1 緒論

1.1 研究背景
新中國成立六十多年以來，尤其是改革開放三十多年以來，我國監(jiān)獄管理體制已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)步。然而，由于觀念和體制的原因，我們的監(jiān)獄管理體系與發(fā)達(dá)國家相比還比較落后。我國建立監(jiān)獄系統(tǒng)的目的與其他國家一樣，是實(shí)現(xiàn)對罪犯的改造。監(jiān)獄管理的好壞關(guān)鍵是監(jiān)控，但如果監(jiān)控不能很好地與其他子系統(tǒng)兼容和聯(lián)動(dòng)，那么實(shí)際上監(jiān)獄管理的作用將變得很有限。隨著監(jiān)獄服刑人員成分日益復(fù)雜，他們的狡猾性，不安分意識(shí)也比之前有了增強(qiáng)，一有機(jī)會(huì)便會(huì)鋌而走險(xiǎn)，伺機(jī)越獄，給監(jiān)獄管理的持續(xù)穩(wěn)定帶來了極其不利的影響。
為此，在這種背景下提出了研制精確定位監(jiān)獄人員這一系統(tǒng)，同時(shí)在將精確定位算法改進(jìn)的基礎(chǔ)上，精確定位精度得到了明顯提升。精確定位技術(shù)應(yīng)用到監(jiān)獄管理，既能實(shí)時(shí)了解監(jiān)獄人員動(dòng)態(tài)，又提供了一種特殊情況下的直接通訊方式，從而使監(jiān)獄管理安全性得到極大的提高[1]。
21世紀(jì)是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)代到無線互聯(lián)時(shí)代迅速轉(zhuǎn)變的時(shí)代。近年來，隨著一些新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，比如WiFi技術(shù)、WiMax技術(shù)、Ad hoc技術(shù)、BlueTooth以及UWB技術(shù)等，在家庭、辦公室、公園、工廠等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使得廣大群眾生活變得更加快捷便利。在這些新興的技術(shù)當(dāng)中，基于無線網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)顯示出了更加有潛力的的發(fā)展前景。就目前來說，影響最大定位覆蓋范圍最廣的定位系統(tǒng)是GPS，也就是全球定位系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代末，美國陸�？杖�軍聯(lián)合而研制出了這種空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，在全球范圍內(nèi)，只要是擁有一定接收設(shè)備的用戶就能收到它提供的精準(zhǔn)持續(xù)的三維位置信息[2]。遺憾的是，全球定位系統(tǒng)除了在導(dǎo)航和室外環(huán)境定位上被應(yīng)用之外，室內(nèi)定位以及短距離定位等并不被人們所熟知。為了彌補(bǔ)這一缺憾，未來的無線定位技術(shù)會(huì)將室內(nèi)定位與室外定位的結(jié)合作為其奮斗目標(biāo)，來達(dá)到完全無縫、精確定位的完美效果。也就是說，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)并沒有完全達(dá)到這個(gè)效果，但是在眾多現(xiàn)有的無線定位技術(shù)當(dāng)中，UWB技術(shù)以它自身的諸多優(yōu)勢嶄露頭角，并逐漸成為未來無線定位技術(shù)的研究熱點(diǎn)[3]。它的優(yōu)點(diǎn)有：較低的功耗、很高的安全性、良好的抗多徑效果、很低的系統(tǒng)復(fù)雜度以及能夠精確提供定位精度等。
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1.2 研究意義
在眾多無線定位技術(shù)當(dāng)中，UWB無線定位技術(shù)以無可比擬的優(yōu)勢達(dá)到了未來無線定位的一系列要求。研究結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下超寬帶定位已然可以達(dá)到十幾厘米的精度[4]，另外，超寬帶無線電定位技術(shù)的出現(xiàn)又非常容易地將定位與通信兩種技術(shù)結(jié)合了起來，毫無疑問，正在迅猛發(fā)展的短距離超寬帶通信技術(shù)會(huì)將UWB定位技術(shù)帶動(dòng)起來，而常規(guī)無線電技術(shù)卻難以達(dá)到如此效果。目前，盡管無線精確定位這一技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了好多年，但是超寬帶技術(shù)還仍然處在發(fā)展的初級(jí)階段，無線精確定位技術(shù)正在向商業(yè)化邁進(jìn)，其定位算法仍需改進(jìn)。隨著市場需求的不斷提高和超寬帶技術(shù)的不斷成熟，不久的將來，超寬帶定位技術(shù)便可以完全商業(yè)化，屆時(shí)精準(zhǔn)的超寬帶定位系統(tǒng)也會(huì)得到廣泛運(yùn)用[5]。
目前，現(xiàn)有的無線定位算法雖然已經(jīng)比較成熟，但在很多現(xiàn)場環(huán)境還不能很好得利用UWB技術(shù)進(jìn)行精確定位且實(shí)現(xiàn)起來困難重重。例如：TOA（Time of Arrival）算法要求定位基站和移動(dòng)標(biāo)簽保持絕對的時(shí)鐘同步，而TDOA（Time Different ofArrival）則要求一組定位基站之間保持嚴(yán)格的時(shí)鐘同步。因此，對于算法的改進(jìn)勢在必行，也很需要一種可以改進(jìn)及替代傳統(tǒng)定位算法的方法，實(shí)現(xiàn)更高的精確度以及更好的實(shí)時(shí)性。

1.3 研究現(xiàn)狀
1992年，最早的室內(nèi)定位系統(tǒng)其中之一就是英國劍橋ORL（Olivetti Research Ltd）的Active Badge系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是使用了紅外線收發(fā)器，從而無需測距就可實(shí)現(xiàn)定位，但是其缺點(diǎn)就是，在戶外很容易被光線所干擾，因而不容易部署。因此，基于蜂窩單元的Active Badge系統(tǒng)只能應(yīng)用于室內(nèi)定位[6]。
1998年，一種新的利用“指紋識(shí)別”技術(shù)進(jìn)行定位的系統(tǒng)產(chǎn)生了，它就是Microsoft公司生產(chǎn)研發(fā)的RADAR系統(tǒng)，這種室內(nèi)無線射頻定位系統(tǒng)是在RSSI技術(shù)基礎(chǔ)上，將經(jīng)驗(yàn)測試和信號(hào)傳播模型結(jié)合起來法進(jìn)行定位的。在RADAR系統(tǒng)中，為了獲得傳播距離和信號(hào)衰減程度二者的關(guān)系，就需要將建筑物墻壁對信號(hào)傳輸?shù)挠绊懣紤]進(jìn)去。在實(shí)際生活中，隨著建筑物的改變，測試出的信號(hào)穿墻衰減因子也會(huì)改變，然后再利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算出距離，進(jìn)而就可估算到具體的位置。RADAR系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)2-3m范圍內(nèi)的實(shí)時(shí)定位，而且提出了一種推斷節(jié)點(diǎn)位置的新方法，即將經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)用WAF模型來替代的方法，并且在這個(gè)基礎(chǔ)上作了初步的試驗(yàn)。但是這種方法非常容易受到外界環(huán)境的影響，因此它只能達(dá)到定位一片區(qū)域的效果，卻不能做到精確定位[7]。
1999年，劍橋AT<實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)出了Active Bat和改進(jìn)的MIT的Cricket系統(tǒng)。這兩種系統(tǒng)均利用了超聲波信號(hào)和射頻的到達(dá)時(shí)間差（TDOA）進(jìn)行距離測量，并且運(yùn)用了三角方法來達(dá)到定位目標(biāo)的目的。Active Bat屬于主動(dòng)型系統(tǒng)，它的定位精度可以達(dá)到9cm左右。Cricket系統(tǒng)在Active Bat系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，它的二維誤差平均為40-50cm，但是該系統(tǒng)也有其缺點(diǎn)，那就是它不會(huì)被管理中心監(jiān)控，并且擁有較大的移動(dòng)接收設(shè)備計(jì)算負(fù)荷等[8]。
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2 無線定位技術(shù)研究

目前，針對于室內(nèi)外的無線定位技術(shù)多種多樣，比如紅外線、藍(lán)牙、Zigbee、wifi、RFID、超寬帶等。這些技術(shù)都分別適用于不用的環(huán)境也都有各自的優(yōu)勢與不足，UWB技術(shù)由于精度高、抗多徑效應(yīng)好，更適合于作為像監(jiān)獄這種室內(nèi)環(huán)境使用。接下來，將分別介紹幾種無線技術(shù)以及對UWB技術(shù)的基本原理進(jìn)行探討研究。

2.1 無線定位技術(shù)簡介
無線定位技術(shù)從空間上又可分為室內(nèi)定位和室外定位。室內(nèi)定位技術(shù)同樣可以從不同的角度來分類，如下表2-1所示，室內(nèi)無線定位系統(tǒng)大體上可以分為兩大類，分別是基于參數(shù)估計(jì)的定位系統(tǒng)和基于模式匹配的定位系統(tǒng)。以下分別介紹幾種常用的無線定位技術(shù)以及使用這些定位技術(shù)的一些典型的無線定位系統(tǒng)。

（1）紅外線定位技術(shù)


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