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文档简介
1、 uwb定位基础算法及nlos抑制算法分析 陈志远+马哲+梁建超摘要:超宽带(uwb)定位技术测距定位精度高、成本低,比较实用。本文简单介绍了uwb定位技术的基本算法和简单的误差产生原因及一种在非视距(nlos)环境下的抑制算法。关键词:超宽带(uwb)定位技术;基本算法;nlos抑制算法:tn929.5 :a :1007-9416(2017)03-0155-01随着无线通信技术在日常生活中普及,定位技术已经渗透到社会发展各个领域。对于定位技术,全球定位技术gps最令人熟知1。但是gps仅限于在室外环境应用中,而室内定位,由于gps卫星信号无
2、法穿透建筑,且室内环境多径和非视距影响,无法进行精确定位。而超宽带(uwb)定位技术,容易与通信结合,多径分辨能力强,传输速率高,成本相对较低,定位精度高,适用于室内精确定位。所以uwb定位技术在室内定位方面有很大潜力。1 uwb定位算法简介uwb定位技术属于无线定位技术之一,定位精度高1。此算法根据测量参数的不同,主要介绍基于接收信号到达时间、到达时间差的检测方法。1.1 基于到达时间法(toa)toa算法需要建立三个及以上基站且知道位置坐标(x,y),通过测量时信号到达时间t和信号传播速度c,带入公式(x-a)2+(y-b)2=(ct)2。分别将三个基站的相应数据代入上述公式,列出方程组,
3、联立求解得出待测点移动台位置(a,b)。1.2 基于到达时间差法(tdoa)此算法是对基于到到达时间(toa)技术的改进,有两种方式。第一种是测量点信号到基站时间取差值。尽管这样的情况也需要对基站的时间同步,但根据信道传输特性相似,大量减少了多径效应带来的误差影响,提高了计算精度。第二种是发射两种不同的信号,分别测量到达时间并测量,从而得到tdoa的值,这种算法避开了基站和移动台时间不同步的问题,也大大提高了精度。2 误差来源uwb定位系统有许多误差来源,但在现实中los环境(视距传播)下测距基本是不存在的,所以要在nlos(非視距)环境进行测距。2.1 同步与多径目前许多研究重点是基于时间定
4、位方式下的uwb定位技术3,此方式的弊端是:需尽量保持基站间时间同步,优点是:降低了基站、被测点两者之间的同步时间要求。由于uwb工作频率和时间的测量精度非常高、对时间同步要求大,当uwb信号占空比很低、多径传播时,在短距传输中,采用脉冲先后发射后,相对更容易识别。在网络节点密度大、现场复杂、多径严重的环境中,借助有效的多径信道模型进行计算,可进一步提高定位精度。2.2 nlos环境下的障碍物阻挡nlos环境下,信号传播有阻挡,这是现实中最常面临的问题,而且影响uwb定位精度。对引用的基本算法toa/tdoa来说,在信号传播不受阻的情况下,定位精度准确、信号可穿透墙壁等障碍物,但在穿透时传播速
5、度、功率等必然受影响。3 nlos抑制算法经过大量的研究表明,在三维空间中,在无遮挡的视距传播(los)uwb定位中,采用建立5个基站,基站位置采用两个在上两个在下,一个在中的方式定位结果和耗费资金最令人满意。而在nlos环境中,基站超过4个时,会把识别出nlos测量值舍弃,使用los测量数据进行定位分析。考虑到实际环境测量,nlos基站是非常关键的因素,舍弃后无法实现定位功能。此时需要nlos抑制算法来克服这个弊端。此算法将nlos测距值进行重构,使其接近los环境下的测量值并将测量出的nlos下的动态范围值进行平滑,得出平均距离测量值曲线,再将平滑曲线向下移动至los测量值曲线附近,进行对
6、比取值。(1)匹配平滑测量数据时使用n阶多项式。(2)进行数据平滑误差校正后,可计算出所测量出每个距离值和平滑值两者之间偏差,经足够多的采样次数计算后,可发现测量值与平滑曲线最大偏差出现在某一数值t。若每次测量时间间隔比较大且每次测量都据有无关性,则实验结果表明:测距的最大偏差与los条件下距离测量值的方差相似。然后进行下一步操作,将平滑后的曲线下移最大偏差值的距离,此时得到的曲线接近于los距离测量值。4 结语uwb定位技术以其传输速率高、系统容量大、抗干扰能力强、成本低等特点广受人们青睐。自uwb定位技术概念提出以来,越来越多的企业开始研究并投入使用,uwb的发展极具潜力,而在我国处于萌芽阶段,因此,需要大量的研究人员致力于uwb定位技术的发展。参考文献1邬春明.dgps与uwb混合精确无缝定位技术研究j.
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