uwb室内定位实施方案

《工业控制ｉｔ‘算￣ＪＬ）｝２０１７｛Ｆ　３０巷　６期　１Ｏ３　

基于ＵＷＢ室内定位算法研究　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｉ　ｎｄｏｏｒ　Ｌｏｃａｔｉｏｎ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＵＷＢ　

唐　路　李　奇　（东南大学自动化学院，江苏南京２１００９６）　

摘要：在基于ＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ　Ｗｉｄｔｈ—Ｂａｎｄ）技术室内人员定位系统中，由于电磁波时延特性以及环境复杂多变性，基于飞　

行时间的测距定位方式往往存在非视距误差，非视距误差是影响定位结果准确性的主要因素。采用卡尔曼滤波算法减小非　

视距误差，并通过动静态判定动态调整卡尔曼滤波器参数改善卡尔曼滤波算法带来的定位延迟，实现定位结果动态跟踪，　静态稳定特性　实验结果显示，该算法改善定位过程中遮挡带来的非视距误差影响且具有较好的动静态特性，并在实际工　

业环境下平台验证，静态定位结果稳定性提高１Ｏ％，满足动态跟踪、静态稳定的要求　

关键词：卡尔曼滤波器，ＵＷＢ，室内定位，非视距误差　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｄｏｐｔｓ　ｔｈｅ　Ｋａｌｍａｎ　ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｎｏｎ－ｌｉｎｅ—ｏｆ—ｓｉｇｈｔ　ｅｒｒｏｒ，ａｎｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｄＶ『＇ＴＩ—　ｉｃ　ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ　ｏｆ　ｄｙｎａｍｉｃ　ａｎｄ　ｓｔａｔｉｃ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｋａｌｍａｎ　ｆｉｌｔｅｒ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｋａｌｍａｎ　ｆｉｌｔｅｒ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｅｌａｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｓｉｔｉｏ，ｒｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｗｈｉｃｈ　ａｉｍｓ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｔｒａｃｋｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｔａｔｉｃ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ａｌｇｏ—　ｒｉｔｈｍ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｄｏｐｔｓ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｎＯｎ—Ｉｉｎｅ一０ｆ—ｓｉｇｈｔ　ｅｒｒｏｒａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓｅｘｃｅｌｌｅｎｔ　ｄｙｎａｍｉｃ　ａｎｄ　ｓｔａｔｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓ—　ｔｉｃｓ　Ｂｅｓｉｄｅｓ．ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｔｈｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｓｔａｔｉｃ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｂｙ　１０％　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎｏｎ—ｌｉｎｅ—ｏｆ—ｓｉｇｈｔｅｒｒｏｒ．ｋａｌｍａｎｆｉｌｔｅｒ，Ｕｌｔｒａ—Ｗｉｄｔｈ—Ｂａｎｄ，ｉｎｄｏｏｒ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　

天津大学

硕士学位论文

基于UWB的室内定位技术研究

姓名：张忠娟

申请学位级别：硕士

专业：电磁场与微波技术

指导教师：张瑞峰

2011-12摘要

近年来，随着近距离无线通信和移动技术的不断发展，室内环境下基于位置的服务（ＬＢＳ）越来越得到人们的关注。红外线、蓝牙等传统的室内定位技术，在系统成本、稳定性、定位精度等方面不能完全满足用户需求。而超宽带（ＵＷＢ）技术具有高速数据率，低实现成本，定位精度较其他技术有明显提高等优点，是

现今室内定位领域的首选技术。此外，室内环境复杂多变，其中多径传播与非视

距传播（ＮＬＯＳ）的干扰很大，所以研究恶劣环境下高精度的定位算法是很必要的。本文在研究了ＵＷＢ技术基本概念、信道模型等的基础上，分析了传统无线

定位方法和算法，发现现有定位算法在简单的室内环境下尚能达到较高的精度，但是随着环境的恶化，尤其是随着ＮＬＯＳ测距误差的逐渐增大，已有算法性能显

著下降。而ＮＬＯＳ误差又是室内定位不可忽视的一个关键问题，关系到整个系统的定位精度。本文针对这一问题，在已有混合算法的基础上提出了一种质心

．Ｔａｙｌｏｒ混合定位算法。该算法利用对测距误差不敏感的质心算法对目标进行初始粗定位，然后将其作为Ｔａｙｌｏｒ级数展开法的迭代初值进行二次精细定位，并动

态的将前期定位完毕的节点转化为后续定位过程的参考节点，最大限度的利用不断增加的已知信息，可以在提高Ｔａｙｌｏｒ初值质量的前提下减少预设参考节点数目，降低系统硬件成本。最后采用ＭＡＴＬＡＢ软件进行了模拟仿真。

结果表明，该算法定位性能优越，尤其在ＮＬＯＳ测距误差较大的情况下能有效提高系统的定位精度。

关键词：ＵＷ

Ｂ室内定位Ｔａｙｌｏｒ算法质心算法混合定位ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｎｅａｒｆｉｅｌｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ（ＮＦＣ）ａｎｄｍｏｂｉｌｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｉｎｄｏｏｒ１０ｃａｔｉｏｎ－ｂａｓｅｄｓｅｒｖｉｃｅｓＣＢＳ）ｈａｓｒｅｃｅｉｖｅｄｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｅａｔｔｅｎｔｉｏｎ．ＴｒａｄｉｔｉｏｎａｌｉｎｄｏｏｒｌｏｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｓｕｃｈａｓｉｎｆｒａｒｅｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＢｌｕｅｔｏｏｔｈｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃａｎｎｏｔｆｕｌｌｙｍｅｅｔｕｓｅｒｓ’ｎｅｅｄｉｎｓｙｓｔｅｍｃｏｓｔ，ｓｔａｂｉｌｉｔｙ。ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙａｎｄＳＯｏｎ．ＴｈｅＵＷＢｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｂｅｃｏｍｅｓａｎｅｘｃｅｌｌｅｎｔｃａｎｄｉｄａｔｅｆｏｒｉｎｄｏｏｒｌｏｃａｔｉｏｎａｒｅａｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｓｕｃｈａｓｈｉｇｈｄａｔａｒａｔｅ，ｌｏｗ．ｃｏｓｔａｎｄｈｉｇｈｌｏｃａｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｄｕｅｔｏｔｈｅｍｕｌｔｉｐａｔｈｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎａｎｄｎｏｎ．１ｉｎｅｏｆｓｉｇｈｔ（ＮＬＯＳ）ｏｆｃｏｍｐｌｅｘｉｎｄｏｏｒｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｔｈｅｈｉｇｈａｃｃｕｒａｃｙｏｆｉｎｄｏｏｒｌｏｃａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙｎｅｃｅｓｓａｒｙｉｎｔｈｅｓｅｖｅｒｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．

高精度室内定位技术-UWB

高精度室内定位技术-UWB

先来了解一下定位是怎么工作的。定位的核心技术其实是测距。给定空间中已知三点的具体坐标，和一个未知点到三点的距离，即可算出未知点的坐标。这通常叫做 三边测量定位算法。三边测量定位的几何理解非常简单。

以三个已知点和距离作三个圆，他们交于同一个点，这个点的坐标就是测量点的坐标。然而这是一个理想情况，实际由于测量精度的限制，实际上他们通常交不到一

个点上 ，交出来的是一块有面积的东西。这块面积的大小就是定位精度。当然我们可以通过 更多组的测量 使得相交的面积进一步减小以提高精度。

在这样简单易行的算法的支持下，我们就将定位问题 转化为了测直线距离问题，如何精确计算一个已知点到未知点的距离。GPS的解决方案非常简单粗暴。GPS的本质是一个 授时系统，也就是告诉你卫星发出这个信号的时候是几点几分几秒几毫秒几微秒。而从 GPS到地面有一定距离，无线电波在空气中以光速传播，等传到终端上是已经过去了几微秒，所以我们只要乘上光速就能知道终端到这颗星的距离了。一个要克服的问题是终端的时间并不一定很精确，但如果我们可以通过几颗星之间 两两差值 来算出本地应该有的时间。通过十几颗星一起授时进行修正，最后能很好将精度控制住。提高精度的方法也很粗暴，提高授时精度即可。

这样的模型放在室内定位的时候会遇到什么问题呢？

1、距离太短，时间难测。由于室内定位距离太短，要知道光速是 299,792,458 m/s，跑几米的时间太短了，根本测不精准。所以如果想继续通过授时的方法解决问题，无线电波通常是不靠谱的。当然也不是没有解决方案，比如速度慢得多的声波，一个解决方案就是超声波定位，这个可以是主动等回波来测量，或者被动授时测量，但超声波受多径效应和非视距传播影响很大，设计起来非常捉急。

2、信号遮挡，波长难选。同样无论用超声还是无线电都会遇到这个问题。波长长了，能绕过障碍物，但接收很困难，毕竟手机上不能捆个大锅盖（绕过障碍物 =绕过终端设备）。波长短了，信号很容易被遮挡，导致收不到信号。

课程编号：0802295 课程性质：选修

超宽带室内定位

实习报告

学院：

专业：

地点：

班级：

组号：

姓名：

学号：

教师：

2016年11月1日 至 2015年11月8日

前言

一．实习目的

1.巩固和加深课堂所学理论知识，培养学生理论联系实际、实际动手能力。

2.掌握UWB测距与通信模块套件PulsON 410 RCM的基本使用方法。

3.掌握室内基于TOA以及基于路径损耗测量距离的基本方法。

4.掌握UWB定位基本原理，用Matlab 编写超宽带室内定位算法。

二．实习任务

1.RCM、RET软件的安装与基本操作。

学习RCM RET 软件的安装与使用.

2.室内距离测量与误差分析。

利用一组模块，观测和记录真实距离和距离测量值，用卷尺测量一组给定的实际距离。

3.室内UWB信号穿墙测试。

利用一组模块，分别放置于墙的两边观测穿墙对信号到达时间和接收信号强度的影响。

4.室内路径损耗建模实验。

利用一对模块，测量不同位置和不同距离条件下的路径损耗，建立室内路径损耗模型。

5.室内静态目标定位实验。

固定三个模块的位置并建立一个直角坐标系， 利用距离测量值估计静态目标的位置。

三．实习要求

1．应遵守《电子元器件防静电要求》中的防静电有关规定。

2．实习期间，各组组长应切实负责，合理安排小组工作。应使每一项工作都由小组成员轮流担任，使每人都有练习的机会，切不可单纯追求实习进度。

3．实习中，应加强团结。小组内、各组之间、各班级之间都应团结协作，保证实习任务顺利完成。 4．实习期间认真学习《 超宽带室内定位实习指导书》。

5．实习期间，要特别注意仪器的安全。各组要指定专人妥善保管。每天出工和收工都要按仪器清单清点仪器和工具数量，检查仪器和工具是否完好无损。发现问题要及时向指导教师报告。

6．若发生仪器事故，要及时向指导教师报告，不得私自拆卸仪器，以免造成更大的损失。一旦发生事故，如实写出事故的经过，并作出深刻检查，交给指导老师，根据仪器损害的鉴定结果作出相应的赔偿。