摘 要

在信息时代高速发展的今天，科技在提高效率、解放生产力、提高人们的生活品质等方面都起到了主要的作用。同时也在这个时代每一个人的贡献下，现代科技在不断发展进步。半导体产业、航空航天产业这些尖端的科技正是人类的智慧、创造力的体现。

在当下的许多科技产业中，有一个让人难以忽视的领域：定位。定位系统的定位范围可以大到覆盖整个地球，也可以小到一个房间，在日常生活工作中许多方面都有运用到定位系统。正如美国的GPS（全球定位系统）、中国的北斗导航系统，这两个典型的全球导航定位系统；同时在手机上还有诸如WIFI（无线网络）定位等。这些定位系统大小各异，适用范围各异，但是都是面向定位这项问题的不同解决方案。

在本次设计中，分别从以下几个方面对福利院老人的位置检测识别进行了研究：超宽带信道模型；三边定位原理；双向飞行时间测距法；NLOS（非视距环境）下的定位算法优化。具体的研究工作如下：针对超宽带技术中的几种不同的信道模型的研究，S-V模型、IEEE802.15.3a信道模型和IEEE802.15.3a信道模型；再对三边定位的原理研究；接着对双向飞行时间法进行了研究；最后针对定位算法进行了改进优化，主要是针对定位中的两个主要误差来源：时间同步导致的误差、非视距环境导致的误差的研究与优化，在完成定位算法的设计后进行MATLAB仿真验证算法的性能。

在论文中根据福利院实际情况提出了一个改进的定位算法，侧重于室内定位，在基于Chan氏算法的基础上进行改进，将第一次估计结果作为初值，在第二次极大似然估计中引入衰减因子。结果表明当测量误差服从均匀分布，非视距传播噪声符合高斯分布的情况下，定位算法的性能得到极大的提升，与Chan氏算法以及泰勒算法对比，在相同仿真环境下的定位精度上均有明显的提升。

关键词：超宽带；室内定位；NLOS；MATLAB；Chan

Abstract

Today, with the rapid development of the information age, science and technology play an important role in improving efficiency, liberating productivity, improving people's quality of life and so on. At the same time, with the contribution of everyone in this era, modern science and technology are constantly developing and improving. Semiconductor industry and aerospace industry are the embodiment of human wisdom, creativity.

In many of today's technology industries, there is an area that is hard to ignore: positioning. The positioning range of the positioning system can be as large as to cover the whole earth, or as small as a room, which has been applied to the positioning system in many aspects of daily life and work. Just like GPS (Global Positioning System) of the United States and Beidou navigation system of China, these two typical global navigation and positioning systems, as well as WiFi (wireless network) positioning on mobile phones, have different sizes and application scopes, but they are all different solutions for positioning.

In this design, I have studied UWB positioning from the following aspects: UWB channel model; trilateral positioning principle; two-way time-of-flight method; NLOS (non line of sight environment) positioning algorithm optimization. The specific research work is as follows: for the research of several different channel models in UWB technology, S-V model, IEEE802.15.3a channel model and IEEE802.15.3a channel model; then the principle of trilateral positioning is studied; then the two-way time-of-flight method is studied; finally, the positioning algorithm is improved and optimized, mainly aiming at the two main error sources in positioning The research and optimization of the error caused by time synchronization and the error caused by non line of sight environment, the performance of the algorithm is verified by MATLAB simulation after the completion of the positioning algorithm design.

In this paper, an improved indoor location algorithm is proposed, which is based on Chan's algorithm. The attenuation factor is introduced into the maximum likelihood estimation. The results show that the performance of the location algorithm is greatly improved when the measurement error is uniformly distributed and the non line of sight propagation noise is Gaussian distributed. Compared with Chan's algorithm and Taylor's algorithm, the performance of the location algorithm is greatly improved In the same simulation environment, the positioning accuracy is significantly improved.

Key Words：UWB；indoor location；MATLAB；Chan

目录

第1章 绪论 1

1.1课题的研究目的及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1国外研究现状 1

1.2.2国内研究现状 3

1.3章节安排 4

第2章 无线定位原理 5

2.1常用室内定位技术 5

2.2常用的测距定位方案 6

2.2.1RSSI法 6

2.2.2TOA法 6

2.2.3TDOA法 7

2.2.4TW-TOF法 9

2.2.5AOA法 10

2.3常用定位算法 11

2.3.1三边定位法 11

2.3.2最小二乘法 13

2.3.3Chan氏算法 14

2.3.4Taylor算法 16

2.4本章小结 16

第3章 超宽带定位基本理论 17

3.1超宽带技术 17

3.1.1超宽带技术介绍 17

3.1.2超宽带技术的技术标准 17

3.2超宽带室内信道模型 17

3.2.1S-V信道模型 18

3.2.2IEEE标准信道模型 18

3.3本章小结 19

第4章 定位系统设计 20

4.1系统框架设计 20

4.2定位算法设计 21

4.2.1超宽带定位技术误差分析 21

4.2.2定位算法的改进 22

4.3信号收发模块设计 24

4.4显示模块设计 24

4.5本章小结 25

第5章 定位系统仿真 26

5.1改进算法仿真 26

5.2老人定位系统仿真 28

5.3仿真结果分析 29

5.4本章小结 30

第6章 总结与展望 31

6.1总结 31

6.2展望 31

参考文献 32

致谢 34

第1章 绪论

1.1课题的研究目的及意义

在进入信息时代后，许多有关信息时代的科技正在不断高速发展，正如移动通信正逐步迈入“5G”通信时代；家庭网络也早己迈入百兆带宽时代；虚拟现实（Virtual Reality，VR）以及增强现实技术（Augmented Reality，AR）也给未来带来了新的愿景。“定位”作为一项关键技术也开始被人们所关注，尤其是随着无线定位技术的快速发展，产生了许多依赖位置的服务LBS(Location-Based Services)。现在的定位系统有许多，但最著名的定位系统莫过于由美国研发的全球定位系统（Global Positioning System，GPS），该系统覆盖全球，常常被用于位置检测服务，定位精度较高，在室外环境下的应用场景极其广泛，例如现在的许多手机上的地图导航服务就运用到了GPS的定位。然而，许多在户外能起到很好作用的定位系统，到了室内或者建筑结构复杂的位置会有较大的误差，现有的户外定位系统对于室内的定位却往往不尽如人意，人们对精度更高的室内定位服务的需求与日俱增，而这也正是为什么超宽带技术成为研究热点的原因。

就目前而言，市面上的定位技术和方案有很多，主要包括基于红外线、超声波、射频识别等原理的定位系统，他们的性能各不相同，覆盖范围也都有很大的差异。相比与室外环境，室内环境的定位对于一个定位系统而言是一个更大的考验。例如，红外线容易受到可见光的干扰；超声波容易受到室内多径效应的影响；射频信号作用距离较短，抗电磁干扰能力较差。因此，这些技术都不适合室内定位系统的研制和开发。