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    Chan算法在TDOA三維定位系統(tǒng)應(yīng)用性能研究

    2019-10-21 08:03:50明華劉璟李志詠周新宇
    科學(xué)與信息化 2019年6期
    關(guān)鍵詞:超寬帶

    明華 劉璟 李志詠 周新宇

    摘 要 針對發(fā)電廠內(nèi)三維定位的需求,對Chan算法應(yīng)用TDOA三維定位系統(tǒng)的性能進(jìn)行了分析,選取均方根誤差(RMSE)為評價(jià)指標(biāo),進(jìn)行了基站最優(yōu)個數(shù)的仿真研究。在對Chan算法定位性能與基站數(shù)目關(guān)系仿真分析基礎(chǔ)上,構(gòu)建了一套UWB-TDOA定位系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證,仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:論文提出的5基站定位系統(tǒng)能夠滿足實(shí)際定位需求。

    關(guān)鍵詞 超寬帶;Chan算法;TDOA;三維定位

    引言

    UWB(Ultra Wide Band)技術(shù)是一種新型無線通信技術(shù)。該技術(shù)通過對具有很陡上升和下降時(shí)間的沖激脈沖進(jìn)行直接調(diào)制,使信號具有GHz量級的帶寬[1],非常適用于室內(nèi)定位。

    按照測量參數(shù)的不同,UWB定位方法主要有基于信號到達(dá)時(shí)間的定位方法(TOA)和基于信號到達(dá)時(shí)間差的定位方法(TDOA)[2]。

    TDOA與TOA定位精度相當(dāng),但其定位過程中無須待測標(biāo)簽與基站間的同步,只需各基站間的時(shí)鐘同步,這大大降低了同步難度[6]。綜合定位精度、功耗以及容量等方面的考慮[7],本文采用TDOA三維定位方法來實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位。

    當(dāng)信噪比比較高時(shí),TDOA的測量誤差服從高斯分布[8],為了解決這個問題,Y.T.Chan提出了一個使用兩步最大似然估計(jì)來計(jì)算目標(biāo)位置的算法,即Chan算法[9]。本文結(jié)合電廠三維定位實(shí)際需求,對Chan算法應(yīng)用TDOA三維算法中的定位精度與基站數(shù)目進(jìn)行分析和仿真,并基于UWB系統(tǒng)與基站進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

    1基于Chan的三維定位算法研究

    1.1 Chan算法

    Chan算法[10]是一種具有解析表達(dá)式的非遞歸雙曲線方程組的TDOA位置估計(jì)算法。該算法具體過程如下:

    1.2 Chan算法的仿真與分析

    在上一節(jié)中提到,TDOA定位算法的精度會隨基站的變化而有所改變。接下來用MATLAB對Chan算法進(jìn)行仿真,并比較基站個數(shù)對Chan算法的具體影響。在TDOA三維定位中,至少需要四個基站來實(shí)現(xiàn)定位,而在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中,可以采用增加基站個數(shù),利用基站所獲得的冗余數(shù)據(jù)來獲得更好的精度。本節(jié)采用MATLAB仿真,通過逐個增加基站個數(shù)來確定基站數(shù)量對精度的具體影響,其仿真環(huán)境設(shè)置為:TDOA的測量誤差服從理想情況下的高斯噪聲分布 ,標(biāo)準(zhǔn)差為。

    采用四個基站進(jìn)行仿真,基站1,2,3,4坐標(biāo)分別為,,,,待測標(biāo)簽的真實(shí)位置坐標(biāo)為,坐標(biāo)單位均為m。仿真采用均方根誤差(RMSE)作為算法的評估標(biāo)準(zhǔn)。在假設(shè)的仿真環(huán)境中,令=1,進(jìn)行1000次試驗(yàn),可以得到待測標(biāo)簽的估計(jì)坐標(biāo)的散點(diǎn)圖。

    在四個基站坐標(biāo)不變的情況下,依次增加一個基站,基站5坐標(biāo)為,基站6的坐標(biāo)為 ,基站7的位置坐標(biāo)為,采用相同的仿真環(huán)境,進(jìn)行1000次試驗(yàn)。

    將采用四個基站、五個基站、六個基站與七個基站時(shí)的Chan算法RMSE曲線圖放到同一個圖中進(jìn)行對比可得下圖。

    根據(jù)上圖可以看出,采用五個及以上的基站進(jìn)行定位時(shí),相對四個基站的TDOA定位,RMSE值有明顯降低,但基站數(shù)量越多,其降低的程度越來越有限,故在此不再列舉八個及以上基站的情況。當(dāng)TDOA測量誤差標(biāo)準(zhǔn)差在20cm以內(nèi)時(shí),采用五個及以上基站時(shí)其RMSE相差很小,在實(shí)際的應(yīng)用中,TDOA測量誤差可以控制在20cm以內(nèi),由于環(huán)境以及成本的限制,可以選擇5個基站的方案。

    2室內(nèi)三維定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)

    2.1 三維定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    為了驗(yàn)證上述結(jié)論有效性,本文設(shè)計(jì)了一個超寬帶定位系統(tǒng),系統(tǒng)分為標(biāo)簽、基站、上位機(jī)三個部分。系統(tǒng)框架如圖3所示。

    圖4是標(biāo)簽實(shí)物圖,標(biāo)簽包括了超寬帶定位芯片,控制芯片。標(biāo)簽底部則集成了電源管理電路。標(biāo)簽和錨節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。

    圖5是錨節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖,錨節(jié)點(diǎn)包括了超寬帶定位芯片,有線時(shí)鐘同步,電源管理模塊等等。

    2.2 定位實(shí)驗(yàn)

    我們使用上文介紹的三維定位系統(tǒng),使用5個基站以及1個標(biāo)簽,對單點(diǎn)TDOA定位進(jìn)行精度測試。選擇定位基站1為坐標(biāo)原點(diǎn)、定位基站2映射到x軸正半軸,以此建立坐標(biāo)系。根據(jù)各基站間的距離可以得到各定位基站坐標(biāo)分別為:,,,;根據(jù)時(shí)鐘基站到各定位基站間的距離可以得到時(shí)鐘基站坐標(biāo)為,根據(jù)標(biāo)簽到各定位基站間的距離可以得到標(biāo)簽的真實(shí)坐標(biāo)為。對該坐標(biāo)下的標(biāo)簽分別進(jìn)行單次采樣、5次采樣和10次采樣的估計(jì)定位。結(jié)果如下圖示:

    如圖6所示,圖6為單次采樣的定位結(jié)果,其估計(jì)坐標(biāo)為(0.12, -3.55, -0.44),估計(jì)的距離誤差為0.217m。圖7為5次采樣后的估計(jì)結(jié)果,其估計(jì)坐標(biāo)為(0.14, -3.60, -0.54),標(biāo)簽估計(jì)坐標(biāo)與真實(shí)坐標(biāo)的距離誤差為0.112m。圖8為進(jìn)行10次采樣后的估計(jì)結(jié)果,其估計(jì)坐標(biāo)為(0.18, -3.63, -0.62),估計(jì)的距離誤差為0.0538m。由此可以看出,通過多次采樣求均值進(jìn)行標(biāo)簽位置估計(jì)的方法可以有效提高標(biāo)簽定位估計(jì)的精度,而該精度符合我們的預(yù)期要求。

    3結(jié)束語

    本文針對發(fā)電廠內(nèi)三維定位需求,對Chan算法應(yīng)用TDOA三維定位系統(tǒng)進(jìn)行了均方根誤差(RMSE)。本文使用Chan算法針對基站個數(shù)對于定位精度的影響進(jìn)行了仿真分析,通過逐個增加基站個數(shù)來確定基站數(shù)量對精度的具體影響,當(dāng)TDOA測量誤差標(biāo)準(zhǔn)差在20cm以內(nèi)時(shí),采用五個及以上基站時(shí)其RMSE相差很小,最終確定最優(yōu)基站個數(shù)方案為5個。本文還設(shè)計(jì)了一個包含若干個基站和標(biāo)簽的UWB-TDOA定位系統(tǒng),以此進(jìn)行了單點(diǎn)精度測試,單次采樣、五次采樣、十次采樣結(jié)果距離誤差為0.217m、0.112m、0.0538m。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明論文提出的定位系統(tǒng)滿足實(shí)際定位需求。

    參考文獻(xiàn)

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    [4] 馬婧. 基于UWB信號的單基站定位算法研究及AOA定位研究[D]. 青島:中國海洋大學(xué),2013.

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