室内UWB组网定位方法研究
发布时间：2021-01-13 05:26
随着科技的发展,万物互联的时代已悄然而至,基于位置服务的导航定位需求日益增长。全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）技术成熟、应用广泛,可以满足用户室外高精度定位服务。有研究表明人们大多数时间都在室内度过的,当人们从室外走进室内,卫星信号受建筑物遮挡而无法定位,实现高精度室内定位已变得愈发重要。室内定位可以给人们带来便利,在大型商场、写字楼,有了室内定位的支持,人们可以在陌生的环境以最短的时间到达目的地。室内定位还可以与室外定位相互补充,共同构建室内外一体化定位服务,可以为应急救援工作、智能厂房人员监控提供决策性作用。Wi-Fi、蓝牙等传统的定位技术,在定位精度、功耗上无法室内定位要求,新兴的超宽带技术（UltraWide Band,UWB）具有穿透能力强、抗干扰能力高、传输速率快等优点,理论上可以实现厘米级定位,适用于室内高精度定位。尽管UWB定位技术有着诸多优势,但在复杂的室内环境也会受到非视距（Not-Line-Of-Sight,NLOS）环境的影响,UWB脉冲信号遇到障碍物,会发生折射、反射及穿透现象,造成测距值存在非...
【文章来源】：北京建筑大学北京市
【文章页数】：58 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
AOA方法定位模型
第2章UWB定位理论基础及实现9标签到达两个基站BS1、BS2的角度分别为A、B。根据三角函数可得方程组如式（2-3）、（2-4），式中，(1,1)、(2,2)、(,)分别为基站BS1、BS2和标签的二维坐标，通过解（2-3）、（2-4）式的方程组便可求得标签的位置坐标。()=11（2-3）()=22（2-4）图2-1AOA方法定位模型2.1.3信号到达时间法（TOA）接收信号时间方法基于脉冲信号在空气中的传播时间得到标签与基站的距离值求解标签的位置[53,54]。光速已知，知道标签(,)到基站(,)(=1,2,3)的传播时间就可以得出标签与基站间的距离。如图2-2，以基站坐标(1,1),(2,2),(3,3)为圆心，标签(,)到基站1,2,3的距离1,2,3为半径画圆，三个圆的交点坐标即为标签的坐标。图2-2TOA方法定位模型图
第2章UWB定位理论基础及实现11图2-3TDOA方法定位模型由上述表述得到方程组式（2-10）{√(2)2+(2)2√(1)2+(1)2=21=21√(3)2+(3)2√(1)2+(1)2=31=31（2-10）因为待测目标节点和基站之间的时钟不同步，所以这里无法直接得到1、2、3的值。但是因为基站之间时钟同步，所以可以得到21=×(21)、31=×(31)。这里信号分别到达各个基站时刻已知，因此可以得到21和31的值，接着通过方程组（2-10）的求解便可得到待测目标节点的位置。2.1.5TOA/TDOA的定位方法比较得益于UWB技术有较高的时间分辨率，与其他算法相比，基于TOA/TDOA定位算法有较高的定位精度，受到很多学者的研究。基于TOA、TDOA定位是利用脉冲信号的传播时间获得标签与各个基站的距离或距离差值实现定位解算的，但两者也有区别。基于TOA定位时，想要获得标签和基站之间高精度的测距值，必须保持标签与基站间的时钟同步，否则会影响定位精度。不同于TOA，TDOA只需要保持基站间的时钟同步，在实际应用时，基站常常位于同一主机服务器，可利用主机时间戳解决基站的时钟同步问题，由此可见，基于TDOA的定位系统更容易实现。但文章以组网的方式将室外坐标传递到室内，需要标签与基站的距离信息，但TDOA得到的是距离差值，无法满足实际需求。随着技术的发展，TW-TOA的出现解决了时间同步的难题，也能得到完整的测距值，受到广泛应用。
【参考文献】：
期刊论文
[1]超宽带NLOS测距误差改正模型[J]. 盛坤鹏,王坚. 北京测绘. 2020(02)
[2]CNS+GNSS+INS船载高精度实时定位定姿算法改进研究[J]. 程风,李海霞,常乐,王力,牛小骥. 测绘通报. 2019(05)
[3]面向相对导航的UWB测距误差估计与补偿方法[J]. 李荣冰,王念曾,刘建业,王智奇. 仪器仪表学报. 2019(05)
[4]一种基于蓝牙的室内定位导航技术[J]. 杨保,张鹏飞,李军杰,路朋. 测绘科学. 2019(06)
[5]全球卫星导航系统的现状与进展[J]. 刘艳亮,张海平,徐彦田,王铎. 导航定位学报. 2019(01)
[6]测距误差改正的超宽带定位系统研究[J]. 王川阳,王坚,余航,韩厚增,宁一鹏. 测绘科学. 2019(01)
[7]基于多点协作联合传输的超密集组网性能分析[J]. 曾孝平,余丰,简鑫,李诗琪,杜得荣,蒋欣,方伟. 电子与信息学报. 2019(03)
[8]矿井NLOS环境下改进UKF超宽带定位算法[J]. 李旭虹,张同丽,张育芝. 西安科技大学学报. 2018(05)
[9]高精度超声波室内定位系统的设计[J]. 潘丽杰,徐本亮,赵飞. 电子世界. 2018(18)
[10]抗差容积卡尔曼滤波及其在UWB室内定位中的应用[J]. 蔡赣飞,徐爱功,洪州,隋心. 测绘科学. 2018(12)
博士论文
[1]超宽带无线传感器网络数据传输跨层优化模型的研究[D]. 高晔方.武汉理工大学 2008
硕士论文
[1]基于RFID标签的室内定位方法研究[D]. 李成龙.曲阜师范大学 2019
[2]超宽带室内空间定位技术研究及系统开发[D]. 朱子阳.北京交通大学 2019
[3]面向UWB室内定位的基站布设方法研究[D]. 钟佳威.深圳大学 2018
[4]TC-OFDM室内定位信号组网及时间同步的研究与实现[D]. 肖占蒙.北京邮电大学 2018
[5]基于镜像虚拟基站的多径辅助室内定位方法[D]. 高天通.北京邮电大学 2018
[6]基于VLC的高精度室内定位系统设计与实现[D]. 邹倩.东南大学 2018
[7]基于自适应WKNN的室内蓝牙定位系统设计与实现[D]. 李经纬.南京邮电大学 2017
[8]基于UWB室内定位算法的研究与实现[D]. 仲江涛.深圳大学 2017
[9]基于WLAN与PDR的室内定位系统设计与实现[D]. 赵迪.华中科技大学 2017
[10]基于UWB雷达传感器的SAR成像应用研究[D]. 刘怀远.电子科技大学 2017
本文编号：2974306
【文章来源】：北京建筑大学北京市
【文章页数】：58 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
AOA方法定位模型
第2章UWB定位理论基础及实现9标签到达两个基站BS1、BS2的角度分别为A、B。根据三角函数可得方程组如式（2-3）、（2-4），式中，(1,1)、(2,2)、(,)分别为基站BS1、BS2和标签的二维坐标，通过解（2-3）、（2-4）式的方程组便可求得标签的位置坐标。()=11（2-3）()=22（2-4）图2-1AOA方法定位模型2.1.3信号到达时间法（TOA）接收信号时间方法基于脉冲信号在空气中的传播时间得到标签与基站的距离值求解标签的位置[53,54]。光速已知，知道标签(,)到基站(,)(=1,2,3)的传播时间就可以得出标签与基站间的距离。如图2-2，以基站坐标(1,1),(2,2),(3,3)为圆心，标签(,)到基站1,2,3的距离1,2,3为半径画圆，三个圆的交点坐标即为标签的坐标。图2-2TOA方法定位模型图
第2章UWB定位理论基础及实现11图2-3TDOA方法定位模型由上述表述得到方程组式（2-10）{√(2)2+(2)2√(1)2+(1)2=21=21√(3)2+(3)2√(1)2+(1)2=31=31（2-10）因为待测目标节点和基站之间的时钟不同步，所以这里无法直接得到1、2、3的值。但是因为基站之间时钟同步，所以可以得到21=×(21)、31=×(31)。这里信号分别到达各个基站时刻已知，因此可以得到21和31的值，接着通过方程组（2-10）的求解便可得到待测目标节点的位置。2.1.5TOA/TDOA的定位方法比较得益于UWB技术有较高的时间分辨率，与其他算法相比，基于TOA/TDOA定位算法有较高的定位精度，受到很多学者的研究。基于TOA、TDOA定位是利用脉冲信号的传播时间获得标签与各个基站的距离或距离差值实现定位解算的，但两者也有区别。基于TOA定位时，想要获得标签和基站之间高精度的测距值，必须保持标签与基站间的时钟同步，否则会影响定位精度。不同于TOA，TDOA只需要保持基站间的时钟同步，在实际应用时，基站常常位于同一主机服务器，可利用主机时间戳解决基站的时钟同步问题，由此可见，基于TDOA的定位系统更容易实现。但文章以组网的方式将室外坐标传递到室内，需要标签与基站的距离信息，但TDOA得到的是距离差值，无法满足实际需求。随着技术的发展，TW-TOA的出现解决了时间同步的难题，也能得到完整的测距值，受到广泛应用。
【参考文献】：
期刊论文
[1]超宽带NLOS测距误差改正模型[J]. 盛坤鹏,王坚. 北京测绘. 2020(02)
[2]CNS+GNSS+INS船载高精度实时定位定姿算法改进研究[J]. 程风,李海霞,常乐,王力,牛小骥. 测绘通报. 2019(05)
[3]面向相对导航的UWB测距误差估计与补偿方法[J]. 李荣冰,王念曾,刘建业,王智奇. 仪器仪表学报. 2019(05)
[4]一种基于蓝牙的室内定位导航技术[J]. 杨保,张鹏飞,李军杰,路朋. 测绘科学. 2019(06)
[5]全球卫星导航系统的现状与进展[J]. 刘艳亮,张海平,徐彦田,王铎. 导航定位学报. 2019(01)
[6]测距误差改正的超宽带定位系统研究[J]. 王川阳,王坚,余航,韩厚增,宁一鹏. 测绘科学. 2019(01)
[7]基于多点协作联合传输的超密集组网性能分析[J]. 曾孝平,余丰,简鑫,李诗琪,杜得荣,蒋欣,方伟. 电子与信息学报. 2019(03)
[8]矿井NLOS环境下改进UKF超宽带定位算法[J]. 李旭虹,张同丽,张育芝. 西安科技大学学报. 2018(05)
[9]高精度超声波室内定位系统的设计[J]. 潘丽杰,徐本亮,赵飞. 电子世界. 2018(18)
[10]抗差容积卡尔曼滤波及其在UWB室内定位中的应用[J]. 蔡赣飞,徐爱功,洪州,隋心. 测绘科学. 2018(12)
博士论文
[1]超宽带无线传感器网络数据传输跨层优化模型的研究[D]. 高晔方.武汉理工大学 2008
硕士论文
[1]基于RFID标签的室内定位方法研究[D]. 李成龙.曲阜师范大学 2019
[2]超宽带室内空间定位技术研究及系统开发[D]. 朱子阳.北京交通大学 2019
[3]面向UWB室内定位的基站布设方法研究[D]. 钟佳威.深圳大学 2018
[4]TC-OFDM室内定位信号组网及时间同步的研究与实现[D]. 肖占蒙.北京邮电大学 2018
[5]基于镜像虚拟基站的多径辅助室内定位方法[D]. 高天通.北京邮电大学 2018
[6]基于VLC的高精度室内定位系统设计与实现[D]. 邹倩.东南大学 2018
[7]基于自适应WKNN的室内蓝牙定位系统设计与实现[D]. 李经纬.南京邮电大学 2017
[8]基于UWB室内定位算法的研究与实现[D]. 仲江涛.深圳大学 2017
[9]基于WLAN与PDR的室内定位系统设计与实现[D]. 赵迪.华中科技大学 2017
[10]基于UWB雷达传感器的SAR成像应用研究[D]. 刘怀远.电子科技大学 2017
本文编号：2974306
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