Abstract
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TDOA wireless location algorithm based on studies at home and abroad in recent years, more and more attention on the so-called TDOA wireless location is based on the TDOA locating technology, which is emitted by a wireless signal to reach different base stations the signal source the time difference to determine the location of the signal source. With the rapid development of mobile communication technology, wireless location technology more and more attention has been paid, radio location system than the traditional positioning method has a hidden, high positioning accuracy and ease of maintenance, etc. are GPS positioning and laser positioning and other positioning the method can not be compared.
This thesis proposed and implemented hybrid-related delay estimation algorithm for TDOA systems; propose a hyperbolic model for radiolocation systems fast algorithm for solving; error positioning system to analyze and propose solutions; TDOA radio location technology circuit implementation. And the last piece, the main reason for the error generated TDOA positioning system research and analysis, and monitoring stations are divided into geometric position error error estimate generated by the difference generated. First time difference estimate factors mainly affect the signal NLOS propagation and multipath effects, timing errors affect system GPS stations between the time delay estimation algorithm impact of error, impact monitoring data transmission and system operation speed, among them, the difference estimate error caused the greatest impact. Secondly station location affect the shape of the geometric positioning accuracy were calculated and analyzed, you use to describe the geometric error factor GEF positioning accuracy, and then summed by the calculation expression monitoring site selection principles.
In addition, the thesis during the study, also based on radio monitoring system networking, you can use several small stations with long baseline TDOA wireless location technologies for high-power multi-station joint positioning signal to compensate for the small stations can not be achieved radio positioning.
Keywords: TDOA; error analysis; any delay; radio detection
目录
第一章绪论 .................................................................................................................... 9
1.1课题研究的背景及意义 ................................................................................... 9 1.2 国内外研究现状 ............................................................................................ 10 1.3 本文主要创新点 ............................................................................................ 16 1.4 本文主要开展的工作 .................................................................................... 16 第二章无线电监测系统需求分析 .............................................................................. 17
2.1 设计目标和原则 ............................................................................................ 17
2.1.1 设计目标 .............................................................................................. 17 2.1.1遵循的标准和规范 ............................................................................... 17 2.2 功能需求分析 ................................................................................................ 17
2.2.1基本数据维护 ....................................................................................... 17 2.2.2频率资源维护 ....................................................................................... 18 2.2.3监测测量业务 ....................................................................................... 18 2.2.4 数据共享 .............................................................................................. 19 2.2.5 数据回收 .............................................................................................. 20 2.2.6数据维护 ............................................................................................... 20 2.2.7 统计分析应用 ...................................................................................... 21 2.3性能需求分析 ................................................................................................. 22
2.3.1输入输出需求 ....................................................................................... 22 2.3.2数据管理能力需求 ............................................................................... 23 2.4运行环境规定 ................................................................................................. 23
2.4.1软硬件环境 ........................................................................................... 23 2.4.2支持软件 ............................................................................................... 23 2.4.3接口 ....................................................................................................... 23 2.5 定位算法需求分析 ........................................................................................ 23 第三章基于TDOA的无线电定位算法的研究 ........................................................ 25
3.1 TDOA双曲线模型......................................................................................... 25 3.2 基于TDOA的经典算法 .............................................................................. 27
3.2.1 CHAN算法 .......................................................................................... 27 3.2.2 Taylor级数展开算法 ........................................................................... 28 3.2.3 SI算法 .................................................................................................. 29 3.3 TDOA时延估计的场景和信号模型............................................................. 30
3.3.1 TDOA 时延估计的场景 ...................................................................... 30 3.3.2 TDOA 时延估计的信号模型 .............................................................. 30 3.4 Chan、Taylor. SI 算法仿真 .......................................................................... 31
3.4.1 仿真条件 .............................................................................................. 31 3.4.2 仿真结论 .............................................................................................. 34 3.5 本章小结 ........................................................................................................ 35 第四章 TDOA无线电传感器网络节点定位 ........................................................... 36
4.1基于TDOA的定位方法 ............................................................................... 36
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4.2 TDOA定位算法改进..................................................................................... 37 4.3 IIR滤波和幅值分析算法 .............................................................................. 37
4.3.1 带通滤波 .............................................................................................. 38 4.3.2 低通滤波 .............................................................................................. 38 4.3.3 幅值分析 .............................................................................................. 39 4.4 TDOA定位算法仿真..................................................................................... 39 4.5 节点工作流程 ................................................................................................ 40 4.6 室外定位测试结果分析 ................................................................................ 41 4.7 本章小结 ........................................................................................................ 42 第五章 TDOA系统延时估计及误差分析 ............................................................... 42
5.1 基于TDOA无线电定位时延估计 .............................................................. 42
5.1.1 几种基本的时延估计方法 .................................................................. 43 5.1.2算法仿真 ............................................................................................... 45 5.2 TDOA定位系统误差分析与修正................................................................. 50
5.2.1 时间误差分析与修正 .......................................................................... 50 5.2.2 地理位置造成的误差 .......................................................................... 54 5.3 本章小结 ........................................................................................................ 56 第六章结论与展望 ...................................................................................................... 56
6.1 结论 ................................................................................................................ 56 6.2 展望 ................................................................................................................ 57 参考文献 ...................................................................................................................... 56
第一章引言
1.1 课题研究的背景及意义
信息传导、信息融合、分析技术和移动通讯领域的技术融合形成了无线电的该项传导技术。可以感知和采集网络区域内的各种信息的无线电传感网络技术，就是结合了以上几种技术能够对传感器对网络覆盖范围内的对象、信息进行分析处理。本文的目的是研究得出网络覆盖范围内的物体之间的位置信息，这是依据物体到达不同监测站的时间差来定位的，从而得出一些有用的信息。在著名的书籍中把无线电传感器作为未来技术的第一位，无线电传感器网络技术是网络信息技术中信息感知和采集的一次新的变革，必然能给日常生活造成巨大影响。无线电传感器网络的广泛应用将会带领人们进入一个崭新的领域，这也是无线电传感器技术发展的未来的趋势。无线电传感器网络具有低功耗、体积小、成本低的特点，这是为什么学者对它产生研究兴趣的一个重要原因，他也将作为一个崭新的领域出现在大家的视野中。该项技术没有完全的核心部分，充分运用了间距小的优势来完成信号的传播，无线电实现数据收发，是利用了传感器节点被分布到需要监测的范围内，使用该项无线电感知技术，能有效处理移动通讯和数据分析过程中出现的各类问题。移动的物体的方向和速度、湿度、温度等这些因素，都能通过无线电传感器网络传感器的不同以及利用传感器节点来检测环境中的各种因素。无线电传感器技术增加了人们对自然的更多的认识和研究，将我们周围的信息和自然的物体相结合，带给人类新的感知。现如今，该项技术已经被广泛运用到各行各业之中，并发挥着巨大作用。无线电传感器也能利用在战争中，它能够监测到敌人的位置和以及战场的环境，还可以进行远距离的通信，大大提高了作战成功的几率，也能快速的获取敌人的信息，给作战中的人做出更准确的作战确定方案提供有利的数据保障。目前无线电传感器网路已经运用到了人们的日常的生活当中，比如说在动物保护方面，给动物安装无线点传感器节点就可以对动物进行监控，从而进行保护；在医院中也存在病人身上安装传感器节点的情况，以至于可以对病人的体温等体征进行监控。在无线电监测系统的关键技术中主要包括基于无线电传感器网络的无线电监测与定位技术以及基于TDOA的无线电定位算法的研究[1-5]。
关于基于 TDOA 的无线电确定方位的具体计算方法的相关研究这几年在国内外受到了一定程度的重视，关于基于TDOA的相关无线电方面的具体定位也就是在一定程度上利用时间差异来进行一定定位的相关技术。要实现对信息源方位的定位，必须要检测确定系统的电波信号传输到各个基站的时间间隔。伴随着现
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代移动信息技术的飞速进步，关于无线电具体确定方位的相关技术也逐渐受到重点关注，所谓的无线电确定方位这一体系和以往较为传统的方式存在着一定的差异，主要在于：具有极强的隐秘性、确定方位的准确性和维护较为便利等这些方面的优点是关于 GPS 相关定位和激光定位方面不能够进行比较的。在实际操作中，对无线信号进行确定的各项技术具有很强的操控性，非常方便，对可移动性的设备进行确切的位置确定，完全没有必要对信息设备进行大的变动，所以关于 TDOA 具体定位方面的相关内容已经在某种程度上变成了大家重点关注的内容，并且已经在一定程度上有了较为广泛的运用[6-8]。现在，关于 TDOA 无线电确定方位方面的相关技术最为重要的运用领域包括：雷达定位体系方面、移动通信网络具体定位服务方面、紧急救援方面、汽车导航方面、智慧城市方面等等。正是因为现在TDOA 无线电确定方位方面的相关技术不断的扩展，大家在平常的生活中也能够在一定程度上应用相关技术。在计算方法的相关研究上面，关于信号在到达时间差异的估量也是在某种程度上进行无线电确定方位的重点。因为无线电相关信号在传播过程中的速度大致上是处于平衡状态，所以测量结果之中的准确程度与位置差异的准确程度有直接关系。定位技术不断地发展壮大，人们也将会在日常生活中运用到这些技术。在近期的研究领域中，更多的专家将研究精力放到了提升时间估算的有效性上。所以，本次论文对于之前所提出的较多的计算方法进行了一定的研究分析，假设可以在一定程度上提出相关计算方法来提升时间延迟的精准程度，并且利用计算机仿真运用来进一步研究是其中最为重要的意义[9-12。
1.2 国内外研究基本现状
在无线电技术领域，与发达国家相比，我国的行业水平虽然还不是很高，但发展势头很猛，各项无线电设备已经开始工作，并有了很大程度的发展。各技术单位做了很多工作来健全该领域的各种规章制度，确保无线电管理技能的发展，主要有：增加信息监测和问题处理的工作量、提高各技术单位信息检查技术水平、积极有效的进行工作的系统安排。以物理学的角度对无线电监测结构的划分有从国家到市级的管理网络。在近五年的国家发展计划中，在该领域将要出台标准的无线电管理制度，也就是确定各项参数一致的信息传输规则，以方便系统内大规模的数据信息进行传输的需求，正是基于国家和省级网络的管理机能，才完成了系统的信息共享；另外两种地区性网络的功能是常规检测，通过无线电调配部门来完成对辖区内所有设施的监控。信息技术的发展日新月异，各项通信业务的需求扩大，这必然会推动该领域的发展步伐，最新出版的无线电管理方面的书籍均有利于该项技术的发展。 [13-15]。