基于TOA方案的超宽带室内定位技术研究

发布时间：2017-09-09 01:26

  本文关键词：基于TOA方案的超宽带室内定位技术研究

  更多相关文章： 超宽带室内定位 TOA 双向测距 WLS算法 Chan算法 Taylor算法

【摘要】：随着室内定位需求的不断增加,具有良好通信性能以及定位性能的超宽带(UWB, Ultra-wide Bandwidth)室内定位的研究和发展越来越受到重视。到达时间(TOA, Time of Arrival)方案是UWB定位方案的一种经典定位方案,该方案是一种基于时间的定位方案。基于时间的室内定位方案一般需要设备间的时间精确同步才能实现高精度的定位,但时间同步定位方案需要在定位系统中增加同步模块,并且精确同步的实现会给整个系统增加额外的能量消耗,这给基于时间的定位方案的实现增加了难度。本文提出一种无需时间同步过程的TOA定位方案。该方案通过双向测距法实现定位设备间的通信,将消息的发送时间与接收时间负载到数据帧进行通信,从而完成两点间测距的过程。本文在decaWave1000的开发板上完成了测距过程的实验验证,并且针对定位过程提出了一种改进的定位算法——多次迭代WLS估计定位算法。通过硬件环境的部署和软件的仿真分析,定位结果表明无需时间同步的TOA方案可以完成精确的超宽带定位,定位精度控制在10cm～30cm之间。与现有的定位方案相比,该方案减小了时间同步模块的消耗,通过消息定时发送降低整个系统的功耗,同时改进的定位算法使得整个定位系统具有更好的精确性和鲁棒性。本文的主要工作包括以下方面：(1)分析目前典型的超宽带定位方案,包括测距实现原理以及使用的定位算法原理,指出基于时间的定位方案可以不采用时间同步而达到高精度定位。(2)研究测距过程的双向测距法,描述双向测距法的两个阶段,以及每个阶段的通信过程；通过帧解析说明该算法无需同步而实现测距的原理。(3)设计双向测距法的状态机实例,对每个设备的工作状态过程以及每个状态所做的工作做了详细的描述。(4)在硬件平台上实现双向测距法,并且基于测距结果分别用经典的Chan算法和Taylor算法仿真,比较了这两种算法在精确性和计算量上的优缺点。(5)提出一种基于加权最小二乘(WLS, Weighted Least Square)法的改进定位算法——多次WLS估计算法,通过仿真分析证明该算法具有优于Chan算法和Taylor算法的定位精度和稳定性。(6)描述了TOA定位系统的硬件环境部署过程,传输范围可以达到150m,定位误差稳定在10cm～30cm之间,最精确的结果可以达到2cm,证明了该方案是一种无需时间同步的低功耗高精度的定位方案。
【关键词】：超宽带室内定位 TOA 双向测距 WLS算法 Chan算法 Taylor算法
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN925
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-13
• 第一章 绪论13-19
• 1.1 研究背景13-16
• 1.1.1 室内定位的发展现状13-15
• 1.1.2 室内定位技术的评价标准15-16
• 1.2 超宽带室内定位的国内外研究现状16
• 1.3 研究内容及意义16-17
• 1.4 论文组织结构17-19
• 第二章 超宽带室内定位的典型实现方案与定位算法19-31
• 2.1 超宽带室内定位系统19-23
• 2.1.1 超宽带定位系统定位原理19-20
• 2.1.2 超宽带定位系统结构20-22
• 2.1.3 超宽带定位系统信道模型22-23
• 2.2 基于测距的超宽带室内定位方案23-25
• 2.2.1 基于到达时间的定位23-24
• 2.2.2 基于到达时间差的定位24
• 2.2.3 基于到达信号角度的定位24-25
• 2.2.4 基于信号强度的定位25
• 2.3 基于测距方案的经典定位算法25-29
• 2.3.1 三边测量法26-27
• 2.3.2 三角测量法27
• 2.3.3 最小二乘法27-29
• 2.4 本章小结29-31
• 第三章 TOA方案测距过程的实现与设计31-55
• 3.1 测距过程的软件框架31-36
• 3.1.1 软件系统组成31-32
• 3.1.2 软件系统运行流程32-36
• 3.2 双向测距法36-38
• 3.2.1 双向测距法的搜索阶段36-37
• 3.2.2 双向测距法的测距阶段37-38
• 3.3 测距过程的消息收发方式38-42
• 3.3.1 消息发送的延时时间38-39
• 3.3.2 使用的消息格式39-42
• 3.4 双向测距法的状态机设计42-52
• 3.4.1 双向测距的状态设计42-43
• 3.4.2 标签的工作状态跳转过程43-49
• 3.4.3 锚点的工作状态跳转过程49-52
• 3.5 本章小结52-55
• 第四章 基于经典算法的定位过程仿真55-63
• 4.1 基于Chan算法的定位过程55-57
• 4.2 基于Taylor算法的定位过程57-58
• 4.3 经典算法仿真结果分析58-61
• 4.3.1 误差判定标准59
• 4.3.2 经典算法仿真分析59-60
• 4.3.3 两种算法的比较分析60-61
• 4.4 本章小结61-63
• 第五章 基于WLS的改进定位算法实现63-73
• 5.1 测距结果处理过程63-64
• 5.1.1 测距过程的误差校正63
• 5.1.2 测距过程的数学处理63-64
• 5.2 基于WLS的改进定位算法64-69
• 5.2.1 多次迭代WLS估计算法原理64-66
• 5.2.2 多次迭代WLS估计算法与经典算法的比较66-69
• 5.3 环境搭建与定位结果分析69-72
• 5.4 本章小结72-73
• 第六章 总结与展望73-75
• 6.1 工作总结73
• 6.2 研究展望73-75
• 致谢75-77
• 参考文献77-81
• 作者简介81

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 张浩;梁晓林;吕婷婷;徐凌伟;;一种新颖的基于偏度的非视距区分算法[J];电讯技术;2015年05期

2 王沁;何杰;张前雄;刘冰峰;于彦伟;;测距误差分级的室内TOA定位算法[J];仪器仪表学报;2011年12期

3 石为人;熊志广;许磊;;一种用于室内人员定位的RSSI定位算法[J];计算机工程与应用;2010年17期

4 贺远华;黎洪生;;距离几何TOA无线定位算法[J];计算机工程与应用;2010年12期

5 丁锐;钱志鸿;王雪;;基于TOA和DOA联合估计的UWB定位方法[J];电子与信息学报;2010年02期

6 解武;曹家年;刘世航;吕学龙;;IEEE802.15.4a信道对UWB功率谱影响分析[J];深圳大学学报(理工版);2010年01期

7 倪霞;邹传云;周兴旺;;UWB定位中的自适应时间延迟估计算法[J];无线电通信技术;2009年02期

8 杨天池;金梁;程娟;;一种基于TOA定位的CHAN改进算法[J];电子学报;2009年04期

9 肖竹;于全;易克初;王勇超;;适用于NLOS环境的UWB定位方案研究[J];通信学报;2008年04期

10 李孝辉;刘娅;张丽荣;;超宽带室内定位系统[J];测控技术;2007年07期

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 王珂;基于无线传感器网络节点定位算法的研究[D];华中师范大学;2014年

2 李莉;基于时间测量值的无线定位算法研究[D];西南交通大学;2002年

，

本文编号：817478