基于UWB通信的精确测距算法和井下机车定标技术研究

摘要

井下机车能够有序、安全的运行，离不开调度系统的配合，对调度系统来说，要提高其工作效率和安全性，关键问题是如何实现机车的精确定标，即获得机车在轨道上的精确一维坐标。UWB(ultra wideband)作为一种新型的通信技术，具有较高的时间分辨率，能够实现精确测距，借助其精确的测距结果能够实现精确定标，而目前的基于UWB通信技术的测距算法在性能上有待提高，并且，现有的一些定标方法不能保证较高的定标精度，同时易受到井下环境的干扰。因此，制定一种基于UWB通信技术的井下机车定标方法具有很大的研究价值和现实意义。本文针对上述现状，做出了理论和实际两部分的研究工作:
　　1、提出了一种适用于UWB信号的基于动态阈值检测的信号到达时间(time of arrival，TOA)估计算法，从而提高UWB测距精度。该算法通过对接收方收到的匹配滤波输出脉冲进行峰值检测，确定直达单径(direct path，DP)的检测区间;并且设定了一个能够反映出信号和信道特性的联合度量参数，根据该参数的不同设置相应的最佳阈值因子;最后在检测区间中通过阈值检测搜索DP精确位置对应的时刻，得到TOA的估计值。在IEEE802.15.4a标准信道仿真环境下将估计结果与传统的TOA估计方法进行了比较，结果表明，本文所提算法适用于不同信噪比和延时特性的信道，并且能够兼顾运算复杂度与算法精度。
　　2、研究了基于UWB通信的井下机车定标技术，研制了以DW1000为核心模块的定标收发节点，并搭建了井下机车精确定标系统。首先给出定标系统的结构和功能，然后阐述了系统中UWB通信的精确定标原理，并对原型系统进行了验证。鉴于井下实际场景的限制，分别在室内办公室、办公楼楼道和开阔的操场三种环境下，做了DW1000模块测距精度验证工作，实验结果表明，在以上三种场景下，模块的测距误差均控制在10cm左右。

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 UWB通信技术研究现状

1．2．2 测距算法研究现状

1．2．3 定标技术研究现状

1．3 课题来源

1．4．1 本文研究内容

1．4．2 本文章节安排

第二章 测距技术及UWB信道模型

2．1 TOA测足巨

2．1．1 单程测距

2．1．2 双程测距

2．2 TDOA测距

2．3 AOA测距

2．4 RSS测距

2．5 UWB信道模型

2．5．1 IEEE802．15．3a信道模型

2．6 本章小结

第三章 基于动态阈值检测的UWB测距算法

3．1 测距算法模型

3．1．1 相干检测法原理

3．1．2 模型描述

3．2 算法总体思想

3．3 算法具体流程

3．3．1 确定DP检测区间

3．3．2 设定动态阈值

3．3．3 搜索DP的精确位置

3．4 仿真结果及分析

3．4．1 仿真场景参数设定

3．4．2 仿真结果分析

3．5 本章小结

第四章 基于UWB的井下机车精确定标系统

4．1 定标系统结构

4．1．1 定标收发模块

4．1．2 机车控制器

4．1．3 测速编码器

4．1．4 车载终端

4．1．5 井下网络

4．2 系统工作原理

4．3 原型系统验证

4．3．1 测试场景搭建

4．3．2 实验结果分析

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况