超宽带室内定位系统应用技术 PDF下载

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内容简介

本书主要讲述基于脉冲超宽带无线通信技术的超宽带室内定位系统中的几大关键技术，包括有源标签设计、小型化超宽带天线设计、滤波器设计、室内电波传播建模及预测、室内定位系统基站设计分析、基于TDOA方法的高精度定位算法研究、移动目标跟踪定位算法研究等。本书基本涵盖了超宽带室内定位系统的整个系统设计内容，包括理论研究、硬件设计及软件设计等。

作者简介

赵红梅，女，1976年11月生，副教授，信息与通信工程专业工学博士，硕士生导师，郑州轻工业学院超宽带无线通信技术研究室学术带头人，河南省"超宽带无线通信技术”及郑州市"UWB实时定位系统”院士工作站院士助手，河南省优秀硕士学位论文指导教师，河南省仪器仪表学会常务理事，副秘书长；长期从事微带天线设计、超宽带无线通信技术等方向的研究；获河南省科技进步奖二等奖2项，厅级科技成果一等奖4项，通过省级科技成果鉴定10项，授权国家发明专利7项，主持及参与国家和省级项目8项，发表论文30多篇。目前研究方向：微带天线设计、超宽带信号电波传播特性研究、超宽带室内定位技术研究

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第1章 绪论 1
1.1 无线定位技术简介 1
1.2 超宽带技术概述 3
1.2.1 UWB技术定义 4
1.2.2 UWB技术特点 5
1.2.3 UWB技术的应用 6
1.3 超宽带室内定位技术简介 7
1.3.1 超宽带室内定位原理及系统构成 7
1.3.2 超宽带室内定位系统的应用前景 9
1.4 超宽带室内定位技术现有产品 9
小结 11
参考文献 11
第2章 IR-UWB窄脉冲设计 13
2.1 超宽带脉冲的产生方法 13
2.2 常用的脉冲模板 16
2.2.1 高斯脉冲及其各阶导数 17
2.2.2 正交Hermiter脉冲 22
2.2.3 升余弦脉冲 25
2.2.4 基于窗函数载波调制的脉冲 26
2.2.5 小波脉冲 28
2.3 基于数字逻辑电路的窄脉冲的设计 34
2.3.1 利用模拟器件的特性产生窄脉冲 34
2.3.2 利用数字电路产生窄脉冲 37
2.4 基于双非门结构的窄脉冲的设计 41
2.5 超宽带脉冲信号的调制 45
2.5.1 脉冲幅度调制（PAM） 45
2.5.2 脉冲位置调制（PPM） 47
2.5.3 多址技术 48
2.5.4 TH-PPM脉冲序列的电路实现 51
小结 56
参考文献 57
第3章 小型化超宽带天线设计 59
3.1 小型化超宽带天线设计研究现状 60
3.2 天线基本理论概述 62
3.2.1 天线发展的历史 62
3.2.2 天线的基本电参数 62
3.2.3 天线的馈电方法 67
3.3 天线设计数值方法 68
3.3.1 矩量法 69
3.3.2 有限元法 69
3.3.3 时域有限差分法 70
3.4 小型化、宽带化天线设计方法 70
3.4.1 天线的小型化技术 71
3.4.2 扩展带宽的技术 73
3.5 不同结构的小型化超宽带天线设计 74
3.5.1 弧形贴片超宽带微带天线 74
3.5.2 超宽带宽缝隙天线 78
3.5.3 阶梯形超宽带微带天线 82
3.6 具有带阻特性的小型化超宽带天线设计 88
3.6.1 带阻特性的研究 88
3.6.2 倒U形带阻超宽带微带天线 89
3.6.3 倒叉形带阻超宽带微带天线 92
小结 96
参考文献 97
第4章 新型超宽带带通滤波器设计 100
4.1 超宽带信号频谱实现技术 100
4.1.1 带通滤波器实现频谱 101
4.1.2 上变频实现频谱 102
4.2 性能分析 103
4.2.1 交指耦合超宽带带通滤波器 103
4.2.2 槽线锥形谐振器 104
4.3 新型超宽带滤波器的设计 106
4.3.1 新型超宽带带通滤波器的设计思想 106
4.3.2 新型超宽带带通滤波器的设计与仿真 106
小结 108
参考文献 108
第5章 超宽带信道测量及建模 110
5.1 超宽带信号信道测量及建模方法研究现状 110
5.2 超宽带信道模型理论基础 112
5.2.1 大尺度衰落 113
5.2.2 小尺度衰落 113
5.2.3 超宽带标准信道模型 113
5.3 基于频域测量的超宽带室内—室外信道测量及建模 115
5.3.1 信道测量原理和环境 115
5.3.2 路径损耗及阴影衰落 117
5.3.3 信道冲激响应 123
5.3.4 信道参数 126
5.3.5 室内至走廊多径信道模型 129
5.3.6 信道特征参数 130
5.4 基于射线追踪方法的超宽带信道测量及建模 131
5.4.1 信道仿真原理和环境 131
5.4.2 空间功率分布 132
5.4.3 路径损耗及阴影衰落 133
5.4.4 室内及走廊的多径功率剖面 135
5.4.5 室内信道参数 137
5.4.6 室内到走廊多径功率剖面特点 139
5.4.7 幅度衰落特性 139
5.4.8 室内及走廊多普勒扩展 141
5.4.9 信道特征参数 142
5.4.10 实测和仿真结果的比较 142
小结 144
参考文献 145
第6章 超宽带室内定位系统接收机设计及分析 149
6.1　超宽带信号接收机设计简介 149
6.2　接收机同步原理 150
6.2.1　基于检测理论的同步方法 151
6.2.2 基于估计理论的同步方法 151
6.3　超宽带接收机原理及结构 153
6.3.1　相干接收原理和结构 153
6.3.2　自相干接收原理和结构 154
6.3.3　非相干接收原理和结构 155
6.4　方案设计 156
6.4.1　超宽带室内定位接收机射频端设计 158
6.4.2　可控积分检测电路设计 166
6.4.3　超宽带室内定位接收机数字端设计 170
小结 182
参考文献 182
第7章 高精度室内定位算法 185
7.1　UWB室内定位算法研究现状 185
7.2　常用定位算法简介 186
7.3　超宽带室内定位算法数学模型 188
7.3.1　TOA估计及其定位模型 188
7.3.2　DOA估计及其定位模型 189
7.3.3　RSS估计及其定位模型 190
7.3.4　TDOA估计及其定位模型 190
7.3.5　基于TDOA的UWB室内定位方案 191
7.4　超宽带厘米级室内定位算法设计 194
7.4.1　CHAN-TAYLOR级联定位算法 194
7.4.2　PLS-PSO混合定位算法 199
7.5　基于实际超宽带信道模型的定位算法设计 203
7.6　干扰对定位精度影响分析 209
7.6.1　信号模型 210
7.6.2　最佳二进制正交脉冲相位调制：2PPM-THMA 210
7.6.3　二进制反极性脉冲幅度调制：2PAM-THMA 213
7.6.4　仿真实验与讨论 214
7.7　移动目标的定位跟踪算法研究 218
7.7.1　常用的跟踪滤波算法 218
7.7.2　室内目标跟踪原理和模型介绍 222
7.7.3　无迹卡尔曼滤波算法仿真 223
7.7.4　强跟踪自适应无迹卡尔曼滤波及其仿真 236
7.7.5　超宽带室内跟踪平滑算法分析 244
小结 250
参考文献

前沿

序言

导航定位关乎国家安全，是全球大国竞争的核心利益。对于室外环境，全球导航卫星系统诸如美国的全球定位服务，基本满足了用户在室外场景中对基于位置服务的需求。然而，个人用户、服务机器人、扫地机器人等有大量定位需求发生在室内场景。而室内场景受到建筑物遮挡，卫星导航信号快速衰减，甚至完全拒止，无法满足室内场景中导航定位的需要。室内外高精度位置服务技术是继互联网、移动通信之后发展最快的新一代信息技术，已成为国际科技经济竞争的制高点。

相对室外导航定位，室内定位技术起步较晚，为实现精确定位与服务，美国国防部高级研究计划局于2013年制订“洞悉战场”计划，提出建设更精确锁定位置的打击系统；2013年美国联邦通信委员会提出“下一代911项目”，要求实现精度在60米以内的位置服务；德国电信于2011年将高精度位置服务定位为未来移动通信服务的核心；日本于2009年颁布了《紧急呼叫法案》，要求室内位置服务精度达到10米以内。我国在《国家卫星导航产业中长期发展规划》和《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020）》任务中明确提出要加快室内位置服务建设。目前在各行业应用需求的推动下，室内定位技术得到了快速发展，近几年来成为工业界和学术界研究的热点。

随着室内定位技术的发展，各类室内定位技术百花齐放，包括基于WiFi的定位、蓝牙定位、小基站定位、LED可见光定位、超宽带定位、RFID、惯性导航、地磁定位、伪卫星等多种室内定位技术。而在这些定位技术中，超宽带室内定位技术是一种优势全面的专业级定位技术，具有定位精度高（1～15cm）、抗干扰能力强、分辨率高、功耗低等优点。本书内容来源于作者多年的研究成果，内容丰富，有独特的观点和创新点，对基于脉冲超宽带技术超宽带定位系统各个组成部分设计方案和关键部件及算法进行了详细的介绍，包括超宽带室内定位系统的构成、新型有源标签的设计、多种结构的小型化天线设计、滤波器设计、超宽带信号室内及室内-室外电波传播特性预测及信道建模、定位基站设计和高精度定位算法设计等，本书是一本详细阐述超宽带室内定位技术的书籍，在目前室内定位技术蓬勃发展和市场需求日益增长的大形势下，可供国内研究超宽带定位的有关人员和企业参考，以推动室内定位技术的市场化。

；

张明高；；

中国工程院院士

前言

根据诺基亚、谷歌等提供的数据，人们的日常生活中超过80%的时间都发生在室内，室内位置服务是真正实现万物互联的基础，室内定位技术已经成为解决定位导航最后100米的关键手段。中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书认为，面向大众和面向行业应用的室内定位导航成为刚需，于此同时，大型城市综合体越来越多，大型医院、大型停车场、大型办公楼、大型商场等建筑物室内空间也更加复杂，传统的指示牌已经无法满足人们找寻目的地的需求。室内定位精度高，能够实现跨楼层指引，可以极大提升便利性精准室内定位技术，可为智慧大楼、智慧停车场、智慧工厂、智慧医院、数万人会展等行业领域提供诸多室内定位解决方案，当前市场对室内定位的需求越来越多，所以衍生出各种各样的定位技术。

超宽带技术是近年来新兴一项全新的、与传统通信技术有极大差异的通信无线新技术。它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有3.1～10.6GHz量级的带宽。目前，包括美国、日本、加拿大等在内的国家都在研究这项技术，在无线室内定位领域具有良好的前景。

超宽带室内定位技术是一种基于脉冲超宽带技术的无载波无线通信技术，具有传输速率高、发射功率较低、穿透能力较强、定位精度高等优点，使它在室内定位领域独占鳌头。超宽带室内定位技术常采用TDOA测距定位算法，通过信号到达的时间差，利用双曲线交叉实现定位。定位过程中由UWB接收器接收标签发射的UWB信号，通过过滤电磁波传输过程中夹杂的各种噪声干扰，得到含有效信息的信号，再通过中央处理单元进行定位算法分析，解析出位置信息。

基于智慧城市、物联网、移动互联网等相关行业的需求位置服务，位置服务也已成为我国经济转型升级的迫切需求，位置服务和移动互联网技术是一种业务支撑的关系，无论是信息消费还是战略信息产业，在国民经济中都是新增长点。由于室内不仅是人们的生活场所，还是工作场所，而且人们大部分时间生活在室内，室内位置服务的发展至关重要。导航与位置服务攸关国家安全、经济发展和社会民生，在新一代信息技术这一战略性新兴产业中，具有举足轻重和不可或缺的地位。

本书的研究内容主要包括：提出了基于双非门结构的新型超宽带宅脉冲信号发生器设计，避免了传统基于数字方法比逻辑器件自身的依赖性，改善了脉冲性能；利用小型化、宽带化微带天线设计方法，提出了多种新型结构的小型化超宽带天线及带阻天线设计；采用微带线和多指谐振腔设计方法，提出了新型结构的超宽带滤波器设计方法；利用频域测量手段和射线追踪方法，研究了超宽带信号的电波传播特性，揭示了超宽带信号室内-室外传播的电波传播规律，给出了解析数学模型；分析给出了基于数模混合接收超宽带定位系统定位基站方案，提出了可控积分电路高速模数转换电路方法；构建了到达时间差和物理距离关系模型，提出了偏最小二乘粒子群定位算法，加快了算法的收敛，增强了算法的鲁棒性；分析了IEEE802.15.3a信道模型下定位算法的适应性，提出了导频辅助的2LS-PSO定位算法，定位误差小于10cm(TDOA误差小于0.5ns时)；提出了自适应卡尔曼平滑滤波跟踪算法，解决了移动目标机动变化、不良测量条件带来的定位不准确问题。

本书主要章节是基于脉冲超宽带技术的室内定位系统各个组成部分一层层展开的，具有较强的工程背景，可读性强。本书内容是作者近几年来发表的论文、获奖、申请专利等，涉及最新的电路结构、算法及分析方法，可借鉴性、工程性强，具有较强的工程指导价值。

本书由赵红梅副教授独立创作，负责全书大纲及内容的拟定并定稿。在前期研究及本书撰写过程中，充分借鉴和引用了国内外同行在本领域的的相关研究成果，同时也得到了郑州轻工业学院河南省“超宽带无线通信技术”院士工作站研究团队的各位老师和研究生们的大力支持，他们对本书的撰写及研究成果都做出了大量的贡献，并提出了许多宝贵的意见与建议，在此对他们表示感谢。