摘 要

近年来，随着人们对导航及定位需求的提高，高精度的室内定位技术越来越成为人们关注和研究的重点。但是由于室内环境的复杂性导致电波的小尺度衰落现象十分的严重，影响了定位的精度,也限制了定位的应用范围。而超宽带（UWB）技术具有高速数据率，较低实现成本，定位精度较其他技术有明显提高等特点，是现今室内定位领域的首选技术。

本文研究了UWB技术的基本概念和信道模型，了解了UWB用于室内定位的优势，分析了各种室内定位技术和定位算法。最后重点介绍了基于到达时间差算法（Time difference of arrival，TDOA）的UWB定位系统，着重地介绍了Fang氏算法、Chan氏算法和Taylor算法，并且对这三种算法进行了仿真还有分析，发现在相同定位节点的情况下，Taylor算法的定位精度要优于其它两种算法，在参与的定位节点数量增加时，Taylor算法和Chan氏算法的定位精度也会有所提升。

关键词：室内定位；UWB；TDOA算法

ABSTRACT

In recent years, with the improvement of people's demand for navigation and positioning, high accuracy of indoor positioning technology and become the focus of concern and research. But due to the complexity of the indoor environment lead to waves of small scale fading phenomenon is very serious, the impact of the positioning accuracy, also limits the scope of application of positioning. And ultra wideband (UWB) technology with high data rate, low cost, positioning accuracy than other methods have significantly improved, is the preferred technique in nowadays in the field of indoor positioning.

In this paper, the basic concepts and channel model of UWB technology are studied，understanding the UWB for indoor location advantages and various indoor positioning technology and positioning algorithm are analyzed. Finally, focus the UWB positioning system based on time difference of arrival algorithm (time difference of arrival, time difference of arrival (TDOA), focuses on the Fang "s algorithm, Chan algorithm and Taylor algorithm and of the three algorithms were simulation and analysis, found that under the same node localization, the positioning accuracy of the Taylor series expansion algorithm to be better than the other two algorithms, when involved in the increase in the number of node localization, Taylor algorithm and Chan algorithm positioning accuracy will increase.

Keywords: UWB; indoor location; location algorithm

目录

摘 要 I

ABSTRACT II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 UWB的应用 2

1.4 研究内容 4

第2章 UWB基本原理 5

2.1 UWB概述 5

2.1.1 UWB的定义 5

2.1.2 UWB的主要优势 6

2.2 UWB的实现方式 7

2.2.1 IR-UWB 7

2.2.2 多频带UWB 7

2.3 IEEE 802.15.4aUWB 信道模型 8

2.3.1 路径损耗模型 8

2.3.2 多径模型 9

2.3.3 小尺度衰落模型 9

2.3.4 信道模型的仿真 10

第3章 常用的室内定位算法研究 13

3.1 无线定位的分类 13

3.1.1 基于测距的定位方法 13

3.1.2 无需测距定位方法 16

3.2 室内定位算法 17

3.2.1 LSE算法 17

3.2.2 无线定位算法 17

3.3 影响定位精度的因素 18

第4章 基于UWB的室内定位实现 20

4.1 基于TDOA的UWB定位 20

4.2 系统模型 21

4.3 基于TDOA的定位算法 23

4.3.1 Fang式算法 24

4.3.2 Chan式算法 25

4.3.3 Taylor算法 26

4.4定位算法仿真及分析 28

第5章 总结与展望 32

参考文献 33

致谢 35

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

随着微博、微信等一系列应用软件向用户提供定位服务，大数据时代下，基于位置的服务已受到人们的广泛关注，实用有效的定位技术已成为当今的研究重点。目前，由美国1964年研发的GPS（Global Positioning System）全球定位系统已在车辆定位、防盗、反劫、行驶路线监控及呼叫指挥^[1]等方面得到广泛应用。但GPS的高精度定位仅限于室外环境。由于卫星信号到达地面时信号较弱，无法穿透建筑物，在室内环境中，GPS系统无法正常使用，因此室内定位系统（Indoor Positioning System, IPS）成为定位领域的研究热点。

室内环境的空间范围有限，环境内拥有墙体、物品、家具等固定因素和随机障碍、人员走动等变化较大的动态因素，这是其最典型的特征。室内空间的形状及大小的不同，墙体材料和物品摆放的不同，会导致信号在传播过程中的差异性很大。另外，信号在穿过墙体、绕过障碍物时存在不同程度的衰减和多径效应。因此，构建一个统一的室内环境几乎不可能，准确的实现室内定位也变得比较困难。

针对上述问题，国内外的研究者们提出了许多解决方案。根据数据采集和环境感知方式的不同，业内人士当前主流的室内定位技术分为了8种，其核心技术分别为红外线技术、超声波技术、无线局域网、超宽带(UWB)技术、电磁感应技术、蓝牙技术、计算机视觉技术和RFID技术。但是，现有的室内定位技术尽管在一定的环境下有较好的性能，却都不能很好地适应普通计算环境下对定位感知系统的要求，如精度高、适应能力强、实现成本低等。所以，进一步研究室内定位技术是十分有意义的课题。本文正是基于这一背景展开对定位的研究。

1.2 国内外研究现状

从 20 世纪,90 年代后期开始，国外许多大学和研究机构开始研究室内定位技术,ATamp;T 在 1993 年推出的 Active Badge 系统是基于红外感应系统一种定位系统。2000 年,微软研发了基于 RF(Radio Frequency，射频)技术的 RADAR(Radio Detection and Ranging，无线探测定位)，同年麻省理工实验室研制的 Criket 系统。后续的定位系统有在 2004 年比森斯公司所研发了一种能够使用 3d 形式虚拟展示出建筑内部人员和物品的位置信息的系统,整体误差控制在 15 厘米以内。GPS 设备制造商的 Trimble 公司将电视机定位技术和 GPS 技术以及 Rosum技术相结合,以便提供在室内和室外的连续无缝体验的位置服务。室内定位研究目前主要研究点在超宽带信号检测和 NLOS(None Line of Sight，非视距) 鉴别抑制研究方向。文献提出了一种首径检测方法,一个好的首径检测算法,能够大大的减少超宽带在定位上的测量值误差。而对于 NLOS 的研究，目前国外已经有了很深入的研究工作。文献提出了一种 NLOS 抑制算法，该算法利用了TOA（Time of Arrival，基于到达时间）测量值和 RSS(received signal strength，基于场强)场强强度进行辅助。加入了 RSS 权值的方式来鉴别 NLOS 路径,并对相应的 NLOS 路径进行抑制。文献也提出了一种利用半定规划的方式来进行 NLOS 的抑制，文章中的仿真证明了使用该技术能够很好的抑制 NLOS效果。文章提出了基于历史统计信息的 NLOS 识别方式，该方法利用过往的测量数据建立起一个统计库，然后利用统计信息来判断当下的 TOA 路径是否是 NLOS 路径。这种有很好的识别率，只不过需要一定的先验数据。总之，国外研究者在室内定位技术上有了很深入的研究,也出了很多的实际产品。