超宽带室内定位原理及TDOA定位算法作者：李明潘俊臣来源：《科技创新与应用》2017年第02期摘要：室内定位技术是指利用无线通讯、基站定位、惯导定位等多种技术集成形成一套室内位置定位体系，从而实现人员、物体等在室内空间中的位置监控，这一技术可以弥补卫星定位在建筑物内无法定位的缺陷。
目前主要的室内定位技术有红外传播技术、WLAN技术、超声波技术射频识别技术（RFID）、蓝牙技术、ZigBee技术等。
文章主要介绍了超宽带技术在室内定位技术中的应用原理以及TDOA定位算法。
关键词：超宽带；室内定位；TDOA1 概述随着科技的发展与进步，全球卫星定位系统（GPS）已经可以在室外提供稳定、精确的定位导航服务，但在室内或者有障碍物遮挡情况下，GPS因其信号穿透能力较差而无法实现精确的室内定位服务，因此室内定位成为定位导航领域里的“最后一公里”问题。
再加上近年来短距离无线通信和移动网络技术的迅速发展催生了市场对高精度室内定位的强烈需求，所以，如何实现稳定、可靠的室内定位逐渐成为行业内关注的热点。
为解决室内定位这一难题，国内外研究人员尝试了红外传播技术、WLAN技术、超声波技术射频识别技术（RFID）、蓝牙技术、ZigBee技术等。
但受限于作用距离、交互性能、定位精度、抗干扰能力、功耗以及成本等条件，这些室内定位技术都没能广泛推广应用开来。
超宽带（UWB）技术是一种无载波通信技术，其具有的抗干扰能力能强、安全性好、穿透能力强、传输速率高、系统容量大以及功耗非常低等优点使其为室内定位技术提供了另一种可能。
2 超宽带室内定位原理根据美国联邦通信委员会（FCC）的定义，UWB是指相对带宽η大于0.2的信号，即：其中fH和fL分别表示该信号-10dB带宽的高、低频率，fc为中心频率。
图1 最小UWB定位系统如图1所示，最小UWB定位系统主要由标签节点（Tag）、参考节点（Ref）和中央处理模块组成，其中标签节点由被定位者携带其位置是未知的，参考节点与中央处理模块相连，参考节点的位置固定且已知。
基于IODELAY的商速ADC自动校准设计蒲永材，曾熠(中国兵器装备集团自动化研究所，四川綿阳621000)
摘要:文章针对高速ADC数据端易出现时钟、数据相位偏差的问题，提出了一种基于FPGA中自带的IODELAY 模块的自校准设计。文章介绍了该自校准设计实现的硬件平台及FPGA逻辑方法，并对该设计在测试平台上进 行了验证测试，验证结果表明，该技术能够有效地解决ADC数据端出现时钟、数据相位偏差的问题，提高ADC
的性能。关键词:IODELAY;高速ADC;自校准;ADC性能中图分类号:V443.2 文献标识码:A 文章编号=1673-1131(2018)01-0074-02
〇引言本文提出了一种基于XILMX FPGA延时单元IODELAY 的自动校准数据、时钟相位偏差的技术，能够有效地对数据、 时钟相位偏差进行自动校准，提升高速ADC的性能指标，从 而提高整个系统的性能。1 IODELAY模块简介
通过按照FPGA芯片手册中规定的范围选择IDELAYCTRL 参考时钟，可以确定tap延迟分辨率，本设计中参考时钟为 200MHz，每个tap的延时值为78ps。IODELAY资源可用作 IDELAY、ODELAY或组合延迟，本设计中使用IDELAY延
时。固定延迟模式ODELAY_TYPE = FIXED)，在固定延迟模 式下，配置时将延迟值预设置成由属性IDELAY_VALUE确定 的固定tap数，此值配置后不可更改。可变延迟模式(IDELAY_TYPE = VARIABLE),在可变 延迟模式下，可以在配置后^过操控控制信号CE和INC来 改变延迟值,INC为延时的递增/递减tap数,CE为递增/递减 启动。可输入延迟模式（IDELAY_TYPE = VAR_LOAD),在这 种延迟模式下，可以通过IODELAY数据接口写入任意在可变 范围内的延时tap值。2系统描述
2.1系统简介本设计采用XILINX公司的virtex-7系列FPGA为核心 处理器，高速ADC选用ADI公司的AD9467, FPGA作为ADC 的控制单元，对AD9467进行基本的参数配置，并且接收 AD9467进行模数转换后的数字信号，同时FPGA作为一种高
一种改进型陆标定位系统的研制 张长辉;赵柯;王雪晴 【摘 要】传统的陆标定位,采用人工观测、手工绘算的方式,在纸制海图上标绘船位点.这样定位速度缓慢,精度不高,所得出的船位信息无法自动输入到ARPA雷达等现代导航设备中去进行辅助运算.本文提出将现有的陆标定位进行数字化改造,利用现代传感器与舰载电子海图技术相结合,研制出一种改进型的陆标定位系统,该系统的实现可以有效地解决船艇在复杂电磁环境下的导航定位问题.
【期刊名称】《舰船科学技术》 【年(卷),期】2014(036)007 【总页数】6页(P131-136) 【关键词】复杂电磁环境;导航系统;陆标定位 【作 者】张长辉;赵柯;王雪晴 【作者单位】镇江船艇学院,江苏镇江212003;镇江船艇学院,江苏镇江212003;镇江船艇学院,江苏镇江212003
【正文语种】中 文 【中图分类】U675.79 未来的信息化战争将是“陆、海、空、天、电”五维一体的立体化战场，数量庞大、体制复杂、种类多样、功率大的电子信息装备的大量使用，使得战场空间中的电磁信号非常密集，形成极为复杂的电磁环境[1]。在这样环境下，船艇现有的主要导航定位装备，除了不依赖于电磁波工作的磁罗经和电罗经之外，其他几种主要装备由于受其本身工作原理的限制，均会受到不同程度的影响[2]。而磁罗经和电罗经主要用于陆标定位，它的定位原理是与电磁环境无关的平面几何原理，所以利用传统的陆标定位进行复杂电磁环境下的船艇导航定位，具有先天上的优越性[3]。但是由于以往技术条件上的限制，上述定位手段大都采用人工观测、手工绘算的方式，在纸制海图上标绘船位点，所以定位速度缓慢，精度不高，所得出的船位信息无法自动输入到ARPA雷达等现代导航设备中去进行辅助运算。因此，本文提出将现有的陆标定位进行数字化改造，利用现代传感器与舰载电子海图技术相结合，研制一种改进型的陆标定位系统。 由陆标定位原理可知：陆标定位主要是通过测定2个或3个所观测物标的磁方位、物标之间的夹角以及物标高度等要素，进行简单绘算后确定船位。因此，本系统在设计上由绘算部分与观测部分组成[4]。其中观测部分包括伺服平台、图像传感设备、测角系统等；绘算部分包括数据处理中心以及电子海图上层软件。其整体结构如图1所示。 图1中，观测部分主要由手持模块、转台模块和固定模块组成，其中转台模块是设计安装在指挥台上四周空旷的位置，其主要作用是通过船用伺服转台，结合由透雾摄像机和红外镜头组合而成的视频系统，在驾驶室内遥控实现对船艇周围海况N×360°任意方位快速观察的同时，完成当前视野图像的实时传输与采集，并对视野中的任意目标相对船首方向的舷角大小进行自动化高精度测量，为船艇进行快速定位提供关键信息，这次本系统的核心部分。手持模块是根据设备本身对工作环境稳定性的依赖性，相对船载转台完全独立设计的一个部分，可以在指挥台或者驾驶室内由用户手持使用。该部分的主要在用户手持的相对稳定条件下，对5 n mile(约10 km)范围内的陆标进行激光测距。固定模块是相对船艇本身固定而言，该部分主要包括磁航向传感器(配合船载磁罗经使用)和安装在船艇首尾和正横方向上的1组加速度计，分别用来传感船艇罗航向和船艇水平加速度，以供推算船位使用[5]。 绘算部分安装在驾驶室内，主要包括便携式军用工控机、操纵杆、视频采集设备和电子海图等软件系统。该部分的作用是控制伺服转台的运动、获取前端部分各种传感器的回传信息、对所有信息进行综合运算处理、根据数学模型计算出船艇位置并在电子海图上自动标绘。 由系统总体设计可知，本系统中的关键部分是转台模块。 2.1 转台模块的总体设计 转台模块由方位座和俯仰包两部分组成，包括方位轴系、俯仰轴系、驱动器、编码器、轴承、汇流环、限位装置、电子线路以及密封环节等。系统的总体结构如图2所示。 平台的方位和俯仰传动机构由支座，滚珠轴承，空心轴等组成，在其上安装有电机转子和角度测量单元，在俯仰传动轴上固定有支架，用于安装透雾摄像机和红外镜头等组件。通过支架调整装置进行调整以达到传感器光轴与俯仰轴垂直。球型头由方位轴支撑，其俯仰方向的旋转由俯仰伺服传动电机驱动。方位轴中嵌有小型汇流环。汇流环保证经过方位机械传动实现内外部电气(电源、操控、状态、视频)信息的互连。方位、俯仰轴系通过密封环节严密水密，球形本身严格气密，以保证内部各元器件的正常工作。 2.2 转台模块的控制原理 系统接收来自操控台的手柄或计算机的控制指令控制转台运动,采用测速编码器反馈构成速度闭环，接收控制计算机经D/A变换输出的模拟控制电压，进行速度调节，方位编码器和俯仰编码器实时传递方位角度信息和俯仰角度信息给控制计算机，控制计算机通过串口上报转台角度信息给操控台上位机。另外在俯仰的极限位置装有电器止档和机械止档，控制计算机的程序中还设有软件限位功能,伺服转台控制系统原理如图3所示。 2.3 控制计算机 控制计算机是转台模块控制的中心，它的功能主要包括2个方面：一是根据不同的指令进行相应的操作控制，它包括开启与闭合系统，调节传感器，控制方位、俯仰旋转等；二是能完成平台内部的数据处理功能，如伺服系统控制、D/A及A/D变换。 伺服转台通过地址逻辑译码电路分别选通，采用FPGA进行逻辑控制与DSP进行总线扩展接口，实现外部的复杂逻辑控制。控制计算机的硬件结构如图4所示。 2.4 测角单元 测角线路的功能是测量传感器图像所处的舰船坐标系的高度和方位角。为伺服系统提供角位置反馈信息，形成位置闭环。 测角单元包括俯仰测角和方位测角，二路测角原理和组成相同，包括角度传感器(光电-绝对值式轴角编码器)，信号激磁电路，粗/精RDC转换电路，粗/精组合纠错电路，时序发生电路，数据输出缓冲电路等组成。其原理如图5所示，旋转变压器正余弦信号，经RDC电路转换成数字量形式，经组合编码后，得出舰船坐标系的高低角和方位角。 2.5 操控单元方案 操控单元由操纵杆、键盘和数据处理电路组成。操纵杆上的压力传感器和电压转换电路，提供驱动稳定平台方位和俯仰运动的电压偏差量信息；通过两路A/D转换器转换为数字量由单片机读入，通过异步串行接口发送给控制管理模块。键盘主要用于控制系统的状态，键盘命令也通过串行接口发送给控制管理模块。当压力传感器左右压动时，电压值通过运算放大器放大后，送给模/数转换器进行模数转换，转换后的数字量经单片机处理，通过RS232或者RS422串行口以规定的报文格式输出。 本系统中在获取物标之间的水平角时，采用了一次成像法。所谓一次成像法就是针对小于70°的物标夹角，通过一次成像的方式，获取2个物标在同一幅数码照片里所处的位置，通过计算，得到2个物标之间的夹角。这种方法与传统的测角法相比，能够最大程度上消除了分步测量所带来的动态误差，并且只需要2个待测物标同时出现在成像范围之内即可，对瞄准的准确度要求不高，却能保证较好的测量精度。 可通过图6说明一次成像法的理论推导。利用相机对物标A、物标B进行一次成像，则图中物标A、物标B在镜头后面底片上的成像点分别为A点和B点，假定这两点与底片中心线之间的横向距离分别为d2和d1，底片中心线到底片横向外沿的距离为l,那么根据图示不难得出： 也即： 式中，L为数码相片横向象素点数量；D1和D2为相片中物标点偏离相片中心线的象素点数量。β角可以预先测量得到。所以，要测量物标A、物标B相对于摄像机镜头的夹角大小，只需要在事先测得β角的前提下，从数码相片上量出物标A、物标B的像偏离相片中心线的象素点值，即可根据上述公式计算出角α。 该系统所采用陆标定位方法主要有两标方位定位、三标方位定位、三标两角定位、两标距离定位等。在以上诸定位方法中，应用到的船位线主要有方位船位线、距离船位线、水平角船位线。 各种船位线的梯度如下：方位船位线的梯度(min/n mile)；水平角船位线的梯度；距离船位线的梯度gD=1。各船位线的均方差；水平角船位线均方差；距离船位线均方差ED=mD。 只要知道观测值均方差，根据物标与船位之间的距离或两物标间的距离，即可得到船位线的均方差。 利用船位均方误差圆来评定船位的准确性。船位均方误差圆半径为。 两标方位船位的均方误差圆半径为： 三标两角船位的均方误差圆半径为： 式中：mα为观测水平角均方差，(′)；θ为两船位线夹角；DA、DB、DC分别为观测船位到左、中、右标的距离，n mile；DAB和DBC分别为左标与中标、中标与右标之间的距离，n mile。 两标距离船位均方误差圆半径为： 当mD1=mD2时，。 三标定位，由3条船位线确定最概率船位，其均方差为： 式中：Ei,i∈[1,3]为各船位线的均方差；θij,i,j∈[1,3],i≠j。 三标方位定位时，则E1=m1D1, E2=m2D2, E3=m3D3。若m1=m2=m3，三标方位定位的最概率船位的均方差为： 三标距离定位时，最概率船位的均方差为： 式中：mD1， mD2， mD3分别为观测三标距离时的均方差。若mD1=mD2=mD3，则 本系统中所采用的测量仪器有磁罗经(磁航向传感器)、电子六分仪和激光测距仪。其中，本导航系统中激光测距仪的测中范围为5 n mile，测距精度约为1 m；电子六分仪的测角误差为1″，测水平角的误差为3″,磁航向传感器的精度为6分(0°.1)，电子海图屏幕像素为60×60/1024=3′。 本系统测方位时考虑到磁航向传感器的精度，均方差约为±0°.5，罗经差的均方差约为±0°.6，在海图上标绘方位线受屏幕像素影响时均方差为±0°.1，上述各项均为相互独立的误差，故其综合的均方差为 测水平角时，考虑测角误差为0′.6，海图上标绘误差为3′.0，六分仪器差约为1′.0，得到水平角船位线的均方差为 测距时，海图上标绘误差为3′.0，测垂直角误差为0′.=±3′.2。若所测物标高度均方差为mH。测垂直角是求距离船位线的精度与所测物标的高度H和所测垂直角
基于UWB的室内停车场高精度定位系统设计陈旻哲;熊诚;刘守印【摘要】将基于TOA测距的 UWB高精度定位技术运用于室内停车场车辆定位系统.选用 DW1000射频收发器设计定位节点硬件,采用时分复用机制实现多标签共享信道.分析测距误差来源,认为信号飞行时间的测量值相对于真实值的误差应该由节点的时钟漂移、本地响应延迟和飞行时间真实值表示,因此,从该角度详细推导并仿真对比4种测距算法受时钟漂移影响的程度,最终选定改进的SDS-TWR算法进行测距.实验发现天线延迟会给测距结果带来相对固定的偏差,针对这一测距误差,提出通过修正天线延迟参数予以校正.基于均方误差最小化方法,采用约束线性最小二乘定位算法估计标签位置.实验结果表明,测距精度小于4 cm,定位精度不超过20 cm,能够满足室内停车场车辆定位系统的厘米级精度要求.%In the paper,UWB which is a high precision localization technology based on TOA ranging is applied to indoor parking areas localization system.The DW1000 RF transceiver is chosen to design anchors and tags.TDM mechanism is used to achieve that one chan-nel is shared by the multiple tags.The source of the ranging error is analyzed,it is proposed that the error between the measured value and the true value of time of flight of signal should be expressed by the clock drift of the node,the local response delay and the true value of TOF.From this perspective,the ranging error is derived in detail.And ranging errors of four ranging algorithms caused by clock drift are simulated and compared.Finally,the advanced SDS-TWR algorithm is applied.It is found that the antenna delay brings a relatively fixed deviation to the ranging results.To correct this error,it is proposed to adjust theantenna delay parameter.Depending on the mean square error minimization method,the constraint linear least squares localization algorithm is used to estimate the tag position.The result of experiments show that the accuracy of ranging is less than 4 cm,and the accuracy of localization is not more than 20 cm.Therefore, this localization system can meet the requirements of centimeter-level accuracy for indoor parking areas.【期刊名称】《单片机与嵌入式系统应用》【年(卷),期】2018(018)004【总页数】7页(P32-38)【关键词】室内停车场定位;UWB;时钟漂移;天线延迟;最小二乘【作者】陈旻哲;熊诚;刘守印【作者单位】华中师范大学物理科学与技术学院,武汉 430079;华中师范大学物理科学与技术学院,武汉 430079;华中师范大学物理科学与技术学院,武汉 430079【正文语种】中文【中图分类】TN99引言在室内停车场，车速一般被限制在5 km/h以内，即不超过1.39 m/s。
