一种基于UWB定位的误差抑制TDOA算法研究
发布时间：2021-06-25 05:18
当今的信息化社会中,人们的工作与活动场景逐渐从室外转向室内,并且随着5G技术的飞速发展和商用部署以及物联网技术的不断升级和应用,人们对室内位置信息实时性和精确性的需求日益增强。传统的室内定位技术主要有:红外线定位、超声波定位、Wi-Fi定位、ZigBee、蓝牙等,但这些定位技术受信号强度和时间误差的影响较大,在室内的定位精度或定位距离不如UWB定位。UWB技术因为其系统复杂度低、信号的功率谱密度低、多径分辨能力强、穿透性强等优势被广泛应用于室内定位技术的研究。本文主要对UWB室内定位技术的基本原理、信道模型和定位方法进行了研究。首先通过对IEEE802.15.4a的信道进行仿真,分析选取CM2信道作为本文复杂室内环境下的信道环境的原因;其次,通过对比四种UWB定位方法,得出TDOA定位方法的定位性能较好,并深入分析了影响TDOA算法定位精度的主要误差与误差成因;最后,针对非视距误差和多径干扰可能对定位精度造成的误差问题,对多种经典TDOA算法进行仿真对比,根据对比结果得到多径干扰与非视距误差对TDOA测距结果的影响,从而提出了一种改进的多径抑制算法与改进的高斯牛顿迭代算法,并将两种改进...
【文章来源】：海南大学海南省 211工程院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
UWB与宽带、窄带信号功率对比
一种基于UWB定位的误差抑制TDOA算法研究10图2各信道冲激响应仿真图Figure2Impulseresponsesimulationdiagram表2中RMS代表均方根时延扩展，NP10Db代表某路径与最高功率路径求差后比10dB小的路径数量，NP85%代表得到85%信道功率所要达到的路径数，NP10Db与NP85%共同表示为有效多径数。四种环境下的数据对比可以看出，CM2中NP10Db和NP85%获得的有效多径数最多，是接收有效多径信号数量最多的信道环境；CM2中RMS与附加时延的差值最校图2中为视距和非视距情况下各信道的冲击响应，从图中可看出在多径和非视距影响下首达信号并不是最强信号，且NLOS环境中多径干扰较强，通过不同路径到达接收机的信号波形的时延也不同，在最终合成信号时会导致初始波形被展宽。因此抑制多径和判断首达信号，是提高定位精度的关键。综上所述CM2信道更接近于本论文的实际测试环境，更有利于UWB室内定位技术的研究。本文所使用的测试平台是实验室自主研发的测试平台HainanEVKRTLS3.0，其信道模型为IEEE802.15.4a下的CM2信道。2.2UWB室内定位的基本方法UWB室内定位系统一般会根据无线网络中的节点作用和类型将节点分为两类，第一种是锚节点(AnchorNode)也叫参考节点或者基站，主要用于待测节点的信息传
一种基于UWB定位的误差抑制TDOA算法研究12图3TOA定位原理Figure3TOApositioningprinciple由图3可得以下公式:{(1)2+(1)2=12(2)2+(2)2=22(3)2+(3)2=32(2-17)式(2-17)表示的是标签节点到三个锚节点的距离，若锚节点为N个则需要N组方程联立，对上式简化，得:=√()2+()2(2-18)将上述两式(2-17)与(2-18)联立简化即可得到标签节点的坐标:[]=[2(13)2(13)2(23)2(23)]1[1232+1232+32122232+2232+3222](2-19)在三维的环境中，我们可将式(2-17)进行改动，一样可以求出标签节点坐标{√(1)2+(1)2+(1)2√(2)2+(2)2+(2)2…√()2+()2+()2}={12..}(2-20)虽然基于TOA的定位方法算法复杂度低，且定位精度高，但对时钟同步的要求极高，在时钟干扰和非视距误差的影响下，TOA定位精度会急剧下降。而将AOA定位算法与TOA定位算法结合将会得到更高的定位精度。2.2.3TOA/AOA(到达角度)联合定位方法AOA定位方法与TOA方法不同，AOA定位方法需要装有天线阵列的锚节点根据标签节点发送的UWB脉冲来确定信号的入射角度，一般标签节点至少需要向两个
本文编号：3248578
【文章来源】：海南大学海南省 211工程院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
UWB与宽带、窄带信号功率对比
一种基于UWB定位的误差抑制TDOA算法研究10图2各信道冲激响应仿真图Figure2Impulseresponsesimulationdiagram表2中RMS代表均方根时延扩展，NP10Db代表某路径与最高功率路径求差后比10dB小的路径数量，NP85%代表得到85%信道功率所要达到的路径数，NP10Db与NP85%共同表示为有效多径数。四种环境下的数据对比可以看出，CM2中NP10Db和NP85%获得的有效多径数最多，是接收有效多径信号数量最多的信道环境；CM2中RMS与附加时延的差值最校图2中为视距和非视距情况下各信道的冲击响应，从图中可看出在多径和非视距影响下首达信号并不是最强信号，且NLOS环境中多径干扰较强，通过不同路径到达接收机的信号波形的时延也不同，在最终合成信号时会导致初始波形被展宽。因此抑制多径和判断首达信号，是提高定位精度的关键。综上所述CM2信道更接近于本论文的实际测试环境，更有利于UWB室内定位技术的研究。本文所使用的测试平台是实验室自主研发的测试平台HainanEVKRTLS3.0，其信道模型为IEEE802.15.4a下的CM2信道。2.2UWB室内定位的基本方法UWB室内定位系统一般会根据无线网络中的节点作用和类型将节点分为两类，第一种是锚节点(AnchorNode)也叫参考节点或者基站，主要用于待测节点的信息传
一种基于UWB定位的误差抑制TDOA算法研究12图3TOA定位原理Figure3TOApositioningprinciple由图3可得以下公式:{(1)2+(1)2=12(2)2+(2)2=22(3)2+(3)2=32(2-17)式(2-17)表示的是标签节点到三个锚节点的距离，若锚节点为N个则需要N组方程联立，对上式简化，得:=√()2+()2(2-18)将上述两式(2-17)与(2-18)联立简化即可得到标签节点的坐标:[]=[2(13)2(13)2(23)2(23)]1[1232+1232+32122232+2232+3222](2-19)在三维的环境中，我们可将式(2-17)进行改动，一样可以求出标签节点坐标{√(1)2+(1)2+(1)2√(2)2+(2)2+(2)2…√()2+()2+()2}={12..}(2-20)虽然基于TOA的定位方法算法复杂度低，且定位精度高，但对时钟同步的要求极高，在时钟干扰和非视距误差的影响下，TOA定位精度会急剧下降。而将AOA定位算法与TOA定位算法结合将会得到更高的定位精度。2.2.3TOA/AOA(到达角度)联合定位方法AOA定位方法与TOA方法不同，AOA定位方法需要装有天线阵列的锚节点根据标签节点发送的UWB脉冲来确定信号的入射角度，一般标签节点至少需要向两个
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