一种防碰撞卡尔曼滤波UWB TDOA定位算法研究

作     者：雷智杰 

作者单位：海南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：沈重

授予年度：2021年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：超宽带 卡尔曼滤波 时钟同步 偏离指标 网络扩展 

摘      要：高精度的室内信号跟踪和移动物体定位扮演着越来越重要的角色,并且这一技术从以前只用在军事用途到现在已经逐步走向了民用领域,全世界许多科研单位都在从事着高精度室内移动物体位置信息预测的相关研究。因为室内外环境有着较大的差异,室内往往是一个封闭并且有诸多障碍物的空间,是一个对信号传输有着许多干扰的复杂环境,所以对室内节点位置的精准预测是困难且具有挑战性的工作。IR-UWB技术由于其特有的带宽宽,精度高,安全性好,成本低,功耗小等一系列优势,迅速脱颖而出,成为室内定位技术研究的主流。在IR-UWB(Impulse radio Ultra-wideband,IR-UWB)系统中想要精准的得到移动节点的位置信息必须严格执行主基站和从基站之间的时钟同步。因此如何降低主从基站间时钟同步信号所产生的偏移和漂移是提升该系统定位精确度和系统稳定性的重中之重。对于超宽带室内定位主从基站的时钟同步问题,可以采用卡尔曼滤波的方法进行时钟追踪。由于传统的卡尔曼滤波在主从基站时钟同步中遇到错误时,纠错能力和速度都有限,因此对原算法进行了改进,提出一种防碰撞可以纠错的卡尔曼滤波同步算法。新提出的防碰撞可纠错卡尔曼滤波同步算法采取了不可信输入鉴别,引入了偏离指标作为不可信数据的门限值,在错误发生时可以快速的对数据进行平滑处理,防止较大错误的发生。经过仿真证明提出的改进卡尔曼滤波算法能取得更好的时钟同步精度和更强的系统鲁棒性,主从基站时钟同步性能得到较大的提升。IR-UWB系统在实际应用中往往是多区域室内环境,做好IR-UWB系统的多区域网络扩展便十分关键。多区域网络扩展的前提是做好跨区域多基站间的时钟同步问题。首先给出了超宽带室内定位多区域网络扩展的模型,然后给出了两种跨区域多基站实现时钟同步的方案。最后在Hainan EVK RTLS 4.0硬件平台测试系统,搭建了三区域的测试环境,测试数据表明,移动节点在三个不同的区域都能够实现厘米级定位,在使用第三章提出的防碰撞卡尔曼滤波同步算法后,系统的整体性能定位精度都有明显的提升,验证了多区域网络扩展的可行性。