基于CSS技术的实时定位系统设计与实现

摘要

科技快速进步和发展的今天，节点位置信息在网络技术应用中有着不可替代的作用。目前，全球卫星定位系统比较成功解决了室外定位问题，给人们生活带来了巨大便利，但在无法接收到GPS信号的应用场景下，无线定位的研究是传感器网络领域的热点课题。本论文针对GPS系统无法应用的场景，设计并实现了基于CSS技术的高精度无线实时定位系统。
　　论文分析定位需求并设计系统架构，继而搭建无线实时定位系统。在此基础上，研究抑制非视距传播的数据滤波算法及定位算法，且在室内外测试系统功能和性能。具体内容如下:
　　(1)定位系统需求分析及架构设计。首先对国内外目前无线定位技术和定位方法介绍并比较，本文选择CSS技术结合双边双向测距算法的TOA定位方法来实现无线定位系统。
　　(2)无线实时定位系统的实现。完成了基于NanoPAN5375模块和Atmel嵌入式微控制器ATmega1284p的节点硬件设计与电路调试。锚节点与标签间实现SDS-TWR测距算法。在定位系统平台中实现了TDM调度与多点测距，并完成了数据提取、协议解析、数据滤波和定位算法等核心模块。
　　(3)抑制非视距传播对无线定位系统的影响。在改善测距误差方面:实现SDS-TWR测距算法并利用曲线拟合矫正原始测量数据，减小测量偶然误差，利用提出的改进卡尔曼滤波算法平滑测距数据，减少测距数据抖动从而减弱NLOS误差;在定位算法方面，利用加权最小二乘法与Min-Max结合的定位算法，同时使用残差加权算法，进一步滤除非视距传播误差以及定位估计误差。
　　(4)定位系统的功能和性能测试。在室内外两个典型的应用场景下对定位系统测试，经验证，系统具备对多标签的区域定位、一维定位、二维定位和跟踪功能，且室内外定位精度可以达到1m左右。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 课题研究现状

1．2．1 无线定位技术研究现状

1．2．2 CSS技术研究现状和特点

1．3 论文主要研究内容及结构安排

第二章 无线定位系统概述

2．1 无线定位技术介绍

2．1．1 超声波定位技术

2．1．2 RFID定位技术

2．1．3 ZigBee定位技术

2．1．4 相位差定位技术

2．1．5 UWB定位技术

2．1．6 CSS定位技术

2．2 无线定位方法介绍

2．2．1 RSSI定位估计法

2．2．2 TOA定位估计法

2．2．3 TDOA定位估计法

2．2．4 AOA定位估计法

2．2．5 混合定位方法

2．3 衡量定位算法的性能指标

2．4 无线定位系统需求分析

第三章 无线实时定位系统的设计与实现

3．1 无线实时定位系统架构设计

3．2 硬件设计与实现

3．2．1 电源模块

3．2．2 MCU模块

3．2．3 串口模块

3．2．4 射频模块

3．2．5 节点PCB及实物图

3．3 软件设计与实现

3．3．1 嵌入式软件设计与实现

3．3．2 定位引擎软件设计与实现

3．3．3 服务器软件设计与实现

3．4 本章小结

第四章 抑制非视距传播对无线测距和定位的影响

4．1 定位误差分析与NLOS误差识别问题

4．2 SDS-TWR算法和曲线拟合方法减少测量误差

4．3 改进的卡尔曼平滑滤波算法消除NLOS误差

4．4 定位算法设计

4．4．1 圆周定位原理

4．4．2 加权最小二乘法定位算法

4．4．3 Min-Max定位算法

4．4．4 加权最小二乘法与Min-Max结合的定位算法

4．4．5 残差加权定位算法

4．5 平滑处理定位结果

4．6 本章小结

第五章 系统测试

5．1 测试环境及仪器

5．2 室外测试

5．2．1 室外测距实验

5．2．2 室外定位实验

5．3 室内测试

5．3．1 室内测距实验

5．3．2 室内定位测试

5．4 本章小结

第六章 论文总结与展望

6．1 论文总结

6．2 论文展望

参考文献

致谢