本文關(guān)鍵詞：基于TOA方案的超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)研究

  更多相關(guān)文章： 超寬帶室內(nèi)定位 TOA 雙向測距 WLS算法 Chan算法 Taylor算法

【摘要】：隨著室內(nèi)定位需求的不斷增加,具有良好通信性能以及定位性能的超寬帶(UWB, Ultra-wide Bandwidth)室內(nèi)定位的研究和發(fā)展越來越受到重視。到達(dá)時(shí)間(TOA, Time of Arrival)方案是UWB定位方案的一種經(jīng)典定位方案,該方案是一種基于時(shí)間的定位方案�；跁r(shí)間的室內(nèi)定位方案一般需要設(shè)備間的時(shí)間精確同步才能實(shí)現(xiàn)高精度的定位,但時(shí)間同步定位方案需要在定位系統(tǒng)中增加同步模塊,并且精確同步的實(shí)現(xiàn)會給整個(gè)系統(tǒng)增加額外的能量消耗,這給基于時(shí)間的定位方案的實(shí)現(xiàn)增加了難度。本文提出一種無需時(shí)間同步過程的TOA定位方案。該方案通過雙向測距法實(shí)現(xiàn)定位設(shè)備間的通信,將消息的發(fā)送時(shí)間與接收時(shí)間負(fù)載到數(shù)據(jù)幀進(jìn)行通信,從而完成兩點(diǎn)間測距的過程。本文在decaWave1000的開發(fā)板上完成了測距過程的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,并且針對定位過程提出了一種改進(jìn)的定位算法——多次迭代WLS估計(jì)定位算法。通過硬件環(huán)境的部署和軟件的仿真分析,定位結(jié)果表明無需時(shí)間同步的TOA方案可以完成精確的超寬帶定位,定位精度控制在10cm～30cm之間。與現(xiàn)有的定位方案相比,該方案減小了時(shí)間同步模塊的消耗,通過消息定時(shí)發(fā)送降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗,同時(shí)改進(jìn)的定位算法使得整個(gè)定位系統(tǒng)具有更好的精確性和魯棒性。本文的主要工作包括以下方面：(1)分析目前典型的超寬帶定位方案,包括測距實(shí)現(xiàn)原理以及使用的定位算法原理,指出基于時(shí)間的定位方案可以不采用時(shí)間同步而達(dá)到高精度定位。(2)研究測距過程的雙向測距法,描述雙向測距法的兩個(gè)階段,以及每個(gè)階段的通信過程；通過幀解析說明該算法無需同步而實(shí)現(xiàn)測距的原理。(3)設(shè)計(jì)雙向測距法的狀態(tài)機(jī)實(shí)例,對每個(gè)設(shè)備的工作狀態(tài)過程以及每個(gè)狀態(tài)所做的工作做了詳細(xì)的描述。(4)在硬件平臺上實(shí)現(xiàn)雙向測距法,并且基于測距結(jié)果分別用經(jīng)典的Chan算法和Taylor算法仿真,比較了這兩種算法在精確性和計(jì)算量上的優(yōu)缺點(diǎn)。(5)提出一種基于加權(quán)最小二乘(WLS, Weighted Least Square)法的改進(jìn)定位算法——多次WLS估計(jì)算法,通過仿真分析證明該算法具有優(yōu)于Chan算法和Taylor算法的定位精度和穩(wěn)定性。(6)描述了TOA定位系統(tǒng)的硬件環(huán)境部署過程,傳輸范圍可以達(dá)到150m,定位誤差穩(wěn)定在10cm～30cm之間,最精確的結(jié)果可以達(dá)到2cm,證明了該方案是一種無需時(shí)間同步的低功耗高精度的定位方案。
【關(guān)鍵詞】：超寬帶室內(nèi)定位 TOA 雙向測距 WLS算法 Chan算法 Taylor算法
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN925
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-13
• 第一章 緒論13-19
• 1.1 研究背景13-16
• 1.1.1 室內(nèi)定位的發(fā)展現(xiàn)狀13-15
• 1.1.2 室內(nèi)定位技術(shù)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)15-16
• 1.2 超寬帶室內(nèi)定位的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀16
• 1.3 研究內(nèi)容及意義16-17
• 1.4 論文組織結(jié)構(gòu)17-19
• 第二章 超寬帶室內(nèi)定位的典型實(shí)現(xiàn)方案與定位算法19-31
• 2.1 超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)19-23
• 2.1.1 超寬帶定位系統(tǒng)定位原理19-20
• 2.1.2 超寬帶定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)20-22
• 2.1.3 超寬帶定位系統(tǒng)信道模型22-23
• 2.2 基于測距的超寬帶室內(nèi)定位方案23-25
• 2.2.1 基于到達(dá)時(shí)間的定位23-24
• 2.2.2 基于到達(dá)時(shí)間差的定位24
• 2.2.3 基于到達(dá)信號角度的定位24-25
• 2.2.4 基于信號強(qiáng)度的定位25
• 2.3 基于測距方案的經(jīng)典定位算法25-29
• 2.3.1 三邊測量法26-27
• 2.3.2 三角測量法27
• 2.3.3 最小二乘法27-29
• 2.4 本章小結(jié)29-31
• 第三章 TOA方案測距過程的實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)31-55
• 3.1 測距過程的軟件框架31-36
• 3.1.1 軟件系統(tǒng)組成31-32
• 3.1.2 軟件系統(tǒng)運(yùn)行流程32-36
• 3.2 雙向測距法36-38
• 3.2.1 雙向測距法的搜索階段36-37
• 3.2.2 雙向測距法的測距階段37-38
• 3.3 測距過程的消息收發(fā)方式38-42
• 3.3.1 消息發(fā)送的延時(shí)時(shí)間38-39
• 3.3.2 使用的消息格式39-42
• 3.4 雙向測距法的狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)42-52
• 3.4.1 雙向測距的狀態(tài)設(shè)計(jì)42-43
• 3.4.2 標(biāo)簽的工作狀態(tài)跳轉(zhuǎn)過程43-49
• 3.4.3 錨點(diǎn)的工作狀態(tài)跳轉(zhuǎn)過程49-52
• 3.5 本章小結(jié)52-55
• 第四章 基于經(jīng)典算法的定位過程仿真55-63
• 4.1 基于Chan算法的定位過程55-57
• 4.2 基于Taylor算法的定位過程57-58
• 4.3 經(jīng)典算法仿真結(jié)果分析58-61
• 4.3.1 誤差判定標(biāo)準(zhǔn)59
• 4.3.2 經(jīng)典算法仿真分析59-60
• 4.3.3 兩種算法的比較分析60-61
• 4.4 本章小結(jié)61-63
• 第五章 基于WLS的改進(jìn)定位算法實(shí)現(xiàn)63-73
• 5.1 測距結(jié)果處理過程63-64
• 5.1.1 測距過程的誤差校正63
• 5.1.2 測距過程的數(shù)學(xué)處理63-64
• 5.2 基于WLS的改進(jìn)定位算法64-69
• 5.2.1 多次迭代WLS估計(jì)算法原理64-66
• 5.2.2 多次迭代WLS估計(jì)算法與經(jīng)典算法的比較66-69
• 5.3 環(huán)境搭建與定位結(jié)果分析69-72
• 5.4 本章小結(jié)72-73
• 第六章 總結(jié)與展望73-75
• 6.1 工作總結(jié)73
• 6.2 研究展望73-75
• 致謝75-77
• 參考文獻(xiàn)77-81
• 作者簡介81

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：817478