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
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
针对某些特殊的微小区移动通信环境,比如空旷的广场或者大型购物商厦等,移动台(Mobile station,MS)周围散射体可能很少,甚至于为零,在已有模型基础上建立了一种新的3-D空间模型——空心半球体空间模型。散射体均匀分布在移动台附近空间...针对某些特殊的微小区移动通信环境,比如空旷的广场或者大型购物商厦等,移动台(Mobile station,MS)周围散射体可能很少,甚至于为零,在已有模型基础上建立了一种新的3-D空间模型——空心半球体空间模型。散射体均匀分布在移动台附近空间内,而基站(Base station,BS)的位置在离地面有一定的高度。在水平平面和垂直平面内分别推导出来波信号的到达角度(Angle of arrival,AOA)的概率密度函数表达式,另外也研究了信号到达时间(Time of arrival,TOA)的概率密度函数。估计结果与某些2-D和3-D模型对比,表明本模型的信道参数估计符合以往的理论,对空间统计信道模型的研究和应用提供了有效的支持与拓展。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
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
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
为了提高室内三维空间的定位精度,提出了一种基于联合到达时间差与到达角度(time difference of arrival/angle of arrival,TDOA/AOA)信息的混合定位算法。由于构建的目标函数具有非凸性,采用传统定位算法在目标函数求解过程中会出现局...为了提高室内三维空间的定位精度,提出了一种基于联合到达时间差与到达角度(time difference of arrival/angle of arrival,TDOA/AOA)信息的混合定位算法。由于构建的目标函数具有非凸性,采用传统定位算法在目标函数求解过程中会出现局部最优解的问题。因此,针对该问题,将目标函数转成二次约束二次规划问题,通过引入半定松弛(semi-definite relaxation,SDR)方法将目标函数转换为二阶锥规划(second order cone programming,SOCP)问题,寻找全局最优解。其次,针对SOCP无法对凸包外的目标进行有效定位的问题,在该算法的基础上引入了惩罚项,使松弛后的约束条件进一步逼近原始约束条件,解决了定位过程中的凸包问题。数值仿真结果表明:在10m×10m×3m的三维定位空间内,选取40×40个测试点,平均定位误差为1.39cm,可实现室内三维空间高精度定位。与传统的混合定位算法相比,均能够获得较高的定位精度。展开更多
针对现有的两步加权最小二乘(Two-stage Weighted Least Squares,TSWLS)和约束加权最小二乘(Constrained Weighted Least Squares,CWLS)在TDOA/AOA混合定位中可能产生测量矩阵奇异的情况,提出了一种改进的CWLS算法来消除奇异矩阵求逆运...针对现有的两步加权最小二乘(Two-stage Weighted Least Squares,TSWLS)和约束加权最小二乘(Constrained Weighted Least Squares,CWLS)在TDOA/AOA混合定位中可能产生测量矩阵奇异的情况,提出了一种改进的CWLS算法来消除奇异矩阵求逆运算.其主要思想是在约束条件下,用含有移动台位置坐标的价值函数对移动台坐标和附加变量分别取偏微分,分离出引入的附加变量,使移动台位置坐标与附加变量分别位于线性方程的两边,求解关于附加变量的一元二次方程,因此避免了对奇异矩阵求逆的运算.在零均值的高斯白噪声环境下,且移动台位于或接近监测基站阵列中心时,通过MATLAB仿真验证了改进的CWLS算法比TSWLS和CWLS算法均能取得更高的定位精度,可以达到克拉美-罗下界(CramérRao Lower Bound,CRLB).展开更多
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.
文摘针对某些特殊的微小区移动通信环境,比如空旷的广场或者大型购物商厦等,移动台(Mobile station,MS)周围散射体可能很少,甚至于为零,在已有模型基础上建立了一种新的3-D空间模型——空心半球体空间模型。散射体均匀分布在移动台附近空间内,而基站(Base station,BS)的位置在离地面有一定的高度。在水平平面和垂直平面内分别推导出来波信号的到达角度(Angle of arrival,AOA)的概率密度函数表达式,另外也研究了信号到达时间(Time of arrival,TOA)的概率密度函数。估计结果与某些2-D和3-D模型对比,表明本模型的信道参数估计符合以往的理论,对空间统计信道模型的研究和应用提供了有效的支持与拓展。
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.
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。
文摘为了提高室内三维空间的定位精度,提出了一种基于联合到达时间差与到达角度(time difference of arrival/angle of arrival,TDOA/AOA)信息的混合定位算法。由于构建的目标函数具有非凸性,采用传统定位算法在目标函数求解过程中会出现局部最优解的问题。因此,针对该问题,将目标函数转成二次约束二次规划问题,通过引入半定松弛(semi-definite relaxation,SDR)方法将目标函数转换为二阶锥规划(second order cone programming,SOCP)问题,寻找全局最优解。其次,针对SOCP无法对凸包外的目标进行有效定位的问题,在该算法的基础上引入了惩罚项,使松弛后的约束条件进一步逼近原始约束条件,解决了定位过程中的凸包问题。数值仿真结果表明:在10m×10m×3m的三维定位空间内,选取40×40个测试点,平均定位误差为1.39cm,可实现室内三维空间高精度定位。与传统的混合定位算法相比,均能够获得较高的定位精度。
文摘针对现有的两步加权最小二乘(Two-stage Weighted Least Squares,TSWLS)和约束加权最小二乘(Constrained Weighted Least Squares,CWLS)在TDOA/AOA混合定位中可能产生测量矩阵奇异的情况,提出了一种改进的CWLS算法来消除奇异矩阵求逆运算.其主要思想是在约束条件下,用含有移动台位置坐标的价值函数对移动台坐标和附加变量分别取偏微分,分离出引入的附加变量,使移动台位置坐标与附加变量分别位于线性方程的两边,求解关于附加变量的一元二次方程,因此避免了对奇异矩阵求逆的运算.在零均值的高斯白噪声环境下,且移动台位于或接近监测基站阵列中心时,通过MATLAB仿真验证了改进的CWLS算法比TSWLS和CWLS算法均能取得更高的定位精度,可以达到克拉美-罗下界(CramérRao Lower Bound,CRLB).
