◆俞 翔 朱岱寅 楊 慶 曹欲曉

基于超寬帶定位系統(tǒng)多基站表決的非視距基站篩選算法

◆俞 翔1,2朱岱寅2楊 慶1曹欲曉1

(1.南京工程學院計算機工程學院 江蘇 211167；2.南京航空航天大學電子信息工程學院 江蘇 210016)

UWB定位系統(tǒng)應用中經(jīng)常出現(xiàn)電磁波非視距傳播現(xiàn)象，該現(xiàn)象導致利用UWB系統(tǒng)對標簽定位產(chǎn)生了較大的估計誤差。本文針對該問題提出了一種基于多基站表決的非視距基站篩選算法，該算法利用了多基站協(xié)同定位的冗余性，以及非視距基站參與定位時引入的定位估值偏差，估計場景內(nèi)不同基站組合對標簽的定位值并統(tǒng)計各分組的標準差，從而根據(jù)該定位估值標準差篩選出非視距基站。UWB實測數(shù)據(jù)的處理結(jié)果表明，該算法在現(xiàn)有硬件基礎上，可以較為準確地篩選出非視距基站，從而提高UWB系統(tǒng)的定位精度。

超寬帶；多基站表決；非視距傳播；基站篩選；協(xié)同定位

0 引言

隨著智能制造和物聯(lián)網(wǎng)技術對目標定位性能需求的不斷提高，近年來室內(nèi)精確定位技術成為了研究熱點。在眾多室內(nèi)定位技術中，超寬帶(ultra-wideband,UWB)定位技術以其極高的距離分辨率、大帶寬和低率譜密度等特點[1,2]受到人們的重視，并在工業(yè)領域得到了較為廣泛的應用。

目前經(jīng)典的UWB定位原理可分為兩類，第一類是基于波達角度(angle of arrival,AOA)的位置估計算法，該類算法通過接收端的陣列天線測量發(fā)射端信號的到達方向和時間，從而估計發(fā)射端的位置，算法精度受限于波束賦形和波達角估計等關鍵技術。第二類是基于波達時間(time/time difference of arrival,TOA/TDOA)的位置估計算法，該類算法通過測量多個發(fā)射端到接收端電波飛行時間，從而估計接收端的相對位置，該類算法與UWB技術的高距離分辨率特點結(jié)合，可獲得更好的定位性能。

值得注意的是，上述兩類定位方法理論上都假設接收端與發(fā)射端的徑向沒有障礙物的遮擋，即測量的是兩者徑向距離[3]。在UWB系統(tǒng)中，發(fā)射端和接收端通常被稱為基站和標簽，下面我們沿用此慣例。在UWB定位系統(tǒng)的應用場景中，徑向遮擋情況經(jīng)常發(fā)生，而電磁波的非視距(Non-line-of-sigh,NLOS)傳播會導致UWB定位性能明顯下降[4-6]。因此，NLOS傳播檢測一直是UWB定位問題中的研究熱點，現(xiàn)有文獻主要從兩個方面對其探討，其一是從UWB信號物理層面，如文獻[7][8]基于信號的相位或幅度參數(shù)深入研究了NLOS傳播檢測問題，其中文獻[7]算法收斂速度較慢，而文獻[8]算法精度一般；其二是從UWB應用層面，如文獻[9][10]利用多基站協(xié)同定位并綜合了多基站在定位系統(tǒng)中的交互關系，提升目標的定位精度。本文提出了一種基于多基站表決的NLOS基站篩選算法，本算法利用了多基站協(xié)同定位的冗余性，統(tǒng)計出基站序列的組合并根據(jù)每一組基站的測距值對標簽多次定位，通過統(tǒng)計多次定位的標準差篩選出NLOS基站。測距是定位的基礎，下面我們首先分析測距誤差。

1 UWB測距誤差分析

2 基于多基站表決的NLOS基站篩選算法

2.1 基于最小二乘法的坐標估計

將式（3）寫成矩陣形式：

其中：

經(jīng)推導可得標簽坐標的最小二乘解為：

2.2 基于多基站表決的NLOS基站篩選算法原理及流程

圖1 基于UWB多基站表決的非視距基站篩選算法流程圖

3 實驗驗證與分析

在上一節(jié)中，我們介紹了一種基于多基站表決的非視距基站篩選算法，本節(jié)將利用UWB實測數(shù)據(jù)驗證并分析該算法。為便于分析，我們將實驗場景設定在2維空間，場景中有6個UWB基站，如圖2中紅色方框所示，其坐標分別為A1(4,0)、A2(8,0)、A3(12,3)、A4(8,6)、A5(4,6)、A6(0,3)，藍色五角星表示標簽T1(2,2)。

圖2 基站與標簽的幾何分布

表1 實測距離數(shù)據(jù)

進一步，我們基于上述3種情況的坐標估值分別統(tǒng)計出6種組合的定位標準差，如表2所示.。

表2 定位估值標準差及NLOS基站篩選結(jié)果

4 結(jié)論

本文針對電磁波NLOS傳播現(xiàn)象導致UWB定位系統(tǒng)性能下降的問題，提出了一種基于多基站表決的NLOS基站篩選算法。該算法利用了多基站協(xié)同定位的冗余性，通過統(tǒng)計不同基站組合定位估值的標準差篩選出NLOS基站。UWB實測數(shù)據(jù)的處理結(jié)果表明，該算法可以較為準確地篩選出單個NLOS基站。后續(xù)我們將針對多個NLOS基站的情況對該算法做進一步改進。

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江蘇省自然科學基金青年基金（BK20150730）、南京工程學院人才引進科研啟動基金項目（YKJ201424）和重點大學基礎研究基金（NZ2016105）資助。