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，是實現(xiàn)對罪犯的改造。監(jiān)獄管理的好壞關鍵是監(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，那么實際上監(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雜，他們的狡猾性，不安分意識也比之前有了增強，一有機會便會鋌而走險，伺機越獄，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)，同時在將精確定位算法改進的基礎上，精確定位精度得到了明顯提升。精確定位技術應用到監(jiān)獄管理，既能實時了解監(jiān)獄人員動態(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世紀是一個網(wǎng)絡時代到無線互聯(lián)時代迅速轉變的時代。近年來，隨著一些新型網(wǎng)絡技術，比如WiFi技術、WiMax技術、Ad hoc技術、BlueTooth以及UWB技術等，在家庭、辦公室、公園、工廠等領域的廣泛應用，使得廣大群眾生活變得更加快捷便利。在這些新興的技術當中，基于無線網(wǎng)絡的定位技術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70年代末，美國陸海空三軍聯(lián)合而研制出了這種空間衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，在全球范圍內(nèi)，只要是擁有一定接收設備的用戶就能收到它提供的精準持續(xù)的三維位置信息[2]。遺憾的是，全球定位系統(tǒng)除了在導航和室外環(huán)境定位上被應用之外，室內(nèi)定位以及短距離定位等并不被人們所熟知。為了彌補這一缺憾，未來的無線定位技術會將室內(nèi)定位與室外定位的結合作為其奮斗目標，來達到完全無縫、精確定位的完美效果。也就是說，現(xiàn)有的網(wǎng)絡技術并沒有完全達到這個效果，但是在眾多現(xiàn)有的無線定位技術當中，UWB技術以它自身的諸多優(yōu)勢嶄露頭角，并逐漸成為未來無線定位技術的研究熱點[3]。它的優(yōu)點有：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當中，UWB無線定位技術以無可比擬的優(yōu)勢達到了未來無線定位的一系列要求。研究結果表明，在實驗室環(huán)境下超寬帶定位已然可以達到十幾厘米的精度[4]，另外，超寬帶無線電定位技術的出現(xiàn)又非常容易地將定位與通信兩種技術結合了起來，毫無疑問，正在迅猛發(fā)展的短距離超寬帶通信技術會將UWB定位技術帶動起來，而常規(guī)無線電技術卻難以達到如此效果。目前，盡管無線精確定位這一技術已經(jīng)發(fā)展了好多年，但是超寬帶技術還仍然處在發(fā)展的初級階段，無線精確定位技術正在向商業(yè)化邁進，其定位算法仍需改進。隨著市場需求的不斷提高和超寬帶技術的不斷成熟，不久的將來，超寬帶定位技術便可以完全商業(yè)化，屆時精準的超寬帶定位系統(tǒng)也會得到廣泛運用[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技術進行精確定位且實現(xiàn)起來困難重重。例如：TOA（Time of Arrival）算法要求定位基站和移動標簽保持絕對的時鐘同步，而TDOA（Time Different ofArrival）則要求一組定位基站之間保持嚴格的時鐘同步。因此，對于算法的改進勢在必行，也很需要一種可以改進及替代傳統(tǒng)定位算法的方法，實現(xiàn)更高的精確度以及更好的實時性。

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)點是使用了紅外線收發(fā)器，從而無需測距就可實現(xiàn)定位，但是其缺點就是，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)只能應用于室內(nèi)定位[6]。
1998年，一種新的利用“指紋識別”技術進行定位的系統(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技術基礎上，將經(jīng)驗測試和信號傳播模型結合起來法進行定位的。在RADAR系統(tǒng)中，為了獲得傳播距離和信號衰減程度二者的關系，就需要將建筑物墻壁對信號傳輸?shù)挠绊懣紤]進去。在實際生活中，隨著建筑物的改變，測試出的信號穿墻衰減因子也會改變，然后再利用經(jīng)驗模型計算出距離，進而就可估算到具體的位置。RADAR系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了室內(nèi)2-3m范圍內(nèi)的實時定位，而且提出了一種推斷節(jié)點位置的新方法，即將經(jīng)驗數(shù)據(jù)用WAF模型來替代的方法，并且在這個基礎上作了初步的試驗。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<實驗室設計出了Active Bat和改進的MIT的Cricket系統(tǒng)。這兩種系統(tǒng)均利用了超聲波信號和射頻的到達時間差（TDOA）進行距離測量，并且運用了三角方法來達到定位目標的目的。Active Bat屬于主動型系統(tǒng)，它的定位精度可以達到9cm左右。Cricket系統(tǒng)在Active Bat系統(tǒng)的基礎上進行了改進，它的二維誤差平均為40-50cm，但是該系統(tǒng)也有其缺點，那就是它不會被管理中心監(jiān)控，并且擁有較大的移動接收設備計算負荷等[8]。
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2 無線定位技術研究

目前，針對于室內(nèi)外的無線定位技術多種多樣，比如紅外線、藍牙、Zigbee、wifi、RFID、超寬帶等。這些技術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技術由于精度高、抗多徑效應好，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以及對UWB技術的基本原理進行探討研究。

2.1 無線定位技術簡介
無線定位技術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以及使用這些定位技術的一些典型的無線定位系統(tǒng)。

（1）紅外線定位技術


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