變電運維現場的TDOA定位系統研究

吳 駿

(國網無錫供電公司，江蘇 無錫 214061)

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變電運維現場的TDOA定位系統研究

吳 駿

(國網無錫供電公司，江蘇 無錫 214061)

該系統通過離線階段對環境地圖信息和統計類的先驗知識，進一步提升TDOA定位技術在LOS與NLOS并存環境的定位精度，通過設計開發的變電運維現場安全防護與監控平臺系統，可實現對變電運維工作人員進行實時定位，運動軌跡跟蹤/查詢和誤入危險區域預警等功能，加強了變電運維現場的安全防護。

室內定位；無線傳感器網絡；TDOA；NLOS

目前的定位系統根據應用場景分為室外定位系統和室內定位系統。室外定位系統包括GPS與北斗衛星定位系統、無線蜂窩定位系統。室內定位系統由于衛星信號傳輸過程中的屏蔽和干擾，雖然沒有室外定位系統那么成熟，但有一些也已經初步成型，如微軟的Radar系統，MIT的Cricket系統，香港科技大學的LANDMARC系統，國內的室內無線定位系統有LocalSense系統，采用的技術主要包括RFID、藍牙、超聲波、WLAN、Zigbee等技術，無線定位技術還有待提高。

室內定位系統常用的算法有TDOA(Time Difference of Arriavl, 到達時間差法)，RSSI(信號強度法)和AOA(到達角度差法)。本系統對目標的定位采用的是定位精度高、速度快、抗干擾能力強和易于實現的TDOA定位技術。

1 室內地圖設計

室內定位不同于采用經緯度進行標注的室外定位，通常用二維/三維空間的相對位置進行標注，室內符號化設計是監控平臺系統展示的重要組成部分，需要對室內的空間結構、設備及人員進行分類別符號化。本文基于Web設計了變電運維現場的符號化地圖顯示方案、運維作業流程管理方案以及終端顯示方案，對變電站內空間的要素進行層次分類，可分為以下幾類：閘刀、閘刀箱、避雷器、開關端子箱、動力箱等設備通過符號化規則顯示(見圖1)。由通過圖1可以看出，由于高壓室內有三堵墻體的阻隔，對信號傳輸已經不僅是LOS環境，同時也存在NLOS環境。TDOA定位技術在LOS環境下的定位精度非常高，但是在NLOS環境下會受到影響，定位精度變差，目前沒有準確的NLOS誤差數學模型，所以很難進行正確的非視距識別。

圖1 高壓室室內地圖設計

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到達的時間差，通過接收節點測量兩種信號到達的時間差進行兩點距離的推算。

2.1 無線信號傳播特性

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

(1)

式中L(d)——信號衰減大小；d——發射端和接收端的距離；λ——信號的波長。

表1 各聲定位節點NLOS情況記錄

但是在室內環境下，存在著嚴重的反射現象，即多徑傳播，從而引起的多徑衰落，與此同時，還存在著散射和衍射現象。一般平均路徑損耗與發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為實際傳播過程中，受到NLOS因素影響的一個環境因子變量。NLOS環境下，多徑傳播是影響TDOA定位精度有很大的影響：當信號沿非直線路徑傳播時，信號到達的時間要比直線環境的到達時間要長。與此同時，信號在NLOS環境中傳播的信號要比LOS環境中傳播的信號強度弱。

2.2 TDOA定位模型

TDOA定位技術是利用2種不同傳播速度的信號到達同一節點所產生的時間差，本系統利用射頻和超聲波信號的傳輸速度不同(正常的室溫環境下，射頻信號的速度為3×108m/s，超聲波的速度為344 m/S)，通過檢測他們到達節點的時間差值Δt對距離進行估算，即d=ΔV×Δt。

2.3 改進定位算法

本系統設計的改進TDOA算法分為兩個階段：離線數據收集階段和在線實時定位階段。

(1)離線數據收集階段

本系統在高壓室內共安裝8個聲定位節點：LN1，LN2，LN3，LN4，LN5，LN6，LN7，LN8，將離線階段在高壓室內的采集記錄，建立信號覆蓋圖，數據記錄格式如下所示：

radiomap={ri，1r={xi，yi，rssiij}

(4)

如圖1所示，高壓站內存在LOS環境，為了提高NLOS環境下TDOA定位算法的定位精度，本系統通過預先記錄各個聲定位節點間的NLOS情況，如表2所示。

(2)在線實時定位

在線實時定位的步驟如下：

1)經由目標節點的計算測量所得的RSS矢量，進而與數據庫中各矢量對比，選取最小距離最小的數據庫矢量，進而確定最近的聲定位節點。

2)再根據LOS情況記錄表中，選定該節點附近的2個LOS節點的數據庫矢量，進行目標節點的位置測量，具體步驟為聲定位信標節點Sensor1、Sensor2、Sensor3……Sensor8的坐標已知，分別為(x1，y1)，(x2，y2)(x3，y3)……(x8，y8)，目標節點的坐標為(x，y)，其到達各聲信標節點的距離分別為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氏定位算法進行雙曲面方程組的求解，即可得到目標節點的初步估計位置。

3)對高壓室內18個測試點進行多次測試，并對測試結果進行統計分析，找出測距誤差大了測試點，并對其與聲定位信標節點的LOS/NLOS情況進行分析。

4)根據步驟三的統計結果，參考文獻[3]中，根據Greenstein模型產生均方根延時擴展，非視距誤差服從模型產生均方根延時擴展，非視距誤差服從指數分布

(8)

5)根據環境地圖信息中MAC地址，進行LOS/NLOS環境的區分，如果是LOS環境，測量結果不變，如果是NLOS環境，將測量結果進行先驗測量誤差的補償。

圖2 測試點均方誤差分布

3 試驗數據分析及結論

圖2所示時TDOA定位在X軸、Y軸、Z軸的均方誤差分布。在高壓室內放置8個聲定位節點，測試人員選取18個測試點，對目標節點進行多次的定位實驗。從圖2可以看出，定位誤差是在變化的，通過數據分析，當測試點與定位采用的聲定位節點為NLOS時，定位誤差變大。因此，定位誤差與NLOS的多徑傳播有關。TDOA定位與改進算法定位準確度對比如表2所示。

表2 TDOA定位與改進算法定位準確度對比

變電運維現場安全防護與監控平臺測試過程截圖，通過圖3可以看出目標節點清晰的定位軌跡。

圖3 變電運維現場安全防護與監控平臺

仿真結果表明，該改進算法可以在一定程度上提高目標節點的定位精度，并且定位結果比較穩定。

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

(本文編輯：嚴 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