TDOA定位技术原理及算法
对TDOA定位技术的基本原理的描述，基于时间测量值的蜂窝无线定位算法第1期郭华:TDOA定位技术的基本原理和算法21值的不确定性度量。对于二维定位系统,、CEP定义为CEP≈(0.75s)ODOP(11)包含了一半以均值为中心的随机矢量实现的圆半G丑OP可作为从大量基站中选择所需定位基站的指径。如果定位估计器为元偏差的CEP即为MS相对标,选中的基站是使(nOP最小的基站,还可用于其真实位置的不确定性度量如图2所示。如果佔计建立新系统时作为选择基站位置的参考。器为有偏差的且以偏差B为界,则对于50%概率,MS的信计位置在距离B+CEP内,此时,CEP为一3基于COST259信道模型的算法仿复杂函数,通常用其近似表示,对于TDOA双曲线主位,CEP近似表示为CEP=0.75J2+02为了从分评估CHAN算法和 Taylor算法在不其中202分别为二维估计位置的方差同信道环境、不同测量条件下的定位性能,本文设定了多种仿真条件,考虑了实际应用中的可能出现的发射机位置情况,并且每次都在相同的条件下对MS做定位佔计。考核定位结果的均方根误差(RMSE)并以图表的形式直观的表示出米,结合理论分析,对这两和主CEP偏差矢量要的无线定位算法做评估。平均估计位置实际应用中,对尢线定位精度造成影响的因素有许多种。在本文中主要考虑以下因素:小区半径的大小、参与定位的基站数目、不同的信道参数、设图2圆误差概率CEP备的测量误差、定位基站的排列形状等。综合考虑2.3几何精度因子((丑OP)以上因素,仿真所需的主要条件如采用距离测量方法的定位系统准确率在很大程1)针对COS259模型中的A、B、C、D四种信度上取决于基站和待定位移动台MS之间的几何位道做仿真。不同的信道其参数T不同。在考察小置关系几何位置对定位准确率影响的度量即为几区半径和定位基站数目对定位性能的影响时主要考何精度因子(GDOP),定义为定位误差RMSE与测虑了A和B两种信道,考察基站的排列形状时主要距误差RMSE比率。GDOP表征了由于移动台与基考虑B和D两种信道。站几何位置关系对测距误差的放大程度。对于无偏(2)检测设备造成的测量误差:假设检测设备精差计器,GDOP为:度造成的TDOA误差服从均值为0,标准差为30mGDOP=Ntr[(AA(7)的高斯正态分布。在考察设备的测量误差对定位精度的影响时,标准差分别取:30m、60m、90m、120m、其中,tr()表示对结果矩阵求迹,即求矩阵主对角150m线兀素之和aA为根据某种特征测量值建立的线性3.1理想信道环境下测量设备误差对定位的影响方程组的系数矩阵,即仿真条件:小区半径R-2000m,参与定位的基Y=AX(8)站数目为3~7个,MS在1/12小区内均匀分布,假这里,基站位置Y是已知的M×1维向量,MS位置设信道为理想的LOS信道,由信道造成的NIOS误X是2×1维未知向量[xy],A是Mx矩阵,如果差为0。仅仅考由于检测设备的测量误差对算法AA是非奇异矩阵且M>2,则式(8)为方程数大于定位性能的影响。比较受限 Taylor算法与CHAN未知量数目的超定方程组,采用最小二乘LS)算算法的定位性能法获得MS估计位置定位结果如图3、图4和图5所示X=(AAAY(9)从图3到图5可以看出,当仅有理想高斯分布对于无偏差的估计器及二维双曲线定位系统的测量误差时,参与定位基站的数目已经不是很重GDOP可表小为要了,基站数目的变化不会影响两种算法的定位性GDOP=x +o v/ s(10)能。定位性能与测量误差直接相关(基本呈线性增这里s为测距误差标准差。GDOP与CEP有以长)。从3个图屮都可以发现CHAN算法的定位性下近似关系能要好与 Taylor算法。也就是说CHAN算法的抗C1994-2010chinaAcademicjOurnalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp://www.cnkinet22西安邮电学学报2007年1月高斯分冇;NLOS误差服从COST259模型。仿真结果如图6、图7和图8所示。图3基站数为3时理想高斯测量误差条件下, MTavlor算法与CHAN算法的定位性能比较图6基站数目为3时, TAylor算法和CHAN算法在BadUrban和 Urban环境下图4基站数为4时理想高斯测量误差条件下 MTavlor算法与CHAN算法的定位性能比较图7基站数目为4时, MAylor算法和CHAN算法在Barban和 Urban环境下的性能比画量柱准展图5基站数为7时理想高斯测量误差条件下 MAylor算法与CHAN算法的定位性能比较高斯噪声性能更好,较适用于LOS信道环境。图8基站数目为7时, TAylor算法和CHAN算法在3.2COsT259环境下小区大小定位基站数目及 BadUrban和Uban环境下的性能比排列对定位性能的影响标识说明: Badurban chan表小在 Badurban(T参与定位基站数目与小区大小对定位性能的=1)环境下CHAN算法的定位性能曲线; Urban-影响Chan表示在 Urban(T=0.4)环境下CHAN算法的仿真条件:参与定位的基站数目固定为(3~7),定位性能曲线; BadUrban Taylor表示在 Badurban小区半径大小由100400变化。MS在112(T=1)环境下 M Taylor算法的定位性能曲线;Ur小区内均匀分布,在 Badurban和Ubam环境下比 ban Taylor表示在 Urban(T=0.4)环境下 M Taylor较受限的 Taylor算法和CHN算法的定位性能。算法的定位性能曲线。Taylor算法的初始位置取MS的实际位置;设从图6到图8可以看出,在实际信道中,CHAN备的测量误差服从均值为0,标准差为30m的理想算法的定位性能要比 Taylor算法的性能差,这是o01994-2010ChinaaCademicjOurnalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp:/www.cnkinet第1期郭TDOA定位技术的基本原理和算法23由于CHAN算法本身就是针对運想高斯LoS环境想蜂窝状排列时 MAylor算法的定位性能曲线;提出米的,所以在实际信道中,由于NLOS误差的U Highway Chan表示在 Urban(T=0.4)环境下引入导致了CHAN算法性能的急剧下降。基站直线排列时CHAN算法的定位性能曲线我们也可以从图中发现,当NLOS误差分不相Highway Chan表示在 Rural(T=0.1)环境下同时,参与定位的基站数日的多少对算法的定位性基站直线排列时CHAN算法的定位性能曲线能没有多大的影响。但当小区半径大于3000m时,U Chan表示在 Urban(T=0.4)环境下基站理Taylor算法的性能呈直线下降,而且当小区半径增想蜂窝状排列时CHAN算法的定位性能曲线;大时, Maylor算法有可能出现不收敛情况。而CHan表示在Rurl(T-0.1)环境下基站理想CHAN算法性能变化较为平稳,且在任何情况下都蜂窝状排列时CHAN算法的定位性能由线能够给出定位结果。因此可以得出结论,在其它条件相同的条件下CHAN算法比 Taylor算法更适合与宏小区的无线非理想的基站分布对定位性能的影响仿真条件:小区半径从1000m~4000m,参与定位的基站数目为3。在类似高速公路的直线区域内基站一般呈直线分布。MS在1/12小区内均匀分布。比较受限 Taylor算法和CHAN算法在 Urban小区使加和Rura环境下的定位性能,以及基站直线分布与哩想蜂窝状分布下两种算法的定位性能。 Taylor图10基站直线排列与理想蜂窝状排列时在 Urban和算法中MS的初始位置取MS的实际位置。设备测Rurl环境下CHAN算法定位性能的比较量误差服从均值为0,标准差为30m的理想高斯分从图9和图10可以看出,基站的位置分布对两布。非视距误差NLOS满是COST259信道模型。种算法的定位性能影响都很人,其它条件不变时,当仿真结果如图9和图10所示基站呈直线分布时,定位性能都急剧下降。如果做樻向比较,在小、区半径较小时, Taylor算法有较好的定位性能。4小结通过以上的仿真与分析比较可以看出小区半径对CHAN算法的影响的程度比Taylor算法较小,在其它条件不变,只有小区半径增大的量准圣与时,CHAN算法的定位性能变化较为平稳。而Taylor算法的定位性能变化较为剧烈。说明在相同的图9基站直线排列与理想蜂窝状排列时,在 Urban和条件下,CHAN算法更适合与宏小区的定位。Rural环境下 TAylor算法定位性能的比较标识说明在LOS环境下,TDOA测量值的误差服从均U HighwayMTay表示在 Urban(T=0.4)环境值为0的埋想高斯分布CHAN算法的定位性能优于 Taylor算法的定位性能。所以CHAN算法更适下基站直线排列时 MAylor算法的定位性能曲线;合于LOS环境的定位。RHighwayM Tay表示在 Rural(T=0.1)环境下基站直线排列时 TAylor算法的定位性能曲线岀基站呈直线排列时,两种算法的定位性能与UMTay表示在 Urban(T=0.4)环境下基站理理想的蜂窝状分布时的定位性能相比急剧下降。在小区半径较小时, Taylor算法有较好的定位性能。想蜂窝状排列时 MAylor算法的定位性能曲线信道环境对定位性能有很大的影响,特别是对RMTav表示在 Rural(T=0.1)环境下基站理CIAN算法的影响更大一些。在郊区和远郊两种C1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp://www.cnki.net4西安邮电学学报2007年1月算法都能取得较好的定位效果,基本能够满足FWrokshop j une 2001911的定位要求;但在城区的效果就明显下降,在闹21 J ames J. Caffery:Jr. and Gordon L. Stuber: Overvie市区几乎不能准确定位。因此,要在市区和闹市区of Radiolocation in CDMA Cellular Systems. TEEF获得较好的定位效果,就需要对定位算法进行改进,Communications Magazine April 1998 pp 38-45对如何取得更精确的TDOA测量值,更好的克服3]An Overview of Wireless Indoor geolocation Techniqueand Systems. Kaven Pahlavan. Xinrong Li. MikaNLOS误差进行深入旳研究。Ylianttila. Ranvir chana. And matti latva- aho. Mo-参考文献bile and wireless Communications Networks. IFIPTC6/ European commission NETWORKiNG 2000 Inter-[I Do menico Porcino. Philips Research Laboratories. Stannational Workshop. MWCN 2000. Paris France. Maydardisation of Location Technologies Mobile Location2000Principle and algorithm of doa location technologyGUO HuaDepartment of Electronic of Information Engineering Xi an University of Post and Telecommunications, Xi an 710121, China)Abstract: This thesis researches the wireless location algorithms based on time-related measurements in thWireless Cellular Network. By analyzing existing basic techniques and algorit hms in wireless location this thesisselects the TDOA algorithm for emp hases of research. First, we int roduce two typical al gorithms as Taylor algo-rithm and chan algorithm. Furthermore, we analyze and compare them by simulation under some commonmobile channel environment. In order to eval uate the performance of the two basic al gorithms in detail, the perfect channel and two typical mo bile communication channel model (CoST 259 and TiPl)are employed for future detailed simulation. In simulations, many relative parameters w hich may effect the performance of the loca-tion algorithms are examined, such as the cell size, the number of the base stations taking part in the locationservice, equip ment measurement errors, NLOS effect etcKey words: Time of Arrive (TOA); Difference Time of Arrive( TDOA); Angel of Arrive(AOA); NLOS error(上接第18页)Error code protection and scheme of Turbo code forwreless video frequency transmissionXU Hua, DONG Yirning, XIA YangCollege of Communication and Information EngineeringNanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China)Abstract The characteristics of wireless channel such as time- variety and high BER requires not only strongerror correcting capability of channel coding method but also the ability to adjust bit rate according to the state ofwireless channel. The Rate Compatible Turbo code (RCP T)can fulfill such requirement, and protect video fre-quency stream with tr- s interleaver. The application of rCPt over the mo bile communication channel is intro-duced, and new schemes about adaptive coding system and unequal error protection are discussedKey words: Turbo codes; RCPT codes; puncture table, unequal error protectionC1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
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汽车噪声与振动-理论与应用
汽车NVH领域的经典入门读物，引领进入汽车振动噪声研究的最佳选择。第一章管道声学(1.12)时,声压幅值达到最大,反节点的位子是:(1.13)驻波是由频率相同的向右传播的入射波和向左传播的反射波迭加而成。驻波并不是运动的波,而是静止的,这是“驻”波名称的由来。波表示管道中的声音的模态。对於长度一定的管道来说,由于有许多频率的波,因此也就有很多驻波。这里所提到的驻波是假设管壁刚硬,所冇声波遇到管壁时全部被反射回来。可是实际上,管端壁不是完全刚性,因此反射波的声压不完全等於入射波声压,因此在节点处,入射波和反射波不可能完全抵消。但是这些点处的声压大部分被抵消,声压最低。第二节管道声阻抗阻抗是指当对媒质受到压力或者搾动力时,媒质会对传播产生阻碍。管道中的声学阻抗Z,定义声压与质点体积速度的比值,即(1.14)式中,u,U和S分别是管道中的速度,体积速度和截面积。体积速度与质点速度的关系为:L=SL。声吝在管道內传播,当管道的截面积发生变化的时候,声阻抗也发生变化。图1.3是截面积变化的管道,在变截面的地方,由于阻抗发生变化,一部分入射波就会被发射回原来的管道而另一部分入射波会在新的截面管道中继续传播。抗性消音器的工作原就是基于这种阻抗的变化。声波从发动机出来并在进气或者排气系统中传播,当遇到消音元件或者截面积变化时,入射声波被反射回发动机声源,从而抑制声音的传播。进排气系统中声阻抗不匹配的情况主要有截面积变化,主管道中插入了其他管道(如旁支消音器等),管道开口通往大气等等图1.3截面积变化的管道进排气系统中管道的长度都是有限的。图1.4表小一个长度为L的管道。假改管道两端的声阻抗分别已知,即在=处,声阻抗为,在=处,声阻抗为由公式(1.6)和(1.9),可以得到管道中仟一点的声阻抗为管道声学图1.4长度为L的管道将=代入公式(1.15)中,得到该处的声阻抗为:将三代入公式(1.15)中,得到该处的声阻抗:公式(17)可以重新写成下面的形式18将方程(1.16)代入到方程(1.18中,消除和,就得到输入声阻抗和输出声阻抗的关系,如下第一章管道声学(1.20第三节管口封闭与管口敞廾声波从管道入口端发射出来,传播到尾端。管道尾端通常有两种情况,一种是开口的,如进气管口,排气尾管口;另一种是封口的,如四分之一波长管。下面就来分析这两种尾端的声学特征。1.开∏-封闭管道图1.5表示管道尾端封闭状况。声音在管道里问石传播,当声波碰到刚性的封闭端时,声波被全部反弹冋来,再向左传播管口封闭图1.5开凵封闭管道对一个刚性的封闭口来说,其声阻抗为无穷大,即>0,根据公式(1.19),得到:1.21)声阻抗可以写成下面的形式:(1.22)式中R和粉别是阻抗的实部和虚部,R为声阻,称为声抗。声阻取决于结构的材料特性,而声抗则取决」结构的儿何特性。当声抗为零的时候,结构就发生共振。公式(1.21)中的声阻抗也可以写成公式(1.22)那样的形式,为(1.23)上式如果满足下亩的条件:(1.24)即,那么这个开口-封闭管道就发生共振,其固有频率为:(1.25)当n-=1,2,3,.,时,分别对应著管道第·阶、第二阶、第三阶,,.,等阶次频率图1.6是管道声波的第一阶和第阶模态。这个声波在封闭端时,声压达大最大值,然后发射第一章管道声学到入口处,使得入口端的声压为零,即在开口端形成驻波节点。四分之一波长管就是应用这个原理来工作的。图1.6管道声波的第一阶模态(A)和第二阶模态(B)公式(1.25)可以转变为管道长度与波长的关系,表达如下1.26)当n=1时,管道的长度是波长的四分之,即:。所以这种开∏封闭的管道通常叫著四分之一泼长管2.开口开口答道图1.7为一个尾端开口的管」。声波从入口端向右传播进入开口端时,声音与大气产生声耦合。大气的辐射声阻抗会将一部分声波返回管口敞开图1.7开口-开口管道声波在尾端的声阻抗为周围坏境的声阻抗,也就是说这个声阻抗不为零。为了使问题简化起见,我们先假设这个阻抗为零,然后再对所得到的结构进行修正。如果在x=处的声阻抗为零,那么由公式(1.19)可以得到下式(1.27)同样,当这个声阻抗中的声抗为零的吋候,管道就发生共振,这时必须满足:即:这时,开口-开口管道的共振频率为:当n=1,2,3,,时,分别对应著管道第一阶、第二阶、第三阶,.,等阶次频率第一章管道声学图1.8是开口-开口管道声波的第一阶和第二阶模态。图1.8开口-开口管道的第一阶模态(A)和第二阶模态(B)公式(1.30)可以转变为管道长度与波长的关系,衣达如下(1.31)3.开口管道的修正在推导尾端廾口公式时,我们假设了出口周围坯境的声阻抗为零,但是实际上这个阻抗不为零,因此必须对公式(1.27-1.31)的结论做修止。对图1.9这样的开∏终端,被称为自由自由开口。该开口处的声阻抗为:等效管图1.9自山开口-开口修正管道山于管道的直径非常小,因此和都远远小于1。山公式(1.27)和(1.32)得到:(1.33)这样,管道内的频率为34)管道长度与波长的关系为(1.35这样管道的长度比声阻抗为零的时候要短些,也就是说好像有一根等效的延长管与原来的管道相连接。管道的计算长度就是实际管子长度加上等效延长管长度△即第一章管道声学(1.36有时侯,在出口管处还会加类似与法兰的结构,如图1.10所示。这时,有效延长管的长度为△实际管子的长度为:△式中是管子的计算长度发等效管图1.10法兰开口-开口修正管道第四节四端网终分析进气系统或者排气系统都是有很多管道和消音元件组成。分析整个系统往往是非常复杂的,但是如果将系统分解到一些小的段落,那么分析起来就相对容易些。得到了每个段落或者是每个部件的分析结果,然后将之合成起来就得到了整个系统的结果。四端网络分析就是这种分析方法,在管道声学分析中得到了广泛的应用。对於管道中一小段质量(如图1.11)来说,动力方程可以写成如下:(1.39)式中,S是管道的截面积,是这个小质量段的长度,和分别是质量端两边的压力图1.11管道中一小段质量的受力分析公式(1.39)可以表达为(1.40)第一章管道声学对这一小段质量来说,假设两边的速度是相等的,即将这公式(1.40)和(1.41)写成矩阵形式,得到:(1.42)公式(1.42)建立起这段小质量块两边的压力和速度的关系。管道中小段质量块后端的压力和速度可以用它前端的压力和速度来表示。也就是说质量块后端与前端之间建立起来一种传递关系。同样对一个长度为L的管道(如图1.4所示)也可以得到管道两端的传递关系。在=处的压力和速度可以通过公式(1.6)和(1.9)分别求得(1.13)由以上两式可以得到和,如下:45(1.46根据公式(6)和(9),在处的压力和速度分别为将公式(1.45)和(1.46)中和的表达式代入公式(1.47)和(1.48)之中,就得到管道入冂与出∏之间声压和速度之间的关系,为:+49将公式(1.49)和(1.50)写成如下的矩阵形式第一章管道声学这样就得到了管道两边的压力和速度的传递关系。公式(1.51)可以简单地写成如下形式式中,被称为传递矩阵。如果管道的传递矩阵知道,那么只要知道管道端的压力和速度,就可以通过传递矩阵算出另一端的压力和速度。在传递矩阵两边分别是两个输入参数和两个输出参数。这四个参数的关系由传递矩阵来确定,因此这种表达方式称为四端网络法。上面介绍了小段质量和长度为L的管道的传递矩阵表达方法。这种方法可以推广到任何一个声学元件,其输入端和输出端的声压和速度都可以用四端网络米表示。图1.12代表某个声学元件i。图1.12一个管道元件的四端网终图这个元件两边的压力和速度关系为式中是传递矩阵,是传递矩阵系数。汽车的进气系统包括进气管道、空气过滤器、赫耳姆兹消音器、四分之波长管等。排气系统包括排气多支管、催化器、谐振器、消音器和管道等。一个系统如果由N个元件组成。而且每个元件的传递矩阵都知道,那么出声口的声压和速度就可以用声源的声压和速度来表示如下形式:(1.54)式中的L1是系统的传递矩阵,如下形式(1.55)
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