时间：2022-08-13 10:13:11
《计算机仿真杂志》2014年第六期
1无线定位系统
1．1TDOA定位算法DOA即TimeDifferenceofArrival。TDOA定位算法的基本思想是测量移动台发射信号到达不同基站的时间差。TDOA定位算法的基本原理是利用双曲线的特性———双曲线上的点到两焦点距离之差为定值。TDOA定位的双曲线模型如图3所示。
1．2影响RNS定位精度的因素影响无线定位精度一个重要因素是移动台与基站之间的信号为非视距(NOLS)传播信号。视距(LOS)传播是得到准确的信号特征测量值的必要条件。但在城市、近郊或室内环境下，移动台和多个基站之间实现视距传播是非常困难的，更多的情况是通过反射和折射的方式进行传播的。如果电磁波在传播过程中遇到尺寸大于其波长的障碍物，反射就会发生。在反射面，入射电磁信号的小部分被障碍物吸收而大部分沿着反射路径继续传播，从而影响TOA或TDOA的定位精度，使得基于TOA或TDOA算法的定位估计成为有偏估计。因此，如何减小NLOS传播的影响是提高定位精度的关键技术之一。本文采用的基于卡尔曼滤波和空间相关性滤波联合滤波的TOA定位算法首先对来自N个基站的距离测量值进行无偏卡尔曼滤波处理，继而通过基站与移动台之间的空间位置几何关系的方法判断出距离测量值中是否包含有NLOS误差。根据判断结果，对含有最大NLOS误差的测量值直接剔除，对含NLOS误差的测量值采用Wylie方法进行重构。然后用重构处理过的距离测量值采用线性化最小二乘法计算出移动台的位置，最后再采用正弦滤波对移动台位置坐标进行平滑处理。
2惯性器件和无线测距设备的误差模型
本文通过对MIMU(微惯性测量组合)和无线测距设备输出数据进行采集，然后通过MATLAB对其进行分析处理，并结合测量器件的技术手册，建立如下误差模型。
2．1陀螺误差建模由于陀螺的精度对定位结果影响较大，陀螺建模为常值误差、随机误差和一阶马尔科夫过程误差。具体如下:其常值误差εc和一阶马尔科夫过程误差εr的微分方程如下:其中，Tg为马尔科夫过程相关时间，ωr为激励白噪声，ωg为陀螺白噪声。
2．2加速度计误差建模加速度计的精度一般较高，常值误差较小，故本文对加速度计建模为一阶马尔科夫过程，其微分方程如下:
2．3无线测距设备误差建模由于本文采用了TDOA算法，各测距设备的常值误差将抵消，且通过分析发现无线测距设备的马尔科夫相关时间较大，噪声信号的相关性比较小，故无线测距设备的误差模型为随机误差。根据惯导系统的误差方程和MIMU的误差模型，可以得到组合定位系统的状态方程，选取惯导系统和无线定位系统的差值作为观测量，可以得到组合系统的量测方程，具体如下:各测量器件的误差模型如下:设三轴陀螺和三轴加速度计的漂移特性相同，陀螺常值漂移误差为0.2°/s，白噪声漂移均方根为0.1°/s，一阶马尔科夫漂移均方根为0.1°/s，马尔科夫相关时间为1800s;加速度计随机零偏均方根为1×10－3g，马尔科夫相关时间为1200s;无线测距随机零偏均方根为0.5m。设置三个工作阶段，如下:第一阶段:0－＞125.6sMINS正常，RNS故障;第二阶段:125.6s－＞251.2sMINS正常，RNS正常;第三阶段:251.2s－＞376.8sMINS故障，RNS正常;第四阶段:376.8s－＞502.4sMINS故障，RNS故障。在以上条件下，进行仿真，定位效果如图6所示。在第一阶段，MINS正常工作，定位结果较平滑，不存在信号跳变，但MINS单独工作，误差迅速累积，在125.6s时，1)系统仿真为了评价组合定位系统的性能，本文设置如下仿真环境:仿真目标物运动轨迹。此轨迹为长320米宽20米的矩形区域，此区域横坐标指向东向，纵坐标指向北向，载体从(0，10)点开始，沿图中曲线匀速运动，速率为1m/s，运动到点(320，10)结束，共用时502.4s。四个基站在矩形区域的四个角上，测量载体到各个基站的距离，为无线定位解算提供数据源。由MIMU组成的微捷联惯导系统(MINS)位于载体上，分别感知载体的角速度和加速度，为惯导解算提供数据源。定位误差累积到了3米;在第二阶段，RNS系统开始正常工作，两个系统进行组合定位，RNS抑制MINS的误差累计，MINS对RNS进行平滑处理，抑制RNS的信号跳变，将定位精度控制在1米以内;在第三阶段，MINS出现故障，RNS单独定位，由于没有了MINS的平滑处理，RNS的单独定位出现了较大的波动性。2)结果分析根据第二阶段MINS/RNS组合定位效果可知，两个子系统单独工作定位效果都不太理想，组合之后两个子系统通过互补，将定位精度控制在1米以内，达到了室内定位的要求。
3小结
本文在构建松组合卡尔曼滤波器的基础上，对组合位系统进行了仿真，结果表明此组合系统充分发挥各自的优势，抑制了惯导的误差积累和无线定位系统的信号跳变，提高了系统的定位精度。本文采取松组合方案，直接利用两个系统的差值作为观测量，对系统误差进行最优估计，下一步可以考虑紧组合方案，在无线测距阶段，利用惯导的数据对测距数据进行滤波处理，使定位的结果更加准确平滑。
作者：傅军朱涛史岩单位：海军工程大学电气工程学院