基于非合作室内环境的超宽带无中心组网定位

　　摘 要：为提高非合作室内环境下超宽带组网定位能力，采用无中心定位算法理论对超宽带测距输出距离信息进行解算分析，得到相对定位结果，并将定位结果与光电标定系统结果进行实测对比，对精度进行评估。结果表明，相比传统超宽带定位模式，利用超宽带测距和无中心定位算法相结合的形式，能够实现无中心定位以及各节点之间的相对位置解算，最终确定各节点之间的相对位置。超宽带测距和无中心定位算法相结合，在相对定位方面具有良好的稳定性和精确度，可以广泛应用于室内室外多种场景。

　　关键词：通信网络技术;室内定位;超宽带;MDS算法;无中心

　　随着定位技术在人们生活中的应用越来越广泛，人们对于定位技术的精确度以及定位系统对环境适应能力方面的要求也越来越高。各模块通过协同组网执行任务，需要包括移动组网、精确定位在内的传统定位技术提供定位支持，从而获得相对距离信息[1]。不仅个体之间需要实现相对定位，集群也需要在有定位信息作为输入条件下进行集群导航任务决策与规划。但非合作室内环境下，由于没有先验知识对室内环境进行了解认知，因而无法对定位模型进行构建。充分考虑非合作室内环境下定位精度不高、通信链路受阻等因素影响，如何进行相对定位成为当前无线定位技术研究的热点之一[2-3]。

　　室内环境下由于多径环境的影响，信号载波在室内的多径传输效应造成首径信号的识别、提取困难。然而超宽带(ultra wideband， UWB)脉冲信号基于多径分辨能力强、穿透能力强、定位精确、隐蔽性好、抗干扰能力强等优点，适宜在室内定位中使用[4]。基于以上特性，近年来人们在定位系统设计、定位算法实现、误差抑制等方面进行了大量研究，超宽带室内定位在智能家居、智能仓储、智慧工厂等领域得到了广泛应用[5-8]。

　　传统超宽带定位模式采用多基站对标签进行定位的方式，定位系统存在中心节点，定位精度为20 cm左右，一旦中心节点设备损毁或断电，整个定位系统就会面临瘫痪。同时，非合作动态环境下由于缺失锚点信息，无法利用环境中已知锚点信息进行定位。本文采用无中心定位模式，系统定位不依赖于中心节点，也无需布置锚点，在已有超宽带测距的基础上采用多维标度法(multidimensional scaling， MDS)解算相对定位结果，可对系统中的多个节点进行定位，构建灵活机动的无中心自组网定位系统，系统稳定性和适用性更优于传统定位模式。

　　1 定位算法模型

　　1.1 无中心定位算法理论

　　当多维空间中存在多个节点时，可以利用多维空间中获得的节点间的距离信息，把空间中物体的相似性转换为空间坐标，构造真实距离矩阵中的元素，然后中心化，求特征值、特征向量，进而得到相对坐标，计算节点在低维度空间中的位置，降低原始数据的复杂度[9-16]。

　　其算法步骤如下：

　　1) 根据测量距离计算节点间的相互距离，并将距离平方存入[WTHX]P矩阵;

　　1.2 测距算法原理与误差分析

　　现阶段常用的相对距离测量方式大致有4种，包括根据信号到达的时间计算、根据信号到达的强度计算、根据信号到达的角度计算和根据信号到达的时间差计算[17]。其中，针对TDOA方案进行设计时只需要移动标签发送广播信号，区域内的基站收到该信号，通过接收时间进行计算，各距离差求得距离值。相较于TOA方案需要标签和某一基站一对一通信结束后才能与下一个基站进行通信的方式[18-19]，TDOA方案可以有更大的系统节点容量和拓展性。但由于测距是以厘米级精度为目标，而UWB电磁波信号在空气中传播速度接近3×108 m/s，因此TDOA方案要求区域内基站时间高度同步，这对硬件系统提出了更高要求，从而极大地增加了成本[20]。

　　因此，本文将采用TOA测距方案，该方案仅需要在测距过程中记录信号到达各节点的时间戳，然后根据时间戳差计算信号传输时间TOF。但因为受到电磁波传播速度影响，通过直接计算TOF的方式会导致测距误差较大。本方案采用双边双向测距算法，该算法与单边单向测距相比减少了晶振时钟带来的误差，图1为双边双向测距算法实现过程。

　　双边双向测距步骤如下：

　　步骤1：某一节点A根据搜寻阶段所获得的节点信息表，向其他节点发送具有时间戳的脉冲序列，并记录此时间戳，打开接收。

　　步骤2：处于监听状态的节点B收到节点A的消息时，记录此时时间戳tB，rx，并经过时延dB发送脉冲序列给节点A，打开接收。

　　步骤3：节点A收到B的脉冲信号时记录时间戳tA，rx，经过时延dA再次发送脉冲信号给节点B，节点A进入下一个测距周期;节点B收到消息时记录时间戳tS，最后解包获得各节点时间戳并计算传播时间D。

　　经计算可知，测距误差与时钟的性能有关，当频偏为10-4 s-1时，误差为3 mm，该方法可以有效降低测距误差，故可在多节点组网测距系统中使用，同时为MDS定位解算提供较为精准的测距输入信息，减小由于测距准确性不足带来的误差。

　　2 实验测量仿真及结果分析

　　为实现室内条件下无中心定位能力，在仿真分析的基础上，利用商用UWB器件构建原理样机，支持UWB测距和板载MDS计算能力，并在室内环境构建动态测试场景，利用已知测绘点位对UWB模块无中心定位精度性能进行了验证评估，见表1。

　　2.1 测距结果及分析

　　在直线距离为10 m的测试范围内，每隔1 m标记1个测试点，在每个测试点上分别采集20组数据，统计并对数据特征进行分析，实验结果见图2。

　　根据测量结果统计数据可知，实际测量值的测量误差近似服从均值为0.051 m、标准差为0.022 m的正态分布。根据sigma原则，数值分布在(μ-σ，μ+σ)中的概率为0.652 6，即在68.27%概率下设备精度为0.022 m;经过测量计算可知，测距结果偏差较小，可以用作定位原始输入数据。

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文章名称： 基于非合作室内环境的超宽带无中心组网定位

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