基于UWB的多节点自组网协同定位技术研究

摘要

全球定位系统(Global Positioning System，GPS)在室外能够取得较好的定位效果，然而对于GPS信号无法覆盖的室内，因为其环境复杂、多径和非视距情况较为严重，很难实现高精度定位。为了解决这一问题，出现了红外线、蓝牙、Zigbee、Wifi和超声波等技术，但这些技术的定位精度不是很令人满意。随着无线通信的发展和普及，协同定位技术(Cooperative Positioning，CP)应运而生，其通过各节点之间测量信息的相互交换，能够有效地提高定位精度。
　　考虑到超宽带(Ultra-Wide Bandwidth，UWB)技术具有穿透性能好、功耗低、抗多径性能好等长处，并且在测距和定位领域具有绝对的优势，本文首先将UWB技术和协同定位技术应用到室内定位中，提出一种基于UWB的室内协同定位方法。该方法下，目标节点之间可以相互收发对方的测量数据，能够使不在参考节点传输距离内的节点也能定位。实验结果显示该方法的定位性能相比于传统的室内定位方法得到了明显的优化。然后针对UWB信号在传播途中易受桌椅、门窗等遮挡导致测距精度降低的情况，引入最小二乘残差法(Least Squares Residuals，LSR)对测距误差较大的节点进行剔除，从而提出一种基于UWB和LSR的协同定位方法，实验结果显示该算法能够有效剔除故障节点，提高系统的定位精度。接着针对传统的最小二乘残差法只能剔除单个故障的问题，提出一种改进总体最小二乘残差(Improved Total Least Squares Residuals，ITLSR)算法，并通过仿真对比验证了其在多节点故障情况下的剔除能力。最后，将上述ITLSR算法应用到室内协同定位中，提出一种基于UWB和ITLSR的协同定位方法，并在嵌入式平台上实现，实验结果显示，该算法能够有效的提高系统的定位精度。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题的研究背景与意义

1．2．1室内定位发展现状

1．2．2超宽带技术发展现状

1．2．3协同定位技术发展现状

1．3论文主要研究内容与章节安排

第2章超宽带测距定位技术

2．1超宽带概述

2．1．1超宽带的定义

2．1．2超宽带的实现方式

2．1．3超宽带技术的特点

2．1．4超宽带技术的应用

2．2超宽带测距定位原理

2．2．1超宽带测距技术

2．2．2超宽带定位方法

2．3超宽带测距精度的影响因素

2．4超宽带测距性能分析

2．5本章小结

第3章协同定位技术

3．1节点定位技术

3．2协同定位技术概述

3．2．1协同定位的原理和内容

3．2．2协同定位的分类

3．2．3协同定位的优点

3．3位置估计常用算法介绍

3．3．1最小二乘法

3．3．2卡尔曼滤波

3．4性能分析

3．4．1视距环境下的性能分析

3．4．2非视距环境下的性能分析

3．5本章小结

第4章基于UWB和LSR的协同定位技术研究

4．1最小二乘残差法

4．2基于UWB和LSR的协同定位算法设计

4．2．1基于UWB和LSR的协同定位方法

4．2．2性能分析

4．3改进总体最小二乘残差法

4．3．1总体最小二乘模型

4．3．2改进总体最小二乘残差算法

4．3．3仿真分析

4．4本章小结

第5章UWB协同定位系统设计与实现

5．1 UWB协同定位系统组成

5．2 UWB协同定位系统软件设计

5．2．1系统软件整体设计思想

5．2．2测距误差补偿

5．2．3定位算法软件实现

5．3测试环境搭建

5．4定位性能分析

5．4．1无遮挡环境下的定位性能分析

5．4．2遮挡环境下的定位性能分析

5．5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢