo)準(zhǔn)差優(yōu)于組合算法2,；組合算法2的魯棒性要強(qiáng)于組合算法1，但其計(jì)算量較大,。兩種組合算法均在一定程度上改善了TOF測(cè)距誤差波動(dòng)大,、RSSI遠(yuǎn)程測(cè)距誤差大、里程儀測(cè)距在車輛非直線行駛時(shí)定位誤差大的缺點(diǎn),。
    本文對(duì)基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的車載節(jié)點(diǎn)定位方法進(jìn)行了研究,，測(cè)試分析了新型的TOF無(wú)線傳感器芯片JN5148的測(cè)距效果，研究了固定節(jié)點(diǎn)分布對(duì)車輛定位的影響,，提出了基于TOF/RSSI及車輛里程儀的組合車輛定位算法,，并討論了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種TOF誤差修正模式。仿真結(jié)果表明,，組合定位算法精度能夠滿足實(shí)際應(yīng)用要求,，結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身的良好通信能力，有助于經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)公交系統(tǒng)智能化改造,，具有較好的應(yīng)用參考價(jià)值,。
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