（电磁场与微波技术专业论文）超宽带无线定位算法研究(1).pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 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f c c 的规定，从3 1 g h z 到1 0 6 g h z 之间的7 5 g h z 的带宽频率为u w b 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( n l o s ) 的影响，u w b 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“a p i t + t s e ”的混合定位方法分别应用于u w b 定位系统中对目标节点进行定位的方法。利用m a t l a b 仿真软件对几种算法的就定位精 度、定位失败率、所需c p u 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u w b 无线定位系统的定位精度。 再次，论文总结了u w b 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u w b 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的问题。 主题词：超宽带、无线定位算法、信号到达时间 南京邮电人学硕1 ：研究生学位论文英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，n e ww i r e l e s ss e r v i c e se m e r g em o s to f w h i c hc a l lf o ra u t o m a t i cp o s i t i o n i n g w i t ht h ef r e q u e n c ya l l o c a t i o no fu l t r a - w i d e b a n d ，t h e t e c h n o l o g yo fu w b a n di t sa p p l i c a t i o n sh a v ed r a w nm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n a c c o r d i n gt of c c r u l e s ，u w br a d i o sh a v ep o t e n t i a lw i d ef r e eb a n d w i d t ho f7 5 g h z ，f r o m3 1g h z t o10 6 g h z s u c he x t r e m e l yl a r g eb a n d w i d t hr e s u l t si nv e r yh i g ht e m p o r a l ( a n dt h u ss p a t i a l ) r e s o l u t i o nw h i c h a l l o w sc e n t i m e t e ra c c u r a c yi nr a n g i n ga n dl o c a l i z a t i o n t h ev e r ys h o r tp u l s el o c a l i z e r sc o s t c h e a pa n dc a l ls u p p l yt h er e l a t i v ep o s i t i o no ft h et a r g e tn o d ew i t hc e n t i m e t e ra c c u r a c yi n p o s i t i o n i n g t h el o c a l i z a t i o na l g o r i t h m sv i au w br a d i o si st h ef i r s tc h o i c eo ff u t u r ew i r e l e s s l o c a l i z a t i o nt e c h n i q u e s t h u s ，i t se s s e n t i a lt od e v e l o pt h el o c a l i z a t i o nm e t h o d sv i au w br a d i o s f o rp r a c t i c e t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h eb a s i ct h e o r y , b a s i ca l g o r i t h m s ，a n dp e r f o r m a n c eo f l o c a l i z a t i o nm e t h o d sv i au w br a d i o s b a s e do nt h ef o r m e rr e s u l t s ，t w on e wl o c a l i z a t i o n m e t h o d sa r ep r o p o s e d t h em a i nc o n t e n ta n dc o n t r i b u t e so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： u w b ，w i r e l e s sl o c a l i z a t i o nm e t h o d sa n dt h ed e v e l o p m e n to fl o c a l i z a t i o nm e t h o d sv i au w b r a d i o si nh o m ea n da b r o a da r ed i s c u s s e df i r s t i ti ss a i dt h a tt h ea c c u r a c yo fu w br a d i o l o c a l i z a t i o ni sh a r dt o g a i ni t st h e o r e t i cl i m i t a t i o nb e c a u s eo ft h ee x i s t e n c eo fc o m p l i c a t e d m u l t i - p a t ha n dn o t l i n e o f - s i g h tp a t h s oi t sc r u c i a ln o w t oc h o o s et h el o c a l i z a t i o na l g o r i t h m s w i t hh i g hp e r f o r m a n c e t o - c o s t r a t i oa n d e n e r g ys a v i n g s e c o n d l y , t h ee x i s t i n gp o s i t i o n i n gm e t h o d sv i au w br a d i o sa r es u m m a r i z e d t w on e w m e t h o d s ，g e n e t i ca l g o r i t h ma n dt h eh y b r i dm e t h o db a s e do na p i ta n dt s e ，a r ep r e s e n t e dt o p o s i t i o nt h eu n k n o w nn o d e so nt h eb a s i so ft h ef o r m e ri n t r o d u c t i o n s a l lt h em e t h o d sm e n t i o n e d a b o v ea r es i m u l a t e da n dc o m p a r e df r o mt h ea c c u r a c yo fl o c a l i z a t i o n ，f a i lr a t eo fp o s i t i o n i n ga n d c p ut i m ee l a p s e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tb o t ht h et w on e wm e t h o d sh a v eb e t t e r l o c a l i z a t i o np e r f o r m a n c et h a nt h eo t h e r s t h em a i ne r r o rs o u r c e sw h i c ha f f e c tt h ea c c u r a c yo fl o c a l i z a t i o na r ed i s c u s s e dn e x t ，w h i c h i sf o l l o w e db yt h em e a s u r et oi m p r o v et h el o c a l i z a t i o np e r f o r m a n c e t h ep o t e n t i a la p p l i c a t i o n so fu w b p o s i t i o n i n gs y s t e m sa r ep r o s p e c t e d ，t h es i g n i f i c a n c eo f r e s e a r c ha n ds e v e r a lu n s o l v e dq u e s t i o n sa r ep r e s e n t e di nt h ee n do ft h i sd i s s e r t a t i o n k e y w o r d s ：u l t r a - w i d e b a n d ，r a d i ol o c a l i z a t i o na l g o r i t h m s ，t i m eo f a r r i v a l 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：聋兰答兰 日期：塑墨：13 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：翌至垒导师签名：- - 旌s 、, s 墟- 鏊u 日期：型：型 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 1 引言 第一章绪论 1 1 超宽带技术概述 超宽带( u w b ，u l t r a w i d e b a n d ) 无线电最初专属美国军方使用。2 0 世纪8 0 年代末 9 0 年代初，美国国防部首先定义了“超宽带 概念，统一了历史上所称的“脉冲无线电、 “非正弦系统 、“时域通信”、“单脉冲”、“无载波 等概念。 2 0 0 2 年2 月，美国联邦通信委员会( f c c ，t h ef e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ) 正 式将超宽带技术解禁，批准限用于军用雷达的超宽带技术可运用于民用产品上；同年4 月， 批准将3 1 1 0 6 g h z 的免授权频段分配给u w b 使用。这是超宽带技术发展史上的一个里 程碑，从此，超宽带无线通信开始成为学术界、企业界和有关标准化组织所关心的一个新 热点。 1 1 2 什么是u w b f c c 关于“超宽带的定义是：信号相对带宽( 信号频谱的带宽与其中心频率之比) 大于等于2 0 ，或者绝对带宽大于等于5 0 0 m h z 1 。 由f c c 的定义可知，超宽带信号有多种产生方式。其中，传统而典型的方法是直接发 射经调制的纳秒级的窄脉冲，不需要载波，通常称其为脉冲无线电( i r ，i m p u l s er a d i o ) 。另 一类超宽带无线电仍然基于正弦载波的概念发射连续波，典型的例子是i e e e8 0 3 1 5 3 a 高 速w p a n 的多频带( m b ，m u l t i b a n d ) 超宽带物理层提案，其基本特点是将f c c 规定的 3 1 1 0 6 g h z 带宽划分为多个满足超宽带定义的子带( 大于5 0 0 m h z ) ，在每个子带上采用 正交频分复用( o f d m ，o t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 。 由于脉冲传输具有定位精确度高( 达到纳秒级) 、穿透障碍物能力强等特性，本文侧 重讨论利用纳秒级的窄脉冲的宽频特性实现的、无需载波的冲激无线电。如无特殊说明， 以后章节所提到的超宽带均特指i - u w b 。 1 1 3u w b 技术的特点 由于u w b 与传统通信系统相比，工作原理迥异，因此u w b 具有如下传统通信系统 1 - 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一苹绪论 无法比拟的技术特点： l 、以极宽的频段进行大量的资料传输 根据香农信道容量公式c = bl 0 9 2 ( 1 + s n ) ，式中b 为信道带宽，s 为信道输出的信号 功率，为输出加性带限高斯白噪声功率。当信号与作用在信道上的起伏噪声的平均功率 给定时，信道容量随信道带宽的增加呈线性增2 n 2 1 。由此不难理解为何u w b 能轻易达到 1 0 0 m b p s 的传输速度。 2 、极低的耗电量 传统的无线通信技术以正弦波连续不断传送信号，而i - u w b 技术是以断续的方式传 送信号，在有脉冲信号存在时才有功率的消耗，因此在电力的使用上是较佳的。w i f i 耗 电量约为3 3 1 0 0 毫瓦，而u w b 一般来说都不超过2 0 0 微瓦。 3 、具有精确的定位及穿透障碍物功能 ： u w b 系统具有良好的时间解析性能，因而具有精确的测距能力与定位功能。过去美 国的军方将其应用在雷达的侦察系统上；而在商业用途上，精确的定位功能可以应用到企 业的仓储管理上，协助物料的追踪定位；在医学上进行医学导航；实现室内g p s ( g l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m ) 等。加之u w b 信号穿透障碍物能力强，可以进行医学成像、地下探 测雷达等。 1 2 无线电定位系统简介 定位，通常是指确定地球表面某种物体在某一参考坐标系中的位置。传统的定位技术 和导航( 引导交通工具或其他物体从一个位置移动到另一个位置的过程) 密不可分。典型 的无线电导航定位系统是罗兰和奥米加导航系统 2 4 】。除了传统的应用外，近年来，随着 蜂窝移动通信、小灵通、u w b 等技术的迅速发展，定位技术开始广泛应用于蜂窝系统、 小灵通系统以及室内等。 1 2 1 无线电导航系统 1 、罗兰导航系统 罗兰远程无线电导航系统由美国国防部研制，按其发展历史可分为以下三种： 罗兰一a 系统，作用距离约1 3 0 0 千米，工作区定位准确度约9 2 6 米 1 8 5 2 米，夜 间利用天波，作用距离可达2 5 9 2 8 万米。之后，性能更为优越的罗兰一c 系统出现。1 9 8 0 年，美国用了5 年的时间，完成了用罗兰一c 取代罗兰一a 的布台过程。 2 - 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一苹绪论 罗兰一c 系统作用距离和精度都优于罗兰一a 。该系统有效地覆盖了整个北半球， 美国计划在1 9 9 4 年后停止使用海外的罗兰一a 系统站，但考虑到一些地区的用户，将继续 保留罗兰一a 系统。 罗兰一d 系统是美国军用战术机动中程导航定位系统。是在罗兰一c 原理基础上研 制成功的最新一代，罗兰一d 系统在4 6 - 3 万米范围内定位准确度为1 8 0 米，在9 2 6 万米范 围内准确度一般为4 6 3 米，重复性误差为1 8 米。该系统主要是为海上石油开发所需的高 精度导航定位实施服务。 2 、奥米加导航系统 奥米加系统是超远程连续波双曲线相位差无线电导航系统。该系统作用距离可达 9 2 9 1 2 9 6 4 千米之间，定位准确度为1 8 5 2 3 7 0 4 米。奥米加系统在全世界设置了8 个发射 台，能实现全天候，全球性无线电导航定位。由于卫星导航技术的出现，美国国防部在1 9 9 4 年宣布停止使用该系统。 1 2 2 卫星定位系统 l 、g p s ( 全球定位系统) 全球定位系统( g p s ，g l o b mp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 是美国第二代卫星导航系统。是在子午 仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验。和子午仪系统一 样，全球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。利用卫星的测 时和测距进行导航，以构成全球卫星定位系统。是目前技术上最成熟且实用的定位系统。 能在全世界任何地方任何时候提供高精度和连续位置、速度、航向、姿态和时间信息。 2 、g l o n a s s 系统 g l o n a s s 系统是由前苏联开始研制，后由俄罗斯继续完善的全球卫星导航系统。1 9 9 5 年1 2 月1 4 日，俄罗斯成功地发射了一箭三星，标志着g l o n a s s 星座的在轨卫星已经布 满，经过数据加载、调整和检验，1 9 9 6 年1 月1 8 日，2 4 颗工作卫星正常发射信号，健康 有效地正式工作。 3 、“伽利略 卫星定位系统 欧洲“伽利略”计划已经得到不少国家响应。2 0 0 3 年3 月，俄罗斯表示愿为“伽利略”计 划提供技术和物质支持，规避政治与技术风险；2 0 0 4 年1 0 月9 日，中欧伽利略计划技术 合作协议签字仪式在北京正式举行，中国与欧盟的伽利略计划合作进入实质性操作阶段。 按照中国和其余欧盟1 5 个国家以平等地位参与合作的原则，中国将出资2 亿欧元左右， 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 并对此系统有2 0 的拥有权和1 0 0 的使用权。预计将在2 0 0 8 年开始投入商业运营。 1 2 3 蜂窝无线定位系统 蜂窝无线定位是由移动通信网提供的一种增值业务，利用现代移动通信系统的蜂窝网 络提供导航、位置信息。它通过测量到达( 或来自) 一系列固定或移动基站携带的与移动 台位置信息有关的信号来确定移动基站位置。目前，蜂窝网无线定位包括g s m ( g l o b a l s y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 定位系统( 该业务使用g s m 手机作为定位终端，能使 定位精度达到5 0 0 米内) 、c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 定位系统 2 2 】及 u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) 定位系统 2 3 - - - - 种。 1 2 4 小灵通定位系统 小灵通定位系统( l s c ，l o c a t i o ns e r v i c ec e n t e r ) 通过小灵通基站间的精确的三点定位， 能够将定位精度控制在5 0 米范围内，居目前国内同类业务的领先地位。它为不同的行业 和个人用户提供功能强大的定位信息服务，如紧急位置服务、跟踪和物流管理业务、位置 信息服务等。 通过小灵通用户定位系统，能够实现对小灵通用户所处地点的报警、定位和追踪功能。 这种用户定位系统特别适合那些需要照顾的老人和小孩使用，它可以让用户随时随地保持 联络。也就是说，一旦小灵通用户使用本机拨打了报警电话，用户所处的位置将精确地被 定位系统标识在电子地图上，离本地点最近的、接到报警的紧急服务人员可据此迅速到达。 这种定位系统对于其他需要紧急服务的公安、金融、保险、交通、物流等行业用户也十分 适用，因而有着很好的应用前景。 1 2 5 室内无线定位系统 目前，室内无线定位的需求日趋普遍，比较常见的室内定位技术有红外技术、超声波 技术、i e e e8 0 2 1 l 为代表的无线局域网技术、r f i d 技术等。 一、非无线电定位系统 1 、红外技术 o l i v e t t i 研究室( 现在为a t & tc a m b r i d g e 研究室) 研制的基于红外技术的有源标签可 以用于室内物体的定位，但是它要求物体必须和红外线阅读器必须成条直线，且定位距 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 离太近，因而限制了其继续发展。 2 、超声波技术 c r i c k e tl o c a t i o ns u p p o r ts y s t e m 2 5 】( c r i c k e t 系统是麻省理工学院的o x y g e n 项目的一 部分，用来确定移动或静止节点在大楼内的具体房间位置) 和a c t i v eb a tl o c a t i o ns y s t e m 2 6 】 是目前成功使用的两个系统，它们都利用了类似蝙蝠定位的原理，可以实现最高精度到9 c m 的定位。但是这类系统的成本太高，无法大面积推广。 二、w l a n 定位( i e e e 8 0 2 1 1 ) 基于无线局域网的定位系统，在一定的区域内安装适量的无线基站，根据这些基站获 得的待定位物体发送的信息( 时间和强度) ，并结合基站所组成的拓扑结构，综合分析， 从而确定物体的具体位置。这类系统可以利用现有的无线局域网设备，仅需要增加相应的 信息分析服务器以完成定位信息的分析。 三、r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 定位 一个著名的采用r f i d 技术的定位系统是s p o t o n 2 7 。s p o t o n 系统利用接收信号的 方位和强度信息，建立三维空间模型，计算其位置信息。s p o t o n 的阅读设备之间没有中 央控制，其系统尚不完备。 四、u w b 精确无线定位系统 2 8 】 超宽带( u w b ) 技术伴随美国f c c 无许可频谱的分配应运而生。由于u w b 系统定位精 度较高( 几厘米) 、功耗低、系统设计简单以及可以有效抑制多径干扰等优势 4 2 1 ，超宽带 技术在室内定位系统中的应用引起了广泛的关注。u w b 技术在雷达、跟踪定位等领域已 经有了广泛的应用。军方很早就使用u w b 技术实现无线电定位系统，用于位置和距离的 精确测量，如汽车碰撞定位检测器等。 1 3 超宽带无线定位技术的国内外研究及发展情况 1 3 1 国外研究现状 一、军用方面：早在1 9 6 5 年，美国就确立了u w b 的技术基础。在后来的二十年内， u w b 技术主要用于美国的军事应用，其研究机构仅限为与军事相关联的企业以及研究机 关、团体，由于u w b 系统具有精确的定位功能，美国军方很早就将其应用于雷达的侦察 系统上。 r f i d 射频快报2 0 0 5 年1 1 月2 1 日称：佐治亚州本宁兵营中的美军在城市地形军事行 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一苹绪论 动训练中采用了位于丹佛u b i s e n s 公司的超宽带r f i d 系统，跟踪在模拟村庄( 由煤渣砖 建造的一些楼房组成的) 训练的士兵。“在城市地形军事行动训练中，为了士兵们的理论 学习和训练后的复习，我们必须追踪他们。不管士兵执行什么任务，我们都要对其进行动 态地追踪。 系统集成和软件开发公司d s c i 的主管，e r i cw a g n e r 如是说。为了更好地管 理士兵，d s c i 安装并运行了超宽带r f i d 系统。 二、民用方面：由于超宽带系统具有定位精度高、设备复杂度低、系统设计简单、功 耗低等优点，近年来国外对u w b 信号应用的研究比较热门，主要用于如资产跟踪、人员 定位等。索尼、时域、摩托罗拉、英特尔、戴姆勒一克莱斯勒等高技术公司都已涉足u w b 技术的开发。2 0 0 3 年8 月，美国p a r c ow i r e l e s s 公司获得了由美国f c c ( 联邦通信委员会) 颁发的超宽带无线技术产品认证。此次获得认证的是超宽带无线技术的资产管理系统 “p a l 6 5 0 ”。对于贴上该系统无线标识的目标物体，将能够以数英尺( 3 0 厘米之内) 的精度 确定2 维及3 维位置。这是第一个进入商用的u w b 资产管理系统，目前被应用于医院以 及工厂。有关p a l 6 5 0 的详细介绍，请参见文献 6 8 1 。 2 0 0 6 年9 月1 8 日，美国纽约地区数家医疗保健机构使用基于超宽带无线技术的r f i d 追踪管理系统p r 6 c i s ，对医院病人或财产进行实时定位的跟踪管理。 文献【l 】中具体描述了m a g i c 世界，即为超宽带无线定位技术在无线通信网络中的应 用。 芬兰奥鲁大学实现了非相干机制的3 1 4 1 g h z 收发信机，基于此完成最大能量采样 的非相干t o a 估计算法的定位系统，其测距误差 5 m s ( 约1 5 米) 。 但是，u w b 技术的协议与标准尚未确定( 据外电报道，超宽带标准将于2 0 0 7 年中期 在欧洲实现合法化) 。目前，只有美国允许民用u w b 器件的使用，而欧洲正在讨论u w b 的进一步使用情况，并观望美国的u w b 标准。 1 3 2 国内研究现状 2 0 0 1 年9 月初发布的“十五”8 6 3 计划通信技术主题研究项目中，把超宽带无线通信关 键技术及其共存与兼容技术作为无线通信共性技术与创新技术的研究内容，鼓励国内学者 加强这方面的研发工作。但是国内目前关于u w b 技术的深入研究仅限于雷达方面，关于 u w b 定位系统的研究处于起步阶段，尚未形成规模。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 4 论文研究背景及安排 超宽带无线电具有极强的穿透能力，可在室内和地下进行精确定位；而g p s 定位系 统只能工作在g p s 定位卫星的可视范围之内。与g p s 提供绝对地理位置不同，超短脉冲 定位器可以给出相对位置，其定位精度可达厘米级( u w b 系统最大带宽为7 5g h z ，脉冲 宽度最小为1 3 3 皮秒( 1 3 3 x 1 0 0 2 s ) ，使用该脉冲进行定位时，定位误差不超过4 厘米。对 于5 0 0 m h z 的带宽，脉冲宽度为2 纳秒( 2 1 0 母s ) ，距离定位误差不超过6 0 厘米。因此， 对任意u w b 信号都能达到厘米级的测距精度) 5 】。此外，超宽带无线电定位器更为便宜； 超宽带信号就像是低电平的背景噪声，隐蔽性强：超宽带系统有一个专为车载雷达安排的 频段，从2 2 g h z 到2 9 g h z ，它可以用来避免汽车相撞和帮助停车等。 超宽带技术在无线电领域如此良好的特性，使得我们对u w b 技术的研究变得十分的 必要和有意义。由于时间和精力有限，本文主要侧重于研究u w b 技术在无线电定位领域 的应用。 论文分五章进行叙述。第一章为绪论，对超宽带技术、无线电定位技术以及利用超宽 带无线电进行定位进行了简要的概述，引出了文章的主题。 第二章介绍了无线定位的基本理论，引出了论文的研究方法。 第三章阐述了现有的超宽带无线定位算法，并在此基础上提出了两种用于u w b 定位 系统的新的方法。 第四章对u w b 无线定位算法进行了仿真模拟，将新提出的两种定位方法的定位特性 与已有的定位方法进行了比较，阐述了论文的研究进展与研究成果。 第五章对论文进行了总结，并对u w b 潜在的应用进行了展望，最后提出了研究过程 中有待解决的问题。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线定位基本理论 第二章无线定位基本理论 2 1 无线定位系统的分类 定位，顾名思义，就是指确定地球表面人或物在某一参考坐标系中的位置。目前可以 采用的定位方法通常有三类：推算定位( d r ，d e a dr e c k o n i n g ) 、接近式定位( p r o x i m i t y ) 和无线电定位( r a d i o l o c a t i o n ) 3 ，2 2 】。 其中，无线电定位可分为卫星无线电定位和地面无线电定位，地面无线电定位又可分 为蜂窝网定位和室内无线定位。根据不同的用途而采用的无线电频段的不同，无线电定位 又可分为低频、中频和超高频无线电定位系统三类。低频无线电定位系统仅适用于长距离 导航定位问题；第一个中频无线电定位系统于2 0 世纪5 0 年代中期投入使用，一直使用到 2 0 世纪7 0 年代早期( 如今已经不再使用) 。工作于超高频的微波和u w b 定位系统通常只 限用于对1 0 0 米之内的距离进行定位，该系统能达到的定位精度最高 4 】。 2 2 基本的定位方法 本小节简单描述了几种基本的定位方法，其具体的实现参见第三章。 2 2 1 接近式定位 对于接近式定位，目标节点( 信标节点) 的位置通过与之最近的参考节点( 该参考节 点发射无线电波、红外线或超声波信号，且覆盖距离有限) 来估计确定，见图2 1 2 3 】。这 是最简单也是最为广泛使用的定位方法之一。移动终端( 或未知节点、目标节点) 发射导 航信号，某个基站( 或信标节点) 接收该导航信号；或者某个基站( 或信标节点) 发射导 航信号，移动终端( 或未知节点) 接收到该基站发射的导航信号。目标节点的位置则从上 述接收或者发射导航信号的基站( 或信标节点) 的坐标中获取。在下文的论述中，使用该 定位原理的方法又被称为“接近式定位( p r o x i m i t ys e n s i n g ) ”。在图2 1 中，图2 1 ( a ) 描述 了发射导航信号的基站( 或信标节点) 的发射天线为全向天线的情形，图2 1 ( b ) 描述了发 射导航信号的基站( 或信标节点) 的发射天线为方向性天线的情形。因而，已知的发射或 接收导航信号的基站( 或信标节点) 的坐标位置就近似假设为目标节点的位置。 接近式定位方法可以提供自定位或远程定位功能。对于自定位，邻近信标必须含有信 r 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二苹无线定位基本理论 标真实位置信息并能通过简单无线收发方式将位置信息传给目标节点；对于远程网络定 位，网络必须能够通过信标识别出靠近信标的目标节点的电信息，并通过有线或无线方式 传递给网络定位中心 3 】。 在蜂窝网络中，接近式定位也就是所谓的小区定位( c e l l i d ) 6 , 2 3 。这种方式以通信 基站所在的蜂窝小区作为移动终端的定位单位，利用小区标识进行定位，其精度取决于小 区的大小。在使用微微蜂窝小区的城市“热点 地区，小区覆盖半径只有1 0 m 3 0 m ；在使 用微小区的城市中心，小区半径可能只有3 0 m - 3 0 0 m ；在使用宏蜂窝的郊区或农村地区， 小区半径则达到l k m - 2 5 k m 2 9 。因此，这种定位方法误差较大，一般只能精确到一个小区 的覆盖范围。小区定位的优点是其确定位置信息的响应时间十分快( 3 j 左右) ，而且不用对 终端和网络进行升级就可以直接向现存用户提供基于位置的服务。由于技术简单，这种定 位技术在蜂窝网络中应用比较广泛。 ： 在室内定位系统中，许多不同的研究项目中都使用了接近式定位技术，如a c t i v e b a d g e 3 0 、无线室内定位系统( w i p s ，w i r e l e s si n d o o rp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 3 1 、r f i d 定位 系统 2 3 】等，但是基于种种原因，该技术至今为止还没实现标准化。 ( a ) 采用全向天线 ( b ) 采用方向性天线 图2 1 接近式( 信标) 定位示意图 2 2 2 边测量法定位( l a t e r a t i o n ) 盖区域 已知节点 o 未知节点 一一导航信号 对于边测量法定位，观测值是目标节点与至少三个信标节点之间的距离或者距离差。 通过这一组测量值构成一个含有狞个方程式的非线性方程组，然后通过解这一非线性方程 组求解目标节点的位置，式中行指信标节点数。当n = 3 时，边测量法也就是指三角测量 法。如果是基于目标节点与信标节点之间距离的定位，目标节点的位置通过三个球相交求 交点获得；如果是基于目标节点与信标节点之间距离差的定位，目标节点的位置通过三个 双曲线相交求交点求得。 1 、球形定位 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二荦无线定位基本理论 对于球形定位，目标节点与i 个信标节点之间的距离n 已知，其中，i 1 ，2 玎。 目标节点的二维定位如图2 2 所示，目标节点的三维定位如图2 3 所示。每一个目标节点 与信标节点之间的距离定义了一个以该信标节点为中心的球。两个球相交得到一个圆，见 图2 3 ( a ) ，三个球的相交则得到空间两个交点，见图2 3 ( b ) 。绝大多数情况下，其中一 个交点坐标通常不符合实际情况或者无物理意义，可以舍去。由于四个球相交可以得到一 个确定的交点，此时联立目标节点与四个信标节点之间的距离组成含有四个方程式的方程 组，在不存在测量误差以及信道理想的情况下，可以得到唯一的一个交点( 即为目标节点 的位置) 。对目标节点的三维定位可以用下式表示为： i = ( x ，一x ) 2 + ( z y ) 2 + ( z ，一z ) 2 ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中，目标节点的位置y ，z ) ，第f 个信标节点的位置，m ，动。在实际测量 中，由于非精确的时钟同步、非视距( n l o s ) 路径的存在以及多径传播等影响，实际的 测量值a 与实际距离值n 之间会存在偏差：p i = r i + 。因此，图2 3 中，三个球的交 点并不能得到两个交点，而是在两个区域内，区域大小取决于测距误差的精度。图2 4 表 示由于测距误差产生的对定位结果的影响。所以，式( 2 1 ) 中的等式在实际情况下通常 是相互矛盾的，不能得到唯一的解。然而，为了取得一个比较接近真实值的结果，可以采 用许多不同的数学方法来解决。 为了利用迭代的方式接近问题的解，一个比较切实可行的方法是利用最小均方的迭代 方法。首先需要把非线性方程组转换成线性方程组。根据 3 2 1 a n 3 3 所述，可以利用泰勒级 数展开法( t s e ，t a y l o rs e r i e se x p a n s i o n ) 来解决。一般来说，泰勒级数展开是将某一函数 在某一确定点处利用幂级数描述。假设区间为i ，a 为区间，内的一个点，将目标函数厂在 点口处进行泰勒级数展开，保留至阶数( n + 1 ) 。对于x ，函数厂可以表示为 f ( x ) ：羔掣( z 叫，心( 圳) ( 2 2 ) i = 0 ； 如 ，口) 指比o + 1 ) 高阶的项。假设目标节点的初始位置估计值为( 毫多，三) ，下面的目 标就是求向量【ax ，aj r , a 刁，使得目标节点的坐标满足【x ，y ，z 】= 曼+ 缸，夕+ a y ，三+ 止】。 将目标节点到第f 个信标节点的实际测量值p f 所满足的方程式在初始位置估计值处进行 泰勒级数展开可得： 办= ( 石，一石) 2 + ( z y ) 2 + ( 互一z ) 2 = p ，( 舅+ 缸，夕+ a y ，三+ & ) ( 2 3 ) 对于式( 2 3 ) ，忽略二阶及以上分量，可以得到 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线定位基本理论 p ，( 叠+ 缸，夕+ 缈，三+ z ) ：p l ( 圣，夕，三) + o 刍p , x + 票a y + 萼& ( 2 4 ) o x o z 式( 2 4 ) 中分别对a x 、儿 z 求解a 的偏导数，得到 亟：下三垒坚一：口；一= ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ：= = = = ：= = = = = = “o 菇 ( x ，一曼) 2 + ( z 一夕) 2 + ( z ，一三) 2 亟：! 皇一：6 ， ( 2 5 ) 一= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 2 口j z j o k , i x , 一曼) 2 + ( r 一夕) 2 + ( z ，一三) 2 盟：兰二一：c ， 一= ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ：= f ： 瑟 ( x ，一圣) 2 + ( z 一夕) 2 + ( z ，一三) 2 由于f 个信标节点坐标，y ，z ，) 以及目标节点的初始估计位置( 曼，夕，三) 均为已知， n p ，( 曼，y , z ) 为已知，式( 2 5 ) 中a f ，b c t 亦为确定的值。由此，式( 2 4 ) 变为 p j ( 聋+ 缸，夕+ a y ，三+ a z ) = p ，( 圣，多，三) + 口，血+ 玩少+ c ，垃 ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 又可以写为 卸t = n l x + b i a y + c l z ( 2 7 ) 其中卸，= p 。( 叠+ a x ，夕+ a y ，三+ 止) 一p 。( 曼，夕，三) 。将式( 2 7 ) 写为矩阵形式为 b = a x ( 2 8 ) 其中b = a p l ，卸2 ，卸。nx = 【缸，a y ，a z r ，a = 心，e ，c ，】； a j = 陋l ，口2 ，口。】7 ，e = 魏，b 29 * i p 丸】7 ，c j = q ，c 2 ，“】7 。 在理想情况下，式( 2 8 ) 有唯一解，x = a b 。但是在实际情况下，该式通常为一超 定方程，也就是说该方程组含有的方程式数超过未知量数。而且由于测量误差的存在，绝 大多数情况下，式( 2 8 ) 的解通常不存在。对于该式表示的超定方程，通常可以利用最小 均方误差( l s e ，l e a s ts q u a r ee r r o r ) 最小化的方法来求解 1 。首先，残差向量，= b 一从 的欧氏距离的平方可以写为： ：= r7 r = ( 6 心) 7 ( 6 一越) = b r b 一2 j 7 a7 b + 27 a r 越( 2 9 ) 超定方程的l s e 解可以通过最小化残差向量的欧氏距离的平方求得： m i n | f 6 - 甜眨 对式( 2 9 ) 中x 求导，并令导数为0 ，得到： ( 2 1 0 ) 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线定位基本理论 一2 a r b + 2 a r 衍：0( 2 1 1 ) 解式( 2 1 1 ) 得到一唯一解：a7 a 2 = a7 b 营j = ( 4 r 彳) 。1 a r b ( 2 1 2 ) 从而得到岩= 肢，缈，碰 r ，在下一次递归中令量= 曼+ 武，夕= 夕+ 矽，三= 三+ 三，重复 ( 2 6 ) ( 2 1 2 ) 过程，直到越，莎，应足够小，满足一设定的门限： i 肢i + l 砂i + l 世l 1 ) 个节点的距离与目标节 点到第1 个信标节点的距离差d f 1 可以表示为 d f 1 = ，f 一，l = ( x i x ) 2 + ( r - y ) 2 + ( z ，一z ) 2 一( x l x ) 2 + ( x j ，) 2 + ( z l z ) 2 ( 2 1 4 ) 与球形定位方法类似，将上式( 2 1 4 ) 在初始位置( 叠，夕，三) 处进行泰勒级数展开，与( 2 3 ) 1 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线定位基本理论 与球形定位方法类似，将上式( 2 1 4 ) 在初始位置( 曼，夕，三) 处进行泰勒级数展开，与( 2 3 ) 及( 2 4 ) 类似，此时可得