超宽带定位.doc
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1、超宽带定位技术的研究与应用摘 要超宽带UWB(Ultra Wide Band)技术,又称为冲激无线电技术,其波形的相对能量带宽大于0.25,自被FCC(国际联邦通信委员会)允许通过以来一直备受关注,现己成为无线通信领域研究开发的一个热点,并被视为下一代无线通信的关键技术之一。超宽带技术在诸多应用领域中都表达出极大的优势,在无线定位方面更是优于传统的无线定位方式。超宽带定位技术由于具有功耗低、多径分辨率高、信号隐蔽性好,尤其是能提供非常高的定位精度等优点,成为无线定位技术中极具潜力的技术。因此对超宽带定位系统的研究具有重要的应用价值。本文的主要研究内容就是超宽带在LOS环境下的测距定位。第五章基
2、于超宽带的定位方法是本文的重点,本章首先介绍了UWB在无线定位领域的优势与局限性,接着介绍了基于超宽带技术的无线定位方式,对于TOA定位方式只做了简单的LSE位置估计,而对更加实用的TDOA定位方式则进行了更加深入的研究,在介绍TDOA定位方式这节中主要介绍了四种典型的TDOA双曲线定位算法,即Fang算法、Chan氏算法、Taylor算法及基于Chan与Taylor的一种改进算法,本节最后又分别对四种算法进行了MATLAB仿真,并在本章最后进行了仿真结果比较,进而选出较好的定位算法方案。关键词:超宽带技术;TDOA定位方式;Fang算法;Chan氏算法;Taylor算法The Researc
3、h And Application Of UWB Positioning TechnologyAbstract UWB ( Ultra Wide Band ) technology, also known as the impulse radio technology, the waveform of the relative energy bandwidth greater than 0.25, since the FCC ( International Federal Communications Commission ) is allowed to pass has been of co
4、ncern, has become the field of wireless communications research and development of a hot spot, and is considered the next generation one of the key technologies for wireless communication.Ultra wide band technology in many fields have showed great advantage, in a wireless location is more superior t
5、o the traditional wireless positioning method. UWB positioning technique with low power consumption, high resolution signal multipath, good concealment, especially can provide very high positioning precision, a wireless positioning technology in the great potential of the technology. Therefore for U
6、WB positioning system the research to have the important application value.The main content of this paper is the broadband environment in LOS location. The fifth chapter is based on UWB positioning method is the focus of this paper, this chapter first introduces UWB in wireless location field streng
7、ths and limitations, and then introduced the UWB based wireless positioning method for TOA positioning way, only some simple LSE location estimation, and the more practical TDOA positioning means for a more in-depth study, introduces the TDOA positioning way this section mainly introduces four kinds
8、 of typical TDOA hyperbolic location algorithm, Fang algorithm, Chan algorithm, Taylor algorithm and Chan and Taylor based on an improved algorithm, the festivals most and then respectively on four algorithms of the MATLAB simulation, and the at the end of this chapter are compared with simulation r
9、esults, then select the better localization algorithm scheme.Key words: Ultra wide band technology; TDOA; Fang algorithm; Chan algorithm; Taylor algorithm目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 超宽带定义11.2 超宽带技术的历史21.3 选题意义31.4 超宽带通信技术国内外研究现状41.4.1 国外研究现状41.4.2 国内研究现状51.5 本文主要内容5第2章 超宽带通信62.1 超宽带信号基本通信原理62.1.1 超宽
10、带理论基础62.1.2 脉冲波形62.1.3 调制方式62.1.4 收发信机的结构72.1.5 功率谱密度82.2 超宽带通信的信号形式82.2.1 基带窄脉冲无线电方式92.2.2 调制单载波方式92.2.3 调制多带载波方式92.3 超宽带通信的关键技术102.4 超宽带技术的实际应用122.5 几种无线技术比较14第3章 超宽带信号的脉冲设计与调制方式163.1 超宽带脉冲信号的设计要求163.2 超宽带脉冲的设计目标163.3 常见的超宽带脉冲信号波形163.3.1 高斯脉冲信号163.3.2 三角包络窄脉冲信号173.3.3 升余弦脉冲信号173.3.4 Hemrtie正交脉冲信号1
11、83.3.5 PSWF正交脉冲信号183.4 超宽带脉冲信号的产生183.4.1 简单的高斯脉冲183.4.2 高斯脉冲的叠加213.4.3 频谱自适应脉冲223.5 超宽带通信的调制方式243.5.1 单脉冲调制243.5.2 多脉冲调制24第4章 无线定位技术264.1 无线定位技术概述264.2 测距与定位的基本理论264.2.1 测距的基本概念264.2.2 定位的基本概念284.3 常用无线定位技术介绍294.4 无线定位几何模型304.4.1 圆形球形定位模型304.4.2 双曲线面定位模型314.4.3 角度定位模型324.4.4 混合定位模型334.5 影响定位精度因素344.
12、6 定位协议与定位精度评价指标344.6.1 定位协议344.6.2 定位精度评价指标35第5章 超宽带定位技术375.1 超宽带定位技术的优势与局限375.1.1 技术优势375.1.2 技术局限性385.2 基于超宽带的定位方式395.2.1 TOA/TDOA定位方法395.2.2 RSS定位方法395.2.3 AOA定位方法405.3 基于TOA/TDOA的超宽带定位技术405.3.1 定位问题的LSE表示405.3.2 TOA球形定位技术415.3.3 TDOA双曲线定位技术425.4 TOA的最小二乘法位置估计445.5 TDOA主要定位算法及仿真505.5.1 Fang算法及仿真5
13、05.5.2 Chan算法及仿真535.5.3 Taylor算法及仿真585.5.4 基于Chan和Taylor的改进算法及仿真59第6章 结论与展望62致 谢64参考文献65附录一(英文文献)67附录二(中文翻译)77第 96 页第1章 绪论UWB技术是一种与常规无线电完全不同的通信方式,具备很多技术上的优势,在公共安全、军事、航空、医疗以及消费类电子产品等应用领域有独特的应用价值与广阔的应用前景。在FCC宣布UWB无线通信技术准许民用以后,科研机构与各大公司对UWB技术的关注与研究在不断的升温,作为国内外研究的热点技术,本文对UWB通信与定位技术进行研究。1.1 超宽带定义UWB 是一种无
14、载波通信技术,即它不采用载波,而是利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据,因此其所占的频谱范围很宽。UWB是利用纳秒级窄脉冲发射无线信号的技术, 适用于高速、近距离的无线个人通信。按照FCC 的规定,从3. 1GHz 到10. 6GHz之间的7. 5GHz 的带宽频率为UWB 所使用的频率范围。从频域来看,超宽带有别于传统的窄带与宽带,它的频带更宽。窄带是指相对带宽(信号带宽与中心频率之比)小于1% , 相对带宽在1% 到25% 之间的被称为宽带, 相对带宽大于25% ,而且中心频率大于500MHz的被称为超宽带。表1-1表示这三个概念。表1-1 三个概念的区别信号带宽窄带1%宽带%125
15、%超宽带(UWB)25%从时域上讲,超宽带系统有别于传统的通信系统。一般的通信系统是通过发送射频载波进行信号调制,而UWB 是利用起、落点的时域脉冲(几十n s) 直接实现调制,超宽带的传输把调制信息过程放在一个非常宽的频带上进行, 而且以这一过程中所持续的时间,来决定带宽所占据的频率范围。由于UWB发射功率受限,进而限制了其传输距离,据资料表明,UWB 信号的有效传输距离在10m 以内, 故而在民用方面,UWB 普遍地定位于个人局域网范畴。绝对带宽= (1.1)相对带宽= (1.2)式中,为信号高端频率,为信号低端频率,为信号的中心频率。1.0 1.6 1.9 2.4 3.1 4 5 6 7
16、 8 9 10.6 频率(GHz)功率802.11a802.11bHomeRFUWB信号GPSPCS微波炉,无绳 ,蓝牙与传统无线信号的重叠FCC第15部分的功率限制图1-1 UWB频谱与其他无线信号频谱的关系-53.3)dBm/MHz(辐射功率EIRP 0.96 1.61 1.99 3.1 10.6 频率(GHz) 频率(GHz)-61.3-51.3-41.3-51.3-61.3-75.3-63.3室内室外图1-2 FCC对UWB通信与测量系统的限界规定1.2 超宽带技术的历史对超宽带(UWB,Ultra Wide Band)技术(简称UWB技术)的起源众说纷纭,从目前的学者研究工作来看大约
17、可以追溯到20世纪50年代末与60年代初。那时,研究工作在于通过冲激响应特性来描述某一些微波网络的瞬态行为。其实,概念很简单,就是使用所谓的冲击响应h(t)-冲击激励来表征一个线性时变系统,以取代传统的频率响应(幅值与相位值相对于频率值)方法。特别是,对于一个系统的任意输入信号x(t),其输出信号y(t)可以唯一地由下列卷积来确定: (1.3)然而,实际上直到采样示波器与亚纳秒(基带)脉冲发生技术出现之后,才为这样的冲击激励提供了近似方法、观察与测量方法。从此,超宽带技术有了快速的发展。1972年,Robbins发明的敏感短波脉冲接收器取代了笨重的时域示波器,加速了UWB系统的开发。1973年
18、,Sperry获得了第一个UWB通信技术的专利。此后,在将近30年的时间内,UWB的理论、技术与许多相关设备的研制得到了迅速的发展,但大约在1989年之前,“超宽带”这一术语并不常用,各种名称(如基带、无载波或脉冲技术)等均混用。1989年,美国国防部采用“超宽带”这一术语之后,才被业界沿用下来。之后,各种专利也相继被授予,其中包括UWB脉冲的产生与接收方法,通信、雷达、车辆防撞、定位系统、医疗成像、液面感应等应用。在美国,UWB早期的研究工作主要限制在军方,大约在20世纪90年代中期以后,才取消了这种分级限制。表1-2 一些UWB里程碑事件时 间人 物事 件19691984年Harmuth(
19、美国天主教大学)发表“用于雷达与无线通信的非正弦波”19721987年Ross与Robbins(Sperry Rand公司)Van Etten(罗马空军实验室)发明用于雷达与通信的UWB技术设计UWB天线、脉冲系统等19802000年Fullerton(Tine Domain公司)McEwan(Lawrence Livermore实验室)Morey(Geophysical Survey Systems公司)Young等(OSU公司)Beckener等(Power Spectra公司)基于雪崩晶体管的系统与天线等基于雪崩晶体管的系统、接收机与采样器基于雪崩晶体管的商业GPR系统GPR系统、“大耳
20、朵”与天线等堆砷化镓半导体开关管2002年4月22日,FCC颁布了UWB占用宽带的有关条例,允许UWB技术与产品参与商业化运作。这一条例的颁布直接促进了基于UWB技术的通信系统的研发,给短距离高速无线通信系统的发展注入了新的活力。为了跟踪这一技术的发展,并形成自主的知识产权,我国也开始以“863项目”的形势扶持与资助这一技术与标准的研究与攻关。1.3 选题意义随着人类社会的不断发展,人们对无线通信的要求也在不断提高,希望其能够提供更高的数据传输速率与传输质量。然而,由于无线通信技术的发展,各种无线通信系统相继出现,可利用的频谱资源日趋饱与。在这样的背景下,超宽带技术引起了人们的重视。超宽带UW
21、B(Ultra Wide Band)技术,又可称为冲激无线电技术,其波形的相对能量带宽大于0.25,自2002年2月被FCC(国际联邦通信委员会)允许通过以来一直备受关注,现已成为无线通信领域研究开发的一个热点,并被视为下一代无线通信的关键技术之一。 众所周知全球定位系统(GPS)是一个常用的定位系统,在室外环境,尤其是在视野开阔的天空定位几乎达到了完美的地步。但在许多应用场合仍有较大的局限性。而超宽带是一种与传统通信技术有很大差异的、全新的通信新技术。它通过发送与接收具有纳秒至微秒级以下的冲激脉冲来传输数据,而并不采用正弦载波,其所占的频谱范围很宽,具有GHz量级。由于UWB系统发射的功率谱
22、密度非常低,UWB系统可以在信噪比很低的情况下工作,UWB信号几乎被淹没在各种电磁干扰与噪声中,故具有保密性好、截获率低、隐蔽性好等优点,能很好的满足现代通信系统对安全性的要求。同时,UWB信号具有很高的传输速率,目前的演示系统表明,在近距离上(3到4m)的传输距离可达480Mb/s。抗多径衰落能力强。由于UWB信号定位精度高且具有很强的穿透能力,可探测地雷等地下物体、墙壁后方空间的物体,所以在透视成像雷达、人体医学成像、穿地探测雷达等方面也得到了越来越多的应用。该技术尤其适用于室内密集多径环境与军事通信应用中。国外公司为军方开发的UWB通信/定位系统,己从实践上证明了UWB无线电定位的优越性
23、能。因此,对UWB定位技术的研究是十分有必要与有意义的。1.4 超宽带通信技术国内外研究现状1.4.1 国外研究现状 近年来,UWB的研究在国际上倍受重视,各国都在致力于超宽带技术及其产品的开发。在美国国防部重点技术计划中,己经连续几年把UWB列为研究计划项目中的重点课题。许多著名大学与实验室,如美国MIT Lincoln实验室、LOS Alamos国家实验室、Ohi。州立大学、Georgia理工学院、英国RSRE实验室等都开展了UWB的研究。在UWB研究中美国走在前列ETHER-WIRE&LOCA-TION,Ubise等多家公司推出了UWB芯片与系统。日本、荷兰、新加坡也不甘落后,都己经开始
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