超宽带无线定位技术的研究

毕业设计题目超宽带（UWB）无线定位技术学校西安科技大学院系通信与信息工程学院专业通信技术姓名林佳（0907040210）学号李新民2012年6月论文题目超宽带（UWB）无线通信技术专业通信技术学生林佳签名指导教师李新民签名摘要随着无线通信技术的高速发展，人们对无线通信系统的要求日益提高，超宽带（ULTRAWIDEBAND，UWB）技术凭借其高速率的数据传输、极低的功耗以及其精准的定位等性能，逐渐成为无线通信领域研究的一个热点，受到了广泛的关注。本文首先介绍了超宽带（UWB）技术的历史背景及其定义和特点。其次针对超宽带（UWB）的原理及其波形进行了研究和探讨。然后论述了超宽带（UWB）的调制与接收，并主要分析了PPMTHUW，PAMDSUWB，MBOFDMUWB这三种调制方式。最后本文重点介绍了超宽带（UWB）的无线定位技术，首先是对其发展和定义进行了概述，其次分别介绍了超宽带无线定位的参数及其几何模型，重点对UWB定位中TOA的算法进行了研究，最后通过仿真对定位算法的实现做出了验证并得到了重要结论。关键词超宽带（UWB），无线定位技术论文类型理论研究性TITLEULTRAWIDEBANDUWBWIRELESSPOSITIONINGTECHNOLOGYMAJORCOMMUNICATIONSTECHNOLOGYNAMELINJIASIGNATURESUPERVISORLIXINMINGSIGNATUREABSTRACTWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFWIRELESSCOMMUNICATIONTECHNOLOGY,THEWIRELESSCOMMUNICATIONSYSTEMOFTHEINCREASINGDEMAND,ULTRAWIDEBANDULTRAWIDEBAND,UWBTECHNOLOGYBYVIRTUEOFITSHIGHDATARATE,LOWPOWERCONSUMPTIONANDITSPRECISEPOSITIONINGPERFORMANCE,HASBECOMETHEFIELDOFWIRELESSCOMMUNICATIONRESEARCHAHOTSPOT,HASRECEIVEDTHEWIDESPREADATTENTIONTHISTHESISFIRSTINTRODUCESTHEULTRAWIDEBANDUWBTECHNOLOGYTOTHEHISTORICALBACKGROUNDANDTHEDEFINITIONANDCHARACTERISTICSOFSECONDLY,ULTRAWIDEBANDUWBPRINCIPLEANDWAVEFORMARESTUDIEDANDDISCUSSEDANDTHENDISCUSSESTHEULTRAWIDEBANDUWBMODULATIONANDRECEIVING,ANDPRIMARYANALYSISOFPPMTHUW,PAMDSUWB,MBOFDMUWBTHETHREEMODULATIONMETHODSFINALLY,THISTHESISINTRODUCESTHEULTRAWIDEBANDUWBWIRELESSPOSITIONINGTECHNOLOGY,FIRSTOFITSDEVELOPMENTANDDEFINITIONAREOUTLINED,FOLLOWEDBYINTRODUCESUWBWIRELESSPOSITIONINGPARAMETERSANDGEOMETRYMODEL,FOCUSONTHELOCALIZATIONOFUWBTOAALGORITHMISSTUDIED,FINALLYTHROUGHTHESIMULATIONOFPOSITIONINGALGORITHMTOVERIFYANDOBTAINEDIMPORTANTCONCLUSIONKEYWORDSULTRAWIDEBANDUWB,WIRELESSPOSITIONINGTECHNOLOGYTYPEOFTHESISTHEORETICALRESEARCH目录第一章超宽带（UWB）411UWB技术的发展412UWB的定义413UWB的技术特点6第二章UWB的原理及其波形721UWB的原理722UWB信号的产生723UWB信号的波形7211UWB信道模型7212高斯脉冲信号8第三章UWB的调制和接收1031UWB典型调制方式10311PPMTHUWB10312PAMDSUWB11333MBOFDMUWB1232UWB信号的接收13321无多径时AWGN信道的最佳接收机14322多径信道的RAKE接收机15第四章UWB无线定位系统1841引言1842无线定位技术18421无线定位的概述18422UWB无线定位的参数20423UWB无线定位的几何模型2543UWB定位中TOA估计算法29431TOA估计的信号模型30432基于TOA位置估计算法3244LSE仿真实验及其结果分析3445本章小结34总结35致谢36参考文献37第一章超宽带（UWB）11UWB技术的发展对超宽带（UWB，ULTRAWIDEBAND）无限技术（简称UWB技术）的起源众说纷纭，从目前的学者研究工作来看大约可以追溯到20世纪50年代末和60年代初。那时，研究工作在于通过冲激响应特性来描述某一些微波网络的瞬态行为。其实，概念很简单，就是使用所谓的冲击响应HT冲击激励来表征一个线性时变系统，以取代传统的频率响应（幅值与相位值相对于频率值）方法。特别是，对于一个系统的任意输入信号XT,其输出信号YT可以唯一地由下列卷积来确定11然而，实际上直到采样示波器和亚纳秒（基带）脉冲发生技术出现之后，才为这样的冲击激励提供了近似方法、观察和测量方法。从此，超宽带技术有了快速的发展。1972年，ROBBINS发明的敏感短波脉冲接收器取代了笨重的时域示波器，加速了UWB系统的开发。1973年，SPERRY获得了第一个UWB通信技术的专利。此后，在将近30年的时间内，UWB的理论、技术和许多相关设备的研制得到了迅速的发展，但大约在1989年之前，“超宽带”这一术语并不常用，各种名称（如基带、无载波或脉冲技术）等均混用。1989年，美国国防部采用“超宽带”这一术语之后，才被业界沿用下来。之后，各种专利也相继被授予，其中包括UWB脉冲的产生和接收方法，通信、雷达、车辆防撞、定位系统、医疗成像、液面感应等应用。在美国，UWB早期的研究工作主要限制在军方，大约在20世纪90年代中期以后，才取消了这种分级限制。2002年4月22日，FCC颁布了UWB占用宽带的有关条例，允许UWB技术和产品参与商业化运作。这一条例的颁布直接促进了基于UWB技术的通信系统的研发，给短距离高速无线通信系统的发展注入了新的活力。为了跟踪这一技术的发展，并形成自主的知识产权，我国也开始以“863项目”的形势扶持与资助这一技术和标准的研究与攻关。12UWB的定义近几年来,超宽带短距离无线通信引起了全球通信技术领域极大的重视。超宽带通信技术以其传输速率高、抗多径干扰能力强等优点成为短距离无线通信极具竞争力和发展前景的技术之一。FCC美国通信委员会对超宽带系统的最新定义为（1）信号相对带宽（式中，、分别为功率较峰值HLCF20HFL功率下降10DB时所对应的高端频率和低端频率，为载波频率或中心频率。）C（2）信号绝对带宽500MHZ（使用指定的31GHZ106GHZ频段的通信方式）图11UWB的定义FCC规定UWB工作频谱位于31106GHZ。如图12所示,UWB与其他技术的产品存在同频和邻频干扰问题。为了降低UWB设备对处于上述频段的其他设备的干扰，必须对UWB设备的发射功率进行限制。UWB信号发射的功率谱密度级可达413DBM/MHZ。图12UWB频谱与其他无线信号频谱的关系13UWB的技术特点由于UWB与传统通信系统相比,工作原理迥异,因此UWB具有如下传统通信系统无法比拟的技术特点。1系统容量大。香农公式给出CBLOG21S/N可以看出,带宽增加使信道容量的升高远远大于信号功率上升所带来的效应,这一点也正是提出超宽带技术的理论机理。超宽带无线电系统用户数量大大高于3G系统。2高速的数据传输。UWB系统使用上GHZ的超宽频带,根据香农信道容量公式,即使把发送信号功率密度控制得很低,也可以实现高的信息速率。一般情况下,其最大数据传输速度可以达到几百MBPS1GBPS。3多径分辨能力强。UWB由于其极高的工作频率和极低的占空比而具有很高的分辨率,窄脉冲的多径信号在时间上不易重叠,很容易分离出多径分量,所以能充分利用发射信号的能量。实验表明,对常规无线电信号多径衰落深达1030DB的多径环境,UWB信号的衰落最多不到5DB。4隐蔽性好。因为UWB的频谱非常宽,能量密度非常低,因此信息传输安全性高。另一方面,由于能量密度低,UWB设备对于其他设备的干扰就非常低。5定位精确。冲激脉冲具有很高的定位精度,采用超宽带无线电通信,可在室内和地下进行精确定位,而GPS定位系统只能工作在GPS定位卫星的可视范围之内。与GPS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。6抗干扰能力强。UWB扩频处理增益主要取决于脉冲的占空比和发送每个比特所用的脉冲数。UWB的占空比一般为0010001,具有比其它扩频系统高得多的处理增益,抗干扰能力强。一般来说,UWB抗干扰处理增益在50DB以上。7低成本和低功耗。UWB无线通信系统接收机没有本振、功放、锁相环PLL、压控振荡器VCO、混频器等,因而结构简单,设备成本将很低。由于UWB信号无需载波,而是使用间歇的脉冲来发送数据,脉冲持续时间很短,一般在020NS15NS之间,有很低的占空因数,所以它只需要很低的电源功率。一般UWB系统只需要5070MW的电源,是蓝牙技术的十分之一10。尽管如此,UWB在技术上面临一定的挑战,还有诸多技术的问题有待研究解决,比如需要更好地理解UWB传播信道的特点,建立信道模型,解决多径传播需要进一步研究高速脉冲信号的生成、处理等技术研究新的调制技术,进一步降低收发结构的复杂度等。第二章UWB的原理及其波形21UWB的原理超宽带无线通信技术（UWB）是一种无载波通信技术，UWB不使用载波，而是使用短的能量脉冲序列，并通过正交频分调制或直接排序将脉冲扩展到一个频率范围内。UWB方式占用带宽非常宽，且由于频谱的功率密度极小，它具有通常扩频通信的特点。在与其它系统共存时，不仅难产生干扰，而且还有抗其它系统干扰的优点。因而发射超宽带UWB信号最常用和最传统的方法是发射一种时域上很短占空比低达05的冲激脉冲。这种传输技术称为“冲击无线电IR”UWBIR又被称为基带无载波无线电,因为它不像传统通信系统中使用正弦波把信号调制到更高的载频上,而是用基带信号直接驱动天线输出的，由信息数据对脉冲进行调制，同时为了形成所产生信号的频谱而用伪随即序列对数据符号进行编码。因此冲击脉冲和调制技术就是超宽带的两大关键所在。22UWB信号的产生从本质上讲,产生脉冲宽度为纳秒级的信号源是UWB技术的前提条件。目前产生脉冲信号源的方法有两类（1）光电方法,基本原理是利用光导开关导通瞬间的陡峭上升沿获得脉冲信号。由于作为激发源的激光脉冲信号可以有很陡的前沿,所以得到的脉冲宽度可达到皮秒1012量级。另外,由于光导开关是采用集成方法制成的,可以获得很好的一致性,因此是最有发展前景的一种方法。（2）电子方法,利用微波双极性晶体管雪崩特性,在雪崩导通瞬间,电流呈“雪崩”式迅速增长,从而获得具有陡峭前沿的波形,成形后得到极短脉冲。在电路设计中,采用多个晶体管串行级联,使用并行同步触发的方式,加快了雪崩过程,从而达到进一步降低脉冲宽度的目的。23UWB信号的波形211UWB信道模型UWB系统发送的是纳秒级脉冲串,脉冲宽度远小于脉冲之间的平均间隔,两个脉冲之间的间隔可以固定也可以时变。通常UWB信号模型为（21）TRSJJJDWT其中，WT表示发送的单周期脉冲,、分别表示单脉冲的幅度与时延。JDJT212高斯脉冲信号最简单、最通用的超宽带波形是单周期（MONOCYCLE）脉冲信号，只所以称它为单周期脉冲是因为这种波形只有一个脉冲周期，通常是高斯脉冲或其微分形式。另一个使用高斯脉冲信号的原因是为了分析的简便。高斯脉冲信号的表达如下（22）21TPTEXP2其中，是表示形成的参数，和脉冲宽度有关。考虑去直流分量以及上述天线的微分作用等因素，在实际应用中，我们一般使用高斯脉冲的微分形（23）（）其中，X代表微分次数。高斯脉冲的谱密度函数如下（24）PEXP2FTJFTD它的功率谱密度如下（25）22EFF相应的高斯脉冲的各次微分的功率密度的公式如下（26）222XPPFFF如图21所示为03次微分的高斯脉冲的波形和功率谱示意图。图2103次微分的高斯脉冲的波形和功率谱示意图第三章UWB的调制和接收31UWB典型调制方式IRUWB不使用载波，直接进行基带传输，是传统和常用的UWB实现方式。通常采用的多址方式有TH或DS，信号调制方式可以是PPM、PAM或OOK等，其中PAM是用信息符号控制脉冲的幅度进行信息调制，OOK是PAM的一种简化形式，PPM是用信息符号控制脉冲信号的时延来实现的。不同的多址方式与调制方式的组合形成了多种信号形式，目前较多采用的主要有PPMTHUWB和PAMDSUWB。在载波调制实现的UWB系统中，通常采用MBOFDMUWB。311PPMTHUWBPPMTHUWB是采用TH多址方式的二进制PPM调制的UWB系统，其典型的发射链路如图31所示图31PPMTHUWB系统中的第一个模块是产生待发射的二进制序列；第二个模块是重复编码器，二进制信号经过重复编码，引入冗余来增加抗干扰性能；第三个模块是进行TH编码和二进制PPM调制，引入伪随机跳时PN码调制，接着进行PPM调制引入脉冲时移；最后是脉冲形成滤波器，产生发射信号的基本脉冲波形。PPMTHUWB输出信号可以表示为（31）其中，PT为单个UWB脉冲，是脉冲重复周期，称为帧长，传送一个比特的时间为，为重复编码率，跳时伪随机码序列，对信号引入TH位移，则是PPM引起的位移，是码片时间CHIPTIME。图32是对二进制序列进行PPMTH调制后的信号仿真波形。仿真采01用高斯二阶导数波形，伪随机跳时码序列是，每个比特有五个脉冲，02022即五个帧组成。前面五个脉冲在对应间隙的起始位置，表示二进“0”，后面五脉冲对应间隙的后面位置，表示二进制的“L”。具体实现的参数分别为脉冲发射功率30DBM，帧长3NS，重复编码率5，码片宽度1NS，脉冲波形的形成因子025NS，脉冲宽度05NS，PPM是用每个脉冲出现的位置超前或落后于标准时刻一个特定的时间来表示一个特定信息的，这里脉冲位置调制的偏移量是05NS。图32PPMTHUWB输出信号波形312PAMDSUWBPAMDSUWB是采用DS多址方式的二进制PAM调制的UWB系统，其发射链路可以表示为图33所示的模型。模型中重复编码器将二进制信息每个比特重复次，接着进行直接序列扩频和PAM调制，直接序列扩频的方法是将信息序列和伪随机序列进行模二相加，然后再进行PAM调制，最后进入脉冲形成器，产生发射信号。图33PAMDSUWB发射系统模型PAMDSUWB的输出信号可以表示为（32）其中，为经过PAM调制的二进制数据，是伪随机码序列，P（T）为单个UWB脉冲，是帧长。图34是对二进制序列进行PAMDS调制的信号仿真波形，这里的扩01频序列是，重复编码率为5，每个比特由五个帧组成，前面五11111个脉冲对应二进制“0”，后面的五个脉冲对应二进制“1”。产生信号波形的具体参数分别为脉冲发射功率30DB，帧长2NS，码片宽度1NS，高斯脉冲的形成因子，脉冲宽度05NS。025图34PAMDSUWB发射机产生信号333MBOFDMUWBMBOFDMUWB是载波调制的UWB系统中典型的实现方式。它在原理和结构上与传统的通信系统有很多相似之处，因此传统通信系统的各种先进技术，如CDMA、OFDM、多输入多输出MIMO、TURBO检测等，都可以应用在MBOFDMUWB系统中。当然由于UWB信号具有超宽的带宽特性，这些技术的应用与传统的应用方式又有许多不同地方。MBOFDMUWB的实现方法是在FCC规定的频带范围31GHZ106GHZ内，把这75GHZ的带宽分割成最小带宽为500MHZ的若干个频带，给定用户的数据在相继的时间内在不同的子带上传输。图35是MBOFDMUWB系统发射机的简化原理图。数据加扰卷积码编码交织IFFT插入导频加入CP,GIDACEXPJ2FT交织控制器图35MBOFDMUWB发射机原理图在发射端，数据经过卷积编码后进行比特交织，然后进行四相移相键控QPSK，BINARYPHASESHIFTKEYING映射和正交扩频编码。接着进行快速傅里叶反变换IFFT，INVERSEFASTFOURIERTRANSFORM产生基带调制信号，基带调制信号加上循环前缀、保护间隔后，生成OFDM符号。多个OFDM符号加上导频符号后形成一个数据包，一个已调的OFDM信号由调制在不同载波频率上的几个并行射的信号组成。导频符号的信道估计部分是通过加入6个周期的OFDM训练序列构成的，该训练序列由IFFT产生，并在时域输出的结果中添加37个零后缀。这部分导频符号可以用做信道频域响应估计，生成的数字信号经过数模变换DAC，DIGITALTOANALOGCONVERTER后，成为基带模拟信号。最后基带模拟信号利用时频编码调制多个不同的载波，相加合并后由同一天线输出。图36是仿真产生的一个MBOFDMUWB符号。这里的实现参数是OFDM的载波数为128，每个符号的持续时间为3125NS，包含了701NS的保护时间以及2424NS的信息时间长度，其中保护时间又包含606NS的循环前缀和95NS的初始间隙。图36一个MBOFDMUWB符号MBOFDMUWB是实现WPAN的最佳选择之一，在数字化无线家庭网络、数字化办公室、个人便携设备和军事等诸多领域都有广阔的应用前景，由于多频带的各个子带技术都是基于传统的通信方案传输的，这种方式有利于实现商业化。目前，MBOFDMUWB已经成为高速无线个域网HRWPAN的物理层技术的标准。32UWB信号的接收UWB信号在信道传输的过程中会受到路径损耗、阴影衰落和多径衰落等的影响，另外还可能会有多址干扰、窄带干扰以及背景噪声的影响，这样到达接收机的信号波形会存在严重的失真。因此接收机的设计问题就是找到一种尽可能最佳的方式从接收信号中提取有用的信号，实现信息正确的解调和恢复。在单径、加性高斯白噪声AWGN，ADDITIVEWHITEGAUSSIANNOISE信道中，UWB最佳接收机由相关器和判决器组成；在多径传播环境下，最佳接收机的性能不再是最佳，需要使用RAKE接收机收集多径能量以提高接收性能，但是因为需要信道估计和同步，RAKE接收机的结构比较复杂；为了减少接收机的复杂性，可以采用基于发射参考脉冲TR，TRANSMITTEDREFERENCE的接收机方案，但是其传输速率下降3DB。下面就针对最佳接收机和RAKE接收机这两种接收机进行分析。321无多径时AWGN信道的最佳接收机在AWGN信道中，接收信号主要受热噪声的污染，热噪声可以通过白高斯随机过程来表示，发射信号为，这里假设信道是单径信道且无多址干扰，则接收信号表示为（33）为了保证系统传输的可靠性和功率效率，这里采用相干检测。相干接收的最佳接收机结构如图37所示。图37最佳接收机框图假设收、发信号已经同步，为本地模版信号，则模版信号为（34）1110这里，重复编码率为，帧长为，是传送一个比特的时间，是J的函数，其单位能量对不同的调制方式是不同的，这里以PAMDSUWB信号为例，其中35接收信号R（T）与本地模版信号进行相关，输出为Y（T），在第N个符号间隔末，即TN时，判决变量可以表示为11011361）2其中,“”是发送信息符号“1”的情况，“”是发送信息符号“0”的情况，是信号“0”与“1”的相关系数PPM为“0”，PAM为“1”。是单个脉冲的能量，是比特能量，是均值为0、方（1）（）差为的高斯随机变量。02令为第N个发送信息符号，则最大似然ML，MAXIMUMLIKELIHOOD判断规则表示为370,01,中表示信道冲激响应的持续时间，是跳时码的最大码值。NT表示均值为零、双边带功率谱为的高斯白噪声。02首先为了降低AWGN信道的噪声影响，提高信号的信噪比，将接收到的多个脉冲在时间长度上求平均，用平均后的信号和模板信号进行相关，通过检测信号相关后的峰值来估计TOA。对N个脉冲做平均运算，得到的平均信号为418111其中，为NT的N次平均，其方差则减小为。2将与本地模板信号进行互相关，得到4190对相关结果进行峰值检测，相关峰值对应的是能量最强径，其对应的时延和幅值分别为。和在无多径LOS环境中，最强径通常就是DP，因此。由于对信号求了平均，降低了噪声，可以一定程度上提高TOA估计精度。在多径信道中，多径成分中最早到达的分量为DP，用DP所对应的传输时延进行测距定位的误差是最小的，所以DP的检测是否准确对测距的精度是至关重要的。但是信号在多径环境中经过折射或障碍物的阻挡，能量最强的路径通常不是最先到达的那条DP路径，则有。通常的做法是设置门限0，值，在此区间进行搜索，找出第一个满足的幅值，这条0，1径对应的传输时间作为TOA的估计值，。下面通过仿真波形对以上情况进一步说明。图46给出了在信噪比20DB的情况下，UWB信号经过时延456NS，接收端接收到的信号和相关器的输出波形。图47A是信号经过无多径LOS传输叠加了噪声，在接收机收到的信号波形，图47B是信号经过无多径LOS信道后相关器的输出，可以看出这时输出波形有明显的峰值，峰值检测得到的传输时间就是TOA估计值图46C和图46D分别是信号经过IEEE802153A多径信道CM1和CM2的相关器输出，这两种情况下的最强径不是DP，对相关器的输出进行峰值检测将不能得到信号真正的TOA估计值。图47UWB接收信号和相关器输出可见，在多径信道环境下，TOA估计的关键问题就是要检测出首先到达的DP分量，得到DP所对应的时延，才能得到信号到达时间估计。对相关采样值进行峰值检测得到的不再是DP分量，下面采用边缘检测算法来判断DP的位置。432基于TOA位置估计算法位置估计算法就是求解定位方程组获得目标所在位置坐标的过程，下面以采用TOA参数的圆形/球形定位为例，研究位置估计算法。在获得信号的传输时间TOA以后，可以根据球形定位模型建立方程组，因为目标节点发送信号的时间是未知的，三维定位至少需要四个参考节点，建立4个方程（421）2221,2,3,4其中，X，Y，Z和分别是未知目标节点和参考节点I的三维坐标，值，C是光速，是未知目标节点发送信号的时间，是信号传输到第I个参考0节点的传输时间即TOA。上面的非线性方程组的求解方法有迭代算法、非迭代算法或者基于最优化的算法等。非迭代算法包括直接计算求解、球面插值算法和最小二乘LSE，LEASTSQUAREERROR算法；迭代算法有泰勒序列展开法；最优化算法有高斯牛顿法等，下面只讨论直接计算法和LSE算法的求解过程。1直接计算式421两边平方，然后将I2,3,4时的公式分别减去I1时的公式，得到C，I2,3,44220211211212121其中，111111，令，上式消去得122221212100；42311112222其中，112311321212411421，112311321212411421，112311321212411421112212133212311321212212144212411421将（423）的两式合并，得到XAZBYCZD（424）其中，12211221211212212112122112211221由（424）两式想减，代入（422）得到42510其中，F112121212，12212122212121再将（424）、（425）代入（421），得（426）20上式的解为427222式中，G，H222121111212212将得到的Z代入424式，就可以得到X和Y的值。这个方程组有两个解，目标节点期望的解只有一个，如果计算得到的解没有物理意义或者超过了可测量的范围，就视为无效解。如果得到的两个解非常接近并且都合理，则取它们的中间值。如果出现没有合理解的情况，需要再增加一个节点进行计算，得到目标的坐标值。2LSE方法求解由公式417可知，节点I到两个参考节点间的距离差可以表示为221212K2,3,N1表示节点I到节点K的距离，采用LSE算法估计可以减小测量误差对定位精度的影响，428可以写为429其中，212212212211，通过LSE最小化方法，即可以得到目标的坐标值，实现定位功能。本文采用的定位算法是LSE算法。44LSE仿真实验及其结果分析1在一个的正方形区域内定义10个随机分布的结点。这项任务250M通过执行下面的命令来完成N10AREA_SIDE50G1POSITIONS,RANGESCREATE_NETWORKN,AREA_SIDE,G设定位次数NUMBER100。节点位置如图48所示图48由函数32产生的5050M的正方形区域内的结点设置2（1）当方差20时即SIGMA_20时，此时是不存在定位误差的。这时，估计位置和实际位置是一致的。如图36所示图49SIGMA_20的仿真结果图蓝色五角星目的结点的实际位置绿色圆形LSE所估计的目的结点位置黑色菱形直接计算法所估计的目的结点位置红色方块参考结点空心圆形不相关结点（2）当方差25时即SIGMA_25时。如图37所示图410SIGMA_25的仿真结果图蓝色五角星目的结点的实际位置绿色圆形LSE所估计的目的结点位置黑色菱形直接计算法所估计的目的结点位置红色方块参考结点空心圆形不相关结点（3）当方差210时即SIGMA_210时。如图38所示图411SIGMA_210的仿真结果图蓝色五角星目的结点的实际位置绿色圆形LSE所估计的目的结点位置黑色菱形直接计算法所估计的目的结点位置红色方块参考结点空心圆形不相关结点结论从以上三幅图不难看出，随着测距误差2增加时，定位误差也会增加，且我们还可以看出LSE计算法与直接计算法相比较更为精确，更值得广泛应用。然而，由于定位误差的增加，这样一来就大大的降低了定位的精度，且实际中测距误差也不可能为零，为了减小定位误差我们可以通过在距离估计的数量中引入冗余来实现这一目的，此时，我们可以通过增加参考结点K来引入冗余。令25，当K等于不同值时对定位误差的影响。（1）当K4时，如图39所示图412K4的仿真结果图蓝色五角星目的结点的实际位置绿色圆形LSE所估计的目的结点位置黑色菱形直接计算法所估计的目的结点位置红色方块参考结点空心圆形不相关结点（2）当K6时，如图310所示图413K6的仿真结果图蓝色五角星目的结点的实际位置绿色圆形LSE所估计的目的结点位置黑色菱形直接计算法所估计的目的结点位置红色方块参考结点空心圆形不相关结点（3）当K8时，如图311所示图414K8的仿真结果图蓝色五角星目的结点的实际位置绿色圆形LSE所估计的目的结点位置黑色菱形直接计算法所估计的目的结点位置红色方块参考结点空心圆形不相关结点以上三幅图清楚的表明了参考结点的增加很大程度上提高了定位估计精度，即使在测距误差较大时也是如此。45本章小结这一章中首先介绍了有关无线定位的相关技术，着重分析了UWB无线定位所使用的测量参数和定位几何模型，并得出UWB无线定位技术适合采用基于TOA方法定位的结论；同时本章重点对UWB无线定位中TOA估计算法进行了研究，并通过LSE定位算法的MATLAB仿真实验，得出了基于TOA估计算法在UWB无线定位中精度的准确性，最后提出了定位方程组的求解算法和提高定位精度的方法。总结超宽带UWB技术方兴未艾，由于具有发射信号功率谱密度低、系统复杂度低、功耗小和定位精度高等很多技术优势，受到了广泛的关注与应用。自从2002年FCC宣布UWB通信技术准许民用以后，各科研机构和大公司对UWB技术的应用和研究在不断升温，作为未来短距离无线通信的主流技术，本文对UWB无线通信和定位技术进行了研究，并重点探讨了UWB无线通信系统的定位原理、技术及其算法的实现。首先，本文通过对UWB信号的产生及其波形的研究，采用高斯二阶导数脉冲，对UWB信号的调制与接收进行了分析研究，并提出了PPMTHUWB和PAMDSUWB以及MBOFDMUWB三中典型的调制方式，介绍了最佳接收机和RAKE接收机的系统结构、接收原理。然后利用以上的研究及结论，重点分