吳 駿

(國網(wǎng)無錫供電公司，江蘇 無錫 214061)

?

變電運(yùn)維現(xiàn)場(chǎng)的TDOA定位系統(tǒng)研究

吳 駿

(國網(wǎng)無錫供電公司，江蘇 無錫 214061)

該系統(tǒng)通過離線階段對(duì)環(huán)境地圖信息和統(tǒng)計(jì)類的先驗(yàn)知識(shí)，進(jìn)一步提升TDOA定位技術(shù)在LOS與NLOS并存環(huán)境的定位精度，通過設(shè)計(jì)開發(fā)的變電運(yùn)維現(xiàn)場(chǎng)安全防護(hù)與監(jiān)控平臺(tái)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)變電運(yùn)維工作人員進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤/查詢和誤入危險(xiǎn)區(qū)域預(yù)警等功能，加強(qiáng)了變電運(yùn)維現(xiàn)場(chǎng)的安全防護(hù)。

室內(nèi)定位；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；TDOA；NLOS

目前的定位系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景分為室外定位系統(tǒng)和室內(nèi)定位系統(tǒng)。室外定位系統(tǒng)包括GPS與北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)、無線蜂窩定位系統(tǒng)。室內(nèi)定位系統(tǒng)由于衛(wèi)星信號(hào)傳輸過程中的屏蔽和干擾，雖然沒有室外定位系統(tǒng)那么成熟，但有一些也已經(jīng)初步成型，如微軟的Radar系統(tǒng)，MIT的Cricket系統(tǒng)，香港科技大學(xué)的LANDMARC系統(tǒng)，國內(nèi)的室內(nèi)無線定位系統(tǒng)有LocalSense系統(tǒng)，采用的技術(shù)主要包括RFID、藍(lán)牙、超聲波、WLAN、Zigbee等技術(shù)，無線定位技術(shù)還有待提高。

室內(nèi)定位系統(tǒng)常用的算法有TDOA(Time Difference of Arriavl, 到達(dá)時(shí)間差法)，RSSI(信號(hào)強(qiáng)度法)和AOA(到達(dá)角度差法)。本系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的定位采用的是定位精度高、速度快、抗干擾能力強(qiáng)和易于實(shí)現(xiàn)的TDOA定位技術(shù)。

1 室內(nèi)地圖設(shè)計(jì)

室內(nèi)定位不同于采用經(jīng)緯度進(jìn)行標(biāo)注的室外定位，通常用二維/三維空間的相對(duì)位置進(jìn)行標(biāo)注，室內(nèi)符號(hào)化設(shè)計(jì)是監(jiān)控平臺(tái)系統(tǒng)展示的重要組成部分，需要對(duì)室內(nèi)的空間結(jié)構(gòu)、設(shè)備及人員進(jìn)行分類別符號(hào)化。本文基于Web設(shè)計(jì)了變電運(yùn)維現(xiàn)場(chǎng)的符號(hào)化地圖顯示方案、運(yùn)維作業(yè)流程管理方案以及終端顯示方案，對(duì)變電站內(nèi)空間的要素進(jìn)行層次分類，可分為以下幾類：閘刀、閘刀箱、避雷器、開關(guān)端子箱、動(dòng)力箱等設(shè)備通過符號(hào)化規(guī)則顯示(見圖1)。由通過圖1可以看出，由于高壓室內(nèi)有三堵墻體的阻隔，對(duì)信號(hào)傳輸已經(jīng)不僅是LOS環(huán)境，同時(shí)也存在NLOS環(huán)境。TDOA定位技術(shù)在LOS環(huán)境下的定位精度非常高，但是在NLOS環(huán)境下會(huì)受到影響，定位精度變差，目前沒有準(zhǔn)確的NLOS誤差數(shù)學(xué)模型，所以很難進(jìn)行正確的非視距識(shí)別。

圖1 高壓室室內(nèi)地圖設(shè)計(jì)

2 定位算法

利用超聲和射頻的傳輸速度不同，采用的是超聲與射頻信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差，通過接收節(jié)點(diǎn)測(cè)量兩種信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差進(jìn)行兩點(diǎn)距離的推算。

2.1 無線信號(hào)傳播特性

假定在一個(gè)無射頻能量被吸收或反射的理想空間中，信號(hào)衰減與發(fā)射端和接收端距離的平方成正比，與信號(hào)波長的平方成反比，為

(1)

式中L(d)——信號(hào)衰減大??；d——發(fā)射端和接收端的距離；λ——信號(hào)的波長。

表1 各聲定位節(jié)點(diǎn)NLOS情況記錄

但是在室內(nèi)環(huán)境下，存在著嚴(yán)重的反射現(xiàn)象，即多徑傳播，從而引起的多徑衰落，與此同時(shí)，還存在著散射和衍射現(xiàn)象。一般平均路徑損耗與發(fā)射端和接收端的距離d的n次方成正比，

(2)

式中d0——參考距離。

寫成dB形式，可以表示為

(3)

其中，ξ為實(shí)際傳播過程中，受到NLOS因素影響的一個(gè)環(huán)境因子變量。NLOS環(huán)境下，多徑傳播是影響TDOA定位精度有很大的影響：當(dāng)信號(hào)沿非直線路徑傳播時(shí)，信號(hào)到達(dá)的時(shí)間要比直線環(huán)境的到達(dá)時(shí)間要長。與此同時(shí)，信號(hào)在NLOS環(huán)境中傳播的信號(hào)要比LOS環(huán)境中傳播的信號(hào)強(qiáng)度弱。

2.2 TDOA定位模型

TDOA定位技術(shù)是利用2種不同傳播速度的信號(hào)到達(dá)同一節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的時(shí)間差，本系統(tǒng)利用射頻和超聲波信號(hào)的傳輸速度不同(正常的室溫環(huán)境下，射頻信號(hào)的速度為3×108m/s，超聲波的速度為344 m/S)，通過檢測(cè)他們到達(dá)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差值Δt對(duì)距離進(jìn)行估算，即d=ΔV×Δt。

2.3 改進(jìn)定位算法

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的改進(jìn)TDOA算法分為兩個(gè)階段：離線數(shù)據(jù)收集階段和在線實(shí)時(shí)定位階段。

(1)離線數(shù)據(jù)收集階段

本系統(tǒng)在高壓室內(nèi)共安裝8個(gè)聲定位節(jié)點(diǎn)：LN1，LN2，LN3，LN4，LN5，LN6，LN7，LN8，將離線階段在高壓室內(nèi)的采集記錄，建立信號(hào)覆蓋圖，數(shù)據(jù)記錄格式如下所示：

radiomap={ri，1r={xi，yi，rssiij}

(4)

如圖1所示，高壓站內(nèi)存在LOS環(huán)境，為了提高NLOS環(huán)境下TDOA定位算法的定位精度，本系統(tǒng)通過預(yù)先記錄各個(gè)聲定位節(jié)點(diǎn)間的NLOS情況，如表2所示。

(2)在線實(shí)時(shí)定位

在線實(shí)時(shí)定位的步驟如下：

1)經(jīng)由目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算測(cè)量所得的RSS矢量，進(jìn)而與數(shù)據(jù)庫中各矢量對(duì)比，選取最小距離最小的數(shù)據(jù)庫矢量，進(jìn)而確定最近的聲定位節(jié)點(diǎn)。

2)再根據(jù)LOS情況記錄表中，選定該節(jié)點(diǎn)附近的2個(gè)LOS節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫矢量，進(jìn)行目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置測(cè)量，具體步驟為聲定位信標(biāo)節(jié)點(diǎn)Sensor1、Sensor2、Sensor3……Sensor8的坐標(biāo)已知，分別為(x1，y1)，(x2，y2)(x3，y3)……(x8，y8)，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為(x，y)，其到達(dá)各聲信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離分別為d1，d2，d3…d8，具體距離為：

(5)

di，1=dj-d1=

(6)

將式(5)代入式(6)，整理可得

(7)

利用Chan氏定位算法進(jìn)行雙曲面方程組的求解，即可得到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的初步估計(jì)位置。

3)對(duì)高壓室內(nèi)18個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行多次測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，找出測(cè)距誤差大了測(cè)試點(diǎn)，并對(duì)其與聲定位信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的LOS/NLOS情況進(jìn)行分析。

4)根據(jù)步驟三的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，參考文獻(xiàn)[3]中，根據(jù)Greenstein模型產(chǎn)生均方根延時(shí)擴(kuò)展，非視距誤差服從模型產(chǎn)生均方根延時(shí)擴(kuò)展，非視距誤差服從指數(shù)分布

(8)

5)根據(jù)環(huán)境地圖信息中MAC地址，進(jìn)行LOS/NLOS環(huán)境的區(qū)分，如果是LOS環(huán)境，測(cè)量結(jié)果不變，如果是NLOS環(huán)境，將測(cè)量結(jié)果進(jìn)行先驗(yàn)測(cè)量誤差的補(bǔ)償。

圖2 測(cè)試點(diǎn)均方誤差分布

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

圖2所示時(shí)TDOA定位在X軸、Y軸、Z軸的均方誤差分布。在高壓室內(nèi)放置8個(gè)聲定位節(jié)點(diǎn)，測(cè)試人員選取18個(gè)測(cè)試點(diǎn)，對(duì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多次的定位實(shí)驗(yàn)。從圖2可以看出，定位誤差是在變化的，通過數(shù)據(jù)分析，當(dāng)測(cè)試點(diǎn)與定位采用的聲定位節(jié)點(diǎn)為NLOS時(shí)，定位誤差變大。因此，定位誤差與NLOS的多徑傳播有關(guān)。TDOA定位與改進(jìn)算法定位準(zhǔn)確度對(duì)比如表2所示。

表2 TDOA定位與改進(jìn)算法定位準(zhǔn)確度對(duì)比

變電運(yùn)維現(xiàn)場(chǎng)安全防護(hù)與監(jiān)控平臺(tái)測(cè)試過程截圖，通過圖3可以看出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)清晰的定位軌跡。

圖3 變電運(yùn)維現(xiàn)場(chǎng)安全防護(hù)與監(jiān)控平臺(tái)

仿真結(jié)果表明，該改進(jìn)算法可以在一定程度上提高目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位精度，并且定位結(jié)果比較穩(wěn)定。

[1]LARRY，JGREEENSTEIN，etal.AnewPath-GainPDelay-SpreadPropagationModelfordigitalcellularchannels[R].IEEETransonVT, 1997(46): 477-484.

(本文編輯：嚴(yán) 加)

TDOA Positioning System for Substation On-Site Operation and Maintenace

WU Jun

(State Grid Wuxi Electric Power Supply Company, Wuxi 214061, China)

This system can improve the positioning accuracy of TDOA positioning technology in LOS/ NLOS environment through map information and statistical knowledge of the off-line phase. The protection and monitoring platform system was designed and developed for substation on-site operation and maintenance to achieve real-time positioning of substation operation and maintenance staff, trajectory tracking/query and early warning against stray into the dangerous zone, thereby strengthening the substation on-site maintenance security protection.

indoor location; WSN; TDOA; NLOS

10.11973/dlyny201506008

TN929.5；TP212.9

A

2095-1256(2015)06-0779-03

2015-10-08