盲环境下UWB相对定位算法研究

发布时间：2020-05-23 21:43

【摘要】：在军事行动、反恐作业及消防救援等场景中,获取无人机、舰艇及人员等的位置信息是至关重要的。应急救援事件往往发生在盲环境下,即作业实施的位置和环境信息是未知的,依靠独立目标来获得高精度、高可靠性的位置估计,往往是难以实现的。本文针对盲环境中的定位特点,在点到点相对定位系统、TOA测距误差建模、点到点相对方向识别算法、多点相对定位算法上进行了研究,论文的内容和成果包括:(1)提出了一种基于旋转TOA测量的点到点相对定位系统,解决了盲环境中无基础设施难以完成点到点相对定位的问题。将点到点相对位置关系抽象为相对高度、相对距离和相对方向,利用大气压与高度的关系估计高度差,利用TOA测距估计二者间距。为了估计点到点相对方向,提出了一种将“旋转TOA测距”与“模板匹配”结合的方法。由主动定位人员手持测量设备旋转一圈,采集一系列测距值和相对方向角,作为测量序列;根据主动定位人员、测量设备与定位目标形成的几何关系计算获得模板序列;通过模板匹配计算,估计点到点相对方向。现场实测实验验证了系统的可行性。(2)建立了基于α-稳态的TOA测距误差模型,对包含大量脉冲噪声的TOA测距误差进行建模。该模型使用α-稳态对测距误差进行了建模与参数分析,α-稳态分布又称重尾分布,能够描述脉冲噪声的重拖尾特征。通过实测数据对模型参数进行拟合,反应了通过旋转测量采集的TOA测距误差中包含大量的脉冲噪声,验证了模型的正确性。通过使用K-S假设检验方法,对该模型进行了对比验证。对比结果表明,相较于高斯分布、广义极值分布和对数正态分布,均具有较好的拟合度。(3)提出了一种基于MCC-DTW的点到点相对方向识别算法,抑制了脉冲噪声和非均匀采样的影响。该算法利用最大相关熵准则(Maximum Correntropy Criterion,MCC)核函数作为模板匹配的代价计算函数,通过提取高阶矩信息,使用指数下降权值系统,有效抑制TOA测距结果中具有大幅度冲激的脉冲噪声的影响;利用动态时间规整(Dynamic Time Warping,DTW),通过对模板序列的拉伸和压缩,建立模板序列与测量序列间的最短路径,有效解决由人工测量等原因造成的非均匀采样问题。多场景中实测结果证明,该算法可以有效抑制了脉冲噪声和非均匀采样的影响,验证了算法的有效性和可靠性。(4)提出了一种不依赖于精确初始坐标的多点相对定位算法,降低了算法对初始坐标精度的依赖。该算法利用外部罚函数法(Exterior Penalty Function,EPF),在算法中加入惩罚机制,强化对可行域外的数据点的惩罚,迫使求解不断靠近约束可行域内。此外,对于体积较大且自身具有固有形状特征的定位目标,采用多点部署方案,将几何约束条件引入到算法中,以几何特征点作为TOA测量点,增加定位目标间的距离约束,优化算法求解的可行域。仿真和现场实际测试结果都表明该算法在采用随机初始坐标时,定位精度明显高于LM算法、Powell算法,验证了该算法可有效降低对初始坐标准确程度的依赖性,而且加入了几何约束后可以获得更高的定位精度。
【图文】：

点到点,相对定位,基础设施,坐标

逡逑本文的主要研究内容与挑战如图１－２所示：逡逑－邋逦逡逑ｆ；邋Ｉ邋Ｉ高度Ａ大气压强邋Ｉ邋１．无基础设施如何利用ＴＯＡ测距逡逑＾邋Ｉ距离ｄ邋Ｔ０Ａ测距逦Ｉ逦剪见点ＪＩＪ点、sE碰逦｜逡逑ｍ逦逦逦广」逡逑定邋Ｌａ邋旋转ｔｏａ测距逡逑械相度邋＋模板Ｋ配算法／邋Ｉ邋２．复杂环境造成的脉冲噪声逡逑■逦＼邋｜邋３．人工测量导致的非均匀采样逡逑鋈初始坐标。最优化函数逦ｐＭｎＨＨＨＢＢＢＨＢＨＨＨＨＨｑ逡逑爸逦一，、，，，，ｌ邋、逦４．盲环境中无法获取初始坐标逡逑签逦定位结果坐标（ｕ）逦ＩＭ１１丨｜｜ｉｉＢｉｉｒｉＩｉｉｍｉｉｉ＿＿＿■ｍａ逡逑图１－２研究内容与挑战逡逑（１）邋点到点定位逡逑＞无基础设施如何利用ＴＯＡ测距实现点到点相对定位逡逑盲环境中无法获得来自预先布设的基础设施提供的定位支持，且定位区逡逑域的地图信息未知，具有测量环境复杂、定位难度大等特点，典型应用场景逡逑如火灾救援等应急救援环境。在传统定位系统中，基于ＴＯＡ测距的目标定位逡逑需要至少４个点参与定位；若仅有两点参与定位，则无法明确目标点位置。逡逑为了引出以及便于说明后续的研宄挑战，在此首先对本文中的第一项创逡逑新点进行简要介绍，详细说明请见第３章。本文中将点到点相对定位视为相逡逑对高度、相对距离和相对方向的统一。其中

点到点,相对定位,创新点

图１－３本文创新点逡逑１．３．１基于旋转ＴＯＡ测距的点到点相对定位系统逡逑盲环境的最重要的特点之一，即没有定位基础设施，无法进行如卫星定逡逑位、无线定位基站定位、ＷｉＨ定位等。为了在无基础设施的定位条件下，利逡逑用基于ＵＷＢ的ＴＯＡ测距技术进行点到点相对定位，本文提出了一种基于旋逡逑转ＴＯＡ测距的点到点相对定位系统，将点到点相对定位认为是相对高度、相逡逑对距离和相对方向的统一，分别从这三方面进行估计。其中，相对高度通过逡逑大气压测量完成，距离估计可以通过ＴＯＡ测距实现。逡逑为了利用ＴＯＡ测距结果进行相对方向估计，，本文提出一种将“旋转ＴＯＡ逡逑测距”与“模板匹配”相结合的点到点方向识别方法。理论上，在无噪声干逡逑扰的理想环境下，当主动定位人员面向定位目标进行ＴＯＡ测量时，对应测距逡逑值最小；当主动定位人员背向定位目标时，对应测距值最大；而在旋转测量逡逑过程中，ＴＯＡ测距值应随着旋转角度的变化而具有稳定的变化规律。将主动逡逑
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：E11;TN925

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