基于UWB脉冲信号的测距定位技术-信息与通信工程专业论文.docx

Classified Index: TN929.5 U.D.C: 621.39 Dissertation for the Master’s Degree in Engineering RESEARCH ON UWB LOCATION TECHNOLOGY USING UWB RADIO SIGNAL Candidate: Liu Li kun Supervisor: Prof. Xu Yubin Academic Degree Applied for: Master of Engineering Specialty: Information and Communication Engineering Affiliation: School of Electronics and Information Technology Date of Defence: July, 2008 Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology  摘 要 近年来，UWB(超宽带)无线通信技术受到越来越多的关注，尤其是在 2002 年 2 月 UWB 技术被 FCC(美国联邦通信委员会)允许通过以后，关于超 宽带应用的研究日益增多。超宽带冲激无线电通过产生超短脉冲来得到频率 带宽特别宽、功率谱密度极低的信号。超宽带信号传输速率高、发射功率 低、不易被截获、多径分辨率高、抗干扰能力强、具有十分精确的定位能力 (理论上定位精度可达到厘米级)，这些特点使其无论在军事还是民用领域都 有广阔的应用前景。在移动台定位、物品追踪以及紧急事故现场搜救等方 面，借助超宽带无线定位可以达到事半功倍的效果。 传统的定位技术如 GPS(全球定位系统)以及蜂窝定位系统等受多径和非 视距传播等影响，很难应用于室内环境。而 UWB 这种传输技术由于自身的 优点，在众多无线定位技术中脱颖而出。基于 UWB 的测距和定位技术具有 传统定位方式无法比拟的优势。 本文以 UWB 无线通信理论为基础，分析了 UWB 信号以及信道的特 点，研究了适合超宽带的测距与定位技术，主要以减小噪声和提高测距定位 的精度为目的，重点完成了以下三个方面的内容： 首先，分析了 UWB 各种测距定位技术的优缺点，在理论的基础上论证 了适合 UWB 的测距定位技术。理论表明：基于接收信号强度的定位方式精 度不高；基于信号到达角度的定位方式需要阵列天线，不适合室内多径密集 的环境；基于信号到达时间的定位方式可以充分发挥 UWB 信号带宽宽的优 点，改善定位精度。 然后，选择 TOA(信号到达时间)估计作为研究对象。基于相干的信号相 关测距算法虽能达到较高的精度，但这种方式需要很高的采样频率，增加系 统的复杂性和难度。因此基于能量检测的测距方法就以其简???性和低采样率 成为人们的又一选择。本文设计改进了一种基于简单的门限估计的两 步 TOA 估计算法。算法的第一步是对接 收信号做统计平均，尽可能的消除 AWGN(高斯白噪声)的影响，并利用非相干能量检测算法，得到粗略的 TOA 估计，第二步对粗略得到的 TOA 估计块再进行一次非相干能量检测，进一 步得到了时间的优化。简单的门限估计值能够与不同信噪比时的最优门限较 好的吻合，同时避免了在接收端估计信噪比时的困难。理论和仿真试验证明 该两步 TOA 估计算法实现了测距性能的提高。  最后，分析了两种典型的超宽带定位算法：非递归的 Chan 氏算法和递 归的 Taylor 级数展开法。针对 Chan 氏算法计算简单而非视距时定位精度 低，Taylor 算法计算量大但适合于各种信道环境且定位精度高的特点，提出 Chan 氏算法和 Taylor 级数展开的联合定位方式，并在 NLOS 的 CM3 信道 下进行仿真实验。实验表明该算法在非视距(NLOS)环境下能够有效地改善 定位精度。 关键词 超宽带；脉冲无线电；两步 TOA 估计算法；联合定位  Abstract In recent years, driven by emerging technologies, Ultra Wideband (UWB) techniques have become hot research subjects, especially following the approval of the UWB technology by the FCC (Federal Communications Commission) in February 2002. And it also results in an increasing research in UWB applications. UWB impulse r