To improve the accuracy of real-time public transport information release system, a collaborative prediction model was proposed based on cyber-physical systems architecture. In the model, the total bus travel time was...To improve the accuracy of real-time public transport information release system, a collaborative prediction model was proposed based on cyber-physical systems architecture. In the model, the total bus travel time was divided into three parts: running time, dwell time and intersection delay time, and the data were divided into three categories of historical data, static data and real-time data. The bus arrival time was obtained by fusion computing the real-time data in perception layer together with historical data and static data in collaborative layer. The validity of the collaborative model was verified by the data of a typical urban bus line in Shanghai, and 1538 sets of data were collected and analyzed from three different perspectives. By comparing the experimental results with the actual results, it is shown that the experimental results are with higher prediction accuracy, and the collaborative prediction model adopted is able to meet the demand for bus arrival prediction.展开更多
传统基于相干积分结果最大值检测的开环信号到达时间(Time of Arrival,TOA)估计方法性能受限于采样率,TOA估计分辨率无法突破采样间隔限制。针对这一问题,提出一种基于定时曲线匹配拟合的开环TOA估计方法,通过将相干积分结果与定时曲线...传统基于相干积分结果最大值检测的开环信号到达时间(Time of Arrival,TOA)估计方法性能受限于采样率,TOA估计分辨率无法突破采样间隔限制。针对这一问题,提出一种基于定时曲线匹配拟合的开环TOA估计方法,通过将相干积分结果与定时曲线进行最优匹配拟合来估计信号到达时间。以直接序列扩频信号三角形定时曲线为例,首先基于相干积分结果和定时曲线构建拟合误差平方和模型,然后采用牛顿迭代法,通过最小化拟合误差平方和,实现对信号到达时间的最小二乘估计,最后评估了检测信噪比和采样率对估计精度的影响。与传统方法相比,所提方法能够将TOA估计误差的标准差降低50%~97%。该方法可推广应用于其他类型定时曲线。展开更多
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...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.展开更多
A direction-of-arrival （DOA） estimation algorithm based on direct data domain （D3） approach is presented. This method can accuracy estimate DOA using one snapshot modified data, called the temporal and spatial two...A direction-of-arrival （DOA） estimation algorithm based on direct data domain （D3） approach is presented. This method can accuracy estimate DOA using one snapshot modified data, called the temporal and spatial two-dimensional vector reconstruction （TSR） method. The key idea is to apply the D3 approach which can extract the signal of given frequency but null out other frequency signals in temporal domain. Then the spatial vector reconstruction processing is used to estimate the angle of the spatial coherent signal source based on extract signal data. Compared with the common temporal and spatial processing approach, the TSR method has a lower computational load, higher real-time performance, robustness and angular accuracy of DOA. The proposed algorithm can be directly applied to the phased array radar of coherent pulses. Simulation results demonstrate the performance of the proposed technique.展开更多
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...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。展开更多
目标定位是指利用传感信息估计目标在特定坐标系中的空间位置。基于到达时间(Time of Arrival,TOA)或等价的,基于距离的定位方法凭借其高精度特点得到了广泛研究。现有TOA定位方法一般假设传感器位置是精确的,只考虑距离测量噪声。而考...目标定位是指利用传感信息估计目标在特定坐标系中的空间位置。基于到达时间(Time of Arrival,TOA)或等价的,基于距离的定位方法凭借其高精度特点得到了广泛研究。现有TOA定位方法一般假设传感器位置是精确的,只考虑距离测量噪声。而考虑了传感器位置不确定性的文献通常缺少统计学优化与分析,无法得到一致性估计。本文同时考虑距离测量噪声和传感器部署不确定性,将目标位置与传感器坐标均当成未知变量构建最大似然问题。本文首先给出关于观测噪声和传感器空间分布的假设,以保证一致性估计器的存在性。有趣的是,本文分析了最大似然估计性质,证明了其不一定具有一致性。本文进一步变换原始观测方程,构建可最优求解的优化问题。特别地,针对距离测量噪声方差已知情况,构建了含二次目标函数和一个二次等式约束的广义信赖域问题,并给出了其最优解求解算法;针对距离测量噪声方差未知情况,构建了普通线性最小二乘问题,实现目标位置和距离测量噪声方差的同时估计。本文针对两种情况分别提出了相应的偏差消除方法,实现了一致估计,即随着观测数量增加,估计值收敛至真实目标位置。一致性特性使所提算法在大样本观测场景可实现超高精度定位。此外,推导了高斯-牛顿迭代算法,可在观测样本和传感器位置不确定性较小时提高算法定位精度。仿真结果验证了所得理论结果的正确性和所提算法在大样本观测下的优越性。展开更多
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...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.展开更多
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(...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.展开更多
提出了一种基于到达时间(time of arrival,TOA)和到达时间差(time difference of arrival,TDOA)的空中运动平台对目标高精度三维定位的无源定位方法。该方法使用3个辅站信号到空中运动平台的TOA以及辅站位置确定空中运动平台自身的位置...提出了一种基于到达时间(time of arrival,TOA)和到达时间差(time difference of arrival,TDOA)的空中运动平台对目标高精度三维定位的无源定位方法。该方法使用3个辅站信号到空中运动平台的TOA以及辅站位置确定空中运动平台自身的位置,然后依据目标散射回波到达各个辅站与空中运动平台的TDOA确定目标的位置。分析了三维TDOA目标定位模糊产生的原因,提出了一种无模糊的高精度TDOA目标位置求解算法。仿真结果表明,该算法比经典的TDOA定位算法精度高,而且不存在定位模糊,从而验证了该空中运动平台对目标进行无源定位方法的有效性以及正确性。展开更多
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...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.展开更多
基金Project(2011AA010101) supported by the National High Technology Research and Development Program of China
文摘To improve the accuracy of real-time public transport information release system, a collaborative prediction model was proposed based on cyber-physical systems architecture. In the model, the total bus travel time was divided into three parts: running time, dwell time and intersection delay time, and the data were divided into three categories of historical data, static data and real-time data. The bus arrival time was obtained by fusion computing the real-time data in perception layer together with historical data and static data in collaborative layer. The validity of the collaborative model was verified by the data of a typical urban bus line in Shanghai, and 1538 sets of data were collected and analyzed from three different perspectives. By comparing the experimental results with the actual results, it is shown that the experimental results are with higher prediction accuracy, and the collaborative prediction model adopted is able to meet the demand for bus arrival prediction.
文摘传统基于相干积分结果最大值检测的开环信号到达时间(Time of Arrival,TOA)估计方法性能受限于采样率,TOA估计分辨率无法突破采样间隔限制。针对这一问题,提出一种基于定时曲线匹配拟合的开环TOA估计方法,通过将相干积分结果与定时曲线进行最优匹配拟合来估计信号到达时间。以直接序列扩频信号三角形定时曲线为例,首先基于相干积分结果和定时曲线构建拟合误差平方和模型,然后采用牛顿迭代法,通过最小化拟合误差平方和,实现对信号到达时间的最小二乘估计,最后评估了检测信噪比和采样率对估计精度的影响。与传统方法相比,所提方法能够将TOA估计误差的标准差降低50%~97%。该方法可推广应用于其他类型定时曲线。
文摘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.
文摘A direction-of-arrival （DOA） estimation algorithm based on direct data domain （D3） approach is presented. This method can accuracy estimate DOA using one snapshot modified data, called the temporal and spatial two-dimensional vector reconstruction （TSR） method. The key idea is to apply the D3 approach which can extract the signal of given frequency but null out other frequency signals in temporal domain. Then the spatial vector reconstruction processing is used to estimate the angle of the spatial coherent signal source based on extract signal data. Compared with the common temporal and spatial processing approach, the TSR method has a lower computational load, higher real-time performance, robustness and angular accuracy of DOA. The proposed algorithm can be directly applied to the phased array radar of coherent pulses. Simulation results demonstrate the performance of the proposed technique.
文摘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。
文摘目标定位是指利用传感信息估计目标在特定坐标系中的空间位置。基于到达时间(Time of Arrival,TOA)或等价的,基于距离的定位方法凭借其高精度特点得到了广泛研究。现有TOA定位方法一般假设传感器位置是精确的,只考虑距离测量噪声。而考虑了传感器位置不确定性的文献通常缺少统计学优化与分析,无法得到一致性估计。本文同时考虑距离测量噪声和传感器部署不确定性,将目标位置与传感器坐标均当成未知变量构建最大似然问题。本文首先给出关于观测噪声和传感器空间分布的假设,以保证一致性估计器的存在性。有趣的是,本文分析了最大似然估计性质,证明了其不一定具有一致性。本文进一步变换原始观测方程,构建可最优求解的优化问题。特别地,针对距离测量噪声方差已知情况,构建了含二次目标函数和一个二次等式约束的广义信赖域问题,并给出了其最优解求解算法;针对距离测量噪声方差未知情况,构建了普通线性最小二乘问题,实现目标位置和距离测量噪声方差的同时估计。本文针对两种情况分别提出了相应的偏差消除方法,实现了一致估计,即随着观测数量增加,估计值收敛至真实目标位置。一致性特性使所提算法在大样本观测场景可实现超高精度定位。此外,推导了高斯-牛顿迭代算法,可在观测样本和传感器位置不确定性较小时提高算法定位精度。仿真结果验证了所得理论结果的正确性和所提算法在大样本观测下的优越性。
文摘深入研究了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.
基金Supported by the Major Program of the National Natural Science Foundation of China under Grant No.60432040(国家自然科学基金重点项目)
文摘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.
文摘提出了一种基于到达时间(time of arrival,TOA)和到达时间差(time difference of arrival,TDOA)的空中运动平台对目标高精度三维定位的无源定位方法。该方法使用3个辅站信号到空中运动平台的TOA以及辅站位置确定空中运动平台自身的位置,然后依据目标散射回波到达各个辅站与空中运动平台的TDOA确定目标的位置。分析了三维TDOA目标定位模糊产生的原因,提出了一种无模糊的高精度TDOA目标位置求解算法。仿真结果表明,该算法比经典的TDOA定位算法精度高,而且不存在定位模糊,从而验证了该空中运动平台对目标进行无源定位方法的有效性以及正确性。
文摘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.
