定位方法研究

Posted 2020-10-10 Aaron12

　　超宽带信号持续时间短，带宽很高，时间分辨率强

　　超宽带定位精度高的原因：

　　超宽带干扰低的原因：

基于接收信号强度的定位

　　利用发射信号的强度值和信道衰落模型，得出待测目标与基站之间的距离，进而得出待测目标的位置。

　　

　　超宽带信号从一个节点传输到另外一个节点要经过多径效应、小尺度衰落以及路径损耗和阴影效应。

　　RSS方法必须在知道发送信号强度和信道衰落模型的情况下，才能利用接收信号强度值来估计待测标签与基站之间的距离，要想获得准确的测距值就需要知道信道的参数，而信号强度随距离的衰落变化受信道特性的影响很大，

　　因此RSS不能提供非常精确的位置估计

基于信号到达角度的定位

　　通过基站的天线阵列获得定位标签发射信号的波达方向，从而计算出待测目标与基站之间的角度，利用多个基站提供的角度值作为方位线，这些方位线的交点就是待测目标的估计位置，AOA是一种测向技术。

　　

　　解方程组可得出待测目标的位置

　　

 　　在工程应用中，一般采用测量信号到达不同天线的时间差来获得角度信息，如图所示为利用利用天线阵列获得AOA的估计值。

　　

 　　相邻信号间的到达时间差为，因此可以通过信号到达时间差估计角度信息

　　利用AOA方法进行定位通常需要天线阵列，这就增大了基站结构的复杂性和系统成本，而且，信号到达角度的估计精度决定了AOA定位的精度，而在超宽带定位环境中受多径及非视距影响大，这种情况下到达角度值会有较大偏差，因此AOA定位方法难以达到理想的定位精度。

基于信号达到时间的定位

　　利用待测目标发射信号达到基站的时间信息得出两者的距离，进而完成位置估计。包括TOA TDOA，基于时间的超宽带定位可以实现高精度定位。属于测距定位技术

　　TOA

　　基于TOA的定位一般要求定位基站和待测目标的时钟完全同步，实质上是信号传播时间的测量，定位基站接收待测目标发送的具有时间信息的数据，之后从接收到的数据中获得时间信息，利用该时间信息与数据里保存的发送时间信息进而得到信号传输时间，之后得到距离信息。然后利用该距离信息可以使待测目标与基站之间建立一个以基站为圆心，以距离信息为半径的曲线方程，多个曲线方程的交点就是待测目标的位置。

　　

　　解方程组可得待测目标的位置

　　

　　TOA测量法要求待测目标与参考基站之间的时钟完全同步，否则会有较大误差。

　　在实际中，待测目标与参考基站之间的时钟完全同步较难实现，但各基站之间的时钟同步较容易实现，

　　为了解决时钟同步的难题，可以利用TDOA方案来定位。

　　TDOA

　　TDOA定位方法的原理：设定一个基站作为参考基站，通过测量目标到参考基站与其他基站的到达时间差，从而得出待测目标到参考基站与其他基站之间的距离差。因此TDOA的测量值是由每个基站与参考基站的TOA值做差得到，TDOA的测量值在几何上对应的是以参考基站和定位基站为焦点的双曲线。

　　

　　对应的数学模型是以1、2和1、3为焦点的双曲线

　　

　　TDOA不需要待测目标与基站之间的时钟同步，只需要基站之间时钟同步，上述条件只需要将所定位基站通过同步线缆组建在同一个网络内就能很容易实现，同时在各条传播路径环境相似的条件下，测量误差还能部分抵消。TDOA是广泛采用的定位方案。

几种定位方式的比较

　　RSS方法必须在知道发送信号强度和信道衰落模型的情况下，才能利用接收信号强度值来估计待测标签与基站之间的距离，要想获得准确的测距值就需要知道信道的参数，而信号强度随距离的衰落变化受信道特性的影响很大，由于室内环境的复杂多变，以及多径和非视距等因素都会使相同距离有不同的损耗，因此RSS不能提供非常精确的位置估计。

　　AOA定位方法相对于RSS有了较高的定位精度，但是需要在接收端使用天线阵列，这样基站的复杂性和成本都会增加，并且存在多径和非视距环境下AOA估计精度很难保证。

　　TOA定位方法利用UWB具有良好的时间分辨率，基于时间的定位具有良好的定位精度，测量的主要误差来源于多径干扰和非视距传播，另外目标节点与基站之间的时钟同步存在困难，因此TDOA 在实际中实现该技术　的可能性与 TOA 相比要高的多，这是因为它不要求基站与待测目标之间时钟同步，只需要每个基站之间时钟同步就能得到 TDOA 值，并且在对到达时间做差的过程中会减小部分误差，定位精度能相对提高。

影响定位精度的因素

　　多径效应

　　多径效应：指信号经不同路径传播后，各分量到达接收端时间不同，按各自相位相互叠加而造成干扰，使得原来的信号失真，或者产生错误。

　　再多径环境下，RSS和AOA的测量精度会受到很大影响。

　　非视距传播

　　实际环境中，有时不存在基站和待测目标的视距传播，当待测目标于基站不存在直线路径时，信号穿过障碍物会造成一定的时延，再加上反射、散射等影响，最先到达的脉冲的时间跟真实AOA值存在一定的误差，对定位精度会有一定的影响。

　　研究发现TOA测量值的方差在非视距环境下要明显比视距环境下大，因此可以通过测量值的方差判断信道环境是LOS还是NLOS。

　　多址干扰

　　多用户环境中，基站不只接收待测目标发来的信号，还会接收其他用户发来的信号，这些信号之间相互干扰，从而导致测距精度下降。

　　解决方式：分时接收来自不同目标发送的信号。对发送信号采用跳时扩频方式发送信号，因而各用户都在不同时刻发送信息。

　　扩频通信包括直接序列扩频通信、跳频扩频、跳时扩频、宽带线性调频等。