差分演进算法TDOA定位
基于TDOA的改进定位算法及精度分析
Ｄ ＯＩ ｉ １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ７ — １ ４ ２ ３ ． ２ ０ １ ７ ． ２ ９ ． ０ ０ １
基于 Ｔ Ｄ ＯＡ的改进定位算 法及精度分析
在不 同误差 范围 内的定位精度 和不 同 目标数量的处理
时， 由于每个 目标 本应该进行初值 估计和迭代修 正 ， 但 原始 方法计算量 大会引起部分 目标 只做初值估计 不迭
代修 正 ， 甚至不处 理 的情况 ， 这 导致 了整体 目标定 位精 度低 和定 位实 时性低 的 问题 。为了解决 这两个 问题 ，
精度 。
关键词 ：
协同 Ｔ Ｄ Ｏ Ａ定位 ； 批量 目标 ； 定位 实时 陛； 定位精 度
基金 ９ １ ３ ３ ８ １ ０ ７ ）
０ 引言
近年来 ， 由于无 源定位具有探 测范 围大 、 定 位精度
两 次 ｗＬ Ｓ计算 和迭 代计算 消耗 时 间太 多 。本文
军事 目标定 位 中运 用 很多 。Ｔ Ｄ Ｏ Ａ （ Ｔ ｉ ｍ ｅ Ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｏ ｆ
Ａ ｒ ｒ ｉ ｖ ａ １ ） 定位 是利用多个测量 站接收辐射源信号 的时间
差来对辐射源进行定位－ － 。
值更新加权 矩阵 ， 利用 ＷＬ Ｓ算法迭代 出修正的 目标位
ＧＩ Ｉ
： ＋
＋ １ ＋
ｊ一．
２■
● ● ●
一
．
、 Ｉ ， 为 误 差 矢 ＝ Ｂ Ｑ Ｂ
阵， ， ： ， 表示 ｉ 测 量 站 位 （ ５ ）
基于TDOA算法的差分UWB室内定位系统研究
基于TDOA算法的差分UWB室内定位系统研究作者：陈小斯沈重周群张鲲郑理强来源：《现代电子技术》2018年第06期摘要：超宽带UWB定位技术在受到电磁干扰、NLOS 等情况影响时，实际定位环境变得复杂，造成实际定位精度不高、定位稳定性差。
通过借鉴差分GPS技术，以TDOA⁃UWB 室内定位技术为基础，提出差分UWB定位算法。
同时结合权重滑动平均法，研究并提出基于TDOA算法的差分UWB室内定位系统，以Hainan EVK 2.0系统作为实验平台进行相关的测试实验。
实验结果表明，基于TDOA算法的差分UWB室内定位系统能有效提高定位精度和定位稳定性，在受到外界干扰的情况下，定位误差整体降低23%。
关键词：超宽带定位； TDOA算法；差分GPS；差分UWB定位；权重滑动平均；室内定位系统中图分类号： TN953+.7⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2018）06⁃0045⁃05Abstract： When ultra⁃wideband （UWB） positioning technology is affected by electromagnetic interference， NLOS and other conditions， the positioning environment becomes complicated， which results in low actual positioning accuracy and poor positioning stability. On the basis of the TDOA⁃UWB indoor positioning technology， a differential UWB positioning algorithm is proposed by drawing on the experience of differential GPS （DGPS） technology. Combined with the weight moving average method， a differential UWB indoor positioning system based on TDOA algorithm is studied and proposed. With the Hainan EVK 2.0 system as the experimental platform，relational testing experiments were carried out. The experimental results show that the differential UWB indoor positioning system based on TDOA algorithm can effectively improve the positioning accuracy and positioning stability， and the positioning errors are wholly reduced by 23% in the case of external interference.Keywords： UWB positioning； TDOA algorithm； differential GPS； differential UWB positioning； weighted moving average； indoor positioning system0 引言目前，室内定位技术已成为一个热点研究领域，出现了如蓝牙技术、WiFi技术、RFID （Radio Frequency Identification）技术等的室内定位技术。
tdoa算法原理
tdoa算法原理Time Difference of Arrival (TDOA) is an algorithm used in localization systems to determine the position of a transmitter based on the differences in arrival times of signals received by multiple receivers. Here's the principle behind the TDOA algorithm:1.Signal Propagation: When a signal is transmitted from aknown location, it propagates through the environment andreaches multiple receivers at different times due to variations indistance and obstacles.2.Time Synchronization: To accurately measure the timedifferences of arrival, receivers need to be synchronized to acommon time reference. This ensures that the differences inarrival times are precisely measured.3.Measurement of Time Differences: Each receivermeasures the time it takes for the signal to arrive from thetransmitter. By comparing these arrival times among the receivers, the TDOA between pairs of receivers can be calculated.4.Hyperbolic Localization: The TDOA values from multiplepairs of receivers create hyperbolic curves in the localizationspace. The intersection of these hyperbolic curves represents thepossible locations of the transmitter.5.Multilateration: By intersecting multiple hyperboliccurves, the TDOA algorithm determines the most likely positionof the transmitter. This process is known as multilateration and is used to estimate the transmitter's coordinates.6.Error Mitigation: Various factors such as signal noise,multipath propagation, and inaccuracies in time synchronization can introduce errors in TDOA measurements. Advancedalgorithms and techniques are employed to mitigate these errors and improve localization accuracy.TDOA算法原理（Principle of TDOA Algorithm）：时间差到达（TDOA）是用于定位系统的一种算法，根据多个接收器接收到的信号到达时间的差异来确定发射器的位置。
差分演进算法TDOA定位
摘要无线定位服务是一种有着广阔市场前景的移动增值业务，基本原理是利用现有蜂窝网络，通过对各种位置特征参数，包括到达时间(TOA)、到达时间差(TDOA)、到达方向(DOA)的测量和估计，来实现移动用户的定位。
本论文对无线通信网络中基于TDOA的无线定位技术进行了研究。
本文分析了国内外相关研究现状，给出了移动台定位的几种基本方法，并给出了TDOA定位的双曲线数学模型，分析了基于TDOA定位的Chan算法、遗传算法(GA)和差分演进算法(DE)，并对其进行了计算机仿真。
仿真结果表明，三种算法各有优缺点：Chan算法定位精度较低但运算速度很快，GA算法和DE算法定位精度高但收敛时间较长。
在上述研究的基础上，本论文提出了三种新的定位算法：基于TDOA的Chan-GA算法、Chan-DE算法和Chan-IDE算法。
并在相同的仿真环境下进行比较，仿真结果表明，在保证种群数量的情况下，所提的算法性能稳定，能找到逼近全局最优点的解，相对于Chan算法精度更高,相对于以前的算法在保证收敛性能的前提下有更快的收敛速度。
关键词：移动台定位；到达时间差；遗传算法；差分演进算法；免疫算法ABSTRACTCellular wireless location service is a new mobile value-added service with a good market future. Its basic principle is to implement mobile user location through estimating characteristic parameters relative to position, including time-of-arrival (TOA), time-difference-of-arrival (TDOA), direction-of-arrival (DOA), etc. This thesis aims at the research of wireless location technology based on time-related measurements in Wireless Communication System.The thesis analyzes the domestic and foreign correlation research of present situation, and gives several essential methods of mobile location. After that, the mathematical model of TDOA hyperbolic equations is established, three location algorithms based on time-difference-of-arrival (TDOA), Chan, genetic algorithm and Differential Evolution are analyzed, and have been carried on the simulation to them. The simulation results show that all the algorithms have the advantages and disadvantages.The Chan algorithm has bad location accuracy and very quick operating speed. To the contrary, the genetic algorithm and Differential Evolution have a high accuracy and a fast convergence time.Based on the above investigation, three new location algorithms called Chan-GA algorithm, Chan-DE algorithm and Chan-IDE algorithm based on TDOA measurements are put forward. Carrying on the computer simulation to them under the same environment, the simulation results show that if the population size is big enough, the algorithm is robust and can find the coordinates. It has a higher accuracy than Chan algorithms and a faster convergence time than genetic algorithm.Key words: Mobile location; TDOA; Genetic algorithm; Differential Evolution; Immune algorithm目录第1章绪论 (1)1.1课题研究背景 (1)1.2课题研究的目的和意义 (2)1.3国内外的研究现状 (4)1.4本文的主要工作 (5)第2章移动台定位的基本方法 (7)2.1移动台定位的两种方案 (7)2.1.1基于网络的定位 (7)2.1.2基于移动台的定位 (7)2.2移动台定位技术 (8)2.2.1基于场强测量的定位方法 (8)2.2.2基于传播时间测量的定位方法 (8)2.2.3基于信号到达角度测量的定位方法 (10)2.2.4混合定位方法 (10)2.3影响移动台定位精度的主要原因 (11)2.4本章小结 (12)第3章基于TDOA定位算法的分析及仿真 (13)3.1TDOA定位的数学模型 (13)3.1.1定位问题的最小二乘(LS)表示 (13)3.1.2TDOA双曲线模型 (14)3.2TDOA定位算法——Chan算法 (15)3.3定位准确率的评价指标 (20)3.4本章小结 (21)第4章遗传算法在TDOA定位中的应用 (22)4.1遗传算法简介 (22)4.1.1遗传算法的基本原理 (22)4.1.2遗传算法的特点 (23)4.1.3遗传算法的基本流程图和主要步骤 (24)4.1.4遗传算法的基本操作 (25)4.2遗传算法在TDOA定位中的实现 (27)4.2.1TDOA双曲线定位模型 (27)4.2.2改进的遗传算法的实现 (29)4.2.3Chan-GA算法的实现 (32)4.3计算机仿真 (32)4.4本章小结 (35)第5章差分演进算法在TDOA定位中的应用错误！未定义书签。
基于TDOA算法的差分UWB室内定位系统研究
基于TDOA算法的差分UWB室内定位系统研究陈小斯;沈重;周群;张鲲;郑理强【摘要】超宽带UWB定位技术在受到电磁干扰、NLOS 等情况影响时,实际定位环境变得复杂,造成实际定位精度不高、定位稳定性差.通过借鉴差分GPS技术,以TDOA-UWB室内定位技术为基础,提出差分UWB定位算法.同时结合权重滑动平均法,研究并提出基于TDOA算法的差分UWB室内定位系统,以Hainan EVK 2.0系统作为实验平台进行相关的测试实验.实验结果表明,基于TDOA算法的差分UWB室内定位系统能有效提高定位精度和定位稳定性,在受到外界干扰的情况下,定位误差整体降低23%.%When ultra-wideband(UWB)positioning technology is affected by electromagnetic interference,NLOS and oth-er conditions,the positioning environment becomes complicated,which results in low actual positioning accuracy and poor posi-tioning stability. On the basis of the TDOA-UWB indoor positioning technology,a differential UWB positioning algorithm is pro-posed by drawing on the experience of differential GPS(DGPS)technology. Combined with the weight moving average method, a differential UWB indoor positioning system based on TDOA algorithm is studied and proposed. With the Hainan EVK 2.0 sys-tem as the experimental platform,relational testing experiments were carried out. The experimental results show that the differen-tial UWB indoor positioning system based on TDOA algorithm can effectively improve the positioning accuracy and positioning stability,and the positioning errors are wholly reduced by 23% in the case of external interference.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2018(041)006【总页数】5页(P45-49)【关键词】超宽带定位;TDOA算法;差分GPS;差分UWB定位;权重滑动平均;室内定位系统【作者】陈小斯;沈重;周群;张鲲;郑理强【作者单位】海南大学南海海洋资源利用国家重点实验室,海南海口570228;海南大学南海海洋资源利用国家重点实验室,海南海口570228;海南大学南海海洋资源利用国家重点实验室,海南海口570228;海南大学南海海洋资源利用国家重点实验室,海南海口570228;海南大学南海海洋资源利用国家重点实验室,海南海口570228【正文语种】中文【中图分类】TN953+.7-340 引言目前，室内定位技术已成为一个热点研究领域，出现了如蓝牙技术、WiFi技术、RFID（Radio Frequency Identification）技术等的室内定位技术。
TDOA定位技术的基本原理和算法
万方数据
·２０·
西安邮 电 学 院学报
２００７年１月
１．２延时扩展Ｇｒｅｅｎｓｔｅｉｎ模型
Ｔ１Ｐ１模型中的延时扩展根据Ｇｒｅｅｎｓｔｅｉｎ模型 （一种基于实际测量值的模型）来产生即：
ｌ＇ｍａｘ＝Ｔ１ｄ◇
（１）
其中ｌ＇ｒｒｍｘ是均方根延时扩展，Ｔ１是在ｄ＝ｌｋｍ处延
时扩展的中值，ｅ取值在０．５到１之间，Ｙ是一个标准 差为民的对数正态分布随机变量。不同信道环境下 的参数如表２所示。
（２）检测设备造成的测量误差：假设检测设备精 度造成的ＴＤＯＡ误差服从均值为０，标准差为３０ｍ 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、
１５０ｍ。
３．１理想信道环境下，测量设备误差对定位的影响 仿真条件：小区半径Ｒ＝２０００ｍ，参与定位的基
误差概率ＣＥＰ，ＣＥＰ是定位估计器相对于其定位均
万方数据
第１期
郭华：们）Ｃ）Ａ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
包含了一半以均值为中心的随机矢量实现的圆半
径。如果定位估计器为无偏差的。ＣＥＰ即为ＭＳ相对
其真实位置的不确定性度量如图２所示。如果估计
器为有偏差的且以偏差Ｂ为界，则对于５０％概率，
度上取决于基站和待定位移动台ＭＳ之间的几何位 置关系。几何位置对定位准确率影响的度量即为几 何精度因子（ＧＤＯＰ），定义为定位误差ＲＭＳＥ与测 距误差ＲＭＳＥ比率。ＧＤＯＰ表征了由于移动台与基 站几何位置关系对测距误差的放大程度。对于无偏 差估计器，ＧＤＯＰ为：
ＧＤＯＰ＝￣／ｔｒ［（ＡＴＡ）１］
（７）
ＢＳ
图１ ＭＳ—ＢＳ本地散射模型
TDOA基站定位算法详细介绍ppt课件
微波、雷达干扰源定位
对宽带无线电信号精度更高 脉冲信号更有效
19
20
信号带宽越宽，时间测量精度越高。尤其适用于宽带低功率谱信 号。
11
实验结果
对于带宽大于10KHz的无线电信号，时间测量误差 为100ns。（距离误差为30m）
12
五、DOA与TDOA的比较
所需监测站数量 监测站配置的复杂度 定位精度和灵敏度 结论
13
所需监测站数量
DOA
TDOA
测向
1
不能测向
J
L
定位
2
3
J
J
由此可知 : TDOA至少需要3个监测站才能提供定位服务；而DOA只需要 两个监测站就能完成此项任务。
14
监测站配置的复杂度
GPS同步 测向天线 接收机 精度 高速数据传输 安装
DOA
J L L L J L
TDOA基站的复杂度低于DOA基站
TDOA
L J J J L J
15
定位精度和灵敏度
10
四、TDOA定位优点
系统简单 节省投资
天线为监测天线 没有复杂的测向天线阵 升级扩展方便 监测系统仅需增加同步设备和数字信号处理设备 环境兼容性好 对周围环境的要求宽松，具有一定得抗多径能力
定位精度高
基线长度不受限制，使用长基线避免天线间互耦影响，使定位精 度提高；不存在相位模糊问题
主监测站分别计算出无线电信号到达两个监测站天 线的时间差（利用相关算法）
根据两站之间时间差转换为距离差，可以得到一条 双曲线；
通过三个或多个无线电监测站测得的时间差可以得 到两条或多条双曲线相交来实现对发射源的定位
7
tdoa方法
TDOA（Time Difference of Arrival，到达时间差）定位方法是一种无线信号定位技术，它通过测量信号到达不同接收器的时间差异来确定信号源的位置。
在实际应用中，例如在移动通信、雷达系统、无线电导航以及紧急呼叫系统的定位服务中，TDOA被广泛应用。
基本原理：1.接收时差测量：TDOA系统通常由三个或更多个接收站组成（对于二维定位至少需要三个接收站，三维定位则通常需要四个）。
当一个未知位置的发射源发出信号时，每个接收站会记录下接收到该信号的准确时间戳。
通过比较这些时间戳，可以计算出信号到达各个接收站的时间差（Δt_i）。
2.双曲线定位：每一对接收站之间的时间差对应着信号源到这两个接收站的距离差，这将在空间上形成一条双曲线。
不同的接收站对将产生不同的双曲线。
信号源的位置将是所有这些双曲线交点的地方。
3.数学建模与解算：通过构建适当的数学模型，如非线性方程组，可以求解这些双曲线的交点以得到信号源的精确坐标。
实际中，可能需要利用数值优化算法来处理噪声和误差的影响。
关键技术与挑战：•高精度时间同步：为了获得高精度的TDOA，接收站之间必须进行高度精确的时间同步，一般通过GPS或其他精密时间源实现。
•时差测量误差控制：时差测量的精度直接影响定位精度，每减少1纳秒的时间差误差大致对应0.3米的距离误差。
因此，接收机的硬件性能、信号处理算法以及环境因素（如多径效应、干扰等）都会影响最终定位精度。
•数据处理与算法：采用相关函数法、广义相关法、相位谱分析等手段提取信号到达时间信息，并结合GDOP（Geometric Dilution OfPrecision，几何精度因子）等指标评估定位质量。
•鲁棒性和实时性：确保算法在各种复杂环境下仍能稳定工作，且能在满足定位精度的同时提供实时定位结果。
应用优势：•不需要信号源配合发送特定信息，因此TDOA常用于被动定位，即无需知道信号源的身份或内容。
•在覆盖区域内无需信号源具备GPS接收能力，适用于无法安装GPS设备的情况。
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摘要无线定位服务是一种有着广阔市场前景的移动增值业务，基本原理是利用现有蜂窝网络，通过对各种位置特征参数，包括到达时间(TOA)、到达时间差(TDOA)、到达方向(DOA)的测量和估计，来实现移动用户的定位。
本论文对无线通信网络中基于TDOA的无线定位技术进行了研究。
本文分析了国内外相关研究现状，给出了移动台定位的几种基本方法，并给出了TDOA定位的双曲线数学模型，分析了基于TDOA定位的Chan算法、遗传算法(GA)和差分演进算法(DE)，并对其进行了计算机仿真。
仿真结果表明，三种算法各有优缺点：Chan算法定位精度较低但运算速度很快，GA算法和DE算法定位精度高但收敛时间较长。
在上述研究的基础上，本论文提出了三种新的定位算法：基于TDOA的Chan-GA算法、Chan-DE算法和Chan-IDE算法。
并在相同的仿真环境下进行比较，仿真结果表明，在保证种群数量的情况下，所提的算法性能稳定，能找到逼近全局最优点的解，相对于Chan算法精度更高,相对于以前的算法在保证收敛性能的前提下有更快的收敛速度。
关键词：移动台定位；到达时间差；遗传算法；差分演进算法；免疫算法ABSTRACTCellular wireless location service is a new mobile value-added service with a good market future. Its basic principle is to implement mobile user location through estimating characteristic parameters relative to position, including time-of-arrival (TOA), time-difference-of-arrival (TDOA), direction-of-arrival (DOA), etc. This thesis aims at the research of wireless location technology based on time-related measurements in Wireless Communication System.The thesis analyzes the domestic and foreign correlation research of present situation, and gives several essential methods of mobile location. After that, the mathematical model of TDOA hyperbolic equations is established, three location algorithms based on time-difference-of-arrival (TDOA), Chan, genetic algorithm and Differential Evolution are analyzed, and have been carried on the simulation to them. The simulation results show that all the algorithms have the advantages and disadvantages.The Chan algorithm has bad location accuracy and very quick operating speed. To the contrary, the genetic algorithm and Differential Evolution have a high accuracy and a fast convergence time.Based on the above investigation, three new location algorithms called Chan-GA algorithm, Chan-DE algorithm and Chan-IDE algorithm based on TDOA measurements are put forward. Carrying on the computer simulation to them under the same environment, the simulation results show that if the population size is big enough, the algorithm is robust and can find the coordinates. It has a higher accuracy than Chan algorithms and a faster convergence time than genetic algorithm.Key words: Mobile location; TDOA; Genetic algorithm; Differential Evolution; Immune algorithm目录第1章绪论 (1)1.1课题研究背景 (1)1.2课题研究的目的和意义 (2)1.3国内外的研究现状 (4)1.4本文的主要工作 (5)第2章移动台定位的基本方法 (7)2.1移动台定位的两种方案 (7)2.1.1基于网络的定位 (7)2.1.2基于移动台的定位 (7)2.2移动台定位技术 (8)2.2.1基于场强测量的定位方法 (8)2.2.2基于传播时间测量的定位方法 (8)2.2.3基于信号到达角度测量的定位方法 (10)2.2.4混合定位方法 (10)2.3影响移动台定位精度的主要原因 (11)2.4本章小结 (12)第3章基于TDOA定位算法的分析及仿真 (13)3.1TDOA定位的数学模型 (13)3.1.1定位问题的最小二乘(LS)表示 (13)3.1.2TDOA双曲线模型 (14)3.2TDOA定位算法——Chan算法 (15)3.3定位准确率的评价指标 (20)3.4本章小结 (21)第4章遗传算法在TDOA定位中的应用 (22)4.1遗传算法简介 (22)4.1.1遗传算法的基本原理 (22)4.1.2遗传算法的特点 (23)4.1.3遗传算法的基本流程图和主要步骤 (24)4.1.4遗传算法的基本操作 (25)4.2遗传算法在TDOA定位中的实现 (27)4.2.1TDOA双曲线定位模型 (27)4.2.2改进的遗传算法的实现 (29)4.2.3Chan-GA算法的实现 (32)4.3计算机仿真 (32)4.4本章小结 (35)第5章差分演进算法在TDOA定位中的应用错误！未定义书签。
5.1差分演进算法简介 (36)5.1.1差分演进算法的基本原理 (36)5.1.2差分演进算法的特点 (37)5.1.3差分演进算法的优点 (38)5.1.4差分演进算法的流程 (38)5.1.5差分演进算法的参数选取 (38)5.2差分演进算法在TDOA定位中的实现 (39)5.2.1差分演进算法的实现 (36)5.2.2Chan-DE算法的实现 (40)5.3计算机仿真 (41)5.4本章小结 (45)第6章基于CHAN-IDE的TDOA定位技术 (35)6.1免疫差分算法简介 (36)6.1.1免疫差分算法的基本原理 (36)6.1.2免疫差分算法的基本流程图 (37)6.2基于Chan-IDE算法的TDOA定位技术 (39)6.3计算机仿真 (50)6.4本章小结 (54)结论······················································································错误！未定义书签。
参考文献 ············································································错误！未定义书签。
致谢······················································································错误！未定义书签。