TDOA+AOA双基站坐标定位

TDOA 算法

¡  Taylor Series Expansion Least Squares Iterative   Algorithm-泰勒级数展开最小二乘迭代算法

¡  Two-Stage Weighted Least Squares Algorithm-两阶段加权最小二乘算法

使用射频 (RF) 信号定位

射频 (RF) 系统使用发射器相对于接收器的距离或发射器相对于接收器的角度（方向）来计算位置。交叉引用多个接收器的测量结果以确定位置。

如何测量距离

使用 RF 信号的属性来确定发射器相对于接收器的距离有多种不同的方法。

如何测量角度

射频信号从发射器到达接收器的角度可以单维或多维测量。

室内定位的挑战

只有发射器和接收器之间的直接路径信号才能提供可靠的测量基础。对于传统的射频，室内环境中的信号反射会使直接路径信号失真。当直接路径和反射信号重叠时，就很难解释准确的位置。

使用超宽带 (UWB) 进行室内定位

通过超宽带 (UWB)，信号脉冲更短，并且使用更宽的频率带宽。较短的 UWB 脉冲不会与反射信号重叠，这意味着直接路径信号更容易与反射信号区分开，从而更容易解释准确的位置。

并非所有超宽带 (UWB) 系统都是相同的

Ubisense Dimension4 UWB在同一系统中测量 2 轴到达角 (AoA)和到达时间差 (TDoA) 方面具有独特性，具有卓越的性能、准确性和可靠性。

Ubisense Dimension4 超宽带

位置测量数量明显多于任何其他 UWB RTLS

l  更加准确和精 确的位置数据，具有无与伦比的信心

l  与同类系统相比，3D 定位所需的传感器更少

标签发射器不需要 2 路测量

l  标签电池寿命长达 15 年

l  可使用大量标签而不会产生干扰

具有边缘数据处理功能的复杂传感器设计

l  能够扩展到 1000 个标签，每秒更新 1000 次

l  实际系统部署了 2000 多个传感器，全天候（24/7）运行

Laboratory Test

在实际设置 RTLS 进行现场测试之前建筑工地，进行了实验室测试评估其在良好几何条件下的性能和环境条件。八个传感器设立于电子设备测试实验室。二次定位设置了单元格，每个单元格有一个矩形由四个传感器组成的区域，覆盖整个区域定位面积约11 m*7 m，局部定义了坐标系。需要注意的是在这么小的区域内，只有一个区域就足够了提供实际的定位服务

这样的网络设计是为了测试当标签被标记时系统的性能从一个区域穿越到另一个区域。传感器是通过 LAN 路由器进行通信，每个传感器被分配一个具有唯 一 MAC 地址的 IP，并与其他传感器高质量同步正时电缆连接。图6是快照从可视化中提取的定位过程平台。绿线是 AoA 测量值，并生成双曲蓝色区域来自 TDOA 数据。显示计算出的位置作为定位单元之一中的红点。

系统标定后，定位标签放置在总共 73 个已知点中的每一个处以 0.5 m 网格间隔。标签的位置确定通过 AoA 和 TDOA 组合模式然后与已知值进行比较。这X、Y 和 Z 分量的平均偏差为分别为 0.12 m、0.17 m 和 0.18 m。偏差X、Y 和 Z 分量中每个采样点的如图7所示

Field test in underground construction site

地下铁路线所在场进行了测试。直径5米的隧道铁路线位于中间，限制了传感器安装的灵活性。考试地点附近有钻井区域，因此测试区域实际上是灰尘较多，噪音较大，偶尔有运输交通开挖材料，高温以及高湿度。

四个传感器放置在安全装置的侧面长约30m的走道测试区域如图8所示。几何和资源流动的限制以及有限的我们进行测试的时间有限我们将传感器永 久安装在现场。静态模式下的测试是通过放置标记靠近测试区域的中间，然后开始记录定位结果约 60 分钟一秒间隔。这次测试的目的是评估不利条件下的定位稳定性隧道内的计量条件。图9结果表明，位置确定与高温下的RTLS湿度隧道条件相当稳定。这与平均值的偏差约为3厘米水平位置，高度 4 厘米。

具有类似几何条件的香港是寻求对该系统的进一步测试。

大型建筑 Paul Y Construction 的支持香港的建筑公司，合适的教学酒店工地内区域香港理工大学位于距离大学校园约100m用于将传感器永 久安装在钢桩上，遵循如图所示的建议配置图11所示，实际尺寸如图12所示。这是一条 2 m x 40 m 的走廊，高度约为2.7米。该走廊的几何强度为比广州地铁测试区还差项目现场。

标签固定在 0.7 m 的恒定高度，沿着走廊移动。约1500条数据，10收集每个地点的样本进行分析。在为了获得更完整的了解定位性能，系统设置为允许记录那些落在该区域之外的位置。

如图 13 中的图表所示，成功率有了显着提高第二次测试的比率。大约 90% 的修复都在内部测试区域的精度为 1 m。关于高度，超过 90% 的修复是在0.6 m 和 0.9 m 区域。

Conclusions

采用Ubisense UWB-AoA用于地下资源管理的 RTLS已对铁路建设工地进行了勘察已测试。根据实验室和现场测试结果，事实证明，该系统可以正常实现混合 AoA 和TDOA UWB RTLS可以提供更好的资源定位精度管理能力，比 Wi-Fi 和 ZigBee 技术更稳定。