TDOA+AOA雙基站坐標(biāo)定位

TDOA 算法

?  Taylor Series Expansion Least Squares Iterative   Algorithm-泰勒級(jí)數(shù)展開最小二乘迭代算法

?  Two-Stage Weighted Least Squares Algorithm-兩階段加權(quán)最小二乘算法

使用射頻 (RF) 信號(hào)定位

射頻 (RF) 系統(tǒng)使用發(fā)射器相對(duì)于接收器的距離或發(fā)射器相對(duì)于接收器的角度（方向）來計(jì)算位置。交叉引用多個(gè)接收器的測(cè)量結(jié)果以確定位置。

如何測(cè)量距離

使用 RF 信號(hào)的屬性來確定發(fā)射器相對(duì)于接收器的距離有多種不同的方法。

如何測(cè)量角度

射頻信號(hào)從發(fā)射器到達(dá)接收器的角度可以單維或多維測(cè)量。

室內(nèi)定位的挑戰(zhàn)

只有發(fā)射器和接收器之間的直接路徑信號(hào)才能提供可靠的測(cè)量基礎(chǔ)。對(duì)于傳統(tǒng)的射頻，室內(nèi)環(huán)境中的信號(hào)反射會(huì)使直接路徑信號(hào)失真。當(dāng)直接路徑和反射信號(hào)重疊時(shí)，就很難解釋準(zhǔn)確的位置。

使用超寬帶 (UWB) 進(jìn)行室內(nèi)定位

通過超寬帶 (UWB)，信號(hào)脈沖更短，并且使用更寬的頻率帶寬。較短的 UWB 脈沖不會(huì)與反射信號(hào)重疊，這意味著直接路徑信號(hào)更容易與反射信號(hào)區(qū)分開，從而更容易解釋準(zhǔn)確的位置。

并非所有超寬帶 (UWB) 系統(tǒng)都是相同的

Ubisense Dimension4 UWB在同一系統(tǒng)中測(cè)量 2 軸到達(dá)角 (AoA)和到達(dá)時(shí)間差 (TDoA) 方面具有獨(dú)特性，具有卓越的性能、準(zhǔn)確性和可靠性。

Ubisense Dimension4 超寬帶

位置測(cè)量數(shù)量明顯多于任何其他 UWB RTLS

l  更加準(zhǔn)確和精 確的位置數(shù)據(jù)，具有無與倫比的信心

l  與同類系統(tǒng)相比，3D 定位所需的傳感器更少

標(biāo)簽發(fā)射器不需要 2 路測(cè)量

l  標(biāo)簽電池壽命長(zhǎng)達(dá) 15 年

l  可使用大量標(biāo)簽而不會(huì)產(chǎn)生干擾

具有邊緣數(shù)據(jù)處理功能的復(fù)雜傳感器設(shè)計(jì)

l  能夠擴(kuò)展到 1000 個(gè)標(biāo)簽，每秒更新 1000 次

l  實(shí)際系統(tǒng)部署了 2000 多個(gè)傳感器，全天候（24/7）運(yùn)行

Laboratory Test

在實(shí)際設(shè)置 RTLS 進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試之前建筑工地，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試評(píng)估其在良好幾何條件下的性能和環(huán)境條件。八個(gè)傳感器設(shè)立于電子設(shè)備測(cè)試實(shí)驗(yàn)室。二次定位設(shè)置了單元格，每個(gè)單元格有一個(gè)矩形由四個(gè)傳感器組成的區(qū)域，覆蓋整個(gè)區(qū)域定位面積約11 m*7 m，局部定義了坐標(biāo)系。需要注意的是在這么小的區(qū)域內(nèi)，只有一個(gè)區(qū)域就足夠了提供實(shí)際的定位服務(wù)

這樣的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)是為了測(cè)試當(dāng)標(biāo)簽被標(biāo)記時(shí)系統(tǒng)的性能從一個(gè)區(qū)域穿越到另一個(gè)區(qū)域。傳感器是通過 LAN 路由器進(jìn)行通信，每個(gè)傳感器被分配一個(gè)具有唯 一 MAC 地址的 IP，并與其他傳感器高質(zhì)量同步正時(shí)電纜連接。圖6是快照從可視化中提取的定位過程平臺(tái)。綠線是 AoA 測(cè)量值，并生成雙曲藍(lán)色區(qū)域來自 TDOA 數(shù)據(jù)。顯示計(jì)算出的位置作為定位單元之一中的紅點(diǎn)。

系統(tǒng)標(biāo)定后，定位標(biāo)簽放置在總共 73 個(gè)已知點(diǎn)中的每一個(gè)處以 0.5 m 網(wǎng)格間隔。標(biāo)簽的位置確定通過 AoA 和 TDOA 組合模式然后與已知值進(jìn)行比較。這X、Y 和 Z 分量的平均偏差為分別為 0.12 m、0.17 m 和 0.18 m。偏差X、Y 和 Z 分量中每個(gè)采樣點(diǎn)的如圖7所示

Field test in underground construction site

地下鐵路線所在場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試。直徑5米的隧道鐵路線位于中間，限制了傳感器安裝的靈活性?？荚嚨攸c(diǎn)附近有鉆井區(qū)域，因此測(cè)試區(qū)域?qū)嶋H上是灰塵較多，噪音較大，偶爾有運(yùn)輸交通開挖材料，高溫以及高濕度。

四個(gè)傳感器放置在安全裝置的側(cè)面長(zhǎng)約30m的走道測(cè)試區(qū)域如圖8所示。幾何和資源流動(dòng)的限制以及有限的我們進(jìn)行測(cè)試的時(shí)間有限我們將傳感器永 久安裝在現(xiàn)場(chǎng)。靜態(tài)模式下的測(cè)試是通過放置標(biāo)記靠近測(cè)試區(qū)域的中間，然后開始記錄定位結(jié)果約 60 分鐘一秒間隔。這次測(cè)試的目的是評(píng)估不利條件下的定位穩(wěn)定性隧道內(nèi)的計(jì)量條件。圖9結(jié)果表明，位置確定與高溫下的RTLS濕度隧道條件相當(dāng)穩(wěn)定。這與平均值的偏差約為3厘米水平位置，高度 4 厘米。

具有類似幾何條件的香港是尋求對(duì)該系統(tǒng)的進(jìn)一步測(cè)試。

大型建筑 Paul Y Construction 的支持香港的建筑公司，合適的教學(xué)酒店工地內(nèi)區(qū)域香港理工大學(xué)位于距離大學(xué)校園約100m用于將傳感器永 久安裝在鋼樁上，遵循如圖所示的建議配置圖11所示，實(shí)際尺寸如圖12所示。這是一條 2 m x 40 m 的走廊，高度約為2.7米。該走廊的幾何強(qiáng)度為比廣州地鐵測(cè)試區(qū)還差項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)。

標(biāo)簽固定在 0.7 m 的恒定高度，沿著走廊移動(dòng)。約1500條數(shù)據(jù)，10收集每個(gè)地點(diǎn)的樣本進(jìn)行分析。在為了獲得更完整的了解定位性能，系統(tǒng)設(shè)置為允許記錄那些落在該區(qū)域之外的位置。

如圖 13 中的圖表所示，成功率有了顯著提高第二次測(cè)試的比率。大約 90% 的修復(fù)都在內(nèi)部測(cè)試區(qū)域的精度為 1 m。關(guān)于高度，超過 90% 的修復(fù)是在0.6 m 和 0.9 m 區(qū)域。

Conclusions

采用Ubisense UWB-AoA用于地下資源管理的 RTLS已對(duì)鐵路建設(shè)工地進(jìn)行了勘察已測(cè)試。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，事實(shí)證明，該系統(tǒng)可以正常實(shí)現(xiàn)混合 AoA 和TDOA UWB RTLS可以提供更好的資源定位精度管理能力，比 Wi-Fi 和 ZigBee 技術(shù)更穩(wěn)定。