摘 要

近年来，定位服务的相关技术和行业正在从户外到室内发展，以提供全方位的定位服务。室内定位技术可用于许多应用场景，并正在改变移动设备的传统使用模式。作为领先的短距离高速数据传输方案，UWB技术正在室内无线环境中得到广泛应用。由于UWB系统只传输少量的持续时间很短的（纳秒级）脉冲，因此UWB系统可以在室内信道环境中提供非常好的多路径可分离性（此性能取决于非常窄的脉冲持续时间），使得该系统非常适合高精度距离校正和定位应用，同时也使UWB技术在室内定位领域取得了良好的应用效果。因此，UWB室内定位算法的研究显得尤为重要。其中，常见的定位算法包括基于到达时间的TOA或者TDOA、基于到达角度的AOA、基于接收信号强度的RSS等。

本文首先介绍了UWB定位技术研究现状，随后介绍了超宽带定位的相关技术。接着，借助matlab软件对UWB信道进行仿真，模拟了整个UWB室内定位系统的信号发射、信号传输、信号接收以及通过定位算法解算出位置信息。论文主要目的是在研究超宽带技术的相关基础以及主要的定位算法的基础上，利用matlab软件设计一个采用TOA定位算法的UWB室内定位系统，并通过仿真数据分析定位结果的精准度。最终研究结果表明：UWB技术尤为适合应用在室内定位系统中，能在室内复杂环境的干扰下完成精准的定位。

关键词：室内定位；UWB；信道模拟；定位算法

Abstract

In recent years, related technologies and industries for positioning services arebeing developed from outdoor to indoor to provide full coverage of location-base-d services. Indoor positioning technology can be used in many application scenar-ios and is changing the traditional usage patterns of mobile devices. UWB (UltraWideband) technology, as a new type of short-range high-speed data transmission scheme, is being widely used in indoor wireless environments. Since the UWB system transmits only a small number of pulses of very short duration (nanoseco-nds), the UWB system can provide very good multipath separability in an indoorchannel environment (this performance depends on the duration of very narrow p-ulses). This makes the system very suitable for high-precision distance correction and positioning applications. It also allows UWB technology to achieve good res-ults in the field of indoor positioning. Therefore, the research of UWB indoor p-ositioning algorithm seems particularly important. Among them, common position-ing algorithms include TOA or TDOA based on arrival time, AOA based on arri-val angle, RSS based on received signal strength, and the like.

This article first introduced the research status of UWB positioning technolo-gy, and then introduced the related technologies of UWB positioning. Then, the UWB channel is simulated with matlab software, which simulates the signal laun-ch, signal transmission, and signal reception of the entire UWB indoor positioning system and solves the position information through the positioning algorithm.T-he main purpose of the thesis is to use the Matlab software to design a UWB i-ndoor positioning system using the TOA positioning algorithm based on the rese-arch of the related foundation of the UWB technology and the main positioning algorithms, and to analyze the accuracy of the positioning results through the si-mulation data.Based on the TOA positioning algorithm, a certain improvement m-ethod is given.The final research results show that UWB technology is particular-ly suitable for use in indoor positioning systems and can achieve accurate positi-oning under the interference of complex indoor environments.

Key Words：indoor positioning；UWB；Channel simulation；Location Algorithm

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景和意义 1

1.2 UWB室内定位的国内外研究现状 1

1.3 本文主要内容和结构安排 4

第2章 UWB室内定位关键技术 5

2.1超宽带技术概论 5

2.2超宽带信道模型理论基础 6

2.3超宽带标准信道模型 7

2.4超宽带室内定位技术简介 8

2.5无线定位原理 9

2.6无线定位测量 10

第3章 无线定位算法研究 13

3.1无线定位算法及其模型 13

3.2 TOA定位算法的优化 16

第4章 UWB室内定位系统仿真及分析 18

4.1 UWB室内定位系统仿真结构 18

4.2信号发射 18

4.3信号的传播时延 19

4.4信号的衰减 20

4.5信道冲激响应 21

4.6节点定位 22

4.7仿真分析 23

第5章 总结与展望 26

5.1课题总结 26

5.2课题展望 26

参考文献 27

致 谢 28

第1章 绪论

1.1研究背景和意义

随着更多新型移动设备性能的飞快增长和基于位置感知的应用的增加，位置感知发挥了越来越重要的作用。在室内外不同的环境下，提供持续的可靠的位置信息可以为用户带来更好的服务体验。当前，室外定位和基于位置的服务已经趋于成熟，基于GPS和地图的位置服务也被广泛应用，并成为各种移动设备中被使用最多的应用之一。在过去几年，GPS被成熟地应用于汽车或行人导航。GPS主要是通过卫星传输位置信息，而室外环境中没有墙壁和屋顶等障碍物是卫星能稳定安全地传送信息的必备条件。

因此近年来，定位服务的相关技术和行业正在从户外到室内发展，以提供全方位的定位服务。而在众多室内定位的解决方案中，UWB室内定位技术具有很突出的优势。在过去，UWB主要应用在雷达和GPS定位设备中。而在最近几年，关于UWB在无线通信领域中的相关应用研究正变得越来越多。作为领先的短距离高速数据传输方案，UWB技术正在室内无线环境中得到广泛应用。由于UWB系统只传输少量的持续时间很短的（纳秒级）脉冲，因此UWB系统可以在室内信道环境中提供非常好的多路径可分离性（此性能取决于非常窄的脉冲持续时间），使得该系统非常适合高精度距离校正和定位应用，同时也使UWB技术在室内定位领域取得了良好的应用效果。因此，UWB室内定位算法的研究显得尤为重要。

1.2 UWB室内定位的国内外研究现状

近些年来，国际上欲将超宽带技术商业化的研究不断增加，许多国家都开始研究超宽带技术和其相关产品。联邦通信委员会（FCC）在2002年批准了超宽带平民的使用，UWB定位系统受到了高度重视和广泛的研究。 它涉及到测距技术和定位算法的研究，包括到达时间和到达时间差等检测技术的研究，抗非视线误差干扰的研究和定位性能的评估。常用的测距方案包括基于到达时间（差值）的TOA或TDOA，基于到达角度的AOA，基于接收信号强度的RSS^[1]。目前，国内外对于这几种测距方案均有突破，但由于UWB信号具有很强的时间分辨率，基于TOA/TDOA的测距方案是目前的主要研究方向，R-SS和AOA只能作为辅助手段^[1]。UWB测距定位技术的应用领域根据不同精度需求以及应用场合可划分为入侵检测系统、防冲撞系统和精确定位系统等。UWB测距定位技术的传统应用方式包括雷达检测、遮挡目标检测。近年来，UWB定位技术在跟踪定位上的应用也得到了越来越多的研究机构和公司的重视。DARPA的研究者利用UWB定位技术，完成了空间飞行器舱外摄像机的位置跟踪，虽然空间飞行器所处的环境是一种几乎没有多径效应和非视距传播的理想环境，但在其复杂环境中，UWB定位技术同样有着广泛的应用场景。医学成像同样是UWB定位技术得到较多应用的领域之一，来自英国的University of Bristol的研究者成功地利用UWB定位技术完成了乳腺癌检测和成像，首次给出了该项应用的临床结果分析^[2]。当前比较成熟的UWB定位系统有Multispectral Solution公司开发的Sapphire定位系统以及Ubisense公司开发的Unbise定位系统，由多个传感器采用TDOA和AOA定位算法对标签位置坐标进行定位分析，多径分辨能力强、精度高，可达到亚米级定位精度。Multis Peetral Solutions公司开发的Sapphire资产精密定位系统，由多个漫游器、至少四个接收机和控制中心组成，定位精度为分米级。美国一直处在UWB商业化的前沿，已有多家公司成功研发出了UWB系列产品，例如，Time Domain公司是最早涉及UWB相关技术研究的单位之一，其开发的设备能让警察在房屋外面发现室内的运动物体，这样在破门而入前，可预先知道里面是否有人，加强了办案成功效率，降低危险；Time Domain还与视频监控和人员追踪分析系统提供商shopperTrakRCTC合作，开发了零售追踪方案FloorTrak，可以精确地追踪客人和职员；Zircon公司致力于制造一种便携装置，在家庭装修时，可以探测到墙后是否有贵重物品，以决定如何使用电钻，提高工作效率；AETHERwi为自己定的市场目标就是追踪定位系统方面，如仓储管理、安全追踪系统等，其开发的Localizers室内定位系统，应用范围可达到30-60m，达到了厘米级的测量精度；爱尔兰decaWave公司研发了一个成熟的商用UWB定位系统，并设置了三种工作模式：追踪模式，导航模式以及监视模式，每种模式要求使用3个基站参考点和标签来完成对物体的实时定位。采用通用定位标准IEEE802.15.4-2011协议的UWB收发器，其定位范围可达290米（LOS环境下）和35米（NLOS环境下），定位精度可达19cm^[2]。此外，欧盟、日本等也纷纷开展研究计划^[3]。

对比国外，超宽带技术的研究在我国的开始得较晚，但近几年的研究成果却值得称赞。2001年9月，我国“863”计划-通信技术主题项目包含了UWB技术的相关研究，支持加大超宽带技术的研究方向，之后东南大学、清华大学、中国科技大学等多家研究型大学和科研单位进行了研究，提出了不同的数据传输方案。2004年，海尔集团第一次将UWB技术运用到等离子电视机上，完成了UWB技术在家庭影音设备上的应用^[4]。2007年中国国家标准化委员会推出了无线电高速率超宽带物理层和媒体访问控制参考，以规范和促进国内UWB研究。2008年12月国家工业和信息部发布的国家科技重大专项项目“新一代宽带无线移动通信网”2009年课题指南中包括了两个UWB规范系统的子课题：载波体制超宽带高速无线通信芯片研发与应用规范和脉冲体制超宽带高速无线通信芯片研发与规范应用，为研发低功耗、低成本的UWB高速无线通信芯片提供了强有力的支援，能够促进国内对于UWB通信的低功耗、低成本芯片的设计和集成，并为国内UWB无线通信芯片的产品化和实用化提供解决方案，完成可产业化的UWB高速无线通信芯片并搭建示范系统^[15]。目前已有机构完成了高速率通信的演示系统和较高精度的定位系统。江苏唐恩科技是Ub-isense在中国唯一指定的战略合作伙伴，全线产品和应用系统的分销商和技术支持中心。其产品iLocateTM UWB定位系统在传统的应用环境中可以平均达到15cm的3D定位精度。该系统包含了3个组成模块：传感器Sensor、有源定位标签Tag和定位平台iLocateTM。其中，定位标签Tag利用UWB脉冲信号发射出位置信息给传感器Sensor，传感器接收到信号后采用TDOA和AOA定位算法对标签位置进行分析，最终通过有线以太网传输到iLocate服务器。iLocateTM UWB定位单元可以实现无缝的网络覆盖，鉴定为空间无限扩展，定位标签可以在各个单元自由行走，通过定位平台软件分析，将定位目标真实地以虚拟动态三维效果显示出来。2016年9月，在贵州竣工并投入使用的世界上最大单口射电望远镜“FAST”，其核心部件是具有超宽带特性的阵列单元^[4]。对超宽带定位的研究目前我国主要处于研究与发展阶段，还没有进行大规模的商业化，但也取得了一些骄人的成绩。清研讯科有限公司已经成功研制出了基于超宽带的LocalSense我无线定位系统，该系统在实际的部署定位中，最好的定位精度能搞达到10cm，可以满足不同定位场景下的需求。另外，锐捷网络在对机车的无线定位方案中采用的是超宽带技术构建，实际情况下的定位精度可达到10cm，非视距情况下也能达到1m以内的定位精度。近几年，UWB相关领域的研究逐渐被北京、上海等地纳入“十二五”发展规划，然而目前国内UWB技术还主要集中在带宽的应用及高速接入等方向，UWB实时定位技术的相关研究鉴于其硬件起步较晚，相关研究尚未全面展开。同发达国家相比，我国在超宽带领域还处于起步阶段^[4]。由于芯片方案的成熟和成本的下降，近两年来国内研究UWB技术实时定位的技术公司越来越多，其产品也能达到30cm甚至是10c-m的定位精度。当然，并不是所有的应用场景需要这么高的定位精度，而且这种高精度的产品其网络部署成本相对要高很多。因此，当前阶段，UWB定位主要用在确保生命财产有较高要求的应用场景中，比如：矿下作业人员定位、养老院病人实时定位、大型仓储实时定位等，这与wifi和iBeacons定位应用与商业领域有很大的差别。另外，UWB技术的另一个难以得到广泛推广的重要技术原因就是UWB定位需要被定为的人和物佩戴标签用于定位。但一个乐观的设想是未来只能穿戴设备中集成UWB芯片，从而可以将这中高精度定位方案应用到生活的各个场景中，相信这终会有条件实现的。在未来的泛网中，尽管在技术、经济和管制方面存在各种不同的挑战，但是在各种研究和开发的努力与全球管制框架结合的帮助下，UWB技术成为新的智能位置感知应用的首选技术的可能性会大大加大。

1.3 本文主要内容和结构安排

本次毕业设计的内容有UWB定位算法研究，UWB室内定位系统软件设计。论文主要介绍了超宽带技术的相关基础介绍，包括UWB信号、信道模型、测距技术、定位原理及实现技术等。着重研究了UWB定位算法，开展了一些关键性的研究工作，这些将为进一步开发精确度高，实时性好，可跨区的室内定位系统提供了一定的理论基础。

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