变电运维现场的TDOA定位系统研究

吴 骏

(国网无锡供电公司，江苏 无锡 214061)



变电运维现场的TDOA定位系统研究

吴 骏

(国网无锡供电公司，江苏 无锡 214061)

该系统通过离线阶段对环境地图信息和统计类的先验知识，进一步提升TDOA定位技术在LOS与NLOS并存环境的定位精度，通过设计开发的变电运维现场安全防护与监控平台系统，可实现对变电运维工作人员进行实时定位，运动轨迹跟踪/查询和误入危险区域预警等功能，加强了变电运维现场的安全防护。

室内定位；无线传感器网络；TDOA；NLOS

目前的定位系统根据应用场景分为室外定位系统和室内定位系统。室外定位系统包括GPS与北斗卫星定位系统、无线蜂窝定位系统。室内定位系统由于卫星信号传输过程中的屏蔽和干扰，虽然没有室外定位系统那么成熟，但有一些也已经初步成型，如微软的Radar系统，MIT的Cricket系统，香港科技大学的LANDMARC系统，国内的室内无线定位系统有LocalSense系统，采用的技术主要包括RFID、蓝牙、超声波、WLAN、Zigbee等技术，无线定位技术还有待提高。

室内定位系统常用的算法有TDOA(Time Difference of Arriavl, 到达时间差法)，RSSI(信号强度法)和AOA(到达角度差法)。本系统对目标的定位采用的是定位精度高、速度快、抗干扰能力强和易于实现的TDOA定位技术。

1 室内地图设计

室内定位不同于采用经纬度进行标注的室外定位，通常用二维/三维空间的相对位置进行标注，室内符号化设计是监控平台系统展示的重要组成部分，需要对室内的空间结构、设备及人员进行分类别符号化。本文基于Web设计了变电运维现场的符号化地图显示方案、运维作业流程管理方案以及终端显示方案，对变电站内空间的要素进行层次分类，可分为以下几类：闸刀、闸刀箱、避雷器、开关端子箱、动力箱等设备通过符号化规则显示(见图1)。由通过图1可以看出，由于高压室内有三堵墙体的阻隔，对信号传输已经不仅是LOS环境，同时也存在NLOS环境。TDOA定位技术在LOS环境下的定位精度非常高，但是在NLOS环境下会受到影响，定位精度变差，目前没有准确的NLOS误差数学模型，所以很难进行正确的非视距识别。

图1 高压室室内地图设计

2 定位算法

利用超声和射频的传输速度不同，采用的是超声与射频信号到达的时间差，通过接收节点测量两种信号到达的时间差进行两点距离的推算。

2.1 无线信号传播特性

假定在一个无射频能量被吸收或反射的理想空间中，信号衰减与发射端和接收端距离的平方成正比，与信号波长的平方成反比，为

(1)

式中L(d)——信号衰减大小；d——发射端和接收端的距离；λ——信号的波长。

表1 各声定位节点NLOS情况记录

但是在室内环境下，存在着严重的反射现象，即多径传播，从而引起的多径衰落，与此同时，还存在着散射和衍射现象。一般平均路径损耗与发射端和接收端的距离d的n次方成正比，

(2)

式中d0——参考距离。

写成dB形式，可以表示为

(3)

其中，ξ为实际传播过程中，受到NLOS因素影响的一个环境因子变量。NLOS环境下，多径传播是影响TDOA定位精度有很大的影响：当信号沿非直线路径传播时，信号到达的时间要比直线环境的到达时间要长。与此同时，信号在NLOS环境中传播的信号要比LOS环境中传播的信号强度弱。

2.2 TDOA定位模型

TDOA定位技术是利用2种不同传播速度的信号到达同一节点所产生的时间差，本系统利用射频和超声波信号的传输速度不同(正常的室温环境下，射频信号的速度为3×108m/s，超声波的速度为344 m/S)，通过检测他们到达节点的时间差值Δt对距离进行估算，即d=ΔV×Δt。

2.3 改进定位算法

本系统设计的改进TDOA算法分为两个阶段：离线数据收集阶段和在线实时定位阶段。

(1)离线数据收集阶段

本系统在高压室内共安装8个声定位节点：LN1，LN2，LN3，LN4，LN5，LN6，LN7，LN8，将离线阶段在高压室内的采集记录，建立信号覆盖图，数据记录格式如下所示：

radiomap={ri，1r={xi，yi，rssiij}

(4)

如图1所示，高压站内存在LOS环境，为了提高NLOS环境下TDOA定位算法的定位精度，本系统通过预先记录各个声定位节点间的NLOS情况，如表2所示。

(2)在线实时定位

在线实时定位的步骤如下：

1)经由目标节点的计算测量所得的RSS矢量，进而与数据库中各矢量对比，选取最小距离最小的数据库矢量，进而确定最近的声定位节点。

2)再根据LOS情况记录表中，选定该节点附近的2个LOS节点的数据库矢量，进行目标节点的位置测量，具体步骤为声定位信标节点Sensor1、Sensor2、Sensor3……Sensor8的坐标已知，分别为(x1，y1)，(x2，y2)(x3，y3)……(x8，y8)，目标节点的坐标为(x，y)，其到达各声信标节点的距离分别为d1，d2，d3…d8，具体距离为：

(5)

di，1=dj-d1=

(6)

将式(5)代入式(6)，整理可得

(7)

利用Chan氏定位算法进行双曲面方程组的求解，即可得到目标节点的初步估计位置。

3)对高压室内18个测试点进行多次测试，并对测试结果进行统计分析，找出测距误差大了测试点，并对其与声定位信标节点的LOS/NLOS情况进行分析。

4)根据步骤三的统计结果，参考文献[3]中，根据Greenstein模型产生均方根延时扩展，非视距误差服从模型产生均方根延时扩展，非视距误差服从指数分布

(8)

5)根据环境地图信息中MAC地址，进行LOS/NLOS环境的区分，如果是LOS环境，测量结果不变，如果是NLOS环境，将测量结果进行先验测量误差的补偿。

图2 测试点均方误差分布

3 试验数据分析及结论

图2所示时TDOA定位在X轴、Y轴、Z轴的均方误差分布。在高压室内放置8个声定位节点，测试人员选取18个测试点，对目标节点进行多次的定位实验。从图2可以看出，定位误差是在变化的，通过数据分析，当测试点与定位采用的声定位节点为NLOS时，定位误差变大。因此，定位误差与NLOS的多径传播有关。TDOA定位与改进算法定位准确度对比如表2所示。

表2 TDOA定位与改进算法定位准确度对比

变电运维现场安全防护与监控平台测试过程截图，通过图3可以看出目标节点清晰的定位轨迹。

图3 变电运维现场安全防护与监控平台

仿真结果表明，该改进算法可以在一定程度上提高目标节点的定位精度，并且定位结果比较稳定。

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

(本文编辑：严 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