基于声传播的室内定位方法研究

发布时间：2017-07-15 15:12

  本文关键词：基于声传播的室内定位方法研究

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【摘要】：随着物联网应用的兴起,室内定位技术在一些特定场合的实用性和必要性已经日趋显著,应用前景广阔,也是目前研究热点之一。在室内环境下,卫星信号由于无法穿透建筑物而失去效用,同时利用移动基站进行定位得到的精度太低,无法满足室内定位的需求。由于室内环境复杂多变,室内定位很难同时兼顾精度和稳定性,因此构建一个适用于室内环境的定位系统,具有越来越重要的现实意义。本文首先介绍了空气中声波传播信道的特点,提出了一种适用于声波传播的数字通信系统,采用Matlab搭建系统平台对其进行了仿真,结果表明该系统具有一定的抗噪声和多径的能力。基于提出的的声波通信系统,本文阐述了室内定位原理,分析了两个对定位精度影响较大的因素：基站之间的时间同步精度以及发射基站的几何布局。提出了两种针对主从结构网络的整个系统节点间进行精确时钟同步的实现方案,通过应答式同步机制可以达到纳秒级的高精度基站时间同步,通过广播式同步机制可实现微秒级的基站时间同步。对基站布局的几何精度递变因子进行了介绍,并针对实验场地仿真分析了几种实际可行的布局方式,最终确定了实验布局方案。论文对定位解算所采用的最小二乘法原理,进行了仿真验证和性能分析,结果表明绝大部分点误差在目标精度范围内,达到本方案的阶段性目标。由于基站发射的定位信号到达接收端的准确时刻关系到信号的解调解扩和伪距的测量,因此准确的检测出LFM信号达到的时刻十分重要。通过大量的实测观察分析,提出了一种双滑动门限窗的判定方式进行LFM信号到达检测,检测效果满足本系统的阶段性检测精度需求。本文最后介绍了定位系统中各个模块的实现方案,在实验室中采用这些基站平台和外置设备进行了基站声波通信和室内定位实验,实验结果与之前基站分布和定位解算仿真结果相比基本一致。实际现场的运行情况表明了本文提出的基于声波扩频通信的室内定位方法具有可行性,设计的系统具有实用价值。
【关键词】：声传播 扩频通信 室内定位 时间同步 基站布局 最小二乘
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN929.5
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-14
• 第一章 绪论14-20
• 1.1 课题背景及意义14-15
• 1.2 国内外研究现状15-16
• 1.3 室内定位技术相关16-17
• 1.4 论文主要研究内容及全文安排17-20
• 第二章 声波扩频通信系统方案20-46
• 2.1 空气中的声波传播信道分析20-23
• 2.1.1 声波传播衰减特性20
• 2.1.2 声波传播的多径效应20-22
• 2.1.3 声波传输多普勒效应22-23
• 2.2 典型数字通信系统的相关技术23-33
• 2.2.1 信道编码原理23-25
• 2.2.2 扩频通信原理25-30
• 2.2.3 调制解调原理30-33
• 2.3 声波扩频通信系统结构33-40
• 2.3.1 系统框架33-34
• 2.3.2 发送信号设计34-36
• 2.3.3 信号帧同步技术36-38
• 2.3.4 系统参数设计38-40
• 2.4 系统仿真分析40-45
• 2.4.1 归一化算法性能分析40-41
• 2.4.2 抗噪声能力分析41-43
• 2.4.3 抗多径能力分析43-45
• 2.5 本章小结45-46
• 第三章 室内定位原理和基站设计46-62
• 3.1 定位原理46-48
• 3.2 基站时间同步48-56
• 3.2.1 应答式同步机制49-51
• 3.2.2 广播式同步机制51-53
• 3.2.3 基站时间同步的硬件框架设计53-56
• 3.3 基站的布局方案56-61
• 3.3.1 基站布局的几何精度递变因子56-58
• 3.3.2 几种基站布局的分析58-61
• 3.4 本章小结61-62
• 第四章 接收端定位解算和帧信号检测62-70
• 4.1 最小二乘法62-63
• 4.2 定位解算的仿真分析63-65
• 4.3 接收端帧信号检测65-69
• 4.4 本章小结69-70
• 第五章 室内定位系统实现及现场实验70-87
• 5.1 室内定位系统的设计与实现70-78
• 5.1.1 基站FPGA处理板设计71-75
• 5.1.2 基站通信串口板设计75-77
• 5.1.3 接收端设计77-78
• 5.2 室内定位方案实验研究78-86
• 5.2.1 实验基站声波扩频通信实验79-83
• 5.2.2 定位实验及结果分析83-86
• 5.3 本章小结86-87
• 第六章 总结和展望87-89
• 6.1 全文工作总结87-88
• 6.2 未来工作展望88-89
• 参考文献89-93
• 作者简历及在学期间所取得的研究成果93

【参考文献】

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本文编号：544476