超宽带室内定位系统的设计(1)

湖南科技学院第十届科技创新节

自然科学类学术论文

题目：基于FPGA的超宽带室内通信定位系统的设计与实现姓名：XXXX XXXX XXXX

学号：XXXXXXXXX XXXXXXXXX XXXXXXXXX

系部：电子工程系

指导老师： XXXXXX

基于FPGA的超宽带室内通信定位系统的设计与实现

摘要：超宽带（UWB）技术在研究和应用领域得到了很大的重视，UWB技术最大的优势在于其极宽的传输带宽，使其在精确测距和定位、抗多径、难截获和保密通信等方面具有优异的性能。本文设计了一种超宽带信道模型下的室内定位系统，系统主要采用跳时—脉冲位置调制（TH-PPM）及并行相关检测的技术进行信号调制和传播时间的估计；通过仿真测试表明可减小测距误差，从而进一步提高定位精度。

关键词：超宽带室内无线定位复合定位算法

Abstract：In resent years, Ultra-wideband (UWB) communications has received great interests from both the research community and industry. UWB technology is the biggest advantage of very wide bandwidth, the precise distance measuring and positioning, multipath, difficult to capture and secure communication and has excellent performance. This paper introduces a design of model under the indoor positioning system, system mainly uses the jump - pulse position modulation ( TH-PPM ) and parallel correlation detection technology for signal modulation and spread time estimation; through the simulation tests show that the ranging error can be reduced, thereby further improving positioning accuracy.

Keywords:Ultra Wideband; Indoor;Wireless location;Composite Positioning Algorithm

1 引言

1.1研究背景和意义

定位通常是指确定地球表面某个物体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分为三类：推算定位（DR, Dead Reckoning）、接近式定位（Proximity）和无线定位（Radio Location），其中无线定位又可分为卫星无线定位和地面无线定位。推算定位基于一个相对参考点或起点，借助地图匹配算法来确定移动目标的位置；接近式定位又称信标（Signpost或Beacon）定位，运动目标的位置通过与其最靠近的固定参考点来估计定位；卫星定位利用GPS、GLONASS、北斗双星等卫星系统的多个卫星实现移动目标的三维定位；地面无线定位则通过测量无线电波从发射机到接收机的传播时间、时间差、信号强度、相位和入射角等参数来实现移动目标的定位[1]。

近年来，无线通信技术快速发展，移动计算设备与人们的日常生活联系越来越密切，这些增大了与定位相关的应用场景，引起室内定位系统的研究热潮。商业应用中，需求日益增大的室内定位系统主要有以下这些用途：追踪一些特殊的人体，例如离开看护人员的老人、儿童，或给盲者导航；定位医院里有需要的人体、仪器等；定位大型建筑物（商场、仓库等）里的特殊项目或设备。在公共安

全和军事应用方面，定位系统通常用于跟踪监狱里的犯人，以及给消防员、士兵导航，方便他们完成任务。作为用户随时携带的功能强大的通信处理设备，下一代移动定位设备经常应用于室内环境。因此，开发室内精确定位技术非常重要。

已有的定位系统如全球定位系统（GPS）和无线紧急911服务系统（E-911）同样涉及定位问题，但这些技术并不适用于室内应用，且不能提供室内环境中的精确位置信息。例如，开阔环境中GPS定位必须满足GPS接收机设备与至少4颗GPS 卫星间存在直线联系，但GPS信号通常不能穿透地面上的大多建筑物。另外，室内定位系统与GPS、E-911这种传统的定位系统在很多方面存在相当大的区别，包括应用场合、操作环境、系统需求及性能要求等。因此，需要一种新定位技术在室内提供精确的位置估计[2]。

超宽带（Ultra Wideband，UWB）信号是具有非常大频率带宽的信号，一般由非正弦波形、持续时间极短的单周期或多个周期的正弦脉冲串无线电信号构成。2002年2月美国联邦通信委员会(FCC)初步确定采用“发射信号的-10dB测量部分带宽大于20%或射频(RF)带宽大于500MHz”来定义超宽带信号，分配给通信与测量使用的频段为3.1～10.6GHz，同时对信号辐射作了比较严格的限制 [3]。

相对于目前已有的其它定位系统，利用UWB信号实现定位与跟踪具有以下优势：

(1)具有极高的距离分辨能力。距离分辨力与信号带宽成反比，由于超宽带特性，UWB的距离分辨精度是其它系统的成百上千倍。Loran C导航系统采用

100kHz脉冲，覆盖范围达2500英里，而距离分辨精度在1500英尺左右；GPS全球定位系统民用码的精度最高能达到6米多；而UWB定位精度在厘米数量级。

(2)良好的穿透能力。UWB信号对建筑物、墙体等障碍物具有良好的穿透能力，这使UWB定位系统在一般信号的覆盖盲区都能正常工作。

(3)有利于分集接收。 UWB为时间宽度为ns级的时间离散窄脉冲，这在时间上可以直接区分大部分多径信号与直达信号。

(4)频谱共享。由于极低的功率谱密度，UWB信号对其它窄带系统而言相当于噪声，因而对所处频段内的其它无线业务基本上不构成干扰；其它窄带无线业务信号相对于如此宽的频带而言，仅相当于单频干扰，很容易与UWB信号相分离。因此UWB信号可占用常规通信系统频段工作，实现频率资源的再利用，这在频率资源异常紧张的现代信息社会中更具吸引力。

(5)多功能，结构简单。在完成定位跟踪的同时还能进行低速率的数据通信，定位与通信功能的融合极大地扩展了系统的应用范围；由于UWB一般无正弦载波，因而无接收中频系统，几乎全数字硬件结构，导致系统实现结构简单，功耗低，连续工作时间长。