超宽带室内空间定位技术研究及系统开发

发布时间：2020-08-13 04:58

【摘要】：在物联网时代,精准的位置信息是实现许多智能服务的基础。为了弥补传统导航定位在复杂室内环境下的性能缺陷,室内定位技术应运而生。在众多室内定位技术中,基于超宽带技术的测距定位由于其高精度、低功耗、抗干扰能力强等特点成为室内定位技术研究的主流。因此,本文选择使用超宽带技术实现测距定位,并开发相应的定位系统,适应不同的应用场合。具体研究内容如下:(1)基于超宽带芯片DWM1001,设计开发了超宽带室内定位系统。该系统硬件由测距模块、数据交互接口、高频响应特性电源模块构成。该系统软件包含测距、定位、通讯功能,经过联调测试,该定位系统功能完善,运行稳定。(2)针对室内测距结果易出现较大偏差及波动较大的现象,提出了增量卡尔曼滤波器算法。该算法可以滤除测距过程中的系统误差、量测误差以及NLOS误差,并对室内视距(LOS)条件以及非视距(NLOS)条件下进行了测距验证,精度达到小于10cm的要求。(3)针对不同的定位场景设计了三种不同的定位算法,并制定了相应的定位算法使用策略。针对三个定位基站的定位场景,设计了 TOA定位算法,利用最小二乘估计解算空间球面的交点;针对四个基站的定位场景,设计了 TDOA定位算法,通过TOA测距值作差,利用Chan算法完成空间位置的解算;针对基站排布遵循特殊规则的定位场景,利用加权K近邻算法的思想,通过待定位点周围的已知点位置,完成对待定位位置的估计。适应不同场合的定位算法使得定位系统具有了一定的灵活性。为了使算法能在定位系统上高效运行,对空间定位算法进行了简化,先将空间定位模型投影至xoy平面,完成平面定位的估计,再根据平面定位估计值,结合几何关系完成z方向的定位估计,如此设计使得算法计算量减小,有效地提升的定位系统的性能。(4)依托开发的超宽带室内定位系统,在室内搭建了 LOS条件以及NLOS条件下测试平台。测距实验分别在测距距离为1m和2m,以及超宽带天线的4个不同的相对旋转角的条件下进行,经过测试,测距精度达到65mm。测距实验在室内LOS条件下进行了 5个不同位置的定位精度测试,测试结果显示,LOS条件下定位精度能达到81mm。NLOS条件下的定位测试由于无法完全模拟室内复杂的NLOS环境,仅在特定的NLOS环境下以及1个测试点进行了测试,定位精度为56mm,具有一定的参考性。在实验过程中,各项功能运行正常,系统运行稳定,证明硬件系统和软件系统设计合理,算法有效地解决了测距及定位精度不准确的问题。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN925;TN713
【图文】：

定位原理,信号发射器

图１－１基于ＡＯＡ的定位原理逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋ＡＯＡ－ｂａｓｅｄ邋ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ逡逑接收器坐标为（Ｘ／，＿ｙ，），则可以得到入射角信号接收器就有ｎ条这样的方位线，也就能以得到信号发射器，也就是待测位置的位的局限性，在平面定位时计算量小，易于同坐标面的夹角，测量难度增大，且计算量间（ＴＯＡ）的定位方法逡逑知固定的信号发射器位置为（＾，＾），通过号接收器接收的时间〖，乘以信号在空气中信号发射器与接收器之间的距离Ｗ１１１。以测器坐标为（ｘ，，邋ｗ）为圆心作圆，同理，可方程，《个方程联立求解就能得出圆的交点这种方法的定位原理如图１－２所示。逡逑

定位原理

邋逦逦邋ｘ逡逑图１－１基于ＡＯＡ的定位原理逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋ＡＯＡ－ｂａｓｅｄ邋ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ逡逑己知固定的信号接收器坐标为（Ｘ／，＿ｙ，），则可以得到入射角于两点坐标的正逡逑切关系式。同理，〃个信号接收器就有ｎ条这样的方位线，也就能得到《个关系式，逡逑求解《个方程，就可以得到信号发射器，也就是待测位置的位置为（Ｘ，邋＞；）邋［１Ｇ］。逡逑但是这种方法有一定的局限性，在平面定位时计算量小，易于实现，但用于空间逡逑定位时需要测量与不同坐标面的夹角，测量难度增大，且计算量也随之增加。逡逑（３）

双曲线,定位原理,超宽带

《＋１个已知位置的信号发射器，就可以建立ｎ条双曲线方程，联立方程，求逡逑出双曲线的交点位置（ｘ，＿ｙ）邋Ｐ］，也就是待定位的位置。这种方法的定位原理如逡逑图１－３所示。逡逑图１－３基于ＴＤＯＡ的定位原理逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋ＴＤＯＡ－ｂａｓｅｄ邋ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ逡逑这种方法使用两条双曲线求解坐标时会得到两个结果，为了消除位置模糊，逡逑通常使用三条及以上的双曲线联立求解。逡逑１．３国内外研究现状逡逑１．３．１国外研究现状逡逑超宽带技术自１９９０年起对民用领域开发，而对室内定位技术的研宄起源于逡逑１９９６年的美国，可以说超宽带技术与室内定位技术的发展是同步的。逡逑对超宽带室内定位技术的通常都是以构建相应的超宽带室内定位系统为背景逡逑的。无论是基于ＲＳＳ、ＡＯＡ还是ＴＯＡ或ＴＤＯＡ，都有对应的超宽带室内定位系逡逑统的研宄成果。逡逑Ｔｈｏｍａｓ和Ｇｉｇｌ等人提出了基于ＲＳＳ的超宽带室内定位系统，通过估计超宽逡逑带信号ＲＳＳ的衰减程度，测出《个信号基站与待定位点的距离，得到》个测距方逡逑程，联立求解待定位位置［１４］。经过测试，定位精度可达到１．５ｍ，精度较差，但能逡逑满足一定环境的应用需求。而且

【参考文献】