基于异步TOA估计的超宽带室内定位系统的研究与实现

摘要

脉冲无线电超宽带(Impuse Radio Ultra-Wideband,IR-UWB)技术是近年来新兴发展起来的一种近距离无线技术,与传统无线技术有着显著区别,其在近距离无线通信、精确测距定位以及探测成像领域都有着广阔的应用前景,受到学术界和产业界的广泛关注。IR-UWB采用平均功率谱密度极低的纳秒级窄脉冲来传递信息,较高的时间分辨率使其具备很强的多径分辨能力,而且UWB信号中丰富的低频分量使其具有较强的穿透障碍物能力,因而被认为是实现室内精确定位极具竞争力的候选方案之一。本课题从室内高精度定位的需求出发,充分挖掘IR-UWB信号在测距定位方面的优势,在前期理论研究工作的基础上提出一种适用于室内精确定位的低复杂度解决方案,并通过实际测试验证其定位性能。
　　本文首先研究了基于异步TOA估计(Time of Arrival)的定位系统。针对现有的异步TOA定位方法锚节点接入机制复杂的问题,提出一种改进的基于双向测距的异步TOA定位方法,并给出了低复杂度的锚节点识别机制。该方法可一次性完成TOA测量和锚节点编码工作,定位发起完全由用户决定且所有锚节点完全能够异步工作,适合动态部署。其次,基于不同的定位算法对系统的定位性能进行分析比较。在包含多个锚节点的定位系统中,基于测距得到的距离方程是非线性的,求解方程的方法是先将其线性化然后进行迭代求解。以定位结果的平均误差为性能指标,分析LS(Least Squares)、递归的LS两种不同的算法对定位精度的影响,并与基于TOA估计定位误差的CRLB(Cramer Rao Lower Bound)进行比较。最后,基于实验室现有数字化超宽带系统平台,成功构建了UWB定位原型系统,对改进的异步定位方法进行算法实现并对系统的真实定位性能进行实际测试验证,在锚节点配置合理的情况下,以递归的 LS算法进行定位求解可获得小于30cm的定位误差。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 本课题研究的目的、意义及来源

1.3 研究现状综述

1.4 本课题的主要研究内容

第2章 基于IR-UWB的测距定位方法

2.1 测距和定位之间的关系

2.2 测距方法介绍

2.3基于到达时间估计的UWB定位技术

2.4 节点定位算法介绍

2.5 本章小结

第3 章 基于异步TOA估计的改进定位方法

3.1 引言

3.2 改进的异步定位方法

3.3 锚节点识别方法

3.4 本章小结

第4章 基于异步TOA估计的改进的定位系统实现

4.1 引言

4.2 系统收发方案设计

4.3 系统定位方案设计

4.4 系统实际定位测试

4.5 本章小结

结论

参考文献

附录 本文开发的数字化超宽带定位系统

攻读硕士学位论文期间发表的学术论文及其他成果

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