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
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
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 errormod...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。展开更多
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(t...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。展开更多
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NLO...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。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
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...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。展开更多
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...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。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
针对矿井巷道环境内存在大量的设备和设施,会造成电磁波传播的NLOS(non line of sight)时延、对矿井TOA(time of arrival)定位精度产生不利影响,根据成因将巷道电磁波传播NLOS时延分为随机NLOS时延和固定NLOS时延,分析了两类NLOS时延造...针对矿井巷道环境内存在大量的设备和设施,会造成电磁波传播的NLOS(non line of sight)时延、对矿井TOA(time of arrival)定位精度产生不利影响,根据成因将巷道电磁波传播NLOS时延分为随机NLOS时延和固定NLOS时延,分析了两类NLOS时延造成测距误差的特点。为了分步抑制两类NLOS时延造成的TOA测距定位误差,提出基于改进均值滤波和参数拟合的矿井TOA几何定位算法。针对巷道随机NLOS时延造成的以脉冲形式存在的TOA测距误差,提出基于偏差值丢弃的加权均值滤波算法加以抑制;进而提出依据定位区域巷道固定NLOS时延参数拟合方法,用以抑制其造成的TOA测距正向偏移误差,最后采用几何方法进行目标位置的估计。实验结果表明,提出的方法对巷道NLOS时延造成的TOA定位误差具有显著的抑制作用,能够保证矿井TOA定位的精度。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。
文摘针对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。
文摘针对矿井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。
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。
文摘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。
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.
文摘针对矿井巷道环境内存在大量的设备和设施,会造成电磁波传播的NLOS(non line of sight)时延、对矿井TOA(time of arrival)定位精度产生不利影响,根据成因将巷道电磁波传播NLOS时延分为随机NLOS时延和固定NLOS时延,分析了两类NLOS时延造成测距误差的特点。为了分步抑制两类NLOS时延造成的TOA测距定位误差,提出基于改进均值滤波和参数拟合的矿井TOA几何定位算法。针对巷道随机NLOS时延造成的以脉冲形式存在的TOA测距误差,提出基于偏差值丢弃的加权均值滤波算法加以抑制;进而提出依据定位区域巷道固定NLOS时延参数拟合方法,用以抑制其造成的TOA测距正向偏移误差,最后采用几何方法进行目标位置的估计。实验结果表明,提出的方法对巷道NLOS时延造成的TOA定位误差具有显著的抑制作用,能够保证矿井TOA定位的精度。
