TDOA 算法

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

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

使用射頻 (RF) 信號定位

射頻 (RF) 系統(tǒng)使用發(fā)射器相對于接收器的距離或發(fā)射器相對于接收器的角度（方向）來計算位置。交叉引用多個接收器的測量結果以確定位置。

如何測量距離

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

如何測量角度

射頻信號從發(fā)射器到達接收器的角度可以單維或多維測量。

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才能提供可靠的測量基礎。對于傳統(tǒng)的射頻，室內(nèi)環(huán)境中的信號反射會使直接路徑信號失真。當直接路徑和反射信號重疊時，就很難解釋準確的位置。

使用超寬帶 (UWB) 進行室內(nèi)定位

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

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)中測量 2 軸到達角 (AoA)和到達時間差 (TDoA) 方面具有獨特性，具有卓越的性能、準確性和可靠性。

Ubisense Dimension4 超寬帶

位置測量數(shù)量明顯多于任何其他 UWB RTLS

l  更加準確和精 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

標簽發(fā)射器不需要 2 路測量

l  標簽電池壽命長達 15 年

l  可使用大量標簽而不會產(chǎn)生干擾

具有邊緣數(shù)據(jù)處理功能的復雜傳感器設計

l  能夠擴展到 1000 個標簽，每秒更新 1000 次

l  實際系統(tǒng)部署了 2000 多個傳感器，全天候（24/7）運行

Laboratory Test

在實際設置 RTLS 進行現(xiàn)場測試之前建筑工地，進行了實驗室測試評估其在良好幾何條件下的性能和環(huán)境條件。八個傳感器設立于電子設備測試實驗室。二次定位設置了單元格，每個單元格有一個矩形由四個傳感器組成的區(qū)域，覆蓋整個區(qū)域定位面積約11 m*7 m，局部定義了坐標系。需要注意的是在這么小的區(qū)域內(nèi)，只有一個區(qū)域就足夠了提供實際的定位服務

這樣的網(wǎng)絡設計是為了測試當標簽被標記時系統(tǒng)的性能從一個區(qū)域穿越到另一個區(qū)域。傳感器是通過 LAN 路由器進行通信，每個傳感器被分配一個具有唯 一 MAC 地址的 IP，并與其他傳感器高質(zhì)量同步正時電纜連接。圖6是快照從可視化中提取的定位過程平臺。綠線是 AoA 測量值，并生成雙曲藍色區(qū)域來自 TDOA 數(shù)據(jù)。顯示計算出的位置作為定位單元之一中的紅點。

系統(tǒng)標定后，定位標簽放置在總共 73 個已知點中的每一個處以 0.5 m 網(wǎng)格間隔。標簽的位置確定通過 AoA 和 TDOA 組合模式然后與已知值進行比較。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 分量中每個采樣點的如圖7所示

Field test in underground construction site

地下鐵路線所在場進行了測試。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附近有鉆井區(qū)域，因此測試區(qū)域?qū)嶋H上是灰塵較多，噪音較大，偶爾有運輸交通開挖材料，高溫以及高濕度。

四個傳感器放置在安全裝置的側(cè)面長約30m的走道測試區(qū)域如圖8所示。幾何和資源流動的限制以及有限的我們進行測試的時間有限我們將傳感器永 久安裝在現(xiàn)場。靜態(tài)模式下的測試是通過放置標記靠近測試區(qū)域的中間，然后開始記錄定位結果約 60 分鐘一秒間隔。這次測試的目的是評估不利條件下的定位穩(wěn)定性隧道內(nèi)的計量條件。圖9結果表明，位置確定與高溫下的RTLS濕度隧道條件相當穩(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該系統(tǒng)的進一步測試。

大型建筑 Paul Y Construction 的支持香港的建筑公司，合適的教學酒店工地內(nèi)區(qū)域香港理工大學位于距離大學校園約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。該走廊的幾何強度為比廣州地鐵測試區(qū)還差項目現(xiàn)場。

標簽固定在 0.7 m 的恒定高度，沿著走廊移動。約1500條數(shù)據(jù)，10收集每個地點的樣本進行分析。在為了獲得更完整的了解定位性能，系統(tǒng)設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試的比率。大約 90% 的修復都在內(nèi)部測試區(qū)域的精度為 1 m。關于高度，超過 90% 的修復是在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已對鐵路建設工地進行了勘察已測試。根據(jù)實驗室和現(xiàn)場測試結果，事實證明，該系統(tǒng)可以正常實現(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 技術更穩(wěn)定。