stupid的博客

1999年12月，worcester,MA 6名消防队员在一间仓库中救火时，由于无法在浓密的烟雾中找到出路而丧身。如果仓库外的同伴能及时的知道他们的位置，或许，他们会得救。

今天，在浓雾中寻找迷失方向的消防队员仍然需要急救人员挨个房间搜寻。但是如果拥有个人精密定位系统（PPL），建筑外的及时指令会指引急救人员找到消防队员。这会大大缩短寻找时间，甚至挽救他们的生命。
电气和计算机工程系教授R. James Duckworth和David Cyganski领导了一个由毕业生组成的团队研究和测试PPL系统。毕业生Vincent Amendolare把这个当成他攻读物理学博士课程的一部分，其他5名毕业生和技术员Bob Boisse是其他成员。当然，Dcukworth和Cyganski也会寻求电气和计算机工程系其他人的帮助。 
Boisse协助这些毕业生进行硬件，固体，和软件的设计。从实验室测试到室外测试和室内测试，学生收集测试数据后对这个系统进行改进并添加功能，以便获得更好的性能。

全体队员

PPL一览
PPL包括由消防队员背负的电池供电的RF发射机，4个分布在四周消防车上的接收站，和一个基站。基站计算机通过计算4个接收站“bowtie” 天线测到的发射信号的相移进行定位，然后将发射机的位置显示出来。

图1  一名消防队员背负着附带了发射机的氧气瓶测试精密个人定位系统（PPL）

图2显示了各系统间的关系。每个发射器广播一个带宽覆盖了550MHz~700MHz由大约100个未曾调制载波组成的信号，图3显示了这个信号的频谱。每个接收单元将这个信号下变频到30MHz~180MHz，然后对每个通道用400MSps的ADC进行数字化，再接着进行FFT变化，接收机将频域数据封包成以太网数据送往基站数据中心。早期的设计使用有线以太网，而这在火灾中式根本不适用的，现在使用的是802.11。

图2.  PPL系统包括发射机，接收机和基站，消防员背负着发射机，接收机安装在消防车上。

 

基站运行的是Matlab脚本，直接在频域处理数据。通过相移，基站可以实时的算出发射机的位置并加以显示，这对消防队员来说，提供了足够的信息。作为系统开发的一部分，研究人员可以在实验室分析更多的数据。
发射机带有一个可监测消防员心率和体温的传感器，通过915MHz发送这些数据。因为消防队员在浓雾中只能摸索着前进，PPL系统的定位精度要在30cm以内。为了达到这个目标，学生们进行了实验室测试，室外测试和室内测试。通过这些测试结果，他们可以对发射机和接收机上的硬件，固体进行改进，修改基站上的软件，然后重复测试。截止目前，室内的测试表明定位精度在10cm以内。

图 4. 基站显示，一个事件命令可以观察消防员的位置和监测他们的身体状况，诸如体温和心率。

最近的一个改变是把发射信号的带宽从60MHz提高到150MHz。在进行室外测试之前，学生们在实验室用频谱仪测量了发射频谱。实验室测试让学生们验证了新硬件，固体和软件的工程特征。他们在校园中测试时发现宽带能减少错误。

图3.  消防员背负的发射机在超过150MHz带宽内广播大约100个未调制的载波

野外测试

野外测试时，该团队首先在空旷区域如足球场进行了测试，这是他们在项目初期没做过的事。“几年前，我们学习时不需要从实验室走到建筑中去测试“，Duckworth说，”我们发现一些错误需要纠正，得出了很多虚假的数据和浪费了时间。“

R. James Duckworth教授和一部接收机

在空旷区域测试要消除一个显著的变化。建筑内由反射引起的多径信号会导致定位错误。为了消除这个影响，该团队首先在可视直线上进行测试以使反射最小化。这个中间阶段给团队提供了在建筑内测试之前的“sanity check” 。”多径是RF精确定位的最大挑战“Cyganski说，“无论哪种RF规范，多径对于新人来说不但被经常提起而且是室内定位的大问题“

David Cyganski教授指导毕业生Vincent Amendolare RF技术。

最近，学生在接收站和基站之间加入了无线以太网，这个改变是因为新的技术需要：接收单元ADC之间的同步。同步是关键的，因为nS时序要求精确测量信号时延（信号传输大约30cm/ns).学生们需要野外测试去验证这个系统可以同步接收机ADC。
接收单元的本地时钟可以同步本机的ADC，但不能通过无线以太网同步另一个接收机的ADC。毕业生Amendolare解释这个PPL如何获得同步，接收机上的本地时钟随着时间相对漂移，系统中的一个参考发射机发射一个接收机单元锁定信号，系统计算出接收数据的时序错误并加以更正。
室内的可视直线测试于2008年的12月22日在WPI校园中进行，学生们做了一个测试以验证ADC时钟的同步。这个实验在一个15平方米的区域中举行，证明软件能将ADC的时钟同步在0.5nS之内。15平方米对于一个小的建筑来说足够啦。但是项目现在的赞助人希望在一个更大的距离上使用这个系统，比如作为卡车定位的1千平方米。所以团队于2009年3月17日在前军用机场跑道的200平方米区域进行了实验。

开测之前

室外测试之前，学生们在15平方米测试中模拟了大距离传输。Amendolare解释说他们通过使用RF衰减器减少发射机的发射功率从而模拟了远距离。这些测试给了他们系统可以在更大测试区域工作的信心。

在将PPL系统带到测试场地之前他们做了一个场地测试。3月16日，几个学生在跑道上做了频谱测试。由于PPL运行在550MHz~700MHz频段，这正是广播电视使用的频段。（团队需要FCC的临时许可以便进行室外或室内测试）。依据频谱普查的结果，该团队需要在特定频率避免使用载波。学生们可以通过无线以太网发送命令改变波形，但是移动定位器只能通过线缆重新编程。

学生们也做了场测，在相邻的跑道上每隔20米放置了一个标记组成阵列。PPL团队做了几个测试：
 检查接收机和基站之间无线以太网的正确连接
 验证支撑接收天线三脚架的稳固性，避免被飞吹倒（事实上测试当日，无风）
 用8个接收天线替代16个接收天线测试，已简化安装和减少成本
测试在每隔20米放置了标记的阵列中定位器的精度，发射一个信号，然后移动到另一个标记处。

学生们在3月17日早晨到达机场，开始在阵列中的每个角落放置接收站，每个支撑接收站的三脚架上都架了2根bowtie天线。每个接收单元的以太网口都连接到一个以太网交换机，依序连接到安装在三脚架上的无线以太网发射机上。每个角落有一台发电机给接收机和基站提供电力。

Boisse和Vincent Amendolare安装一个接收站。包括两个Bowtie接收天线和一个接收来自另一个接收站数据的无线以太网天线。接收单元在箱内。

4个接收机中的3个通过无线以太网和基站通讯，靠近基站的接收机使用有线连接。因为3个接收机和基站无线联通，学生们需要在基站上放置3个无线以太网接收天线。

他们将3个无线以太网接收天线中的2个安装在第5个带bowtie天线用来发射参考信号的三脚架上。Boisse 将第3个无线以太网接收天线安装在和基站有线连通的那一个接收站的三脚架上。每个无线以太网接收天线都被指定在阵列不同的角落。

 

3月17日场测，团队碰到了一个问题。在一个远距离（200平方米）上，系统不能发现参考发射信号。学生们试着将参考发射机在格子间移动，但是他们依然无法获得够强的信号。

在离开那里之前，学生Jorge Alejandro使用频谱仪测量了来自参考发射机的信号强度。Amendolare想测试一下参考信号的实际强度是否跟他在实验室测试的那样足够强。“我们需要验证是信号强度问题还是软件不能正确的检测这个信号。”他说道。学生们那天离开了，计划下一周再回来测试。

在典型的场测中，学生们检查对于已知位置系统的定位精度。如果显示的定位误差在范围内，一个学生将拿着发射机围绕着场中的未知位置步行。在200平方米的场测中，发射机将安装在一个卡车上。基站应该能随着发射机的移动进行显示。PPL的早期版本缺少这个功能。“加入事实显示节约了大量的时间”，Duckworth教授说道。“最早，我们不得不返回实验室处理和分析这些数据”

 

回到实验室

就算有了实时显示，学生们依然在实验室分析和处理这些数据。在接下来一周的过程中，野外测试或室内测试，Amendolare将调整参数和比较结果。比如，他可以通过调整扫描的空间密度，使显示有更好的分辨率，这能让他获得对位移更好的测试。然而增加空间密度将减慢处理速度。

Amendolare通过比较数据得出系统在不同环境下的表现。比如，他将发射机的带宽减半检测定位精度，或者去掉接收机的一半数据来验证对定位精度的影响。她从2008年12月22日开始分析这些室外测试的数据，这使他确认系统在8个天线的工作下是令人满意的。

学生们也在室内进行PPL测试，真实测试。先是在WPI的实验室，后来转到校园的一栋房子。在过去的几年，他们在系统中作为工作室的一部分做了这些测试。他们甚至和Worcester 希望用上这套系统的消防队员测试，

References 

 Technical papers and presentations containing design and test details and a history of the PPL project are available at www.ece.wpi.edu/Research/PPL. 
 Amendolare, Vincent, D. Cyganski, R.J. Duckworth, S. Makarov, J. Coyne, H. Daempfling, and B. Woodacre, “WPI Precision Personnel Locator System: Inertial Navigation Supplementation,” IEEE Position Location and Navigation Symposium, May 2008. www.ece.wpi.edu/Research/PPL/Publications.