基于改进双向测距到达时间差算法的超宽带定位

发布时间：2020-11-17 10:00

　　 随着智能设备的普及和无线通信技术的发展,人们对高精度的室内无线定位需求也日益增加。基于室内的位置信息服务可以在许多场景中得到应用,比如工厂人员监管、公共安全应急响应、定位导航和交友互动等。目前,室外定位及相关基于位置的服务已经成熟,GPS卫星定位系统、北斗卫星定位系统等已经被广泛应用,并得到了用户的广泛认可。而室内定位领域由于成本、定位精度、实现复杂度等因素,尚未出现完美的解决方案,还需要进一步地关注和发展。常见的室内定位技术包括红外线、WiFi、蓝牙、ZigBee、超声波、RFID等,这些技术由于各种因素的制约,都未能得到广泛应用。超宽带(Ultra Wide Band,UWB)技术是一种具有广阔发展前景的新型无线通信技术。超宽带信号具有很高的时间分辨率和极大的带宽,能够实现短距离高速率数据传输,抗多径衰弱能力也很强。因此,超宽带技术近几年在高精度的测距和定位中收到很大的关注。针对传统无线定位技术在室内定位精度低或抗多径效应差的问题,本文设计并实现了一种基于超宽带技术的室内定位系统。首先,提出了定位服务器与移动端应用程序实时交互的系统结构,解决了室内移动人员自主定位和导航的问题;其次,针对多标签信道冲突问题,提出了一种有效的多标签调度机制,使得系统能够同时定位多个目标;然后,对现有的双向测距(Two-Way Ranging,TWR)算法进行改进,通过增加一次测距交互有效地减少了由于超宽带模块内部晶体振荡器时钟偏移引起的误差,提高了算法性能;最后,将使用标准到达时间差(Time DifferenceofArrival,TDOA)定位算法得到的双曲面方程组进行线性化处理,结合Jacobi迭代法对移动目标的位置参数进行求解,避免了使用标准TDOA算法难以直接解算的情况。经测试,该系统能在房间楼道等场景中稳定工作,定位误差在30厘米以内。与基于WiFi、蓝牙等技术的定位系统相比,该系统在定位精度上提高了约10倍,能够满足复杂室内环境下的精确移动定位要求。
【学位单位】：武汉大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN925
【部分图文】：

３．１．３双向测距机制??在实际工作的超宽带定位系统中，各节点都具备双工能力，因此基于ＴＯＡ估??计的测距可以采用双向测距的方式来实现双向测距示意图如图３－２所示。??１３??

要负责数据采集传输，信息处理层定位系统主要负责定位运算和数据存储，应用??层显示系统主要负责定位显示的功能。不同层子系统的功能不同，但又是相互分??工合作的。具体如图４－１所示。??应用层显示系统??？位置显示，用户交互??介????信息处理层定位系统?？定位方法位置估算??ｆ）????物理层位置检测系统?？硬件系统的部署和配置??图４－１定位系统分层结构示意图??结合超宽带技术，本文提出的室内定位系统的实际工作架构图如图４－２所示。??标签和基站为主的物理层为系统数据的采集传输提供了所需的硬件平台；定位服??务器端的软件设计完成了信息处理层接收数据和调用定位算法进行位置估算的??功能。应用层显示系统包括定位服务器端和移动端ＡＰＰ显示两部分，定位服务??器解算出待测标签位置坐标后实时推送至移动端ＡＰＰ同步显示。??基站?＾?定位服务器??（ｒｒ?ＵＷＢ?＼?／Ｃｉｆｉ??ｍｍａｍ??标签Ｍ?［ｆｊ移动端ＡＰＰ??图４－２超宽带定位实际工作架构图??以四基站组成的系统为例，理论上可以覆盖上万平米，增加基站数可以进一??步扩大定位场景。然而，除了室内覆盖范围，定位的实时性以及定位算法精度等??２６??

图４－７?ＭＣＵ外围电路图??ＳＴＭ３２的ＳＰＩ接口与超宽带射频收发芯片的外部引脚相连接，可以使得主控??制器能够对射频芯片内部寄存器进行配置，对收发状态进行控制
【参考文献】

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1 李军怀;贾金朋;王怀军;王志晓;张翔;;基于信号强度差的RFID室内定位研究[J];计算机科学;2015年11期

2 邓中亮;尹露;;基于TC-OFDM体制的室内定位系统[J];电信网技术;2015年03期

3 韦子辉;冯正和;王志峰;孙少欣;;脉冲超宽带定位单元设计及应用测试[J];电视技术;2014年23期

4 孔勇平;钟致民;杨广龙;张玉良;;基于RSSI的室内定位系统设计与实现[J];移动通信;2014年05期

5 王彪;傅忠谦;;基于超宽带技术的TDOA室内三维定位算法研究[J];微型机与应用;2013年14期

6 宁静;;采用红外织网的室内定位技术[J];激光与红外;2011年07期

7 肖竹;王勇超;田斌;于全;易克初;;超宽带定位研究与应用:回顾和展望[J];电子学报;2011年01期

8 韩霜;罗海勇;陈颖;丁玉珍;;基于TDOA的超声波室内定位系统的设计与实现[J];传感技术学报;2010年03期

9 曾照华;;无线超宽带通信原理及其应用标准[J];电力系统通信;2007年01期

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1 熊海良;超宽带无线通信与定位关键技术研究[D];西安电子科技大学;2011年

相关硕士学位论文 前10条

1 仲江涛;基于UWB室内定位算法的研究与实现[D];深圳大学;2017年

2 蒋康荣;蜂窝网络中基于TDOA的定位算法研究[D];南京邮电大学;2016年

3 俞吉运;超宽带室内定位系统的研究与实现[D];浙江工业大学;2015年

4 王文华;室内定位系统网关及监控服务平台设计与实现[D];东南大学;2015年

5 阳熊;基于超宽带的定位技术研究与应用[D];电子科技大学;2015年

6 蔡红;基于UWB的定位方法研究[D];北京邮电大学;2015年

7 朱永龙;基于UWB的室内定位算法研究与应用[D];山东大学;2014年

8 王青;WiFi室内定位系统的设计与实现[D];北京交通大学;2014年

9 吴凌;基于RFID的定位算法研究[D];南京邮电大学;2014年

10 陈方晓;基于异步TOA估计的超宽带室内定位系统的研究与实现[D];哈尔滨工业大学;2013年

本文编号：2887372