基于TOA算法的UWB室内定位的定标方法

为了解决到达时间(Time of Arrival, TOA)算法中基站与待定位标签时钟不同步导致定位精度低的问题,基于差分GPS定位技术,提出了一种用于超宽带-到达时间(Ultra Wide Band-TOA,UWB-TOA)室内定位系统的时钟定标方法。在TOA定位算法的基础上,增加一个位置已知、与待定位标签时钟差固定的定标标签,通过定标测试计算待定位标签与定标标签之间固定的时钟差。将该固定时钟差补偿到TOA定位测距中,实现对待定位标签的时钟修正,不仅能提高定位效率还能提高定位精度。在MATLAB中对矩形、叉形、椭圆等轨迹的运动标签在固定时钟差、线性时钟差、非线性时钟差等多种误差下进行定位仿真实验,结果表明所提的时钟定标方法通过补偿提高TOA算法定位精度85%以上,验证了定标方法的正确性和有效性。

改进型DS-TWR的UWB煤矿井下定位方法研究

提出基于改进双边双程测距算法的超宽带煤矿井下定位系统,对双边双程测距算法进行了优化,实现了标签和多个基站同时测距,缩短了测距时间,加快了定位速度;采用卡尔曼滤波对测量到的距离进行滤波处理,提高了测距的精度和稳定性。实验结果表明,定位系统的定位精度可达到厘米级,在模拟煤矿井下环境中(地下通道),平均误差在20 cm内,最小误差为11.06 cm;在室内环境中的平均误差为14 cm内,最小误差为6.49 cm。

基于两步Kalman滤波的NLoS误差抑制算法

针对超宽带(ultra wide band,UWB)定位中影响定位精度的非视距(non line of sight,NLoS)传播误差问题,提出了一种基于Kalman滤波的NLoS误差二次消除方法.该方法利用NLoS误差与测量误差之间的相互独立性,借助Kalman滤波将NLoS误差从总误差中单独分离出来,对其进行实时估计,并将该NLoS误差估计值作为NLoS误差辨别及测距值修正的依据.通过Kalman滤波对到达时间(time of arrival,TOA)测距值进行二次估计、鉴别及修正以提高TOA测距精度,从而实现室内复杂环境下的UWB精准实时定位.仿真实验结果表明:该方法不仅能够对NLoS误差实现良好的跟踪估计,对视距(line of sight,LoS)/NLoS环境转变也具有较强的灵敏感知能力,同时NLoS误差测距值在应用该方法后的定位性能逼近于LoS环境下的理想状态.

基于TOA和DOA联合估计的UWB定位方法

对于UWB定位系统而言,利用时间参数估计信号源的位置需要多个参考节点,这样增加了系统的开销。如果参考节点既能估计目标源的时间参数又能估计角度参数,理论上一个参考节点就可以确定目标源的位置。该文提出一种UWB系统TOA(到达时间)和DOA(到达角度)参数联合估计的定位方法,该方法使用矩阵束算法估计出时间参数和角度参数,进而得到目标的相对坐标。该方法通过单个接收机就可以确定目标的位置,减少了定位系统负担。仿真实验证实了该方法估计时延和角度精度较高,而且定位精度能够达到厘米级,是一种简单可行的UWB系统定位方法。

基于泰森多边形的UWB危化品堆垛仓储货物定位技术

目前我国危化品仓储多采用码垛堆放的存储方式,对于垛距、墙距、顶距、柱距等缺少有效的技术监管手段。在现有的定位技术中,UWB技术可以较好地监测货物码垛位置,但其精度仍无法满足当前监管要求。利用UWB定位技术监测危化品仓储中货物的码垛位置,并从UWB技术的定位原理和影响定位精度的主要因素出发,结合危化品码垛仓储的特点,提出泰森多边形矢量校正法,对危化品仓储货物进行更加精准的定位。实验证明,泰森多边形矢量校正法能够有效提高UWB定位精度,适用于危化品仓储的货物定位和监管。

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。

人体对UWB测距误差影响模型

提出基于人体遮挡应用场景下的UWB信道,通过对TOA测距误差的测量与分析,研究人体遮挡对TOA测距误差的影响。通过搭建合适的测量平台,对测量结果进行处理,建立单侧人体引起的TOA测距误差模型。利用Matlab软件仿真验证人体遮挡应用场景下TOA测距误差的准确性并分析体表爬行波对TOA测距的影响。

UWB TW-TOA测距误差分析与削弱

针对室内环境下UWB TW-TOA测距精度受标准时间偏差和NLOS误差影响明显的问题,采用4阶多项式拟合模型对标准时间偏差进行标定,设计了一种新的基于偏移卡尔曼滤波的NLOS误差鉴别与抑制方法。该方法将测距残差与卡尔曼滤波结合,鉴别出NLOS误差,并将残差值加入到卡尔曼滤波的迭代中,修正卡尔曼滤波的异常值,得到消除NLOS的测量值。利用实测试验对以上算法进行验证,结果表明经过标准时间偏差标定及NLOS误差的鉴别与抑制后,在LOS环境下,UWB TW-TOA测距精度可达到毫米级;在NLOS环境下,测距精度可由原来的0.5 m缩小至0.2 m,证明了本文方法的正确性和可行性。

一种基于能量加权检测的UWB测距方法

针对无线传感器网络节点低成本、低运算能力的特点,该文为基于超宽带(UWB)的无线传感器网络提出了一种基于能量加权的到达时间(TOA)估计方法。这种方法由直达径(DP)能量窗加权检测和DP在能量窗内位置精确估计两部分组成。文中给出了DP能量块检测概率和估计结果的闭合表达式,通过理论和数值分析了积分长度,子能量块个数等系统参数对于TOA估计性能的影响。通过仿真结果进行了性能比较和误差分析,结果表明,该算法在保持能量检测方法低采样率特点的同时,在性能上相对传统算法有了较大提升。

无线传感器网络中基于超宽带的TOA/AOA联合定位研究

提出一种基于超宽带(ultra wideband,UWB)信号到达时间估计(time of arrival,TOA)/到达角度估计(angle of arrival,AOA)联合估计的无线传感器网络(wireless sensor networks,WSNs)定位方案,只需要一个参考节点就可以实现对其他传感器节点的2D相对定位,并且不需要时钟同步,适合于传感器网络节点的低成本设计需求.利用往返时间(round trip time,RTT)进行TOA估计,给出了基于多径检测的TOA估计算法;利用到达时间差估计(time difference of arrival,TDOA)进行AOA估计,因而无需借助复杂的天线波束赋形技术.同时,分析了定位误差模型对定位性能的影响,并通过IEEE802.15.4a信道下的仿真实验进行了验证,结果表明了所提方案的有效性.

基于TOA估计的超宽带快速定位方法

提出一种基于波达时间估计的脉冲超宽带定位方法,能够以较低的复杂度准确定位目标。文中算法利用功率时延谱对时间的一次导数构造多项式,把功率时延谱中搜索峰值的问题转化为多项式求根,可以降低搜索功率时延谱最大峰值的复杂度。由于该算法处理的是频域信号,文中设计了一种新型接收机模型,能够输出接收信号的等效频域采样值,而且能大大降低系统对ADC高采样速率的要求。Matlab仿真实验证明,该方法的TOA估计精度达到0.1 ns,定位精度达到厘米级,同时又易于工程实现。

UWB室内信道下一种低复杂度的TOA估计新算法

针对室内信道,提出一种基于UWB多径信号中最强路径检测的TOA估计算法.通过卷积运算进行最强路径搜索,进而完成TOA估计.TOA估计过程不依赖视距路径(line-of-sight path)检测,适合于NLOS(non line-of-sight)情形,且最强路径搜索避免了阈值设置过程,相比LP搜索计算复杂度低.通过对IEEE.802.15.4a标准下NLOS信道模型的仿真实验,讨论了各参数估计偏差对定位性能的影响,验证了本定位算法在室内多径信道下的适用性.

基于子空间的DS-UWB系统高分辨率低复杂度时延估计

研究了在室内多径衰落信道下直接序列超宽带(DS-UWB)系统的时间延迟估计问题,提出了一种基于子空间的高分辨率、低复杂度的时延估计方法。该方法将滑动相关输出的时间平均相关矩阵分解成信号和噪声子空间,然后用MUSIC谱计算,再通过最大值搜索获取时延估计。将滑动相关的时间分辨率与传统相关MUSIC方法的计算复杂度进行了对比。计算机仿真结果表明,在多径时延差接近一个切谱(Chip)周期情况下,新的算法能够有效分辨出多径时延,性能明显高于传统的滑动相关方法。

基于UWB的无线传感器网络中的两步TOA估计法

为了设计一种以较小运算量获得较高测距精度的TOA(time of arrival)估计算法以适合节点运算能力有限的UWB(ultra wideband)无线传感器网络,提出了一种结合能量检测与匹配滤波的两步TOA估计方法.分析了该方法的工作原理,指出了第1步中DP(direct path)块检测成功率及第2步中匹配滤波门限因子设置的重要性.通过仿真对影响DP块检测成功率的两个因素,即DP块检测算法的选用和能量积分周期的设置进行了讨论.提出了依据能量采样序列中DP块与最小块比值DMR(DP to minimum energy sample ratio)动态设置匹配滤波门限因子的思想,并为其建立了数学模型.仿真结果表明,两步TOA估计方法在运算量比单一的基于匹配滤波的相干算法小很多的情况下,获得了比单一的基于能量检测的非相干方法更好的TOA估计性能,从而更适合应用于有低复杂度、低能耗设计需求的传感器节点中.

基于Kalman滤波的UWB的TOA估计

提出了一种基于卡尔曼滤波的TOA估计算法,充分利用了卡尔曼滤波的预测功能,以预测值为中心对接收信号进行加窗处理,对此窗口内的接收信号作主成份分析得到测量值,然后对预测值进行修正.实验结果表明,与传统的TOA估计算法相比,该算法不仅使信噪比提高了约8～12 dB、均方误差降低了3～4个数量级,而且更便于实时实现.

基于主成分分析的UWB信号的TOA估计算法

提出了利用主成分分析法估计信号在超宽带(UWB)系统中的波达时间(TOA)的算法。算法先对带有噪声的接收信号的相关矩阵进行主成分分析,求出信号特征值对应的特征向量,然后把接收信号分别投影到上述的各个信号特征向量上,求投影之和。通过设置复杂度和采样频率较低的阈值,比较了主成分分析法和MEP算法的时延估计精度。仿真结果表明,主成分分析法时延估计误差小于12 cm的概率大于90%,而MEP算法的概率小于45%。

基于TOA/TDOA超宽带无线定位算法的改进

在充分研究了超宽带无线传输技术特性的基础上,对超宽带无线定位的原理进行了探讨。首先详细介绍了超宽带测距和定位的原理,对超宽带定位的精度进行了仿真分析。然后,针对超宽带Ad Hoc网络实际应用中节点数目比较多的情况,引入了节点的相关性来提高超宽带的定位精度,并进行了仿真分析。仿真结果显示了此算法在网络节点数比较多的情况下对定位精度有比较好的提高效果。

脉冲超宽带定位单元设计及应用测试

脉冲超宽带技术(Impulse Radio-Ultra Wideband,IR-UWB)具有传输速率高、测距精度高、抗多径干扰能力强、功耗低的优点。采用IR-UWB技术可有效解决现有定位系统定位精度差、定位精度不稳定的缺点。应用IR-UWB技术设计射频定位系统通信节点,采用双向双边测距算法(Symmetric Double-Sided Two-Way Ranging,SDS-TWR)保证测距精度,在室内环境对测距误差进行了测试,并采用到达时间(Time of Arrive,To A)定位算法设计定位单元,测试结果表明IR-UWB定位技术在室内可达到分米级定位精度。

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。

适用于NLOS环境的UWB定位方案研究

给出一种适用于NLOS环境的UWB定位方案,提出基于最强路径SP(trongest path)检测的TOA(time of arrival)估计,移动终端MT(mobile terminal)只需检测到2条不同方向的SP就可以完成与固定站FS(fixed station)之间的定位,且无需考虑障碍物位置,并同样适合LOS情形。通过对IEEE.802.15.4a中3种NLOS信道模型的仿真,分析了信道冲激响应和SP搜索区域的关系以及方案中各参数对定位性能的影响,结果表明NLOS环境中无法检测直射路径时,此定位方案是行之有效的。