非视距条件下航站楼三维空间旅客定位算法优化

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在高吞吐量、智慧机场等社会发展的背景下,利用室内定位技术已成为旅客便捷出行、提供机场服务保障的关键。超宽带(Ultra Wide Band,UWB)技术凭借它的优势脱颖而出。2019年,北京大兴国际机场采用UWB技术对行李进行室内定位,同年该技术正式进入主流消费电子产品;2020年,IEEE更新了UWB的相关标准,为UWB进一步进入主流应用铺平了道路。首先,在确定将UWB技术应用于机场航站楼的背景下,对超宽带室内定位系统的工作原理及结构进行综述,分析常用于获取定位系统中标签位置的基于信号强度(Received Signal Strength Indicator,RSSI)、信号到达基站的时间戳(Time of Arrival,TOA)、信号到达基站的时间戳差(Time Difference of Arrival,TDOA)、信号到达角度(Angle of Arrival,AOA)、信号飞行时间(Time of flight,TOF)测距算法,并确定采用基于TOF测距算法作为航站楼内旅客定位系统的方法。对影响定位精度的重要因素进行分析,并介绍非视距传播误差的模型,给出用于评价定位算法精度的评价标准。其次,设计基于UWB技术的航站楼旅客定位系统,完成UWB定位系统的硬件模块设计。详细介绍了基于TOF的测距方法,分析了TWR协议、对称双边双向测距协议(SDS-TWR)、非对称双向测距协议(ADS-TWR)测距的优劣。采用ADS-TWR协议完成标签和基站之间的距离测量。设计标签和基站实现定位功能的流程、程序运行的状态机流程。根据旅客定位系统的需求,基于c#开发了航站楼内旅客定位的软件系统。在测距误差上,提出用粒子滤波的方式降低非视距传播误差,并对传统粒子滤波中随机重采样粒子的方式进行优化,选择粒子权重中值区间的粒子更新参数,进而加快粒子滤波的速度;针对三边定位算法中基站和标签的测距误差导致的三圆不相交或相交区域太大的问题,设计自适应的三边定位算法。引入平均差作为基站选择的标准,选择平均差最小的三个基站,提出测距误差修正的流程,最后以三圆交点外接圆的圆心作为标签的位置。最后,搭建三维空间下旅客定位系统的实验环境。采用四个基站、一个标签的方式进行实验,通过设置标签在不同的位置,利用粒子滤波和优化后的粒子滤波算法测量标签到基站的距离。实验结果证明优化后的粒子滤波可以减少测距误差且耗时更短。在非视距传播环境下,分别利用最小二乘法、质心法、加权质心法、自适应三边定位算法对同一个标签位置进行1000次测距定位实验。通过实验验证了自适应三边定位算法估计的标签位置精度更高,鲁棒性强。
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