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2021华为杯E题思路+demo代码

2021 年中国研究生数学建模竞赛 E 题参考思路 交流群:912166339,非伸手党群 信号干扰下的超宽带(UWB)精确定位问题 一、背景 UWB(Ultra-Wideband)技术也被称之为“超宽带”,又称之为脉冲无线电技术。这是一 种无需任何载波,通过发送纳秒级脉冲而完成数据传输的短距离范围内无线通信技术,并且信 号传输过程中的功耗仅仅有几十µW。UWB 因其独有的特点,使其在军事、物联网等各个领域 都有着广阔的应用。其中,基于 UWB 的定位技术具备实时的室内外精确跟踪能力,定位精度 高,可达到厘米级甚至毫米级定位。UWB 在室内精确的定位将会对卫星导航起到一个极好的 补充作用,可在军事及民用领域有广泛应用,比如:电力、医疗、化工行业、隧道施工、危险 区域管控等。UWB 更多应用场景请参见[4—6]。 UWB 的定位技术有多种方法,本文仅考虑基于飞行时间(Time of Flight, TOF)的测距原 理,它是 UWB 定位法中最常见的定位方法之一。TOF 测距技术属于双向测距技术,其通过计 算信号在两个模块的飞行时间,再乘以光速求出两个模块之间的距离,这个距离肯定有不同程 度的误差,但其精度已经比较高。 在室内定位的应用中,UWB技术可以实现厘米级的定位精度(一般指2维平面定位),并 具有良好的抗多径干扰和衰弱的性能以及具有较强的穿透能力。但由于室内环境复杂多变 UWB 通信信号极易受到遮挡,虽然UWB技术具有穿透能力,但仍然会产生误差,在较强干 扰时,数据会发生异常波动(通常是时间延时),基本无法完成室内定位,甚至会造成严重事 故。因此,信号干扰下的超宽带(UWB)精确定位问题成为亟待解决的问题。 二、问题描述 为解决信号干扰下的超宽带(UWB)精确定位问题,我们通过实际场景实测,采集到一 定数量的数据,即利用 UWB 的定位技术(TOF),采集到锚点( anchor)与靶点(Tag)之间 的距离,希望通过数学建模(或算法)方法 ,无论信号是否干扰,都可以给出目标物(靶点) 的精确定位( 3 维坐标)。 三、实验场景和数据采集 如图所示,在 5000mm5000mm3000mm 的测试环境中,分别在 4 个角落 A0,A1,A2, A3 放置 UWB 锚点( anchor),锚点向所有方向发送信号。Tag 是 UWB 标签(靶点),即需 要定位的目标(只在测试环境范围内)。Tag 接收到 4 个 UWB 锚点( anchor)的信号(无论 信号是否干扰,Tag 一般都可以接收到信号),利用 TOF 技术,分别解算出对应的 4 个距离数 据。 实验在实验场景 1 中采集了 Tag 在 324 个不同位置,在信号无干扰和信号干扰下的 UWB 数据,即每个位置各测试(采集)2 次,一次信号无干扰,另一次信号有干扰(锚点与靶点间 有遮挡),注意:每次采集数据时,由于 Tag 在同一位置会停留一会儿时间,而锚点与 Tag 之 间每 0.2—0.3 秒之间就会发送、接收信号一次,所以在同一位置点,UWB 会采集到多组数据 (多组数据都代表同一位置的信息),组数的多少视 Tag 在同一位置的时间而定,停留的时间 越长,组数就越多。数据见文件夹“附件 1:UWB 数据集”。 图 1 实测环境示意图 实验场景 1: 靶点(Tag)范围:5000mm5000mm3000mm 锚点( anchor)位置(单位:mm): A0( 0,0,1300)、 A1( 5000,0,1700)、 A2( 0,5000,1700)、A3( 5000,5000,1300) 四、数据文件说明 ( 1)UWB 数据集 “附件 1:UWB 数据集”有 2 个文件夹和 1 个文件,1 个文件(Tag 坐标信息.txt)存放 324 个不同位置的编号及 3 维坐标信息,2 个文件夹中 1 个存放信号无干扰下(正常)采集的 数据(各文件名为 x.正常.txt,x 表示对应的位置编号),另 1 个存放信号有干扰下(异常)采 集的数据(各文件名为 x.异常.txt,x 表示对应的位置编号)。 ( 2)数据文件 Tag 在每个位置都采集了 2 个数据文件(1 个正常,另 1 个异常),共有 648 个数据文件, 无论正常、异常数据,数据格式都一样,每个数据文件开头第 1 行为采集开始行,无实际意义, 接下来,每 4 行为一组,表示 UWB 采集的一组完整数据(一组数据表示一个样品),如: T:144235622:RR:0:0:950:950:118:1910 T:144235622:RR:0:1:2630:2630:118:1910 T:144235622:RR:0:2:5120:5120:118:1910 T:144235

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