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基于UWB信号的高分辨时延估计与定位技术研究

郭飞  
【摘要】:超宽带(Ultra Wideband,UWB)无线通信技术具有传输速率高、发射功率低、多径分辨率高、抗干扰能力强等优点,近年来受到越来越多的关注,尤其是UWB高精度定位技术,弥补了传统定位技术受非视距传播和多径影响定位精度低的缺陷,在短距离室内定位中具有广阔的应用前景。 本文对UWB无线定位技术和UWB信号时延估计方法进行了比较深入的研究。在UWB定位系统中,根据所检测参数的不同可以将基本的定位方法分成以下四种:基于信号到达时间的定位方法、基于信号到达角度的定位方法、基于信号接收强度的定位方法以及混合定位方法。 在UWB无线定位技术中,由于采用纳秒级的UWB脉冲作为发射信号,所以时间分辨率很高,基于信号到达时间的定位方式(Time of Arrival,TOA)可以充分利用这一优势提高测距定位精度,最适合应用于UWB定位系统。在基于信号到达时间的定位方式中,时延估计是目标定位中的重要技术,时延估计的精度直接影响定位性能,有效的高分辨传输时延估计是采用TOA技术进行精确定位的关键。为克服多径和非视距环境对定位精度的影响,必须采用高分辨率时延估计算法。本文在分析UWB多径信道模型和信号模型的基础上,将基于子空间的参数估计算法引入UWB定位系统中,实现高分辨时延估计。 本文主要结构和内容如下: 在分析了全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)、蓝牙、Wi-Fi无线定位系统以及其他室内无线定位系统的基础上,概括出UWB无线定位系统抗干扰能力强、多径分辨率高、发射功率低等优势,结合国内外对UWB定位的研究现状,明确本文研究目的和意义。 在概述UWB通信基本知识的基础上,研究分析了UWB的各种定位方法,从理论上证明了基于信号到达时间的定位方式可以充分利用UWB时间分辨率高的优势,提高定位精度。为之后研究基于超宽带系统的高分辨时延估计方法作理论准备。 由于信号在传播过程中可能会受到多径、反射、衍射、非视距等因素的影响,使得传统的时延估计方法精度较低,不能实现精确定位。为实现密集多径环境下UWB信号高分辨时延估计,针对UWB信号时延估计方法展开深入研究,在研究传统相关法、双谱法的基础上,分析其缺陷,将基于子空间的参数估计算法引入到UWB时延估计当中,分别研究了MUSIC算法、LS-ESPRIT算法、TLS-ESPRIT算法的高分辨时延估计性能,并在多径环境下进行仿真实验,验证了基于子空间算法的有效性。最后,将TLS-ESPRIT算法应用到UWB单基站定位系统中,结合角度测量,获得了较好的定位精度。


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