基于TOA与AOA算法的室内定位方法

为了解决传统室内定位技术成本较高、稳定性差以及难于部署等问题,提出一种将到达时间(time of arrival,TOA)与到达角(angle of arrival,AOA)相结合的室内定位系统.该系统由定位基站与被控定位单元组成,其特征在于使用对射式布置的超声波传感器获取定位基站与被控定位单元之间的距离特征,利用角度传感器获取被控定位单元相对于定位基站的角度特征,以单基站就实现了精确的室内定位过程.分析了该系统基本结构与原理,建立定位与控制模型,在一定范围内对其定点定位精度与跟随定位精度进行了实验验证.实验结果表明:该系统结构简单,易于安装布置,鲁棒性强,在测试范围内的最大定点定位误差不超过5 cm,跟随定位误差不超过15 cm.

TECHNOLOGY OF QUANTITATIVE ANALYSIS ON VIBRATORY STRESS RELIEF BASED ON ULTRASONIC TIME-OF-ARRIVAL METHOD

The effect of vibratory stress relief （VSR） is usually evaluated with the indirect method of observing the change of amplitude frequency response characteristics of structures. A new kind of evaluating method of VSR based on the ultrasonic time-of-arrival method （UTM）, which can obtain the residual stress directly through measuring the propagation time of ultrasonic wave in the material, is presented. At first, the principle of the measuring method of residual stress based on UTM is analyzed. Then the measuring system of the method is described, which is in virtue of ultrasonic flaw detector and high-sampling-rate digital oscillograph. And a set of calibration system that contains a piece of standard specimen is also introduced. Experimental results prove the relation between the residual stress and the propagation time of ultrasonic in workpieces. Finally, the measuring and calibration systems are applied in evaluating the effect of VSR. The final test results show that the method is effective.

基于TOA的迭代最小二乘定位算法研究

室内环境中基站与标签之间的距离会受到随机误差的影响,针对超宽带(UWB)系统的定位特性,提出了一种迭代加权最小二乘(IRLS)算法削弱测距随机误差的影响。首先,利用加权最小二乘算法获得标签的三维坐标。其次,通过构建中间变量,利用中间变量与位置坐标的关系构造迭代关系,并通过迭代计算提高标签三维坐标点位精度,得出最优解。仿真结果表明,在静态定位实验中,IRLS算法与经典最小二乘(LS)算法的平均点位误差分别为11.96 cm和13.42 cm,IRLS算法的定位结果优于LS算法;在动态定位实验中,经过卡尔曼滤波算法平滑处理后,IRLS算法的点位精度相比经典LS算法提升了12.82%。因此,IRLS算法可以显著提高UMB定位系统的点位精度。

On Time-of-Arrival Statistic of Gaussian Channel Model

A model of an angle-spread source, termed the “Gaussian Channel Model” is considered. The cumulative distribution function of the Time-of-Arrival of the multipath components is derived for an arbitrary angle spread. The simple approximate expressions for the Time-of-Arrival cumulative distribution function and probability density function are proposed. Numerical results obtained with the help of the derived expressions show the good coincidence with the experimental data and other known results.

基于TOA的联合时延无线传感网节点定位算法

针对无线传感器网络中如何准确获取节点位置信息的问题,研究了多径传播条件下基于到达时间(Time-of-Arrival,TOA)并兼顾路径时延的目标定位问题。所提算法在高斯噪声假设基础上,首先根据时间-距离观测模型推导出包含目标位置坐标及时延的测量方程;然后基于加权最小二乘(Weighted Least Squares,WLS)准则,计算出在目标坐标估计性能上严密逼近Cramér-Rao下界(CRLB)的解;最后通过理论分析得出位置和时延的误差方差及算法开销。仿真测试了单节点及多节点场景下测距误差对定位和延时性能的影响,结果表明,所提出算法的估计性能非常接近CRLB的估计性能,明显优于两步加权最小二乘(Two Step Weighted Least Squares,TSWLS)方法。

TOA联合DOA估计的UWB定位方法

为降低超宽带(ultra wide band,UWB)定位系统运行负担,实现对目标位置的精确化估计,基于UWB定位系统,提出一种信号到达时间(time of arrival,TOA)联合到达方向(direction of arrival,DOA)估计的UWB定位方法。首先,介绍了UWB定位系统模型以及混合参数定位法理论基础。其次,对TOA联合DOA估计算法的理论基础和相关算法进行概述。最后,采用实验仿真的方式,验证该定位方法的有效性和可靠性。结果表明,该定位方法具有简单易行等特点,在估计时延、角度方面表现出较高的精确度,符合实际应用需求。

测距误差分级的室内TOA定位算法

在室内TOA(time of arrival)定位中,严重的多径和非视距现象造成测距误差较大。如何降低测距误差对定位精度的影响是室内精确定位系统的重要挑战。首先介绍了基于RSSI的室内TOA测距误差分级模型(RSSI based indoor TOA ranging errormodel,RITEM),该模型根据测距过程的RSSI值大小,将测距误差划分为4个等级,且各个等级的误差区间和对应的RSSI值区间可以通过现场测试获得。将RITEM应用到定位算法中,提出一种基于误差分级的室内TOA定位算法(ranging error classi-fication based indoor TOA localization algorithm,REC)。算法根据TOA测距过程中的RSSI值和RITEM实时估计测距误差级别和误差范围,利用极大似然法求得定位区域中标签最大概率位置作为定位结果。仿真和实际测试结果显示,在实际室内环境中,REC定位算法具有较高的定位精度,且平均定位误差、定位误差均方差和90%定位误差、最大定位误差等性能明显好于LS、CN-TOAG、Nano算法。

一种基于TOA定位的CHAN改进算法

本文提出了一种基于TOA参数的CHAN改进定位算法.首先利用坐标平移的方法,消除定位方程中的未知参数,得到移动台位置的一次估计;其次通过对一次定位结果误差的分析表明基站的几何位置结构和到达距离对定位误差具有不同的"贡献"度,依据"贡献"度大小的不同,对大"贡献"度采用小权值而对小"贡献"度采用大权值的原则,提出了虚拟基站的方法来减小系统的总体误差,从而提高定位精度.仿真结果验证了本文算法的有效性.

新颖的基于门限比较的脉冲超宽带TOA估计算法

针对IR-UWB(impulse radio-ultra wideband)测距定位系统中目前已有的几种非相干TOA(time of arrival)估计算法的不足,提出了一种基于能量采样序列的最大最小值比(MMR,maximum to minimum energy sample ratio)进行归一化门限设置的TC(threshold comparison)算法。通过仿真考察了最优归一化门限与MMR之间的关系,建立了以MMR为参量的最优归一化门限计算模型。该模型独立于信道模式,具有极好的通用性;同时还考虑了能量积分周期的影响,使得模型无须任何更动即可应用到不同的能量积分周期取值情况下,极大地增强了模型的灵活性。与已有的几种非相干TOA估计算法的性能对比表明,基于MMR进行门限设置的MMR-TC算法在所有信噪比范围内均能取得最优性能,验证了算法的有效性。

一种用于多径环境的超分辨率TOA定位算法

分析了基于来波到达时间(TOA)的定位技术中存在的问题,把时域超分辨率最小范数(Min-Norm)谱估计算法引入到频域TOA估计领域,提出了互相关Min-Norm超分辨率TOA算法,利用互相关技术理论上可消除非相关噪声对算法的影响。仿真结果表明,该算法具有超分辨率特性及强抗噪性,可在小带宽、强噪声背景下获得稳定、准确的时延估计结果,适于在多径效应严重的环境中应用。

基于改进卡尔曼滤波和参数拟合的矿井TOA定位方法

针对矿井TOA(Time of Arrival)定位精度易受电磁波NLOS(Non Line of Sight)传播时延的影响,且不能满足井下应急救援、人员作业管理以及矿井物联网建设等需求的问题,通过对NLOS时延参考模型和矿井巷道设备运动特点的分析,将巷道电磁波NLOS传播时延分为随机NLOS时延和固定NLOS时延,结合两类NLOS时延造成测距误差的特点,提出了基于改进卡尔曼滤波和参数拟合的矿井TOA定位方法。为了消除由矿井巷道中机车等移动设备以及不规律设置设备引起的、具有随机性和难以定量分析等特点的巷道随机NLOS时延误差,设计了将新息阈值引入卡尔曼滤波器中,提高其系统对脉冲误差的滤除能力的方法;为了抑制由矿井巷道中固定设施及设备造成的具有稳定性的巷道固定NLOS时延误差,建立了巷道测距误差模型,构建了井下固有设备参数与定位估计值间的函数关系,通过参数拟合与投影几何算法来提高系统的定位精度。仿真结果显示,测量数据经过基于新息阈值的卡尔曼滤波器处理之后,误差曲线趋于平稳,定位误差保持在1.9~3.1m,再经参数拟合和几何算法处理后,定位误差在0~0.8m,平均误差由2.4m降为0.3m;且相比于SDS-TWR(Symmetric Double-Sided Two-Way Ranging)方法、卡尔曼滤波和指纹定位方法以及卡尔曼滤波和参数拟合方法,所提方法平均定位误差分别减小了3.4,0.4和0.6m。从而表明所提方法对TOA定位误差具有较明显的抑制作用,可以实现TOA方法在矿井NLOS环境中的有效应用。

UWB无线传感器网络中基于匹配滤波检测的TOA估计

深入研究了UWB(ultra wideband)无线传感器网络中基于匹配滤波门限检测的TOA(time of arrival)估计算法.针对现有算法的不足,提出了一种三步TOA估计算法:先确定DP(direct path)搜索区域,然后使用门限检测确定DP的粗略位置,最后精确搜索到DP的中心.其中,用于计算检测门限的门限因子依据匹配滤波输出的峭度动态设置,设置模型独立于信道模式,其正确性通过与使用固定门限因子所获得的性能对比进行了验证.与其他算法的性能对比仿真结果表明,所提出的三步TOA估计算法在运算效率和TOA估计精度上取得了较好折衷,适合于当前实际应用.还通过对TOA估计误差的统计分析讨论了测距结果的可信度:依据峭度将测距结果划分为可信和不可信两个级别,并为各级别的TOA估计误差分别了建立概率密度模型.在定位模块中有效利用这些可信度信息,可进一步提高定位精度.

基于WiFi和计时误差抑制的TOA煤矿井下目标定位方法

针对现有煤矿井下目标定位方法精度不能满足应急救援、井下人员作业管理以及煤矿物联网建设对精确定位的需要,提出基于TOA(Time of Arrival)的煤矿井下目标精确定位方法。针对TOA方法用于目标定位受设备计时误差影响较大,井下巷道呈一维条状分布,无法采用地面常用的二维、三维抑制误差算法,提出基于计时误差抑制的TOA煤矿井下目标定位方法,建立双路WiFi(Wireless Fidelity)信道+单路光纤信道的一维定位方法和信号收发计时方式,在此基础上提出计时误差抑制算法。测试结果证明计时误差抑制算法在采用此定位方法基础上,有效地抑制了设备计时误差造成的测距误差,实测误差不影响定位精度,验证了此方法的定位性能。

WSN节点声测距TOA值频域估计方法

该文研究了节点声测中TOA值的频域估计方法,与基于幅度检测的时域分析法相比,低信噪比下的测距精度高。它采用递归型的Goertzel短时频率分析算法。通过优化声信号频率及Goertzel算法窗口长度,实现了定点计算算法,节点采集测距信号的同时进行TOA值估计。论文还提出了一种多阈值的TOA值估计方法,提高了低信噪比下的TOA值检测精度。算法在一个具有dsPIC6014A微处理器的节点进行了验证。节点测距试验结果表明,该算法在低信噪比下的定位精度较高,可实现25m内的节点测距和定位,测距误差<3%。

非视线传播环境下基于TOA的综合无线定位算法

针对精确无线移动定位系统中影响定位精度的非视线(NLOS)传播误差问题,在简要分析几种最新NLOS误差消除算法的基础上,提出了一种新的基于信号到达时间(TOA)的综合位置确定算法.该算法首先通过残差排序筛选找出距离测量集合中具有最小残差平方和的伪距测量子集合,达到初步消除NLOS误差的目的;然后采用一种简化的伪距尺度约束算法优化伪距尺度因子,从而得到较准确的距离测量值,以进一步提高定位精度.仿真结果表明这种新方法比线性位置线算法和泰勒级数展开最小二乘位置估计算法性能优越,在一定程度上提高了无线定位的准确度.

基于TOA/DOA参数估计的隧道高分辨率无源移动目标定位

精确无源移动目标定位是隧道、矿井巷道等复杂地下空间人员安全、灾后及时施救的关键技术之一。提出一种基于TOA/DOA参数估计的隧道高分辨率无源移动目标定位方法。鉴于隧道巷道内静物回波信号的多径较多且衰落严重,基于特征值分解的零陷设计思路给出适合低信噪比条件下的最小范数强干扰抑制方法,抑制直达波和静物回波多径干扰信号,检测接收移动目标反射波;同时,为了克服隧道内的纳秒级密集多径和背景噪声,提出基于互高阶谱的RMCHS参数估计算法(Root Min-norm based on Cross High-order Specture,RMCHS),在低信噪比条件下进行高分辨率的TOA/DOA参数估计,从而实现基于TOA/DOA参数估计的隧道高分辨率无源移动目标定位。仿真实验表明,提出的强干扰抑制方法和RMCHS算法在隧道/巷道环境下有很强的鲁棒性,显著优于比较算法,减小了噪声和纳秒级密集多径对算法性能的影响。

一种OFDM无线网络TOA估计新算法

为了在OFDM无线网络定位服务(LBS)中实现精确的到达时间(TOA)测量,提出了一种OFDM系统TOA估计新算法.将TOA估计分为整数采样周期TOA估计和小数采样周期TOA估计.接收机利用训练符号的时频特性以迭代搜索的方法获得小数采样周期TOA估计,并利用估计结果修正小数采样周期时延带来的相关谱扩展,利用引导沿检测算法由修正后的相关谱估计整数采样周期TOA.仿真结果表明,该算法在信噪比高于0 dB时TOA估计精度高于相关检测算法,10 dB信噪比下其TOA估计精度比相关检测算法提高一倍以上.同时,可以用降低两个数量级以上的复杂度提供与现有超分辨率算法相当的TOA估计精度.

基于NLOS环境下的TOA/AOA混合定位算法

非视距传播(NLOS)误差是影响各种蜂窝网络定位精度的主要原因.通过计算波达时间(TOA)和波达角(AOA)相对于移动台(MS)参考位置的残差来对NLOS误差进行鉴别,找出含有NLOS的基站.然后利用所得到的关于NLOS的信息,对算法进行加权处理.仿真实验表明,该算法有效的降低了NLOS的影响,可以得到更好的位置估计结果.

基于Bancroft算法的多点定位TOA-LS估计

由于目标信号的发射时间未知,无源定位技术大多利用TDOA(到达时间差)进行目标定位.本文将求解GPS单点定位的Bancroft算法应用于TOA(到达时间)多点定位方程的求解,提出了基于Bancroft算法的无源多点定位TOA-LS(最小二乘)估计算法.TOA-LS包含三个线性方程,其加权系数与目标位置和目标信号发射时间相关.采用Ban-croft算法给出初始值并求解TOA-LS方程,完成加权系数的迭代更新.仿真结果表明对不同几何位置的目标,TOA-LS估计可获得接近理论方差下界的近似最优的性能.

基于超宽带的TOA-DOA联合定位方法

针对现有的大多数超宽带(ultra-wide band,UWB)定位方法至少需要3个基站,系统开销较大的问题,提出一种新颖的基于波达时间-波达方向(time of arrival-direction of arrival,TOA-DOA)联合估计的定位方法,仅需一个基站即可准确快速定位目标。利用酋矩阵束算法估计视距信号TOA和最小二乘估计准则估计视距信号DOA,得到目标的相对坐标。Matlab仿真实验证明,该方法的TOA和DOA估计精度较高,定位精度达到厘米级,而且复杂度降低为矩阵束算法的1/4,采样频率为亚奈奎斯特速率,易于实现,是一种简单有效的定位方法。