基于超宽带的TOA定位技术研究

基于超宽带的TOA定位技术研究作者：张华，宋正勋，石云，李娜，张福威，ZHANGHua，SONGZheng-xun，SHIYun，LINa，ZHANGFu-wei作者单位：张华,ZHANGHua(长春职业技术学院工程技术分院,长春,130033;长春理工大学,电子信息工程学院,长春,130022)，宋正勋,石云,李娜,SONGZheng-xun,SHIYun,LINa(长春理工大学,电子信息工程学院,长春,130022)，张福威,ZHANGFu-wei(长春理工大学,理学院,长春,130022)刊名：吉林大学学报(信息科学版)英文刊名：JOURNALOFJILINUNIVERSITY(INFORMATIONSCIENCEEDITION)年，卷(期)：2008，26(1)引用次数：0次参考文献(15条)1.ANDERSONCRUltraWidebandCommunicationSystemDesignIssuesandTradeoffs20032.CORREALN.KYPREOUNTASS.SHIQAnUWBRelativeLocationSystem20033.GEZICIS.TIANZ.GIANNAKISGBLocalizationViaUltra-WidebandRadios2005(4)4.WOOCHEOLCHUNG.DONGSAMHAAnAccurateUltraWideband(UWB)RangingforPrecisionAssetLocation20035.QIY.KOBAYASHIHOnRelationAmongTimeDelayandSignalStrengthBasedGeolocationMethods20036.SAHINOGLUZ.CATOVICAAHybridLocationEstimationScheme(H-LES)forPartiallySynchronizedWirelessSensorNetworks20047.POORHVAnIntroductiontoSignalDetectionandEstimation19948.AL-JAZZARS.CAFFERYJMLandBayesianTOALocationEstimatorsforNLOSEnvironments20029.JOON-YONGLEE.ROBERTASCHOLTZRanginginDenseMuhipathEnvironmentsUsinganUWBRadioLink2002(9)10.URKOWITZHSignalTheoryandRandomProcesses198311.孙利民.李建中.陈渝无线传感器网络200512.SAVARESEC.LANGENDOENK.RABAEYJRobustPositioningAlgorithmsforDistributedAd-HocWirelessSensorNetworks200213.CAPKUNS.HAMDIM.HUBAUXJPGPS-FreePositioninginMobileAdHocNetworks200114.SAWIDESA.HANC.SRIVASTAVAMDynamicFine-GrainedLocalizationinAd-HocNetworksofSensors200115.PATWARIN.HEROLLLPERKINSAO.CORREALNRelativeLocationEstimationinWirelessSensorNetworks2003(8)相似文献(10条)1.学位论文王鹏毅超宽带抗干扰通信定位技术研究2007超宽带机理是利用脉冲冲击调制，形成扩频超宽带信号进行信息传输。美国从20世纪90年代中期以来，研制了多种超宽带无线电通信、雷达、成像和高精度定位系统，作为军用设备的超宽带无线电系统已得到实际应用。目前，商用和军用都对通信测控或定位系统的信息安全提出了更高的要求，超宽带信号功率远小于热噪声，可以进行隐蔽传输，具备较强的抗干扰和抗截获能力，其多用户测控无线入网可具备入网认证和身份识别功能。这种通信体制具备很强的信道安全能力，和其它信息加密综合应用能够满足很强的信息安全要求。所以研究超宽带的通信技术具有重要的商用和军用价值。本论文的主要以下几个方面进行了研究：(1)对超宽带脉冲通信体制研究，给出了该体制的实现方法。在研究了超宽带信号的定义和频谱特性的基础上，给出了基于超宽带脉冲扩频信号的幅度调制、时延相位调制和伪码复合调制等调制形式和超宽带信号解调方法，对超宽带接收性能进行了计算和分析，并给出了接收工程实现的示意框图。(2)对超宽带信号的测距捕获进行了研究，提出了两种快捕方法。主要研究了基于伪码复合冲击脉冲信号测距的方法，分析了伪码脉冲幅度调制和时延相位调制两种信号形式频谱，以幅度调制信号为例分析了全相参时延捕获方法，提出了平方脉冲相位捕获再伪码相位捕获和先延迟相乘脉冲相位捕获再伪码相位捕获两种快捕方法，比较计算了多种捕获方法的检测信噪比，并给出了快捕实现原理框图。(3)对高动态超宽带信号的进行了研究，首次提出了时变模板的概念和矩阵相关的方法。在高动态时变超宽带信号的捕获跟踪方面，针对超宽带时变信号首次提出了时变模板的概念和矩阵相关的方法，建立了基于分数阶域滤的超宽带一时频联合匹配滤波的框架，解决了超宽带时变信号的检测，能够满足超宽带高动态的特种情况捕获应用。查阅国内外相关文献，没有发现相关文献报告。(4)在超宽带信号精密跟踪方面，首次提出了一种应用于超宽带的冲击脉冲早迟跟踪环路的实现方法。通过对高斯白噪声下的环路跟踪精度和性能进行了理论计算，给出了超宽带的冲击脉冲早迟跟踪环的时延测量精度的理论值，并进行了多种形式冲击脉冲信号的系统仿真验证。最后在自研的硬件平台系统仿真结果和理论结果一致。查阅国内外相关文献，没有相关报告。(5)对超宽带多用户工作和组网性能进行了研究，提出了超宽带多用户定位精度的计算方法。主要介绍了民用无线局域网的各种标准协议，针对中远距离的多用户测控问题，提出了一种全新的超宽带多目标隐蔽测控体制，给出了TH-PPM和TH-PAM两种多用户组网工作信号体制，并对该类信号的产生调制和相干捕获方法，对多目标的测控传输的误码率进行了工程计算；对多目标的捕获解调进行了计算分析，并对该信号的多用户定位精度进行了计算分析；提出了超宽带多目标测控网络拓扑结构，对其组网安全认证过程进行了分析；最后给出了相关结论。(6)在超宽带高速数据传输技术方面，主要针对超宽带高速数据传输提出了多个伪码和多个正交Walsh函数并行调制传输的两种方法，采用并行传输可以有效提高超宽带系统的传输速率，降低码间干扰和实际工程处理难度。并在试验样机上试验了这种方法。查阅国内外相关文献，没有发现相关报告。(7)超宽带的电波传输和多径接收研究研究了冲击脉冲调制信号空间传播形式，在和传统信号传播方式进行比较的基础上，针对中远距离通信，提出了一种冲击信号空间传播模型，研究和仿真试验表明，在传统瑞利信道中，采用冲击调制的信号具备优良的抗空间多径能力，各项性能明显优于传统扩频通信信号。(8)在超宽带阵列信号空时处理方面，独立提出了一种基于时域分析的复合加权宽带阵列信号处理新方法。首次推导证明了阵列系统的时延测量精度是个阵元时延测量精度的统计平均值。该方法通过群时延、相位和幅度复合加权处理，可以避免复杂的频域聚焦算法；对超宽带的阵列信号处理进行了独创性研究，提出了一种便于工程实现的一种简单的超宽带空时阵列处理方法，可以在超宽带信号抗干扰的基础上，进一步提高系统的抗干扰能力；采用数学方法首次推导证明了阵列系统的时延测量精度是个阵元时延测量精度的统计平均值。以上查阅国内外相关文献，没有发现相关报告。(9)超宽带信号仿真和硬件平台试验研究主要对超宽带信号的捕获、跟踪、数据传输、多用户通信工作、多径信道等作了多种仿真试验，在自主研制的超宽带信号的硬平台上件产生、调制和解调技术，实现了一种超宽带专用硬件平台，实现了670ps的脉冲冲击信号，完成了1Mbps数据的调制和解调试验。这些超宽带的调制解调算法都是我们独立研发的，具有自主知识产权。2.期刊论文陈学卿.高凡.马伟朕.CHENXue-qing.GAOFan.MAWei-zhen基于超宽带(UWB)技术的无线定位系统的研究-桂林航天工业高等专科学校学报2008,13(4)文章介绍了超宽带定位技术的特点和优点,研究了超宽带无线用于室内定位的定位方式,并对现有的超宽带室内无线定位网络协议进行了分析,最后阐述了超宽带室内定位系统的主要问题和发展方向.3.学位论文石云超宽带测距与定位技术研究2006超宽带(UWB)无线电将成为未来通信和定位的发展方向，具备广阔的应用前景。首先，本论文研究适合UWB的测距和定位方式。由于UWB信号的时间分辨率高，所以基于时间的定位方案比其它方案更精确，可以采取TOA的测距方式。其次，论文给出了在无线传感器网络中UWB相对定位估计特性的理论分析和仿真结果。在单跳网络中，结点密度增大时，定位精度也将不断增加。在跳数确定的多跳网络中，网络中增加传感器数目时，整体定位精度将收敛于一个固定值；而当与参考结点直接通信的盲结点数目不变时，离参考结点的跳数越大，定位精度越差。最后，在分别基于RSS测距和TOA测距系统的多跳无线网络中，分析从源结点到目的结点跳数与测距估计精度之间的关系。4.期刊论文叶扬.刘发林.YEYang.LIUFa-lin超宽带自组网定位辅助路由算法及仿真-计算机仿真2007,24(5)超宽带技术和移动自组网都是目前移动通信中的研究热点,由于UWB的通信容量大、高隐蔽性、功耗低、精确定时定位等特点,非常适合于作为AdHoe网络的物理层实现.UWB系统提供的距离与定位信息,可以实现对基于UWB的Adhoc网络有效路由,而原有的定位辅助路由协议的定向性非对称,网络负载仍然较大.针对UWB系统的特点,提出了以中间跳数为主的超宽带Adhoc网络路由度量方法,将矩形路由请求区域优化为带状请求区域,并且通过GloMosim软件进行了仿真.结果表明:改进的定位辅助路由算法以较小的开销取得较高的路由效率,降低了网络的负载和能量的损耗.5.学位论文谢亚琴超宽带无线定位算法研究2007无线通信技术的成熟和发展，带动了新兴无线业务的出现，越来越多的应用都需要自动定位服务。随着超宽带通信系统的频段分配的提出，超宽带技术引发了广泛的研究热潮。按照FCC的规定，从3.1GHz到10.6GHz之间的7.5GHz的带宽频率为UWB免费使用的频率范围。超宽带技术如此大的带宽使得其具有良好的时间解析能力，能够实现精确的测距与定位功能。超短脉冲定位器可以给出目标的相对位置，造价便宜，且其定位精度可达厘米级。超宽带无线定位技术成为未来无线定位技术的热点和首选。因此，研究超宽带无线定位算法具有重要的现实意义。本论文深入介绍了无线定位的基本理论、基本算法以及其定位性能，在此基础上提出了两种新的定位算法。论文的主要内容及所作贡献如下：首先，论文简单介绍了超宽带技术、无线电定位技术以及超宽带无线定位技术的国内外研究进展与现状。研究表明，由于复杂多径和非视距(NLOS)的影响，UWB的定位精度很难达到其理论极限，因而选择性能代价比高的定位机制和节省能耗的定位跟踪算法是目前急需解决的问题。其次，对现有无线定位方法进行了归纳与总结，阐述了现有的超宽带无线定位算法，并在此基础上提出了将遗传算法以及基于“APIT+TSE”的混合定位方法分别应用于UWB定位系统中对目标节点进行定位的方法。利用MATLAB仿真软件对几种算法的就定位精度、定位失败率、所需CPU计算时间等进行了仿真分析与综合比较，仿真结果表明了作者提出的两种方法均可以有效地提高UWB无线定位系统的定位精度。再次，论文总结了UWB定位系统的主要误差源，提出了改善定位性能的方法与措施。最后，论文展望了UWB无线定位系统的未来应用前景，探讨了论文研究工作的意义，然后提出了研究过程中有待进一步解决与研究