【摘要】：在物聯(lián)網(wǎng)時代,精準的位置信息是實現(xiàn)許多智能服務的基礎。為了彌補傳統(tǒng)導航定位在復雜室內環(huán)境下的性能缺陷,室內定位技術應運而生。在眾多室內定位技術中,基于超寬帶技術的測距定位由于其高精度、低功耗、抗干擾能力強等特點成為室內定位技術研究的主流。因此,本文選擇使用超寬帶技術實現(xiàn)測距定位,并開發(fā)相應的定位系統(tǒng),適應不同的應用場合。具體研究內容如下:(1)基于超寬帶芯片DWM1001,設計開發(fā)了超寬帶室內定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件由測距模塊、數(shù)據(jù)交互接口、高頻響應特性電源模塊構成。該系統(tǒng)軟件包含測距、定位、通訊功能,經(jīng)過聯(lián)調測試,該定位系統(tǒng)功能完善,運行穩(wěn)定。(2)針對室內測距結果易出現(xiàn)較大偏差及波動較大的現(xiàn)象,提出了增量卡爾曼濾波器算法。該算法可以濾除測距過程中的系統(tǒng)誤差、量測誤差以及NLOS誤差,并對室內視距(LOS)條件以及非視距(NLOS)條件下進行了測距驗證,精度達到小于10cm的要求。(3)針對不同的定位場景設計了三種不同的定位算法,并制定了相應的定位算法使用策略。針對三個定位基站的定位場景,設計了 TOA定位算法,利用最小二乘估計解算空間球面的交點;針對四個基站的定位場景,設計了 TDOA定位算法,通過TOA測距值作差,利用Chan算法完成空間位置的解算;針對基站排布遵循特殊規(guī)則的定位場景,利用加權K近鄰算法的思想,通過待定位點周圍的已知點位置,完成對待定位位置的估計。適應不同場合的定位算法使得定位系統(tǒng)具有了一定的靈活性。為了使算法能在定位系統(tǒng)上高效運行,對空間定位算法進行了簡化,先將空間定位模型投影至xoy平面,完成平面定位的估計,再根據(jù)平面定位估計值,結合幾何關系完成z方向的定位估計,如此設計使得算法計算量減小,有效地提升的定位系統(tǒng)的性能。(4)依托開發(fā)的超寬帶室內定位系統(tǒng),在室內搭建了 LOS條件以及NLOS條件下測試平臺。測距實驗分別在測距距離為1m和2m,以及超寬帶天線的4個不同的相對旋轉角的條件下進行,經(jīng)過測試,測距精度達到65mm。測距實驗在室內LOS條件下進行了 5個不同位置的定位精度測試,測試結果顯示,LOS條件下定位精度能達到81mm。NLOS條件下的定位測試由于無法完全模擬室內復雜的NLOS環(huán)境,僅在特定的NLOS環(huán)境下以及1個測試點進行了測試,定位精度為56mm,具有一定的參考性。在實驗過程中,各項功能運行正常,系統(tǒng)運行穩(wěn)定,證明硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)設計合理,算法有效地解決了測距及定位精度不準確的問題。
【學位授予單位】：北京交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN925;TN713
【圖文】：

圖１－１基于ＡＯＡ的定位原理逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋ＡＯＡ－ｂａｓｅｄ邋ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ逡逑接收器坐標為（Ｘ／，＿ｙ，），則可以得到入射角信號接收器就有ｎ條這樣的方位線，也就能以得到信號發(fā)射器，也就是待測位置的位的局限性，在平面定位時計算量小，易于同坐標面的夾角，測量難度增大，且計算量間（ＴＯＡ）的定位方法逡逑知固定的信號發(fā)射器位置為（＾，＾），通過號接收器接收的時間〖，乘以信號在空氣中信號發(fā)射器與接收器之間的距離Ｗ１１１。以測器坐標為（ｘ，，邋ｗ）為圓心作圓，同理，可方程，《個方程聯(lián)立求解就能得出圓的交點這種方法的定位原理如圖１－２所示。逡逑

邋邐邐邋ｘ逡逑圖１－１基于ＡＯＡ的定位原理逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋ＡＯＡ－ｂａｓｅｄ邋ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ逡逑己知固定的信號接收器坐標為（Ｘ／，＿ｙ，），則可以得到入射角于兩點坐標的正逡逑切關系式。同理，〃個信號接收器就有ｎ條這樣的方位線，也就能得到《個關系式，逡逑求解《個方程，就可以得到信號發(fā)射器，也就是待測位置的位置為（Ｘ，邋＞；）邋［１Ｇ］。逡逑但是這種方法有一定的局限性，在平面定位時計算量小，易于實現(xiàn)，但用于空間逡逑定位時需要測量與不同坐標面的夾角，測量難度增大，且計算量也隨之增加。逡逑（３）

《＋１個已知位置的信號發(fā)射器，就可以建立ｎ條雙曲線方程，聯(lián)立方程，求逡逑出雙曲線的交點位置（ｘ，＿ｙ）邋Ｐ］，也就是待定位的位置。這種方法的定位原理如逡逑圖１－３所示。逡逑圖１－３基于ＴＤＯＡ的定位原理逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋ＴＤＯＡ－ｂａｓｅｄ邋ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ逡逑這種方法使用兩條雙曲線求解坐標時會得到兩個結果，為了消除位置模糊，逡逑通常使用三條及以上的雙曲線聯(lián)立求解。逡逑１．３國內外研究現(xiàn)狀逡逑１．３．１國外研究現(xiàn)狀逡逑超寬帶技術自１９９０年起對民用領域開發(fā)，而對室內定位技術的研宄起源于逡逑１９９６年的美國，可以說超寬帶技術與室內定位技術的發(fā)展是同步的。逡逑對超寬帶室內定位技術的通常都是以構建相應的超寬帶室內定位系統(tǒng)為背景逡逑的。無論是基于ＲＳＳ、ＡＯＡ還是ＴＯＡ或ＴＤＯＡ，都有對應的超寬帶室內定位系逡逑統(tǒng)的研宄成果。逡逑Ｔｈｏｍａｓ和Ｇｉｇｌ等人提出了基于ＲＳＳ的超寬帶室內定位系統(tǒng)，通過估計超寬逡逑帶信號ＲＳＳ的衰減程度，測出《個信號基站與待定位點的距離，得到》個測距方逡逑程，聯(lián)立求解待定位位置［１４］。經(jīng)過測試，定位精度可達到１．５ｍ，精度較差，但能逡逑滿足一定環(huán)境的應用需求。而且

【參考文獻】

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本文編號：2791554