卞佳興，朱 榮，陳 玄

(武漢大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，武漢 430072)(*通信作者電子郵箱zhurong@whu.edu.cn)

基于改進(jìn)雙向測(cè)距-到達(dá)時(shí)間差定位算法的超寬帶定位系統(tǒng)

卞佳興，朱 榮*，陳 玄

(武漢大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，武漢 430072)(*通信作者電子郵箱zhurong@whu.edu.cn)

針對(duì)傳統(tǒng)無(wú)線定位技術(shù)在室內(nèi)定位精度不高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于超寬帶(UWB)技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)。首先，提出了定位服務(wù)器與移動(dòng)端APP實(shí)時(shí)交互的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，解決室內(nèi)移動(dòng)人員自主定位與導(dǎo)航的問(wèn)題。其次，在雙向測(cè)距(TWR)算法中增加一條無(wú)線電信息以減小時(shí)鐘偏移引起的測(cè)距誤差，從而提高算法性能。最后，將通過(guò)到達(dá)時(shí)間差(TDOA)定位算法得到的雙曲面方程組進(jìn)行線性化處理后結(jié)合Jacobi迭代法完成求解，避免了使用標(biāo)準(zhǔn)TDOA定位算法難以直接解算的情況。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)在樓道房間等場(chǎng)景中能穩(wěn)定工作且定位誤差控制在30 cm以?xún)?nèi)，相比基于WiFi、藍(lán)牙等技術(shù)的定位系統(tǒng)在定位精度上提高了10倍左右，能夠滿(mǎn)足在復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境中的精確移動(dòng)定位需求。

室內(nèi)定位；超寬帶；雙向測(cè)距；到達(dá)時(shí)間差

0 引言

隨著智能設(shè)備的普及和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，人們對(duì)室內(nèi)定位的需求也日益增加。基于室內(nèi)的位置服務(wù)可以支持許多應(yīng)用場(chǎng)景，比如公共安全及應(yīng)急響應(yīng)、定位導(dǎo)覽和交友互動(dòng)等。基于全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System, GPS)和地圖的位置服務(wù)已被廣泛應(yīng)用，但由于GPS定位信號(hào)無(wú)法穿透建筑物，其在室內(nèi)已無(wú)法正常工作。為了克服GPS的定位缺陷并實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境中的精確定位，國(guó)內(nèi)外研究人員在室內(nèi)定位中引入了紅外線、WiFi、藍(lán)牙、ZigBee、超聲波、射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification, RFID)等多種技術(shù)。紅外線[1]由于本身的特性覆蓋范圍較窄，而且易受外界環(huán)境的影響，定位精度只能達(dá)5 m。WiFi[2]、藍(lán)牙[3]、ZigBee[4]只能定位約幾十米的區(qū)域，其定位精度也只能達(dá)3 m，無(wú)法滿(mǎn)足精確室內(nèi)移動(dòng)定位需求。超聲波[5]室內(nèi)定位受多徑和非視距的影響，室內(nèi)定位效果較差。而RFID[6]技術(shù)只能進(jìn)行存在識(shí)別，無(wú)法實(shí)時(shí)定位，定位精度也在5 m左右。

超寬帶(Ultra WideBand, UWB)[7]技術(shù)是一種無(wú)載波的通信技術(shù)，它利用納秒級(jí)或納秒以下的極窄脈沖信號(hào)來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，這使得超寬帶信號(hào)有著很高的時(shí)間分辨率，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)很高的定位精度，而且其功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低，能夠基本彌補(bǔ)上述技術(shù)的缺點(diǎn)，將會(huì)成為未來(lái)室內(nèi)定位的優(yōu)先選擇之一。因此，本文基于超寬帶技術(shù)設(shè)計(jì)了一套無(wú)線室內(nèi)定位系統(tǒng)，采用改進(jìn)的雙向測(cè)距(Two-Way Ranging, TWR)算法提高測(cè)距精度，針對(duì)到達(dá)時(shí)間差(Time Difference Of Arrival, TDOA )算法在誤差存在的情況下難以求解的問(wèn)題，提出了改進(jìn)的TDOA定位算法，最后基于Android平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。將該系統(tǒng)應(yīng)用到電廠巡檢人員定位的場(chǎng)景，實(shí)驗(yàn)證明了整個(gè)系統(tǒng)的可行性，定位算法的精度達(dá)到30 cm。系統(tǒng)可以對(duì)電廠中需要追蹤的巡檢人員位置進(jìn)行實(shí)時(shí)精確定位，同時(shí)也可以幫助巡檢人員導(dǎo)航。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出的室內(nèi)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由標(biāo)簽、基站、路由器、定位服務(wù)器以及移動(dòng)端APP組成。標(biāo)簽由巡檢人員隨身攜帶，基站安裝在工廠四周，當(dāng)巡檢人員在該局域網(wǎng)內(nèi)通過(guò)手機(jī)登錄移動(dòng)端APP后，就可以在工廠內(nèi)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精確定位與導(dǎo)航。以4個(gè)定位基站組成的系統(tǒng)為例，理論上可以覆蓋上萬(wàn)平米左右的范圍，增加基站數(shù)可以進(jìn)一步擴(kuò)大定位場(chǎng)景。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

標(biāo)簽在固定的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送超寬帶信號(hào)，各定位基站截獲此信號(hào)后調(diào)用測(cè)距算法獲得與標(biāo)簽之間的距離，然后將距離信息通過(guò)路由器以無(wú)線方式傳送至定位服務(wù)器，最后由定位服務(wù)器調(diào)用定位算法對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行定位并將定位結(jié)果實(shí)時(shí)推送至移動(dòng)端APP顯示。因此，整套系統(tǒng)的工作流程主要由測(cè)距和定位兩個(gè)部分組成，精確的測(cè)距算法是實(shí)現(xiàn)精確定位的前提和基礎(chǔ)。

2 測(cè)距算法設(shè)計(jì)

距離測(cè)量是超寬帶定位的第一步。雙向測(cè)距(TWR)[8]是通過(guò)確定兩個(gè)物體之間信號(hào)的飛行時(shí)間來(lái)計(jì)算距離，物體之間的距離可以用無(wú)線電波的速度與飛行時(shí)間相乘計(jì)算得到。本文采用改進(jìn)的TWR算法，提高了測(cè)距階段的測(cè)距精度。

2.1 TWR算法

系統(tǒng)的超寬帶無(wú)線收發(fā)模塊選用半導(dǎo)體公司DecaWave推出的DWM1000模塊[9]。如果使用一對(duì)DWM1000，分別設(shè)計(jì)為設(shè)備A和設(shè)備B。設(shè)備A作為距離測(cè)量的發(fā)起者可以發(fā)起測(cè)距請(qǐng)求，而設(shè)備B作為響應(yīng)者可以偵聽(tīng)和響應(yīng)設(shè)備A發(fā)來(lái)的無(wú)線電信息，那么對(duì)于基本的雙向測(cè)距可以作如下描述：A給B發(fā)送一個(gè)無(wú)線電信息并記錄它的發(fā)送時(shí)間戳t1，B接收到了信息并在一個(gè)特定的時(shí)延treplyB后發(fā)送一個(gè)回復(fù)給A，最后A接收到回復(fù)并記錄一個(gè)接收時(shí)間戳t2。其測(cè)距過(guò)程如圖2所示。

利用各自的本地時(shí)鐘，設(shè)備A可以知道自己的發(fā)送時(shí)間戳t1和接收時(shí)間戳t2，從而計(jì)算出計(jì)算出往返時(shí)間：

troundA=t2-t1

(1)

而設(shè)備B可以知道自己的時(shí)延treplyB，則信號(hào)的飛行時(shí)間可以由下面的公式確定：

TOF=(t2-t1-treplyB)/2

(2)

如果認(rèn)為無(wú)線電波在空氣中的傳播速度等于光速c的話(huà)，那么A和B之間的距離R可以由下面的公式計(jì)算得到：

(3)

圖2 雙向測(cè)距過(guò)程

2.2 改進(jìn)的TWR算法

在使用上述的雙向測(cè)距方法來(lái)進(jìn)行測(cè)距時(shí)，由于時(shí)鐘偏移會(huì)引起較大的誤差[10-11]。假定設(shè)備A和設(shè)備B相對(duì)于它們的標(biāo)稱(chēng)頻率都有一個(gè)固定的時(shí)鐘偏移誤差，分別設(shè)為eA和eB。接下來(lái)對(duì)TWR算法的誤差進(jìn)行分析，并考慮如何對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。在雙向測(cè)距過(guò)程中，設(shè)備A的往返時(shí)間為：

troundA=2TOF+treplyB

(4)

提取出飛行時(shí)間：

(5)

考慮到時(shí)鐘偏移，設(shè)備A實(shí)際得到的飛行時(shí)間估計(jì)為：

(6)

則飛行時(shí)間估計(jì)與真實(shí)的飛行時(shí)間之間的差值為：

(7)

為了減少時(shí)鐘偏移引起的誤差，需要對(duì)上述的雙向測(cè)距算法進(jìn)行改進(jìn)。本文設(shè)計(jì)的一種改進(jìn)做法是：當(dāng)A接收到回復(fù)并記錄一個(gè)接收時(shí)間戳t2后，再經(jīng)過(guò)一個(gè)特定的時(shí)延treplyA發(fā)送一個(gè)無(wú)線電信息給B并記錄自己的發(fā)送時(shí)間戳t3，最后B接收到了信息并記錄一個(gè)接收時(shí)間戳t4。圖3展示了這種改進(jìn)的雙向測(cè)距過(guò)程。

利用t0和t4，設(shè)備B可以計(jì)算出往返時(shí)間troundB；利用t1和t2，設(shè)備A可以計(jì)算出往返時(shí)間troundA；treplyA和treplyB均已知，則可以得到：

TroundA=TreplyB+2TOF=t2-t1

圖書(shū)館以積分的形式實(shí)時(shí)累計(jì)、查詢(xún)、顯示某段時(shí)間(年度、季度或月)讀者的閱讀量，再利用最新的網(wǎng)絡(luò)科技手段創(chuàng)新閱讀文化活動(dòng)，使閱讀的專(zhuān)欄集趣味性、導(dǎo)讀性和參與性一體，激發(fā)讀者閱讀的主觀能動(dòng)性，更進(jìn)一步強(qiáng)化閱讀興趣。如武漢大學(xué)圖書(shū)館開(kāi)展的“拯救小布之消失”的經(jīng)典活動(dòng)，以動(dòng)漫游戲的方式，讓讀者通過(guò)娛樂(lè)回答與名家經(jīng)典相關(guān)的問(wèn)題，完成闖關(guān)?；陂喿x積分制的閱讀推廣平臺(tái)可以參考此方式，使讀者獲得閱讀積分，贏得禮品，晉升等級(jí)，滿(mǎn)足自己的成就感和自豪感。通過(guò)閱讀積分制，在讀者和讀者之間形成一種閱讀競(jìng)爭(zhēng)的場(chǎng)面[4]。

(8)

TroundB=TreplyA+2TOF=t4-t0

(9)

那么，信號(hào)的飛行時(shí)間可以表示為：

TOF=(troundA-treplyA+troundB-treplyB)/4

(10)

對(duì)改進(jìn)的雙向測(cè)距算法也進(jìn)行誤差分析?？紤]到時(shí)鐘偏移，設(shè)備B實(shí)際得到的飛行時(shí)間估計(jì)為：

(11)

則飛行時(shí)間估計(jì)與真實(shí)的飛行時(shí)間之間的差值為：

(12)

令treplyA=treply，treplyB=treply+Δreply，那么差值變?yōu)椋?/p>

(13)

比較兩種測(cè)距方式的誤差可知，Δ2<Δ1，即采用改進(jìn)的雙向測(cè)距算法在時(shí)鐘偏移的情況下比基本的雙向測(cè)距算法具有更高的測(cè)距精度。

圖3 改進(jìn)的雙向測(cè)距過(guò)程

3 定位算法設(shè)計(jì)

3.1 TDOA定位算法

目前，超寬帶定位技術(shù)通常運(yùn)用到達(dá)時(shí)間差(TDOA)[12-13]方法來(lái)實(shí)現(xiàn)定位。假設(shè)三維空間中分布著N個(gè)定位基站，定位標(biāo)簽的位置為(x,y,z)，第i個(gè)基站的位置為(xi,yi,zi)，其與定位標(biāo)簽之間的距離為Ri(i=1,2,…,N)，則基于TDOA的三維定位分布示意圖如圖4所示。

圖4 基于TDOA的三維定位分布示意圖

定位標(biāo)簽作為被定位的目標(biāo)，其位置需要調(diào)用定位算法被實(shí)時(shí)解算出來(lái)；而定位基站作為定位的參考節(jié)點(diǎn)，其位置在調(diào)用定位算法之前已知。TDOA定位算法的具體計(jì)算過(guò)程是：在前面測(cè)距的過(guò)程中可以獲得標(biāo)簽與每個(gè)基站之間的到達(dá)時(shí)間(即信號(hào)的飛行時(shí)間)，每?jī)蓚€(gè)到達(dá)時(shí)間之間的差值就是TDOA測(cè)量值，利用TDOA測(cè)量值可以計(jì)算出定位目標(biāo)與兩個(gè)基站之間的距離差，多個(gè)TDOA測(cè)量值計(jì)算距離差的方程便構(gòu)成了一個(gè)關(guān)于目標(biāo)位置的雙曲面方程組，求解該方程組就可以得到目標(biāo)的估計(jì)位置。

由此可以得到TDOA方程組：

(14)

其中τi就是各自對(duì)應(yīng)的飛行時(shí)間估計(jì)TOF，各基站與定位標(biāo)簽之間的距離為：

(15)

3.2 改進(jìn)的TDOA定位算法

標(biāo)準(zhǔn)TDOA定位算法中的雙曲面非線性方程組難以求解，本文利用數(shù)學(xué)方法對(duì)非線性方程組進(jìn)行了線性化處理?？紤]到測(cè)距誤差和非視距(Non-line Of Sight, NLOS)誤差的存在，并沒(méi)有采用Fang算法[14-15]之類(lèi)的非迭代算法進(jìn)行直接解算，而是基于Jacobi迭代法[16]進(jìn)行求解，避免了非迭代算法無(wú)法直接解算的情況。

首先，將式(15)兩邊同時(shí)取平方可得：

Ri2=Ki-2xix-2yiy-2ziz+x2+y2+z2

(16)

定位標(biāo)簽與第i個(gè)基站和與基站1的距離差為：

Ri,1=cτi,1=c(τi-τ1)=Ri-R1

(17)

其中τi,1為T(mén)DOA的測(cè)量值。由于：

Ki-2xix-2yiy-2ziz+x2+y2+z2

(18)

令i=1可得：

R12=K1-2x1x-2y1y-2z1z+x2+y2+z2

(19)

式(18)～式(19)，整理后可以得到：

(20)

其中：xi,1=xi-x1，yi,1=yi-y1，zi,1=zi-z1。把x、y、z看成未知數(shù)，式(20)就變成了線性方程組。

AX=b

(21)

其中，系數(shù)矩陣A和矩陣b均為常數(shù)矩陣，式(21)表示的是一個(gè)線性方程組，求解出線性方程組中x、y、z的值便可以得到標(biāo)簽的位置坐標(biāo)。

由于測(cè)距過(guò)程中會(huì)有誤差，而且當(dāng)其中某個(gè)或某些基站與標(biāo)簽之間存在NLOS通信時(shí)，還會(huì)帶來(lái)NLOS誤差，TDOA的3個(gè)雙曲面就無(wú)法交于一點(diǎn)，而是形成一定的區(qū)域，目標(biāo)的估計(jì)位置就將落在這一隨機(jī)區(qū)域內(nèi)，顯然，使用Fang算法之類(lèi)的非迭代算法直接進(jìn)行求解是得不到估計(jì)位置的值的。

本文基于Jacobi迭代法進(jìn)行了求解，可以得到目標(biāo)估計(jì)位置的精確近似值。Jacobi迭代法計(jì)算公式簡(jiǎn)單，每迭代一次只需計(jì)算一次矩陣和向量的乘法，且計(jì)算過(guò)程中原始矩陣A始終不變，比較容易并行計(jì)算。

基于Jacobi迭代法求解的主要步驟：

1)用兩個(gè)一維數(shù)組X0=(x0,y0,z0)和X1=(x1,y1,z1)存放相鄰兩次的迭代結(jié)果。任意選定初始向量存放在X0中。用(X0)i、(X1)i分別表示第i個(gè)數(shù)組元素。

3)用變量ε存放迭代誤差界，當(dāng)δ<ε時(shí)，停止迭代，(X1)i(i=1,2,…,n)為近似解。

圖5 改進(jìn)的定位算法工作流程

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)包括硬件實(shí)現(xiàn)和軟件實(shí)現(xiàn)兩部分。在硬件實(shí)現(xiàn)部分，為基站和標(biāo)簽設(shè)計(jì)了電路并完成了超寬帶測(cè)距通信程序設(shè)計(jì)?；颈葮?biāo)簽多了一個(gè)型號(hào)為ESP8266的WiFi模塊，用于與服務(wù)器建立連接，它們都采用STM32103RC作為控制單元以及DWM1000模塊作為超寬帶無(wú)線收發(fā)模塊。超寬帶測(cè)距通信程序設(shè)計(jì)時(shí)，選擇110 kb/s的傳輸數(shù)據(jù)率、中心頻率為3 993.6 MHz的信道以及499.2 MHz的帶寬，可以很好地兼顧工作范圍和功率消耗兩方面。標(biāo)簽采用了小尺寸設(shè)計(jì)，標(biāo)簽和基站實(shí)物分別如圖6所示。

圖6 標(biāo)簽和基站實(shí)物圖

軟件實(shí)現(xiàn)部分，基于Android平臺(tái)設(shè)計(jì)了定位服務(wù)器程序并開(kāi)發(fā)了室內(nèi)定位APP。室內(nèi)定位APP的實(shí)時(shí)定位模塊如圖7所示，實(shí)時(shí)定位模塊主要是用來(lái)幫助巡檢人員實(shí)現(xiàn)精確定位與導(dǎo)航，通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)更新地圖可切換到其他工作場(chǎng)景。

圖7 實(shí)時(shí)定位界面圖

5 實(shí)驗(yàn)與誤差分析

5.1 測(cè)距誤差分析

為兩種測(cè)距算法分別設(shè)計(jì)了程序，對(duì)各自的測(cè)距誤差進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比。在10 m的測(cè)距范圍內(nèi)，每隔1 m設(shè)置一個(gè)距離點(diǎn)，在每個(gè)距離點(diǎn)上都采集了大量的測(cè)量值，分別取各自測(cè)量值的平均值進(jìn)行比較，如表1所示。從表中可以看出，改進(jìn)的雙向測(cè)距誤差始終是小于基本的雙向測(cè)距的，距離測(cè)量值的均方差在大多數(shù)情況下也是小于基本的雙向測(cè)距的，即數(shù)據(jù)波動(dòng)性更小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，增加一次無(wú)線電信息的發(fā)送之后，系統(tǒng)在測(cè)距階段的測(cè)距精度更高。

表1 兩種測(cè)距方式誤差對(duì)比

5.2 定位誤差分析

本文選擇12.3 m×7 m的矩形會(huì)議室作為測(cè)試場(chǎng)地，如圖8所示。定位時(shí)，隨機(jī)在會(huì)議室中行走，記錄下定位數(shù)據(jù)和此時(shí)位置。測(cè)試時(shí)，在測(cè)試場(chǎng)地的二維平面地圖上選取了38個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行了誤差分析，每個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)上面的定位數(shù)據(jù)作為測(cè)量點(diǎn)，結(jié)果如圖9所示。

圖8 測(cè)試場(chǎng)地圖

圖9 實(shí)際定位結(jié)果

從圖9中可以看出，測(cè)量點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)的在橫向或縱向上的偏差都在30 cm之內(nèi)，能夠滿(mǎn)足精準(zhǔn)室內(nèi)移動(dòng)定位的需求。為了更具體地描述系統(tǒng)定位誤差，從38個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)中挑選出了10個(gè)在位置上具有代表性的點(diǎn)，將每個(gè)點(diǎn)上的定位結(jié)果與其實(shí)際坐標(biāo)進(jìn)行比較，計(jì)算出定位誤差，結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，10組定位結(jié)果的平均誤差為12 cm，最小誤差為5 cm，最大誤差為26 cm。測(cè)試過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)無(wú)定位或偏離較大的情形，說(shuō)明系統(tǒng)也具有很好的穩(wěn)定性。

表2 實(shí)際坐標(biāo)與定位結(jié)果比較

本文將定位算法應(yīng)用在了小范圍的精確定位，測(cè)試時(shí)使用了4個(gè)基站，定位服務(wù)器獲取了3組TDOA數(shù)據(jù)，組成了一個(gè)定位單元，其誤差可以控制在30 cm之內(nèi)。當(dāng)需要應(yīng)用到更大范圍的場(chǎng)景中時(shí)，增加基站數(shù)，把多個(gè)定位單元求解結(jié)果的均值作為最終定位結(jié)果可以有效減小定位誤差。

6 結(jié)語(yǔ)

基于超寬帶技術(shù)設(shè)計(jì)了一套室內(nèi)定位系統(tǒng)，描述了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)研究了系統(tǒng)的測(cè)距算法和定位算法實(shí)現(xiàn)。對(duì)雙向測(cè)距算法進(jìn)行了改進(jìn)，增加一次無(wú)線電信息的發(fā)送，可以減小由于時(shí)鐘偏移引起的誤差，有效地提高系統(tǒng)的測(cè)距精度。對(duì)基本的TDOA定位算法也進(jìn)行了改進(jìn)，加入了線性化處理與Jacobi迭代求解，避免了方程組由于誤差存在而無(wú)法直接解算的情況，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)定位精度達(dá)30 cm，可在多種場(chǎng)景下進(jìn)行使用，能夠彌補(bǔ)GPS以及WiFi、藍(lán)牙對(duì)室內(nèi)高精度定位無(wú)法滿(mǎn)足的情形，且該定位系統(tǒng)具有成本低、軟件易擴(kuò)展的特點(diǎn)。目前主要實(shí)現(xiàn)了定位功能，未來(lái)在此基礎(chǔ)上可擴(kuò)展服務(wù)信息推送、社交等更多元化功能，顯著提升基于室內(nèi)的位置服務(wù)品質(zhì)。

References)

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Ultrawidebandlocalizationsystembasedonimprovedtwo-wayrangingandtimedifferenceofarrivalpositioningalgorithm

BIAN Jiaxing, ZHU Rong*, CHEN Xuan

(SchoolofComputer,WuhanUniversity,WuhanHubei430072,China)

Aiming at the poor positioning accuracy of traditional wireless indoor positioning technology, an indoor positioning system based on Ultra Wide Band (UWB) technology was designed and implemented. Firstly, to solve the problem of autonomous localization and navigation, the system architecture of real-time interaction between the location server and the mobile terminal APP was proposed. Secondly, a radio message was added to the Two-Way Ranging (TWR) algorithm to reduce the ranging error caused by clock drift, so as to improve the performance of the algorithm. Finally, the hyperboloid equation set achieved by Time Difference Of Arrival (TDOA) positioning algorithm was linearized and then solved by Jacobi iteration method, which avoids the cases that standard TDOA localization algorithm is difficult to directly solve. The test results show that the system based on this method can work stably and control the range of error within 30 cm in the corridor room scene. Compared with the positioning systems based on WiFi and Bluetooth, the positioning accuracy of this system is improved by about 10 times, which can meet the requirement of precise mobile positioning in complex indoor environment.

indoor positioning; Ultra Wide Band (UWB); Two-Way Ranging (TWR); Time Difference Of Arrival (TDOA)

2017- 03- 06;

2017- 04- 10。

武漢市應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2016010101010025)。

卞佳興(1993—)，男，江蘇揚(yáng)州人，碩士研究生，主要研究方向：多媒體網(wǎng)絡(luò)通信、物聯(lián)網(wǎng)； 朱榮(1964—)，男，湖北武漢人，副教授，博士，主要研究方向：多媒體網(wǎng)絡(luò)通信、人臉識(shí)別與可信身份認(rèn)證； 陳玄(1990—)，男，湖北隨州人，碩士研究生，主要研究方向：圖像處理、模式識(shí)別。

1001- 9081(2017)09- 2496- 05

10.11772/j.issn.1001- 9081.2017.09.2496

TP393.09

A

This work is partially supported by the Basic Research Program of Wuhan (2016010101010025).

BIANJiaxing, born in 1993, M. S. candidate. His research interests include multimedia network communication, Internet of things.

ZHURong, born in 1964, Ph. D., associate professor. His research interests include multimedia network communication, face recognition and authentication.

CHENXuan, born in 1990, M. S. candidate. His research interests include image processing, pattern recognition.