摘 要

在室内和室外定位与跟踪系统中，超宽带（UWB）定位技术是最有发展潜力的无线定位技术之一。由于其高带宽和短脉冲的特性，超宽带可以允许距离测量有一个很精确的估计。测距和定位是超宽带定位系统的两个重要的组成部分，而测距方法一般包括基于接收信号到达时间（TOA）、基于接收信号到达角度（AOA）和基于接收信号强度（RSS）三种方法。本文在分析和对比了三种测距方法的特点后选择了基于接收信号到达时间的测距方法来实现超宽带定位系统中的测距功能。定位方法则包括画圆法和双曲线法，相应的算法模型则为TDOA双曲线模型和TOA球型模型。本文对两种模型做了简单的分析和比较，最后主要选择采用TOA球型模型来实现定位单元的设计。

此次研究的基本内容和目标就是通过对UWB技术的特点的分析，并分别分析比较基于接收信号的强度、角度、时间测距方式以及UWB信号的时延估计和定位算法，来实现基于ARM和UWB的无线节点定位的设计与仿真。本文首先对超宽带定位系统的定位原理进行分析，然后在技术方案的选择上采用基于飞行时间的测距原理和以此为基础的TOA定位方法。定位单元的设计则采用TOA球型模型来实现定位功能的实现。在硬件设计上，基于IEEE-802.15.4标准中的UWB超宽带技术无线定位系统，通信节点模块采用了Decawave公司的DW1000芯片，控制器模块则选择采用意法半导体（ST）公司的STM32f10X系列芯片保证其可与上位机实现通信功能。最后，分别进行了设计的定位节点的测距和定位的精度测试并对相关数据和性能进行分析。

关键词：超宽带（UWB）；定位；到达时间（TOA）

Abstract

Ultra-wideband (UWB) location technology is one of the most potential for development of wireless location technology to develop both Indoor and outdoor positioning and tracking system. Due to the nature of its high bandwidth and short pulse, ultra-wideband allows a very accurate estimate for distance measurement. Ranging and positioning are two important components of ultra-wideband positioning system, and the ranging method generally includes receiving a signal based on the time of arrival (TOA), receiving a signal based on the angle of arrival (AOA) and based on the received signal strength (RSS) three kinds of method. Based on the received signal arrival time of the ranging method is chosen to achieve ultra-wideband positioning systems ranging function, after the characteristics of three kinds of methods ranging selection ranging method are analyzed and compared. The method of positioning includes draw circle and hyperbolic law, and the corresponding algorithm model are TDOA hyperbolic model and spherical model TOA. In this paper, the two models are simply analyzed and compared, and the TOA spherical model is finally chosen to achieve the positioning unit design.

The study of the basic content and goal is comparing and analyzing the ranging method based on received signal strength, angle, time and time delay of UWB signal, and location algorithms, through the analysis of the characteristics of UWB technology, to achieve the design and simulation of wireless nodes based on ARM and UWB positioning. Firstly, the principle of ultra-wideband positioning positioning system is analyzed and TOA spherical model is used to achieve the positioning function on the design of positioning unit. In the hardware design, based on the IEEE-802.15.4 standard UWB UWB wireless positioning system, DW1000 chip of Decawave is used in communication node module, and STM32f10X chips of STMicroelectronics (ST) is selected in controller module to ensure its communication with the host computer. Finally, accuracy test of ranging and positioning of wireless location node is done and relevant data is analyzed.

Key word：ultra-wideband (UWB)，location，time of arriving (TOA)

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 1

第1章 绪论 1

1.1 选题背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文的主要工作 2

第2章 UWB无线定位原理 4

2.1 UWB技术概述 4

2.2 UWB的实现方式 5

2.2.1 脉冲无线电 5

2.2.2 多频段UWB 7

2.3 UWB定位方法 7

2.3.1 基于接收信号强度法 7

2.3.2 基于接收信号角度法 7

2.3.3 基于接收信号时间法 8

2.3.4 基于飞行时间的测距原理 9

第3章 通信节点设计及精度测试 12

3.1 系统设计框图 12

3.2 算法设计 12

3.3 通信节点硬件电路设计 13

3.3.1 通信节点模块 13

3.3.2 控制器模块 15

3.4 测距精度测试与多径误差测试 17

3.4.1 LOS环境测距精度测试 17

3.4.2 NLOS环境多径误差测试 18

第4章 定位单元设计及精度测试 20

4.1 定位单元设计 20

4.1.1 TDOA双曲线模型 20

4.2.2 TOA球形模型 21

4.2 定位精度测试 22

第5章 总结 24

参考文献 25

致 谢 27

第1章 绪论

1.1 选题背景及意义

在提高生产率，并在工业，医疗，家庭自动化或军事等广泛的领域中利用定位的信息优化资源管理是一个很好的工具。从标准的无线系统中获得定位信息机制的发展越来越引起人们的兴趣，特别是在室内的情况。在一般情况下，定位精度是高度依赖于信号参数和尤其是所使用的无线技术，因为它决定这些参数的估计的精度。其中对于定位和追踪系统最有前途也最被广泛开发和应用的技术就是UWB（超宽带）技术。

超宽带（Ultra Wide Band，UWB）作为一项技术刚开始仅仅局限于军方侦查与反侦察的应用上，在2002年美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission，FCC）允许其可以应用在民用方向后，超宽带技术就越来越受到人们的关注并在无线定位系统中发挥着不可替代的重要作用。超宽带技术，还被叫做脉冲无线电技术，从军用雷达到商用和民用的推进，使得基于UWB的无线通讯范围得到开拓和应用，并一跃成为高速短距离无线通信的关键性技术。

超宽带，顾名思义，它有很高的带宽，其所占的频谱资源也同样是非常宽的，传统通信的载波一般都采用正弦波，而它所用的则是纳秒级别的非正弦波。UWB结合有关的尺寸和功率消耗这些显著的特征，对距离估计提供高精确度，而且还允许多位置同时具有高数据率的数据传输。超宽带无线定位系统是基于连续时间特别短的纳秒级的脉冲，它起源很高带宽信号的传输。这个短脉冲的持续时间允许到达时间估计精度可以达到很高，相比到达信号强度指示估计，它可以应对多径环境和非视距场景，而且在这样的情形下到达信号强度指示估计很不理想。此外UWB的高带宽提供了更高的抗干扰性。超宽带无线定位技术集传输速度高、抗多径干扰能力强、功耗低等传统定位技术所不具有的优点于一身，在短距离无线通信领域中发挥着不可替代的作用，因此，研究超宽带无线定位系统的意义重大。

1.2 国内外研究现状

超宽带（Ultra Wide Band，UWB）作为一项技术刚开始仅仅局限于军方侦查与反侦察的应用上，在其被允许可以运用到民用方向以后，超宽带技术就越来越受到人们的关注并在无线定位系统中发挥着不可替代的重要作用。近些年UWB在民用方面的应用主要包括地质勘探，家电设备间的无线数据通信，追踪和定位等等。相应的国外也提前有了许多超宽带的芯片和系统已经被开发和推出，AETHER WIREamp;LOCATION、Ubise等多家公司推出了UWB芯片和系统。比较早的有Sapphire系统是由Multispectral Solutions公司开发的UWB室内定位系统。近些年被研究和开发的芯片和系统还有：应用了CSS通信技术的NASTRl芯片，该芯片来自德国的Nanotron公司，其信号最高带宽可以达到80MHz；还有就是爱尔兰Decawave公司2013年最新推出的DW1000芯片，采用IR-UWB技术，信号最大带宽可达1300MHz等等。