基于UWB的室内SDS-TWR测距算法优化和定位算法融合的研究

摘要

在定位系统中，全球卫星导航系统具有最广泛的运用范围，然而由于技术局限性，无法满足人们对室内环境下定位的要求。随着无线传感网络(Wireless SensorNetwork，WSN)的迅速发展，基于超宽带(Ultra-Wideband，UWB)、蓝牙、RFID(Radio Frequency Identification)等无线定位技术成为研究的热点。其中，超宽带技术具有发射功率低、抗多径能力强、穿透力强、保密性好，定位精度高等特点，使其拥有更广泛的应用前景。
　　本文在研究了UWB技术的特点以及信道特性，讨论了基于UWB的几种常用测距技术，以及经典的基于TOA的测距算法，并针对传统的对称双边双程(Symmetric Double-Sided Two-Way Ranging，SDS-TWR)测距协议需要较长的时延，提出了改进算法，并给出了该算法的数学分析，从理论上证明了算法的有效性。另外针对泰勒算法对初始值的准确度要求较高的问题，提出将最小二乘法与泰勒算法融合方法，并给出了仿真图，从理论上证明了算法的可行性。最后给出了基于UWB的定位系统模型，并搭建了一个基于UWB的室内定位系统，并在现实的室内环境中进行了实地测试。本文的主要贡献如下:
　　(1)本文分析了几种常用的基于UWB的测距技术，通过比较他们的克拉美罗下限，指出了TOA技术对UWB测距的有效性。研究了时钟漂移对TOA测距的影响，给出了时钟漂移对几种常用的TOA测距算法的影响，以及引起的误差仿真图。针对SDS-TWR以牺牲测量时间为代价来减小时钟漂移影响的问题，提出一种SDS-TWR优化测距算法，并通过数学推导，证明了算法的有效性。
　　(2)本论文分析了最小二乘、Chan氏、泰勒算法等常用的定位技术，针对泰勒算法对初始值要求较高的问题，提出最小二乘和泰勒的融合算法，并给出其定位仿真结果。同时，针对定位过程中节点移动会带来定位坐标有跳动的情况，采用UKF滤波算法对定位结果进行滤波，能有效追踪移动节点的运动。
　　(3)实现了基于UWB技术的定位系统。搭建了一个基于DecaWave推出的DW1000芯片的UWB的定位系统，采用优化的SDS-TWR测距算法和最小二乘算法与泰勒算法融合的定位算法，缩短了定位时间，提高了定位精度。室内定位精度达40cm。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 UWB定位的定义及其基本特点

1．2．1 UWB的定义

1．2．2 UWB的特点

1．3 国内外研究现状

1．4 本文的主要研究内容与结构

1．4．1 论文的主要研究内容

1．4．2 本文的框架结构

第二章 超宽带的概念及相关技术

2．1 超宽带的定义

2．2 超宽带信号模型

2．3 超宽带信道模型

2．3．1 IEEE802．11．4a标准信道模型

2．3．2 IEEE802．15．4a信道模型仿真

2．4 UWB信号检测

2．5 本章小结

第三章 UWB测距原理

3．1 无线测距技术

3．1．1 RSSI测距技术及其克拉美罗下限

3．1．2 AOA定位技术及其克拉美罗下限

3．1．3 TOA测距技术及其克拉美罗下限

3．1．4 TDOA定位技术

3．1．5 适合UWB的测距技术

3．2 UWB的测距算法

3．2．1 单程测距

3．2．2 双程测距及其误差分析

3．2．3 对称双边双向测距及其误差分析

3．2．4 非对称双边双向测距及其误差分析

3．2．5 SDS-TWR算法的优化及其误差分析

3．3 本章小结

第四章 超宽带定位技术

4．1 常用的定位算法

4．1．1 最小二乘法

4．1．2 Chan氏

4．1．3 laylor级数展开

4．2 基于最小二乘法的Taylor融合算法

4．3 跟踪算法

4．3．1 扩展卡尔曼滤波的基本思想

4．3．2 无迹卡尔曼滤波的基本思想

4．4 本章小结

第五章 基于UWB的室内定位系统实现

5．1 定位性能指标

5．2 定位模型

5．3 实验结果与结论

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢