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 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(xué)院計(jì)算機(jī)工程學(xué)院 江蘇 211167；2.南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院 江蘇 210016)

UWB定位系統(tǒng)應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)電磁波非視距傳播現(xiàn)象，該現(xiàn)象導(dǎo)致利用UWB系統(tǒng)對(duì)標(biāo)簽定位產(chǎn)生了較大的估計(jì)誤差。本文針對(duì)該問(wèn)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(shí)引入的定位估值偏差，估計(jì)場(chǎng)景內(nèi)不同基站組合對(duì)標(biāo)簽的定位值并統(tǒng)計(jì)各分組的標(biāo)準(zhǔn)差，從而根據(jù)該定位估值標(biāo)準(zhǔn)差篩選出非視距基站。UWB實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果表明，該算法在現(xiàn)有硬件基礎(chǔ)上，可以較為準(zhǔn)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(shù)對(duì)目標(biāo)定位性能需求的不斷提高，近年來(lái)室內(nèi)精確定位技術(shù)成為了研究熱點(diǎn)。在眾多室內(nèi)定位技術(shù)中，超寬帶(ultra-wideband,UWB)定位技術(shù)以其極高的距離分辨率、大帶寬和低率譜密度等特點(diǎn)[1,2]受到人們的重視，并在工業(yè)領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)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(dá)角度(angle of arrival,AOA)的位置估計(jì)算法，該類算法通過(guò)接收端的陣列天線測(cè)量發(fā)射端信號(hào)的到達(dá)方向和時(shí)間，從而估計(jì)發(fā)射端的位置，算法精度受限于波束賦形和波達(dá)角估計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)。第二類是基于波達(dá)時(shí)間(time/time difference of arrival,TOA/TDOA)的位置估計(jì)算法，該類算法通過(guò)測(cè)量多個(gè)發(fā)射端到接收端電波飛行時(shí)間，從而估計(jì)接收端的相對(duì)位置，該類算法與UWB技術(shù)的高距離分辨率特點(diǎn)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(shè)接收端與發(fā)射端的徑向沒(méi)有障礙物的遮擋，即測(cè)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(biāo)簽，下面我們沿用此慣例。在UWB定位系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)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(huì)導(dǎo)致UWB定位性能明顯下降[4-6]。因此，NLOS傳播檢測(cè)一直是UWB定位問(wèn)題中的研究熱點(diǎn)，現(xiàn)有文獻(xiàn)主要從兩個(gè)方面對(duì)其探討，其一是從UWB信號(hào)物理層面，如文獻(xiàn)[7][8]基于信號(hào)的相位或幅度參數(shù)深入研究了NLOS傳播檢測(cè)問(wèn)題，其中文獻(xiàn)[7]算法收斂速度較慢，而文獻(xiàn)[8]算法精度一般；其二是從UWB應(yīng)用層面，如文獻(xiàn)[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(guān)系，提升目標(biāo)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(jì)出基站序列的組合并根據(jù)每一組基站的測(cè)距值對(duì)標(biāo)簽多次定位，通過(guò)統(tǒng)計(jì)多次定位的標(biāo)準(zhǔn)差篩選出NLOS基站。測(cè)距是定位的基礎(chǔ)，下面我們首先分析測(cè)距誤差。

1 UWB測(cè)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(biāo)估計(jì)

將式（3）寫成矩陣形式：

其中：

經(jīng)推導(dǎo)可得標(biāo)簽坐標(biāo)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證并分析該算法。為便于分析，我們將實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)定在2維空間，場(chǎng)景中有6個(gè)UWB基站，如圖2中紅色方框所示，其坐標(biāo)分別為A1(4,0)、A2(8,0)、A3(12,3)、A4(8,6)、A5(4,6)、A6(0,3)，藍(lán)色五角星表示標(biāo)簽T1(2,2)。

圖2 基站與標(biāo)簽的幾何分布

表1 實(shí)測(cè)距離數(shù)據(jù)

進(jìn)一步，我們基于上述3種情況的坐標(biāo)估值分別統(tǒng)計(jì)出6種組合的定位標(biāo)準(zhǔn)差，如表2所示.。

表2 定位估值標(biāo)準(zhǔn)差及NLOS基站篩選結(jié)果

4 結(jié)論

本文針對(duì)電磁波NLOS傳播現(xiàn)象導(dǎo)致UWB定位系統(tǒng)性能下降的問(wèn)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(guò)統(tǒng)計(jì)不同基站組合定位估值的標(biāo)準(zhǔn)差篩選出NLOS基站。UWB實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果表明，該算法可以較為準(zhǔn)確地篩選出單個(gè)NLOS基站。后續(xù)我們將針對(duì)多個(gè)NLOS基站的情況對(duì)該算法做進(jìn)一步改進(jìn)。

[1]Wymeersch H,Maranos,Gifford W M, et al. A machine learning approach to ranging error mitigation for UWB localization[J].IEEE Transactions on Communications，2012.

[2]Stephan A,Gueguen E,Crussiere M,et al.Optimization of linear preceded OFDM for high-data-rate UWB systems[J].EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking，2008.

[3]Cassioli D,Win M Z,Vatalaro F,et al.Low complexity rake receivers in ultra-wideband channels[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications，2007.

[4]Haneda K,Richter A,Molisch A F.Modeling the frequency dependence of ultra-wideband spatio-temporal indoor radio channels[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2012.

[5]Lee J Y,Yoo S.Large error performance of UWB ranging in multipath and multiuser environments[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2006.

[6]Xiao Z,Wen H,Mark Ham A,et al.Non-line-of-sight identification and mitigation using received signal strength [J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2015.

[7]Alavi B,Pahlavan K.Modeling of the TOA-based distance measurement error using UWB indoor radio measurements[J].IEEE Communications Letters，2006.

[8]Shen G,Zetik R,Hirsch O,et al.Range-based localization for UWB sensor networks in realistic environments[J].EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking，2010.

[9]Wymeersch H,Lien J,Win M Z.Cooperative localization in wireless networks [J].Proceedings of the IEEE，2009.

[10]Shen Y,Mazuelas S,Win M Z.Cooperative network navigation:fundamental limit and its geometrical interpretation[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2012.

[11]Lee J Y,Scholtz R.Ranging in a dense multipath environment using an UWB radio link[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2002.

江蘇省自然科學(xué)基金青年基金（BK20150730）、南京工程學(xué)院人才引進(jìn)科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（YKJ201424）和重點(diǎn)大學(xué)基礎(chǔ)研究基金（NZ2016105）資助。