內容簡介

本書主要講述基於脈衝超寬帶無綫通信技術的超寬帶室內定位係統中的幾大關鍵技術，包括有源標簽設計、小型化超寬帶天綫設計、濾波器設計、室內電波傳播建模及預測、室內定位係統基站設計分析、基於TDOA方法的高精度定位算法研究、移動目標跟蹤定位算法研究等。本書基本涵蓋瞭超寬帶室內定位係統的整個係統設計內容，包括理論研究、硬件設計及軟件設計等。

作者簡介

趙紅梅，女，1976年11月生，副教授，信息與通信工程專業工學博士，碩士生導師，鄭州輕工業學院超寬帶無綫通信技術研究室學術帶頭人，河南省"超寬帶無綫通信技術”及鄭州市"UWB實時定位係統”院士工作站院士助手，河南省優秀碩士學位論文指導教師，河南省儀器儀錶學會常務理事，副秘書長；長期從事微帶天綫設計、超寬帶無綫通信技術等方嚮的研究；獲河南省科技進步奬二等奬2項，廳級科技成果一等奬4項，通過省級科技成果鑒定10項，授權國傢發明專利7項，主持及參與國傢和省級項目8項，發錶論文30多篇。 目前研究方嚮：微帶天綫設計、超寬帶信號電波傳播特性研究、超寬帶室內定位技術研究

目錄

第1章 緒論 1
1．1 無綫定位技術簡介 1
1．2 超寬帶技術概述 3
1．2．1 UWB技術定義 4
1．2．2 UWB技術特點 5
1．2．3 UWB技術的應用 6
1．3 超寬帶室內定位技術簡介 7
1．3．1 超寬帶室內定位原理及係統構成 7
1．3．2 超寬帶室內定位係統的應用前景 9
1．4 超寬帶室內定位技術現有産品 9
小結 11
參考文獻 11
第2章 IR-UWB窄脈衝設計 13
2．1 超寬帶脈衝的産生方法 13
2．2 常用的脈衝模闆 16
2．2．1 高斯脈衝及其各階導數 17
2．2．2 正交Hermiter脈衝 22
2．2．3 升餘弦脈衝 25
2．2．4 基於窗函數載波調製的脈衝 26
2．2．5 小波脈衝 28
2．3 基於數字邏輯電路的窄脈衝的設計 34
2．3．1 利用模擬器件的特性産生窄脈衝 34
2．3．2 利用數字電路産生窄脈衝 37
2．4 基於雙非門結構的窄脈衝的設計 41
2．5 超寬帶脈衝信號的調製 45
2．5．1 脈衝幅度調製（PAM） 45
2．5．2 脈衝位置調製（PPM） 47
2．5．3 多址技術 48
2．5．4 TH-PPM脈衝序列的電路實現 51
小結 56
參考文獻 57
第3章 小型化超寬帶天綫設計 59
3．1 小型化超寬帶天綫設計研究現狀 60
3．2 天綫基本理論概述 62
3．2．1 天綫發展的曆史 62
3．2．2 天綫的基本電參數 62
3．2．3 天綫的饋電方法 67
3．3 天綫設計數值方法 68
3．3．1 矩量法 69
3．3．2 有限元法 69
3．3．3 時域有限差分法 70
3．4 小型化、寬帶化天綫設計方法 70
3．4．1 天綫的小型化技術 71
3．4．2 擴展帶寬的技術 73
3．5 不同結構的小型化超寬帶天綫設計 74
3．5．1 弧形貼片超寬帶微帶天綫 74
3．5．2 超寬帶寬縫隙天綫 78
3．5．3 階梯形超寬帶微帶天綫 82
3．6 具有帶阻特性的小型化超寬帶天綫設計 88
3．6．1 帶阻特性的研究 88
3．6．2 倒U形帶阻超寬帶微帶天綫 89
3．6．3 倒叉形帶阻超寬帶微帶天綫 92
小結 96
參考文獻 97
第4章 新型超寬帶帶通濾波器設計 100
4．1 超寬帶信號頻譜實現技術 100
4．1．1 帶通濾波器實現頻譜 101
4．1．2 上變頻實現頻譜 102
4．2 性能分析 103
4．2．1 交指耦閤超寬帶帶通濾波器 103
4．2．2 槽綫錐形諧振器 104
4．3 新型超寬帶濾波器的設計 106
4．3．1 新型超寬帶帶通濾波器的設計思想 106
4．3．2 新型超寬帶帶通濾波器的設計與仿真 106
小結 108
參考文獻 108
第5章 超寬帶信道測量及建模 110
5．1 超寬帶信號信道測量及建模方法研究現狀 110
5．2 超寬帶信道模型理論基礎 112
5．2．1 大尺度衰落 113
5．2．2 小尺度衰落 113
5．2．3 超寬帶標準信道模型 113
5．3 基於頻域測量的超寬帶室內―室外信道測量及建模 115
5．3．1 信道測量原理和環境 115
5．3．2 路徑損耗及陰影衰落 117
5．3．3 信道衝激響應 123
5．3．4 信道參數 126
5．3．5 室內至走廊多徑信道模型 129
5．3．6 信道特徵參數 130
5．4 基於射綫追蹤方法的超寬帶信道測量及建模 131
5．4．1 信道仿真原理和環境 131
5．4．2 空間功率分布 132
5．4．3 路徑損耗及陰影衰落 133
5．4．4 室內及走廊的多徑功率剖麵 135
5．4．5 室內信道參數 137
5．4．6 室內到走廊多徑功率剖麵特點 139
5．4．7 幅度衰落特性 139
5．4．8 室內及走廊多普勒擴展 141
5．4．9 信道特徵參數 142
5．4．10 實測和仿真結果的比較 142
小結 144
參考文獻 145
第6章 超寬帶室內定位係統接收機設計及分析 149
6．1　超寬帶信號接收機設計簡介 149
6．2　接收機同步原理 150
6．2．1　基於檢測理論的同步方法 151
6．2．2 基於估計理論的同步方法 151
6．3　超寬帶接收機原理及結構 153
6．3．1　相乾接收原理和結構 153
6．3．2　自相乾接收原理和結構 154
6．3．3　非相乾接收原理和結構 155
6．4　方案設計 156
6．4．1　超寬帶室內定位接收機射頻端設計 158
6．4．2　可控積分檢測電路設計 166
6．4．3　超寬帶室內定位接收機數字端設計 170
小結 182
參考文獻 182
第7章 高精度室內定位算法 185
7．1　UWB室內定位算法研究現狀 185
7．2　常用定位算法簡介 186
7．3　超寬帶室內定位算法數學模型 188
7．3．1　TOA估計及其定位模型 188
7．3．2　DOA估計及其定位模型 189
7．3．3　RSS估計及其定位模型 190
7．3．4　TDOA估計及其定位模型 190
7．3．5　基於TDOA的UWB室內定位方案 191
7．4　超寬帶厘米級室內定位算法設計 194
7．4．1　CHAN-TAYLOR級聯定位算法 194
7．4．2　PLS-PSO混閤定位算法 199
7．5　基於實際超寬帶信道模型的定位算法設計 203
7．6　乾擾對定位精度影響分析 209
7．6．1　信號模型 210
7．6．2　最佳二進製正交脈衝相位調製：2PPM-THMA 210
7．6．3　二進製反極性脈衝幅度調製：2PAM-THMA 213
7．6．4　仿真實驗與討論 214
7．7　移動目標的定位跟蹤算法研究 218
7．7．1　常用的跟蹤濾波算法 218
7．7．2　室內目標跟蹤原理和模型介紹 222
7．7．3　無跡卡爾曼濾波算法仿真 223
7．7．4　強跟蹤自適應無跡卡爾曼濾波及其仿真 236
7．7．5　超寬帶室內跟蹤平滑算法分析 244
小結 250
參考文獻

前言/序言

序言

導航定位關乎國傢安全，是全球大國競爭的核心利益。對於室外環境，全球導航衛星係統諸如美國的全球定位服務，基本滿足瞭用戶在室外場景中對基於位置服務的需求。然而，個人用戶、服務機器人、掃地機器人等有大量定位需求發生在室內場景。而室內場景受到建築物遮擋，衛星導航信號快速衰減，甚至完全拒止，無法滿足室內場景中導航定位的需要。室內外高精度位置服務技術是繼互聯網、移動通信之後發展最快的新一代信息技術，已成為國際科技經濟競爭的製高點。

相對室外導航定位，室內定位技術起步較晚，為實現精確定位與服務，美國國防部高級研究計劃局於2013年製訂“洞悉戰場”計劃，提齣建設更精確鎖定位置的打擊係統；2013年美國聯邦通信委員會提齣“下一代911項目”，要求實現精度在60米以內的位置服務；德國電信於2011年將高精度位置服務定位為未來移動通信服務的核心；日本於2009年頒布瞭《緊急呼叫法案》，要求室內位置服務精度達到10米以內。我國在《國傢衛星導航産業中長期發展規劃》和《國傢中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020）》任務中明確提齣要加快室內位置服務建設。目前在各行業應用需求的推動下，室內定位技術得到瞭快速發展，近幾年來成為工業界和學術界研究的熱點。

隨著室內定位技術的發展，各類室內定位技術百花齊放，包括基於WiFi的定位、藍牙定位、小基站定位、LED可見光定位、超寬帶定位、RFID、慣性導航、地磁定位、僞衛星等多種室內定位技術。而在這些定位技術中，超寬帶室內定位技術是一種優勢全麵的專業級定位技術，具有定位精度高（1～15cm）、抗乾擾能力強、分辨率高、功耗低等優點。本書內容來源於作者多年的研究成果，內容豐富，有獨特的觀點和創新點，對基於脈衝超寬帶技術超寬帶定位係統各個組成部分設計方案和關鍵部件及算法進行瞭詳細的介紹，包括超寬帶室內定位係統的構成、新型有源標簽的設計、多種結構的小型化天綫設計、濾波器設計、超寬帶信號室內及室內-室外電波傳播特性預測及信道建模、定位基站設計和高精度定位算法設計等，本書是一本詳細闡述超寬帶室內定位技術的書籍，在目前室內定位技術蓬勃發展和市場需求日益增長的大形勢下，可供國內研究超寬帶定位的有關人員和企業參考，以推動室內定位技術的市場化。

張明高

中國工程院院士

前言

根據諾基亞、榖歌等提供的數據，人們的日常生活中超過80%的時間都發生在室內，室內位置服務是真正實現萬物互聯的基礎，室內定位技術已經成為解決定位導航最後100米的關鍵手段。中國衛星導航與位置服務産業發展白皮書認為，麵嚮大眾和麵嚮行業應用的室內定位導航成為剛需，於此同時，大型城市綜閤體越來越多，大型醫院、大型停車場、大型辦公樓、大型商場等建築物室內空間也更加復雜，傳統的指示牌已經無法滿足人們找尋目的地的需求。室內定位精度高，能夠實現跨樓層指引，可以極大提升便利性精準室內定位技術，可為智慧大樓、智慧停車場、智慧工廠、智慧醫院、數萬人會展等行業領域提供諸多室內定位解決方案，當前市場對室內定位的需求越來越多，所以衍生齣各種各樣的定位技術。

超寬帶技術是近年來新興一項全新的、與傳統通信技術有極大差異的通信無綫新技術。它不需要使用傳統通信體製中的載波，而是通過發送和接收具有納秒或納秒級以下的極窄脈衝來傳輸數據，從而具有3.1～10.6GHz量級的帶寬。目前，包括美國、日本、加拿大等在內的國傢都在研究這項技術，在無綫室內定位領域具有良好的前景。

超寬帶室內定位技術是一種基於脈衝超寬帶技術的無載波無綫通信技術，具有傳輸速率高、發射功率較低、穿透能力較強、定位精度高等優點，使它在室內定位領域獨占鰲頭。超寬帶室內定位技術常采用TDOA測距定位算法，通過信號到達的時間差，利用雙麯綫交叉實現定位。定位過程中由UWB接收器接收標簽發射的UWB信號，通過過濾電磁波傳輸過程中夾雜的各種噪聲乾擾，得到含有效信息的信號，再通過中央處理單元進行定位算法分析，解析齣位置信息。

基於智慧城市、物聯網、移動互聯網等相關行業的需求位置服務，位置服務也已成為我國經濟轉型升級的迫切需求，位置服務和移動互聯網技術是一種業務支撐的關係，無論是信息消費還是戰略信息産業，在國民經濟中都是新增長點。由於室內不僅是人們的生活場所，還是工作場所，而且人們大部分時間生活在室內，室內位置服務的發展至關重要。導航與位置服務攸關國傢安全、經濟發展和社會民生，在新一代信息技術這一戰略性新興産業中，具有舉足輕重和不可或缺的地位。

本書的研究內容主要包括：提齣瞭基於雙非門結構的新型超寬帶宅脈衝信號發生器設計，避免瞭傳統基於數字方法比邏輯器件自身的依賴性，改善瞭脈衝性能；利用小型化、寬帶化微帶天綫設計方法，提齣瞭多種新型結構的小型化超寬帶天綫及帶阻天綫設計；采用微帶綫和多指諧振腔設計方法，提齣瞭新型結構的超寬帶濾波器設計方法；利用頻域測量手段和射綫追蹤方法，研究瞭超寬帶信號的電波傳播特性，揭示瞭超寬帶信號室內-室外傳播的電波傳播規律，給齣瞭解析數學模型；分析給齣瞭基於數模混閤接收超寬帶定位係統定位基站方案，提齣瞭可控積分電路高速模數轉換電路方法；構建瞭到達時間差和物理距離關係模型，提齣瞭偏最小二乘粒子群定位算法，加快瞭算法的收斂，增強瞭算法的魯棒性；分析瞭IEEE802.15.3a信道模型下定位算法的適應性，提齣瞭導頻輔助的2LS-PSO定位算法，定位誤差小於10cm(TDOA誤差小於0.5ns時)；提齣瞭自適應卡爾曼平滑濾波跟蹤算法，解決瞭移動目標機動變化、不良測量條件帶來的定位不準確問題。

本書主要章節是基於脈衝超寬帶技術的室內定位係統各個組成部分一層層展開的，具有較強的工程背景，可讀性強。本書內容是作者近幾年來發錶的論文、獲奬、申請專利等，涉及最新的電路結構、算法及分析方法，可藉鑒性、工程性強，具有較強的工程指導價值。

本書由趙紅梅副教授獨立創作，負責全書大綱及內容的擬定並定稿。在前期研究及本書撰寫過程中，充分藉鑒和引用瞭國內外同行在本領域的的相關研究成果，同時也得到瞭鄭州輕工業學院河南省“超寬帶無綫通信技術”院士工作站研究團隊的各位老師和研究生們的大力支持，他們對本書的撰寫及研究成果都做齣瞭大量的貢獻，並提齣瞭許多寶貴的意見與建議，在此對他們錶示感謝。