监狱管理中三维精确定位系统规划与设计研究(3)
发布时间：2014-08-27 15:51
3.4 本章小结.................................................. 22
4 室内三维精确定位系统的模型解析及算法设计............................... 23
4.1 室内三维精确定位系统的模型解析.................................. 23
4.2 基于泰勒迭代的三维 TOF/TDOA 定位算法设计......................... 27
4.2.1 TOF/TDOA 协同算法理论设计............................ 28
4.2.2 TOF/TDOA 协同算法程序设计................................. 30
4.3 本章小结............................... 33
5 室内三维精确定位仿真及分析
5.1 UWB 信号发生、传输与解调
超宽带（UWB）信号具有通信容量大、辐射功率密度低、抗多径干扰、结构简单和保密性好等优点。在超宽带通信系统中，对基于FCC辐射遮蔽约束的超短脉冲波形设计是超宽带技术的关键之一。下面介绍本实验中UWB信号发生、传输与解调过程。
（1）如图5.1所示，本文所涉及的UWB信号采用高斯脉冲的一阶导数信号（以下简称高斯脉冲）。高斯脉冲拥有极宽频谱宽度，使之在满足FCC标准的同时，同时也很好地利用了频谱资源。
（2）根据得到的高斯脉冲进行延展，模拟真实的信道传输时延，如图5.2所示。
（3）将延展后的高斯序列分别通过UWB信道模型以及加入高斯加性噪声模仿真实信道干扰，得到的UWB信号仿真图形分别如图5.3、图5.4所示。可以看出通过复杂信道的UWB定位信号几乎已经淹没在噪声之中。
（4）接收机一端与加入噪声的UWB信号进行互相关运算，从而将UWB信号解调。图5.5为进行互相关运算后的UWB信号序列。
（5）从解调后的信号序列中找到UWB信号的位置，并将位置的节点数转化为对应的时间作为无线信号的延时t，用t乘以光速c即可得到移动标签到传感器的距离。
（6）从解调后的信号序列中找到UWB信号的位置，并将位置的节点数转化为对应的时间作为无线信号的延时t，用t乘以光速c即可得到移动标签到传感器的距离。
5.2 基于泰勒迭代的 TOF/TDOA 室内三维无线精确定位仿真与分析
这部分主要将实现TOF/TDOA协同算法迭代计算移动标签坐标信息，即将上节的得出的标签距各个定位传感器间的距离作为参数进行算法实现。大致步骤为将移动标签到三个从传感器间的距离与到主传感器间的距离作差，得出的结果作为TDOA算法的参数。同时将距离坐标公式进行整理并使用最小二乘求解，得出的结果作为TDOA算法泰勒迭代的初值进行迭代运算，当迭代结果与上次迭代结果差值小于某一阈值（本文选取0.00001m）时，则认为此函数收敛，并将此结果作为最后估算的标签坐标。
最后得出计算结果如图5.6、图5.7、图5.8所示。此三幅图为TOF、泰勒迭代的TDOA算法以及TOF/TDOA算法的XYZ坐标比较，标签实际位置坐标为（14, 12, 3）。从图中可以看出，对于泰勒迭代TDOA算法初值不定的条件下，收敛效果不好，甚至不收敛如X坐标和Z坐标。而TOF计算出来的移动标签坐标与实际差距较大，也不是很理想。而与其相比新设计的协同算法具有收敛快、结果精确等优点。另外，从图中还可以看出使用TOF/TDOA算法的精度理论上可以达到厘米以下，相信在具有复杂干扰的现场环境中，定位精度也可以保持在10厘米左右。
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6 全文总结与展望
6.1 总结
近些年来，由于监狱安全事故频发，监狱的安全管理越来越得到人们的重视。与此同时，室内三维精确定位算法的研究也取得了一些成果，这些因素使得监狱人员精确定位系统成为提高现代监狱管理高效性安全性必不可少的组成部分，本论文给出了监狱服刑人员三维精确定位系统研究与设计。总结起来，本论文主要做了如下的工作：
（1）通过阅读相关文献资料，介绍了研究的背景、研究的意义、研究现状。对无线定位技术从理论上进行了深入的研究，并对不同的无线技术在精确定位中的优势和劣势进行了对比分析。
（2）通过阅读相关文献资料，分析不同算法的设计原理、实现方法及优缺点。
（3）通过实践总结以及阅读相关资料，详细介绍了室内三维系统模型硬件结构并提出一种新的定位算法并对其进行设计，给出详细的设计过程。
（4）完成算法仿真程序设计。针对本文提出的TOF/TDOA算法进行编程实现以及仿真并进行比较。
总结上述工作，其创新之处是通过研究不同的室内定位算法，发现了其定位精度及系统稳定性方面的不足，针对这些不足设计了基于泰勒迭代的TOF/TDOA室内三维精确定位算法，并通过Matlab仿真，得出结论。证实此创新算法确实可以提高精确定位的精度并简化工程实现。
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参考文献（略）
本文编号：8487
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/xinxigongchenglunwen/8487_3.html
