【摘要】：在軍事行動、反恐作業(yè)及消防救援等場景中,獲取無人機、艦艇及人員等的位置信息是至關(guān)重要的。應(yīng)急救援事件往往發(fā)生在盲環(huán)境下,即作業(yè)實施的位置和環(huán)境信息是未知的,依靠獨立目標(biāo)來獲得高精度、高可靠性的位置估計,往往是難以實現(xiàn)的。本文針對盲環(huán)境中的定位特點,在點到點相對定位系統(tǒng)、TOA測距誤差建模、點到點相對方向識別算法、多點相對定位算法上進行了研究,論文的內(nèi)容和成果包括:(1)提出了一種基于旋轉(zhuǎn)TOA測量的點到點相對定位系統(tǒng),解決了盲環(huán)境中無基礎(chǔ)設(shè)施難以完成點到點相對定位的問題。將點到點相對位置關(guān)系抽象為相對高度、相對距離和相對方向,利用大氣壓與高度的關(guān)系估計高度差,利用TOA測距估計二者間距。為了估計點到點相對方向,提出了一種將“旋轉(zhuǎn)TOA測距”與“模板匹配”結(jié)合的方法。由主動定位人員手持測量設(shè)備旋轉(zhuǎn)一圈,采集一系列測距值和相對方向角,作為測量序列;根據(jù)主動定位人員、測量設(shè)備與定位目標(biāo)形成的幾何關(guān)系計算獲得模板序列;通過模板匹配計算,估計點到點相對方向�，F(xiàn)場實測實驗驗證了系統(tǒng)的可行性。(2)建立了基于α-穩(wěn)態(tài)的TOA測距誤差模型,對包含大量脈沖噪聲的TOA測距誤差進行建模。該模型使用α-穩(wěn)態(tài)對測距誤差進行了建模與參數(shù)分析,α-穩(wěn)態(tài)分布又稱重尾分布,能夠描述脈沖噪聲的重拖尾特征。通過實測數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進行擬合,反應(yīng)了通過旋轉(zhuǎn)測量采集的TOA測距誤差中包含大量的脈沖噪聲,驗證了模型的正確性。通過使用K-S假設(shè)檢驗方法,對該模型進行了對比驗證。對比結(jié)果表明,相較于高斯分布、廣義極值分布和對數(shù)正態(tài)分布,均具有較好的擬合度。(3)提出了一種基于MCC-DTW的點到點相對方向識別算法,抑制了脈沖噪聲和非均勻采樣的影響。該算法利用最大相關(guān)熵準(zhǔn)則(Maximum Correntropy Criterion,MCC)核函數(shù)作為模板匹配的代價計算函數(shù),通過提取高階矩信息,使用指數(shù)下降權(quán)值系統(tǒng),有效抑制TOA測距結(jié)果中具有大幅度沖激的脈沖噪聲的影響;利用動態(tài)時間規(guī)整(Dynamic Time Warping,DTW),通過對模板序列的拉伸和壓縮,建立模板序列與測量序列間的最短路徑,有效解決由人工測量等原因造成的非均勻采樣問題。多場景中實測結(jié)果證明,該算法可以有效抑制了脈沖噪聲和非均勻采樣的影響,驗證了算法的有效性和可靠性。(4)提出了一種不依賴于精確初始坐標(biāo)的多點相對定位算法,降低了算法對初始坐標(biāo)精度的依賴。該算法利用外部罰函數(shù)法(Exterior Penalty Function,EPF),在算法中加入懲罰機制,強化對可行域外的數(shù)據(jù)點的懲罰,迫使求解不斷靠近約束可行域內(nèi)。此外,對于體積較大且自身具有固有形狀特征的定位目標(biāo),采用多點部署方案,將幾何約束條件引入到算法中,以幾何特征點作為TOA測量點,增加定位目標(biāo)間的距離約束,優(yōu)化算法求解的可行域。仿真和現(xiàn)場實際測試結(jié)果都表明該算法在采用隨機初始坐標(biāo)時,定位精度明顯高于LM算法、Powell算法,驗證了該算法可有效降低對初始坐標(biāo)準(zhǔn)確程度的依賴性,而且加入了幾何約束后可以獲得更高的定位精度。
【圖文】：

逡逑本文的主要研究內(nèi)容與挑戰(zhàn)如圖１－２所示：逡逑－邋邐逡逑ｆ；邋Ｉ邋Ｉ高度Ａ大氣壓強邋Ｉ邋１．無基礎(chǔ)設(shè)施如何利用ＴＯＡ測距逡逑＾邋Ｉ距離ｄ邋Ｔ０Ａ測距邐Ｉ邐剪見點ＪＩＪ點、sE碰邐｜逡逑ｍ邐邐邐廣」逡逑定邋Ｌａ邋旋轉(zhuǎn)ｔｏａ測距逡逑械相度邋＋模板Ｋ配算法／邋Ｉ邋２．復(fù)雜環(huán)境造成的脈沖噪聲逡逑■邐＼邋｜邋３．人工測量導(dǎo)致的非均勻采樣逡逑鋈初始坐標(biāo)。最優(yōu)化函數(shù)邐ｐＭｎＨＨＨＢＢＢＨＢＨＨＨＨＨｑ逡逑爸邐一，、，，，，ｌ邋、邐４．盲環(huán)境中無法獲取初始坐標(biāo)逡逑簽邐定位結(jié)果坐標(biāo)（ｕ）邐ＩＭ１１丨｜｜ｉｉＢｉｉｒｉＩｉｉｍｉｉｉ＿＿＿■ｍａ逡逑圖１－２研究內(nèi)容與挑戰(zhàn)逡逑（１）邋點到點定位逡逑＞無基礎(chǔ)設(shè)施如何利用ＴＯＡ測距實現(xiàn)點到點相對定位逡逑盲環(huán)境中無法獲得來自預(yù)先布設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施提供的定位支持，且定位區(qū)逡逑域的地圖信息未知，具有測量環(huán)境復(fù)雜、定位難度大等特點，典型應(yīng)用場景逡逑如火災(zāi)救援等應(yīng)急救援環(huán)境。在傳統(tǒng)定位系統(tǒng)中，基于ＴＯＡ測距的目標(biāo)定位逡逑需要至少４個點參與定位；若僅有兩點參與定位，則無法明確目標(biāo)點位置。逡逑為了引出以及便于說明后續(xù)的研宄挑戰(zhàn)，在此首先對本文中的第一項創(chuàng)逡逑新點進行簡要介紹，詳細(xì)說明請見第３章。本文中將點到點相對定位視為相逡逑對高度、相對距離和相對方向的統(tǒng)一。其中

圖１－３本文創(chuàng)新點逡逑１．３．１基于旋轉(zhuǎn)ＴＯＡ測距的點到點相對定位系統(tǒng)逡逑盲環(huán)境的最重要的特點之一，即沒有定位基礎(chǔ)設(shè)施，無法進行如衛(wèi)星定逡逑位、無線定位基站定位、ＷｉＨ定位等。為了在無基礎(chǔ)設(shè)施的定位條件下，利逡逑用基于ＵＷＢ的ＴＯＡ測距技術(shù)進行點到點相對定位，本文提出了一種基于旋逡逑轉(zhuǎn)ＴＯＡ測距的點到點相對定位系統(tǒng)，將點到點相對定位認(rèn)為是相對高度、相逡逑對距離和相對方向的統(tǒng)一，分別從這三方面進行估計。其中，相對高度通過逡逑大氣壓測量完成，距離估計可以通過ＴＯＡ測距實現(xiàn)。逡逑為了利用ＴＯＡ測距結(jié)果進行相對方向估計，，本文提出一種將“旋轉(zhuǎn)ＴＯＡ逡逑測距”與“模板匹配”相結(jié)合的點到點方向識別方法。理論上，在無噪聲干逡逑擾的理想環(huán)境下，當(dāng)主動定位人員面向定位目標(biāo)進行ＴＯＡ測量時，對應(yīng)測距逡逑值最�。划�(dāng)主動定位人員背向定位目標(biāo)時，對應(yīng)測距值最大；而在旋轉(zhuǎn)測量逡逑過程中，ＴＯＡ測距值應(yīng)隨著旋轉(zhuǎn)角度的變化而具有穩(wěn)定的變化規(guī)律。將主動逡逑
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：E11;TN925

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本文編號：2678000