基于超宽带_UWB_技术的无线定位系统的研究概要

基于超宽带(U WB技术的
无线定位系统的研究3
陈学卿133高凡2马伟朕3
1,3桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林541004
2桂林航天工业高等专科学校电子工程系,广西桂林541004
摘要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。

关键词超宽带;信号强度分析法;到达角度定位;到达时间定位;到达时间差定位;协议
中图分类号:TN925193文献标志码:A文章编
号:1009—1033(200804—0015—02
除了全球定位系统(GPS:G lobal Positioning System在室外环境的定位应用外,人们对室内定位、短距离测距等应用不甚了解。

未来无线定位技术的趋势是通过室内定位与室外定位相结合,实现无缝的、精确的定位。

现有的网络技术还不能完全满足这个要求,而由于超宽带(UWB:Ul2 tra Wide—Band技术具有功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位等优点,基于UWB的定位
技术在众多无线定位技术中脱颖而出,成为未来无线定位技术的研究热点[1]。

1超宽带定位技术
超宽带(UW B技术是一种全新的、与传统通信技术有着极大差异的通信新技术。

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GHz量级的带宽。

美国FCC对超宽带定义为,
任何-10dB相对带宽大于0.2或者绝对带宽大于500MHz的信号都是超宽带信号。

表达式如下[2]:
f H-f L
f C
>20%(或者总带宽大于500M Hz
式中,f H,f L分别为功率较峰值功率下降10dB时所对应的高端频率和低端频率;f C为载波频率或中心频率。

常用的无线定位技术[3]包括红外线、超声波、射频信号等,但都不适合室内定位。

红外线只适合短距离传播,而且容易被荧光灯或者房间内的灯光干扰,在精确定位上有局限性;超声波受多径效应和非视距传播影响很大,不能用于室内环境;而射频信号普遍用在室外定位系统中,应用于室内定位存在局限。

利用GPS进行定位的优势是卫星有效覆盖范围大、定位导航信号免费;缺点是定位信号到达地面较弱,不能穿透建筑物,因此不适合室内定位,此外定位器终端的成本较高。

当前比较流行的WIFI(Wireless Fideli2 ty定位是IEEE802111的一种定位解决方案。

目前,它应用于小范围的室内定位,成本较低。

但WIFI收发器只能覆盖半径90m以内的地理区域,很容易受到其他信号干扰,从而影响定位精度,并不十分可靠,而且定位器的能耗较高。

蓝牙(Blue Tooth技术应用于定位,与WIFI有很多相似之处,主要应用于小范围定位,例如单层大厅或仓库;同样有定位误差不稳定、受噪声信号干扰大的缺点。

UWB 脉冲无线电技术具备了许多正弦载波通信技术无法比拟的优势,特别是UWB 脉冲的宽度为纳秒级,占用带宽在1GHz以上,超宽带技术具有较高的时间分辨率和较强的穿透材料的能力。

利用超宽带信号进行定位,采用TOA 技术测距,理论上可以达到厘米级的测距精度,完全能够满足精确定位的需求。

这种良好的性能为定位系统的设计提供了很好的支撑。

2定位方式比较
常用的无线定位方式有如下几种:信号强度分析法(RSS和到达角度定位法(AOA,到达时间定位法(TOA,到达时间差定位法(TDOA。

2.1到达角度定位(AOA和信号强度分析法(RSS
AOA通过获取被测点到两个接收机的信号到达角度进行定位,需要配置复杂的天线系统,且角度误差对定位精
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2008年第4期(总第52期
桂林航天工业高等专科学校学报
J OURNAL OF GU IL IN COLL EGE OF A EROSPACE TECHNOLO GY信息与电子工程
3 33基金项目:国家自然科学基金(60472091
作者简介:陈学卿(1977—,男,四川武胜人,桂林电子科技大学信息与通信学院硕士研究生,研究方向:超宽带室内定位技
术。

度的影响远比测距误差大。

RSS则根据信号的传播模型,利用接收信号的强度与信号传播距离的关系,对目标进行定位。

这种方法对信道传输模型的依赖性非常大,多径以及环境条件的变化都会使其精度严重恶化,特别是距离估计的精度与信号的带宽无关,不能发挥UWB带宽大的优势。

所以,RSS和AOA方法一般不单独用于UWB测距,只能作为辅助手段进行初级粗定位,UWB实现精确定位主要依靠精密测距完成。

2.2到达时间定位(TOA
被测点发射信号到达3个以上的参考节点接收机,通过测量到达不同接收机所用的时间,得到发射点与接收点之间的距离,然后以接收机为圆心,所测得的距离为半径做圆,3个圆的交点即为被测点所在的位置。

但是TOA要求参考节点与被测点保持严格的时间同步,多数应用场合无法满足这一要求。

2.3到达时间差定位(TDOA
与TOA类似,只是测量得到的是时间差而非绝对时间,利用双曲线交叉进行定位。

这种方法只需参考节点之间保持同步,不要求参考节点与被测点之间的严格的时间同步,使系统相对简化,所以在定位系统中应用最广。

通过比较分析,到达时间差定位法(TDOA最适合用于超宽带定位系统。

3定位网络协议
定位节点可分为完整功能节点(FFD和简化功能节点(RFD。

FFD与多个RFD 以及相邻的FFD进行会话, RFD定制非常简单,仅能与一个FFD会话。

定位协议可分为两类[4]:基于锚(anchor-based的协议和无锚(anchor -f ree协议。

基于锚的协议假定网络中的一个节点集(参考节点或锚节点在网络初始化时已知相对或绝对位置,需要外在的定位系统提供每个锚节点的位置。

GPS终端可测定锚节点的位置,并提供一个坐标系,与定位协议相关的信令流量较低,但存在稀疏锚节点问题和测距误差问题,GPS本身定位精度有限,以致产生较大的定位误差。

基于锚的TDOA定位模式主要有两种:
(1由参考节点发射信号,被测节点负责接收并进行数据处理,这种方式与GPS定位类似,增加了被测节点的电池能耗,大大减少了使用寿命。

在文献中[5][6]就是应用的此种模式。

(2由被测节点发射信号,各基站负责接收,传送到中心节点进行计算,得到被测点的精确坐标,适合节点小型化、简单化的要求。

在文献[7]中应用的此种模式。

经过比较分析,第二种模式更优越一些,这样可以简化FP GA的控制,还可以延长被测点的使用寿命。

4U WB室内定位的主要问题和发展前景UWB定位系统中存在许多误差源,包括发送和接收机内码序列传输处理时间和无线链路传播时延带来的空间传播误差、非视距传播影响、接收噪声影响、参考点之间不完全同步以及求解方程组带来的误差等,这些都是在设计系统时候需要考虑的问题。

大多数UWB定位系统都采用TDOA方式,这样可以弱化对基站与被测点之间的同步要求,但仍需要参考基站之间保持精确同步。

我们运用参考文献[5]中提出的网络定位协议可以克服这一缺点。

UWB工作的频率和基于时延的测距精度都很高,精确同步非常重要,难度也大。

当超宽带信号占空比很低时,对短距离传输来说,先后发射的脉冲即使经多经传播后也能较容易识别。

这也是UWB用于定位系统的典型优点,但是如果网络节点密度较大、环境复杂时,多径问题会很突出,这在室内定位中就会显得尤为明显。

超宽带室内定位系统的竞争力主要在下面四个方面[8]:
(1高精度。

精度是室内定位系统的主要竞争力,精度越高,生存的价值越高。

室外的卫星定位系统的精度为10m左右,而室内定位系统的精度通常在厘米级。

(2低成本。

成本是影响室内定位系统发展的决定因素。

GPS的用户只需要担负终端的费用,因而其得到了普及,但室内定位系统的用户不但需要承担终端的费用,而且需要承担系统本身的开销,因此,低成本是发展室内定位系统的方向。

(3小体积。

室内定位系统一般是由使用者随身携带或者嵌入到其他物品上,小体积方便使用。

(4兼容性。

用户不会只在室内活动,不关心使用哪一个定位系统,只希望在进入房间和外出时能得到统一的位置信息。

因此,需要室内定位系统与现存的卫星导航系统能做到无缝连接。

此外,超宽带很容易将定位和通信结合,相对成熟的短距离超宽带通信必将带动超宽带在定位方面的发展。

虽然无线精确定位已有多年发展,可是UWB室内定位技术尚处于发展初级阶段,有很广阔的发展空间,相信不久超宽带室内定位技术就可以完全实现商业化,精确的超宽带室内定位系统将会得到广泛应用。

(下转第19页
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(总第52期JOURNAL OF GUIL IN COLL EGE OF AEROSPACE TECHNOLOGY陈学卿高凡马伟朕/文
(图d k1=0.9,k2=1.5
图3K1,K2参数变化的模拟非线性系统阶段响应图
5结束语
从以上的四幅图可以看出,通过自整定模糊PID 控制,微小调节PID 参数对系统进行控制。

从对非线性系统控制性能来看,模糊PID 控制系统与传统PID 相比,在快速性、稳定性及准确性方面有较大的改善。

参考文献
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社,2004.[2]曾光奇等.模糊控制理论与工程应用[M ].武汉:华中科技大学出版
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(责任编辑李卫华
(上接第16页
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(责任编辑李卫华
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1(总第52期J OU RNAL OF GU IL IN COLL EGE OF A EROSPACE TECHNOLO GY 吴春庞洪陈明史岩/文。