【摘 要】
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随着日常生产生活对位置服务的需求不断提升,室内定位逐渐成为目前研究热点之一。超宽带（Ultra-wideband,UWB）定位以其厘米级的定位精度成为室内定位的代表性技术,超宽带的定位精度受到非视距传播、多径效应、基站布设等因素影响,尤其是基站的布设阵型直接影响信号的视距传播（Line of Sight,LOS）和非视距传播（Non-Line of Sight,NLOS）、信号到达时间的测量精度等
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随着日常生产生活对位置服务的需求不断提升,室内定位逐渐成为目前研究热点之一。超宽带（Ultra-wideband,UWB）定位以其厘米级的定位精度成为室内定位的代表性技术,超宽带的定位精度受到非视距传播、多径效应、基站布设等因素影响,尤其是基站的布设阵型直接影响信号的视距传播（Line of Sight,LOS）和非视距传播（Non-Line of Sight,NLOS）、信号到达时间的测量精度等,进而影响测距精度和定位解算精度。因此超宽带基站布设优化对于提高定位精度具有至关重要的作用和意义。针对基站布设优化问题,本文首先对精度稀释因子（Dilution of Precision,DOP）在超宽带室内定位基站布设优化中的适用性进行分析,然后设定了克拉美劳界（Cramer-Rao Bound,CRB）、位置精度稀释因子（Position Dilution of Precision,PDOP）和到达时间差（Time Difference of Arrival,TDOA）测量误差三个基站布设评价指标,并以这三个评价指标作为优化目标建立基站布设优化数学模型,最后分别通过遗传算法和萤火虫算法求解出全局近似最优的基站布设阵型。主要研究内容包括:（1）DOP在基站布设优化中的适用性分析。由于本文从实验中发现PDOP与实际误差的分布相差甚远,因此有必要分析DOP在室内定位基站布设优化中的适用性。本文从DOP的原理、DOP与基站的关系和DOP的应用场景等多个方面对DOP进行分析论证,DOP虽然在客观地评价角度对定位结果的影响方面具有参考价值,但是由于其考虑的不够全面导致在室内定位中具有一定的局限性。然后根据现有的超宽带测距误差模型推导出TDOA测量误差模型,并将其作为基站布设优化度量标准,得到以TDOA测量误差为优化目标的优化后基站阵型。最后,分别在8m×8m×3m的小尺度场景和100m×30m×10m的大尺度场景进行实验对比三种基站阵型在接收信干比不同的条件下的定位精度,同时在室外标准足球场进行实验对比两种信干比条件下多径对三种基站阵型的定位精度的影响。实验结果表明文献[79]提出的以PDOP作为优化目标的优化后基站布设阵型并非最优基站布设阵型,且在低信干比环境下定位精度不如常用的立方体8基站阵型,受多径效应影响较为严重。证明DOP不能作为超宽带室内定位基站布设优化的决定性度量标准,但可以作为一个参考指标。（2）超宽带基站布设优化方法。基站布设优化的目的是提高定位精度和稳定性,本文首先根据这两个目标提出了多目标联合优化框架。然后设定CRB、PDOP和TDOA测量误差三个基站布设评价指标,并以这三个评价指标建立基站布设优化数学模型,可以通过遗传算法和萤火虫算法等智能算法求解得到全局近似最优的基站布设阵型。理论推导和仿真测试表明优化后的基站布设阵型相较于传统的立方体8基站阵型具有更好的平均误差和方差。在14.5m×7.6m×3m展厅内的实测实验结果表明,经过优化后的基站布设阵型定位精度提高了0.7132cm,且方差减小了50.6496cm2,具有较高的稳定性。
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