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IR-UWB无线传感器网络精确toa测距定位研究

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IR-UWB无线传感器网络精确TOA测距定位研究

作者：杨玲玲太原理工大学

学位级别：硕士

脉冲超宽带(IR-UWB)无线传感器网络(WSN)是近年来新兴的一门热点研究领域,其集合了IR-UWB技术和WSN技术这两门前沿技术的优点,目前由于其远大的发展前景正逐渐受到学术界和工业部门等的极大关注。脉冲超宽带技术采用极窄脉冲发射信号,... 详细信息

脉冲超宽带(IR-UWB)无线传感器网络(WSN)是近年来新兴的一门热点研究领域,其集合了IR-UWB技术和WSN技术这两门前沿技术的优点,目前由于其远大的发展前景正逐渐受到学术界和工业部门等的极大关注。脉冲超宽带技术采用极窄脉冲发射信号,因此具有极宽的频谱带宽和极高的信息传输速率、频谱效率、测距精度等很多方面的优点,故可以将其与WSN结合,从而可解决WSN技术中很多难以解决的问题,所以对IR-UWB无线传感器网络的研究具有非常重要的理论和实践意义。IR-UWB无线传感器网络系统的定位技术研究是当前系统研究的一个重要内容。由于IR-UWB技术具有极宽的频谱带宽的特性,因而具有精确的测距能力。将IR-UWB精确测距技术与WSN定位技术相结合,对WSN节点基于测距的定位技术的定位精度的提高具有非常明显的作用。本文的主要工作如下。1.通过对***测距方式的研究比较,从中确定了基于IR-UWB技术的toa估计是最适合WSN节点定位技术的测距定位方式。2.针对已有基于能量检测的toa估计算法的不足,提出了一种时间平均改进的基于能量检测值的最大最小值比来动态设置门限值的门限比较法(TMMR-TC算法)。仿真结果比较发现,TMMR-TC算法在整个信噪比内均能取得较好性能。3.将TMMR-TC算法同MUSIC算法相结合,提出了一种两步toa估计算法。仿真结果表明,两步法在定位精度上有了显著提高,而且在整个信噪比范围内都有取得了很好的定位效果。

关键词：脉冲超宽带无线传感器网络 toa定位最大最小值

面向地下场景的超宽带导航完好性保护级算法改进

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地球信息科学学报 2024年

作者：徐雯文汤新华潘树国鲍亚川蔚保国东南大学仪器科学与工程学院微惯性仪表与先进导航技术教育部重点实验室卫星导航系统与装备技术国家重点实验室

超宽带测距误差分布表明，在存在显著重尾的情况下，高斯混合模型比简单的高斯概率包络更接近经验分布。通过传统的超界分布（Overbounding Distribution）模型获得的保护水平过于保守，会降低系统可用性。为提高系统可用性，提出了基... 详细信息

超宽带测距误差分布表明，在存在显著重尾的情况下，高斯混合模型比简单的高斯概率包络更接近经验分布。通过传统的超界分布（Overbounding Distribution）模型获得的保护水平过于保守，会降低系统可用性。为提高系统可用性，提出了基于高斯混合模型（GMM）的超界框架来处理基于toa(Time of Arrival)定位的超宽带测距误差样本。首先，结合EM算法获得测距误差的双组分GMM概率密度函数，并修正边界参数，使左右边界均满足双边超界条件，以构建双组分GMM形式的距离域双边超界模型。随后，基于GMM双边超界模型推导出计算位置域保护级（PL）的方法，对距离域的概率密度函数进行卷积以获得位置概率密度函数，求逆运算出PL。最后，开展实验验证应用GMM双边超界模型收紧PL的效果，采集3～93 m范围内的样本数据用于误差模型的构建，真实测试的性能评估表明，基于GMM双边超界模型比传统高斯双边超界模型计算所得的PL减小了20%以上，能够以较小的计算成本收紧PL，增强系统可用性，体现出灵活的高斯混合模型在处理双峰分布时的优越性。

关键词：地下大空间超宽带完好性保护级高斯混合模型超界模型 toa定位误差建模

基于改进均值滤波和参数拟合的矿井toa几何定位方法

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煤炭学报 2015年第5期40卷 1206-1212页

作者：孙继平李晨鑫中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院北京100083

针对矿井巷道环境内存在大量的设备和设施,会造成电磁波传播的NLOS(non line of sight)时延、对矿井toa(time of arrival)定位精度产生不利影响,根据成因将巷道电磁波传播NLOS时延分为随机NLOS时延和固定NLOS时延,分析了两类NLOS时延造... 详细信息

针对矿井巷道环境内存在大量的设备和设施,会造成电磁波传播的NLOS(non line of sight)时延、对矿井toa(time of arrival)定位精度产生不利影响,根据成因将巷道电磁波传播NLOS时延分为随机NLOS时延和固定NLOS时延,分析了两类NLOS时延造成测距误差的特点。为了分步抑制两类NLOS时延造成的toa测距定位误差,提出基于改进均值滤波和参数拟合的矿井toa几何定位算法。针对巷道随机NLOS时延造成的以脉冲形式存在的toa测距误差,提出基于偏差值丢弃的加权均值滤波算法加以抑制;进而提出依据定位区域巷道固定NLOS时延参数拟合方法,用以抑制其造成的toa测距正向偏移误差,最后采用几何方法进行目标位置的估计。实验结果表明,提出的方法对巷道NLOS时延造成的toa定位误差具有显著的抑制作用,能够保证矿井toa定位的精度。

关键词：矿井 toa定位 NLOS时延均值滤波参数拟合几何方法

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基于锥规划的无线传感器网络定位算法研究

基于锥规划的无线传感器网络定位算法研究

作者：张忠义重庆三峡学院

学位级别：硕士

在无线传感器网络的诸多应用中,定位是基础性关键核心技术之一。对于大多数监测服务,没有精确的节点位置信息的感知监测数据往往是没有意义的,定位精度是一个至关重要的性能指标。定位精度主要受到噪声、节点位置误差、非视距(NLOS:Non-... 详细信息

在无线传感器网络的诸多应用中,定位是基础性关键核心技术之一。对于大多数监测服务,没有精确的节点位置信息的感知监测数据往往是没有意义的,定位精度是一个至关重要的性能指标。定位精度主要受到噪声、节点位置误差、非视距(NLOS:Non-Line-of-Sight)误差等因素的影响。在现有的信号到达时间(toa:Time-of-Arrival)、信号接收强度(RSS:Received-Signal-Strength)和信号到达时间差(TDOA:Time-Different-Of-Arrival)等定位体制中,考虑上述影响因素的定位问题数学模型往往存在非线性、非凸性,求解十分不易。近年来发展起来的锥规划理论中,基于线性锥优化的线性规划、二阶锥规划及半定锥规划问题的可计算性,诸多更为复杂的优化问题通过等价地转化为上述模型而得以计算求解,这一特性极具吸引力。如何利用锥的特殊结构,将实际定位问题的数学模型统一到可计算线性锥规划的框架中,扩大我们在理论上对一些定位问题的理解和如何实现近似计算求解,成为一个重要的值得探索的研究方向。鉴于此,本文围绕无线传感器网络中基于toa/RSS的定位优化问题,在对锥规划理论仔细梳理的基础上,针对实际定位场景中的具体问题,主要开展了以下研究工作:1、针对NLOS条件下基于RSS的定位方式,传统的加权最小二乘法、线性最小二乘法存在近似变换缺点,其核心问题是最大似然估计没有全局最优解。本文引入锥规划的优化算法,在NLOS条件下构造基于最小二乘相对误差(LSRE:Least Squared Relative Error)的RSS定位优化模型,引入松弛技术,将最大似然估计的非凸问题转化为凸优化问题,能够得到全局最优解,从而提高定位精度。在仿真实验中,以衡量定位精度的评价指标均方根误差为因变量,以影响定位精度的主要因子,包括噪声标准差,传感器节点数目、NLOS路径个数和最大非视距误差变化逐一作为自变量,进行了本文所提基于半定锥的RSS算法与传统的加权最小二乘法、线性最小二乘法的对比分析,结果表明本文的定位算法在各种对比实验中其均方根误差都小于其它两种传统算法,即本文的基于半定锥的RSS定位算法具有更好的定位精度。2、NLOS条件下利用toa机制进行定位时,同样的,也会产生最大似然估计问题。对最大似然松弛的手段并不唯一,本文在toa定位中引入了二阶锥规划(SOCP:Second Order Cone Programming)方法,并与半定锥规划(SDP:Semidefinite programming)定位算法进行仿真对比分析。同样的,以噪声标准差、NLOS路径个数变化情况及累计分布函数随定位误差的变化等影响定位精度的因子逐一作为自变量,进行均方根误差作为因变量的研究。仿真结果表明,在各种自变量变化的情况下,SOCP算法比SDP算法都具有更好的定位精度。这也为无线传感器网络各种定位机制开展更深入的锥规划算法研究奠定了基础。3、基于LOS/NLOS条件下利用非同步toa定位机制求解过程中产生的非线性非凸性展开研究,主要解决了两个核心问题。首先针对toa定位时钟不同步产生时钟漂移问题,采用一种误差消除方法,将时钟偏移变量消去,有效简化了优化问题的求解。其次针对NLOS数据对定位性能影响严重问题,采用一种有效减少NLOS误差方法,研究一种NLOS路径信息已知时基于凸松弛的toa定位改进算法。与NLOS路径信息未知时基于凸松弛的toa定位改进算法,在NLOS路径数目、噪声标准差、NLOS误差大小的变化作为自变量,均方根误差作为因变量下,进行了仿真对比分析,仿真结果表明方法可以有效降低NLOS数据影响,提高定位算法性能。

关键词：无线传感器网络锥规划 toa定位 RSS定位 NLOS误差

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多基站下基于信号到达时间的室内三维定位

数学的实践与认识 2017年第14期47卷 151-161页

作者：温培博李行健杨文电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室四川成都611731 电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室四川成都610054

对基于无线电信号的到达时间(toa)的定位技术进行了研究.首先,建立了toa测量值与真实值间的函数关系,通过求解含惩罚项的非线性最小二乘问题实现终端定位和噪声估计,并在已有研究的基础上提出了Alternating Iterative Reweighting(AIR)... 详细信息

对基于无线电信号的到达时间(toa)的定位技术进行了研究.首先,建立了toa测量值与真实值间的函数关系,通过求解含惩罚项的非线性最小二乘问题实现终端定位和噪声估计,并在已有研究的基础上提出了Alternating Iterative Reweighting(AIR)算法;其次,利用基站之间的几何位置进行筛选,根据每个终端信息完成自适应的最少基站的选择及定位;并结合物理特性实现终端运动轨迹预测;最后,根据基站通信半径筛选出可被定位终端,完成定位精度与终端平均连接度数之间关系的建模.

关键词： toa定位 AIR算法多目标优化运动轨迹预测

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基于UWB无线传感器网络的定位技术研究

基于UWB无线传感器网络的定位技术研究

作者：王芸江西理工大学

学位级别：硕士

作为一种新兴分布式测控网络技术，无线传感器网络(Wireless sensor Networks,简称WSN)被认为是21世纪改变世界的十大新技术之一，具有非常广阔的应用前景。定位是无线传感器网络的重要支撑技术之，传感器节点实现自定位是提供监测目标... 详细信息

作为一种新兴分布式测控网络技术，无线传感器网络(Wireless sensor Networks,简称WSN)被认为是21世纪改变世界的十大新技术之一，具有非常广阔的应用前景。定位是无线传感器网络的重要支撑技术之，传感器节点实现自定位是提供监测目标位置信息的前提。实现高效、可靠、难确的节点定位对目标跟踪及提．高路由效率具有重要的意义，是目前无线传感器网络应用研究中迫切需要解决的关键技术问题。无线传感器网络常利川GPS来实现定位，但受其节点成本、体积和能最的限制，给无线传感器网络的定位带来了极大的挑战。而越宽带具有定位精度高，发射一功率低，抗干扰能力强等特点门好解决了无线传感器网络定位上的难题，故本文提出了基于超宽带(Ultra-Wideband,简称UWB)龙线传感器网络的定位技术研究，本文所作的主要研究工作如下 1．查阅了大量相关文献后，综述国内外无线传憋器网络及超宽带技术，尤其是节点定位技术的研究现状，将超宽带无线传感器网络的定位测距算法作为本文的研究方向。 2．在分析超宽带特点，针对脉冲成形、脉冲调制及多址技术进行深入研究的毕础上研究发现直扩二进制移相键控(DS-BPSK)调制方式抗多径州二能强于脉冲跳(TH, time hoping)1与脉位调制(PPM)相结合的TH-PPM调制方式 3．分析适合超宽带无线传感器网络的测距技术——基于时间的测距技术，探讨了该技术在室内LOS多径环境下的测距精度，提出了基于toa的超宽带无线传感器网络测距方法。 4.基于脉冲序列最大能量检测的到达时间(Time of Arrival,简称toa)测距算法，采用抗多径性能较强的DS-BPSK调制方式，在室内视距(Line-of-Sight,简称LOS)多径信道环境中传输，研究多径传播及信噪比对测距误差的影响，从而为超宽带无线传感器网络测距定位技术奠定理论基础。综上所述，论文将理论与仿真分析相结合对超宽带无线传感器网络的节点定位技术进行了深入的研究，结合超宽带新型传输技术的优点，为无线传感器网络节点定位白云术提供了一种简单有效的方法，对无线传感器网络技术的发展和应用进行了有益的探索和尝试。

关键词：无线传感器网络超宽带多址调制 toa定位

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公路隧道内运行的危险品车辆监控系统设计

公路隧道内运行的危险品车辆监控系统设计

作者：王要飞北京交通大学

学位级别：硕士

我国是危险品公路运输最为繁忙的国家之一,然而公路隧道重大交通事故频发,尤其是危险品车辆交通事故造成的损失最为严重。传统的基于GPS(Global Positioning System)和北斗的危险品车辆监控系统在隧道内存在两方面问题:一方面,由于隧道... 详细信息

我国是危险品公路运输最为繁忙的国家之一,然而公路隧道重大交通事故频发,尤其是危险品车辆交通事故造成的损失最为严重。传统的基于GPS(Global Positioning System)和北斗的危险品车辆监控系统在隧道内存在两方面问题:一方面,由于隧道对外界电磁波有屏蔽作用,这类系统无法接收外界卫星信号,导致其在隧道中无法进行位置追踪和信息交互;另一方面,这类系统只侧重于对监控信息的管理,缺乏从系统模型的角度对危险品车辆进行可靠性评估。基于上述两点,本文设计了公路隧道内运行的危险品车辆监控系统。具体工作内容如下:(1)设计了公路隧道内运行的危险品车辆监控系统的架构。该系统包括车辆位置监控子系统和车辆状态监控子系统。车辆位置监控子系统利用隧道定位技术对危险品车辆进行位置监控。车辆状态监控子系统有两个功能:一是通过CAN(Controller Area Network)总线监控危险品车辆的运行状态;二是利用GO-Bayes评估危险品车辆制动系统的可靠性,通过反向推理快速查找故障部位,提高监控效率。(2)完成了隧道定位算法和模型的研究与改进。研究了RSSI(Received Signal Strength Indication)测距和toa(Time of Arrival)测距两种测距方法;分析了RSSI的衰减规律,在此基础上提出了改进的RSSI-d模型,提高了远距离测距的精度;分析了基于双向飞行时间法的toa测距方法,并在实际场景中验证了该方法能够实现高精度测距。研究了有测距误差情况下的最小二乘定位算法,通过仿真分析了影响该算法定位精度的因素。(3)完成了危险品车辆制动系统的建模和可靠性评估。分析了危险品车辆制动系统的工作原理,研究了GO-Bayes的建模原理,在此基础上提出了基于GO-Bayes的危险品车辆制动系统可靠性评估模型。当制动系统发生故障时,利用贝叶斯公式对系统中单元的故障概率进行反向推理,故障概率高的单元应当进行重点检查。(4)完成了危险品车辆监控系统部分软件和硬件的开发工作。搭建了危险品车辆位置监控子系统和基于CAN总线的危险品车辆状态监控子系统,开发了危险品车辆位置监控子系统的显示界面,设计了定位模块的硬件电路。最后对系统功能进行验证,实现了对危险品车辆的位置监控和状态监控功能。

关键词：危险品车辆监控货车安全 GO-Bayes 隧道定位技术 RSSI定位 toa定位

自组织网络节点NLOS误差识别、抑制与定位算法仿真研究

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自组织网络节点NLOS误差识别、抑制与定位算法仿真研究

作者：朱雯婷中国科学院大学(中国科学院国家授时中心)

学位级别：硕士

未来社会是网络化和智能化的社会,这是科技和社会发展的必然趋势。在导航定位领域,对于时空信息参考源的网络化感知和时空信息的自主化获取,成为无线电导航定位网络化、智能化的重要体现。自组织网络具有自主化组网、自动化感知、网络... 详细信息

未来社会是网络化和智能化的社会,这是科技和社会发展的必然趋势。在导航定位领域,对于时空信息参考源的网络化感知和时空信息的自主化获取,成为无线电导航定位网络化、智能化的重要体现。自组织网络具有自主化组网、自动化感知、网络节点无损化接入与退出等独特优势,是无线传感器网络中智能化技术的典型代表。当前,自组织网络主要用于节点间无中心化的组网通信,而从网络节点间自主化导航定位的角度,还缺乏系统性的研究。目前所面临的主要问题包括,对于网络节点间通信业务,目前已有的信道模型可满足通信质量的要求;但对于网络节点间的定位业务而言,目前的自组织网络信道模型还无法对网络节点间的视距与非视距信号进行识别,更不能进行非视距信号的抑制,这将导致网络节点间的测距值出现较大偏差,从而影响网络节点间的定位精度。本文以无线传感器网络为研究背景,在无线定位理论基础上,就在NLOS传播环境下自组织网络节点间如何定位的问题进行了探讨,重点对自组织网络节点间的NLOS信号识别、抑制以及节点定位算法进行了研究。本文的主要研究内容和成果如下:(1)以无线定位理论为基础,研究了无线传感器网络中基于toa(Time of arrival,toa)的定位方法模型和参数估计方法,分析了无线传感器网络中NLOS误差对定位精度的影响以及误差的四种分布。(2)研究了自组织网络节点间NLOS信号识别算法。重点介绍基于信号到达参数的误差识别方法中的Wylie方法和信号检测识别方法的原理,仿真结果表明两者都能有效识别NLOS信号,但是两者都缺乏实时性且都适合单锚节点参与的定位。因此研究了基于多项式拟合和虚拟点密度的识别方法。重点研究了基于虚拟点密度的识别方法,分析结果表明,在传播环境恶劣的场景下,该方法能够有效识别信号且具有较强的实时性。(3)研究了自组织网络节点间NLOS信号抑制算法。对NLOS信号抑制方法进行了系统性地分析,针对已有的加权抑制方法存在锚节点数目增多时算法复杂度高的问题,研究了最小残差加权方法,该方法通过选择具有最小残差的锚节点组合抑制NLOS信号的影响。仿真结果表明,该算法能够降低现有算法的复杂度,并且能够有效的抑制NLOS信号。(4)研究了自组织网络节点间定位技术。基于NLOS信号的识别和抑制结果,当网络节点间观测量误差符合高斯分布时,研究了基于运动模式识别的卡尔曼滤波算法,通过建立不同状态的卡尔曼滤波器,对滤波结果加权得到定位结果,仿真结果表明,该算法的定位精度较传统的卡尔曼滤波算法,在x方向提升了23%,在y方向提升了16%;当网络节点间观测量误差为非高斯分布时,研究了考虑NLOS误差的基于残差的粒子滤波算法,仿真结果表明,该算法能够有效的抑制NLOS误差并且能够预测移动节点的轨迹。

关键词：自组织网络 toa定位非视距误差虚拟点密度卡尔曼滤波

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无线传感网协作定位研究

无线传感网协作定位研究

作者：翁志远上海交通大学

学位级别：硕士

在无线传感网络中,位置信息对传感器网络的监测应用非常重要,事件发生的位置或获取信息节点的位置是传感器节点监测内容中所包含的重要信息,没有位置信息的监测消息往往毫无意义。因此,对无线传感网络节点的定位成了当前无线传感网络研... 详细信息

在无线传感网络中,位置信息对传感器网络的监测应用非常重要,事件发生的位置或获取信息节点的位置是传感器节点监测内容中所包含的重要信息,没有位置信息的监测消息往往毫无意义。因此,对无线传感网络节点的定位成了当前无线传感网络研究领域的热点问题,解决该问题对无线传感网络的广泛应用具有重要意义。本文根据当前无线传感网的应用特点,对基于到达时间(toa)测距方法的协作定位问题进行了研究。无线传感网的协作定位精度和许多因素有关。本文把Cramer-Rao定理中的FIM矩阵作为分析工具,分析了在协作定位中,影响定位精度的各种因素。同时本文还从理论上证明了协作定位相对于非协作定位一定可以带来定位精度的提高。针对无线传感网的协作定位问题,本文提出了一种分布式,高精度,低复杂度的定位算法。算法首先利用DV-hop算法的思想,通过计算到基站的跳数来估计节点的初始位置,在得到一个较好的初始位置后,开始迭代计算最优解。算法根据每个节点的CRLB和到最近基站的跳数赋予每个节点一个权重值。在计算非线性最小二乘法时,权重值越大,则该项误差将被优先最小化。仿真结果表明该算法有快速的收敛性,该算法的综合性能优于当前最好的集中式算法SDP。

关键词：无线传感网定位分布式算法 toa定位 Cramer-Rao下界