摘要
随着无线传感网络和移动通信的发展，位置服务行业得到了快速发展。目前在户外，卫星定位已经可以满足人们的需求。然而由于室内环境复杂、遮挡严重，卫星定位解决方案在室内失效。为提供室内高精度定位服务，本文设计了一套基于UWB的室内定位系统。在论文的完成过程中做了如下工作： 首先，本文对现有的室内定位技术做了简单介绍，通过对比系统成本、实用性、精度等因素最终选取UWB定位技术作为本文的研究对象。为进一步了解该技术，又对其定义、实现方式等做了介绍。 其次，本文介绍了定位常用的模型及算法，通过对比复杂度、可靠性，本系统最终选用TOA算法。该算法的定位过程共分为两步，分别是测距和位置解算，它们共同影响着定位的精度。针对测距，本文研究了基于TOA的测距算法，讨论了时钟偏移对测距算法的影响并给出误差仿真图，最终选用非对称双边测距方案。为解决实际定位中方程组无解的问题，本文引入最小二乘算法，该算法可求出标签的最优解。
然后，本文完成了基于STM32芯片、DWM1000模块的系统硬件、软件设计与实现。在硬件设计方面，本文完成了原理图的绘制以及PCB板的设计。软件设计主要包含两个功能，分别是定位和位置显示。
最后，本文进行了定位系统的测试，分为端到端的测距测试和基于三的定位测试。通过测试，本文对测距过程中出现的误差做出分析并加以校正。经误差校正处理后，本系统测距和定位精度分别为10cm和20cm，已满足室内高精度定位的需求。
关键词: 卫星定位，室内定位，UWB，STM32，TOA
杏蜜Abstract
With the development of wireless sensor networks and mobile communications, the location service has seen a fast rise. At present, satellite positioning has been able to meet our requirements outdoors. However, the complex indoor environment and severe block make the technique impossible indoors. To deal with the problem of indoor high precision location, we design a UWB-based indoor positioning system. Our contributions are as follows:
Firstly, we report an overview of some existing indoor location technologies. By comparing system cost, practicability, accuracy and other factors, we select UWB positioning as the research topic. For a further understanding of it, we introduce its definition and implementation.
马铃薯曲奇Secondly, common location models and algorithms are presented, then the TOA principle is adopted by comparision of complexity and reliability, which has two steps, ranging and position calculation. Those steps jointly affect precision. For ranging, TOA-based algorithms are studied, after that we discuss the influence of clock offset on the ranging, then give the error simulation diagrams, lastly select the asymmetric double-sided two-way ranging scheme. In actual location, to solve the proble
m of no solution of equations, the least squares algorithm is proposed in this thesis, which can estimate the optimal position of the tag.
Thirdly, based on STM32 chip and the DWM1000 module, we complete the design and implementation of hardware and software. In terms of hardware, we finish the schematic drawing and the design of PCB layout. For software, it mainly has two functions, positioning and location display.
Finally, two measurements are arranged, an end-to-end ranging test and a three-station-based positioning estimation. Then we analyze the causes of ranging errors and correct them. After correction, ranging accuracy and location precision are 10cm and 20cm, respectively. It can be seen that the system has met the requirements of indoor high-precision positioning.
Key words: satellite positioning, indoor positioning, UWB, STM32, TOA
目录
第一章绪论 (1)
研究背景及意义 (1)
室内定位技术现状 (1)
1.2.1 蓝牙定位技术 (2)
1.2.2 WiFi定位技术 (2)
1.2.3 ZigBee定位技术 (3)
1.2.4 射频识别定位技术 (2)
1.2.5 红外线定位技术 (4)
1.2.6 超声波定位技术 (4)
1.2.7 超宽带定位技术 (5)
论文结构安排 (6)
本章小结 (7)
第二章UWB技术概述 (8)
UWB技术发展历程 (8)
医用镊子
UWB定义 (9)
UWB实现方式 (10)
2.3.1 脉冲无线电 (10)
2.3.2 多带超宽带 (11)
UWB信号工作频段和信道划分 (11)
UWB技术特征 (12)
UWB国内外研究现状 (13)
本章小结 (14)
第三章UWB定位系统模型及算法 (15)
无线定位方法 (15)
3.1.1 与距离无关的定位方法 (15)
3.1.2 基于距离的定位方法 (17)
基于TOA的测距算法 (22)
3.2.1 单程测距 (23)
3.2.2 单程双边测距及误差分析 (23)
3.2.3 非对称双向测距及误差分析 (25)
3.2.4 对称双边双向测距 (29)
基于TOA的位置解算算法的优化 (29)
本章小结 (33)
第四章UWB定位系统设计与实现 (34)
系统总体架构 (34)
蚀刻因子
系统总体需求与分析 (35)
UWB定位系统硬件设计 (36)
4.3.1 系统硬件整体设计框架 (36)
4.3.2 系统硬件设计电路 (37)
4.3.3 UWB室内定位系统PCB设计 (46)
UWB室内定位系统软件设计 (47)
4.4.1 下位机测距、定位软件设计 (48)
4.4.2 上位机显示界面设计 (50)
本章小结 (50)
第五章定位系统测试及分析 (52)
定位系统测试 (52)
5.1.1 端到端的测距实验 (52)
5.1.2 基于三的定位实验 (53)
定位系统测试分析 (54)
5.2.1 测距误差来源分析 (54)
5.2.2 收发时间戳校准 (54)
5.2.3 随机误差校准 (56)
5.2.4 定位测试结果 (58)
本章小结 (58)
第六章总结与展望 (59)
总结 (59)
展望 (59)
参考文献 (61)
小功率电磁炉
附录1 上位机工程目录结构 (64)
附录2 攻读硕士学位期间申请的专利 (65)
致谢 (66)
IV
南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论
第一章绪论
研究背景及意义
随着科技的发展，无线通信系统相继出现，这使得以通信为基础的导航、定位等技术迅速崛起。与此同时，社会服务行业日趋完善，人们生活水平不断提高，人们对这些基于位置的服务越来越重视。而基于位置的服务，关键在定位技术。
关于定位，有很多技术方案。以全球定位系统（Global Positioning System, GPS）为例，它是一个由
24颗卫星组成并覆盖全球的卫星系统[1]。该系统中卫星的分布，使得在广阔的户外环境下，随时可以同时观测到至少4颗卫星。先通过卫星信号到用户接收机的传播时间估算出用户接收机到该卫星的距离，然后利用到多个卫星的距离便可建立多个方程，最后通过星历信息和解方程组估算出接收机的位置。目前在户外，GPS技术已经可以为人们提供实时定位、导航服务。
由于GPS信号的接收功率很小，因此接收端需要高增益的接收天线。而在室内环境下，由于建筑物的遮挡、反射，GPS信号会有很大的衰减甚至无信号，因此在室内很难利用该技术进行定位。
但在日常生活中，人们却对室内定位有着很大的需求。比如，在宽阔复杂的地下管廊，人们希望能够快速到所需的设备器材；在地下车库中，车主希望可以快速地查到自己的汽车所在的具体位置；在医院，医护人员希望能够对医院的医疗设备及病人进行实时准确的定位；在火灾、地下矿井等救援现场，指挥人员希望能够对消防员进行准确定位，及时了解现场救援情况。
由此可知，如果能设计出一套高精度室内定位系统，那么可以为人们提供极大帮助。
室内定位技术现状
近年来，随着科技的发展，出现了很多室内定位解决方案。常见方案有蓝牙定位、WiFi 定位、ZigBee定位、射频识别定位、红外线定位、超声波定位、超宽带定位等，本节将对它们的定位原理、特点及适用场景做出简要介绍。
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