基于超宽带技术的基于超宽带技术的TDOA室内三维定位算法研究室内三维定位算法研究
在室内环境下对目标进行无线定位时,由于障碍物的遮挡而造成的非视距(NLOS)误差对定位精度产生了很大
的影响。针对此问题,对利用超宽带(UWB)技术测量得到的到达时间差(TDOA)数据进行残差分析,首先
鉴别测得的数据中是否存在NLOS误差,然后针对存在NLOS误差的情况,提出将Fang算法得到的定位结果作为
泰勒级数展开法的初始定位值,组成Fang-Taylor级数联合算法来计算NLOS情况下的定位结果。而对于视距
(LOS)情况下测得的数据,仍采用单一的Fang算法进行计算。仿真对比实验表明,Fang-Taylor级数联合算法
有效地提高了室内NLOS环境下目标的定位精度。
摘摘 要:要: 在室内环境下对目标进行无线定位时,由于障碍物的遮挡而造成的
关键词:关键词: 非视距;
随着无线通信技术的高速发展,基于无线通信的定位技术得到了广泛的发展与应用。例如,众所周知的全球定位系统
(GPS),在室外环境下为人们提供了许多便利。
相比于室外环境,室内环境下的无线定位面临着更多挑战[1]。目前室内定位常用的技术有超声波、红外线、蓝牙、Wi-Fi、
ZigBee以及近些年新兴起来的技术——超宽带(UWB)技术。其中,超宽带技术因其诸多优势而广泛应用在室内定位中。超
宽带技术是一种无载波的通信技术,它利用纳秒级或纳秒以下的极窄脉冲信号来传输数据,这使得超宽带信号有着很高的时间
分辨率,进而能够实现很高的测距精度[2]。
用于无线定位的算法很多,包括根据电波到达角度的AOA(Angle of Arrival)算法和信号强度的RSSI(Received Signal
Strength Indication)算法,以及基于到达时间差的TDOA(Time Difference of Arrival)算法或到达时间的TOA(Time of Arrival)算
法[3]。其中,到达时间差的定位算法应用较为广泛。主要因为它不要求传感器与被定位目标之间保持时钟同步。在无线定位
技术中,传感器和目标时钟不同步是个不可消除的不利因素,而到达时间差的定位算法恰恰能克服此不利因素,只要求传感器
之间保持时钟同步。因此,在室内环境下利用到达时间差算法进行定位计算,从一定程度上简化了定位系统的复杂性。
1 定位算法介绍
室内定位的过程中,在主传感器和从传感器时钟同步的情况下,利用到达时间差(TDOA)算法可以得到TDOA测量值,然后
运用定位估计算法来处理得到的定位数据,进而计算出最终的定位结果。具体计算过程是:利用获得的TDOA测量值,可以计
算定位目标和两个传感器之间的距离差,多个TDOA测量值便构成了一组关于目标位置的双曲面方程组,求解该双曲面方程组
就可以得到目标的估计位置。对于目标位置估计的算法可以分为两大类:非迭代算法和迭代算法。非迭代算法即直接算法,比
较有代表性的有Chan算法[4]、Fang算法[5];而迭代算法中比较有代表性的是泰勒级数展开法[6]。
1.1 Fang算法算法
Fang算法利用4个传感器所得到的TDOA测量值来直接估算标签的位置,这种算法计算量小,在视距(LOS)条件下有着很高
的定位精度[3-4]。该算法具体过程如下: