高精度室内无线定位系统的设计

发布时间：2017-03-19 07:01

  本文关键词：高精度室内无线定位系统的设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：定位技术与人们的生活密切相关,并一直受到广泛关注。定位技术从工作范围上可分为室外定位和室内定位,本文主要分析讨论室内高精度定位。针对目前多种室内定位技术的背景和研究现状分析,主要存在的问题包括：定位精度与定位范围的矛盾、视距(LOS)传播的限制、多径效应的影响及定位性能与设计成本的矛盾等。为了实现一种复杂度低、拥有较高定位精度、兼顾非视距(NLOS)和规模化应用等特点的室内定位系统,在研究了几种目前主流定位系统基础上,本文提出和设计了一种基于微波测距的室内定位方案。为了消除时钟振荡器偏差对测相精度的影响,本文采用基于TDOA原理测距定位。由于微波的测相法比脉冲法能达到更高的测距精度,所以本文采用基于相位差测量的测距方法。具体方法是检测同一信号分别经历不同路径后的相位差。通过对线性调频测相法、伪随机码测相法和连续波测相法三个方案的对比得知线性调频法测距方法简单,测距范围大,但有带宽和频率线性程度的限制,精度往往只能做到米级别；而采用伪随机码测距因其基于扩频通信原理,具有较好的抗干扰性能并且可以实现码分多址,但因为电路设计成本和带宽的限制很难做到太高码片速率,因而测距定位精度往往也局限在米级别；而采用高频连续波测距,精度上比前两者有数量级的提升,虽然有周整模糊的缺点,但可以通过多频测距解模糊。虽然测尺精度随着频率的增加而增大,但兼顾精度要求和电路芯片成本,本文采用的测相载波频率不超过5GHz。因高频信号相位变化快,很难直接做相位测量,本文采用差频测相方法,通过变频降低测量信号频率,以此降低高精度相位测量对AD变换器高采样率的要求,达到估计高精度相位差的目标。为了实现三维定位,本文从三个维度上测量相位差,每个维度使用多测尺测量。在粗尺和精尺观测均值总偏差小于半个精尺波长并且噪声在一定范围内情况下,采用卡尔曼滤波对精尺的估计值与粗尺观测值的残差进行估计,用残差的估计值不断的去调整周整模糊度的估计,构成一个负反馈系统,直到残差估计的绝对值收敛到半个精尺波长之内,此时精尺估计已经消除了周整模糊；在粗尺和精尺观测均值总偏差大于半个精尺波长情况下,在介于两测尺波长间增加若干个精尺整数倍波长的测尺,并且要求相邻测尺之间的粗尺和精尺观测均值总偏差小于半个精尺波长,就可以采用以上方法来逐级确定周整模糊。由于在双曲线模型中相位差对应的距离差和坐标是非线性关系,在平衡几种滤波算法的计算量和精度的矛盾后,本文采取将三个维度以上的相位差作为观测向量,通过uKF滤波解算目标点坐标,达到在待定位点静止或者缓慢移动、且5%以内的相位误差情况下的厘米级三维定位精度。
【关键词】：无线定位 微波定位 室内定位 相位测量 无线测距
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN713
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-12
• 1.1 引言9
• 1.2 研究背景9-11
• 1.2.1 室内定位的研究现状9-10
• 1.2.2 室内定位研究的目的和意义10-11
• 1.3 拟采用的技术路线11
• 1.4 本文章节安排11-12
• 第二章 定位相关知识基础12-19
• 2.1 定位系统概述12-15
• 2.1.1 定位中测距方法12-13
• 2.1.2 几种室内无线定位技术简介13-15
• 2.2 测距技术介绍15-18
• 2.3 本章小结18-19
• 第三章 定位系统设计19-40
• 3.1 系统方案设计19-20
• 3.2 硬件结构设计20-28
• 3.2.1 调制系统20-21
• 3.2.2 解调系统21-22
• 3.2.3 倍频器22-23
• 3.2.4 测相系统设计23-26
• 3.2.5 信号的整体传输设计26
• 3.2.6 光电系统设计26-27
• 3.2.7 多点定位设计27-28
• 3.3 信号的原理推导28-32
• 3.4 误差分析及处理32-35
• 3.4.1 噪声32
• 3.4.2 多径效应32-34
• 3.4.3 抗多径方案选择34
• 3.4.4 误差的修正方法34-35
• 3.5 软件程序设计35-39
• 3.5.1 软件系统整体设计35-36
• 3.5.2 核心计算程序设计36-37
• 3.5.3 数据显示界面设计37-39
• 3.6 本章小结39-40
• 第四章 信号仿真分析及数据处理40-58
• 4.1 仿真条件40-41
• 4.2 仿真过程41-42
• 4.3 仿真结果42-44
• 4.4 数据处理44-57
• 4.4.1 信号滤波概述44-48
• 4.4.2 载波环倒π处理48
• 4.4.3 周整模糊处理48-52
• 4.4.4 结果分析52-57
• 4.5 本章小结57-58
• 第五章 总结与展望58-61
• 总结58-59
• 展望59-61
• 参考文献61-63
• 致谢63-64

【参考文献】

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本文编号：255657