基于脈沖超寬帶的異步測量定位技術研究

張燕，毛莉君

（西安培華學院智能科學與信息工程學院，陜西西安，710125）

1　基于脈沖超寬帶的測距定位方法分析

1.1　的測距定位方法

基于AOA(angle of arrival)到達角度的測距，接收節點通過天線陣列或者多個接收器結合得到發射節點發送信號的方向，計算接收節點和發射節點之間相對方位或角度，再通過一定的算法得到節點的估計位置。

基本的AOA定位法，如圖1所示，在二維平面中，未知節點M得到與導標節點A和B所構成的角度之后就可以利用公式(1)，確定自身的位置，即可計算出未知節點的位置信息。

AOA定位需要天線陣列或多個接收器實現定位，硬件系統設備復雜，并不適用于對成本敏感的基于脈沖超寬帶技術的無線傳感器網絡定位，且AOA定位需要兩節點之間存在視線傳輸(LOS)，即使是在LOS傳輸為主的情況下，無線傳輸的多徑效應仍然會對AOA定位造成干擾。目前研究大都放棄了這種完全AOA定位。

1.2　的測距定位方法

基于RSSI(received signal strength indicator)接收信號強度的測量定位。已知發送節點的信號強度，通過測量接收信號的強度，計算信號的傳播損耗，根據理論或經驗信號傳播衰減模型將傳播損耗轉化為距離。得到錨節點與未知節點之間距離信息后，采用三邊測量法或最大似然估計法可以計算出未知節點的位置。

圖1　AOA定位原理圖

根據信號傳播理論，由無線信號發射功率和接收功率之間的關系式可以計算得到距離d值的估計值。已知發射功率，在接收節點測量接收功率，計算傳播算好，使用理論或經驗的信號傳播模型將傳播損耗轉化為距離。在自由空間中，距發射機d處的天線接收到的信號強度為公式(2)

式中，Pt為發射機功率，為在距離d處的接收功率，分別為發射天線和接收天線的增益，接收機功率隨發射機和接收機距離的平方衰減。通過測量接收信號的強度，再利用公式(2)就能計算出收發節點間的估計距離。

實際應用中的情況要復雜的多，尤其是定位技術應用到分布式密集的無線傳感我網絡中。反射、多徑干擾、非視距、天線增益等問題都會對相同距離產生顯著不同的傳播損耗。實際環境中通常采用公式(3)經驗公式：

式中，00()P d 為距發射機處的參考信號強度，n為信號傳播路徑衰落系數，與特定環境相關，Xσ為由遮蔽效應引起的正態分布的隨機變量。

1.3　到達的測距定位方法

基于TOA(time of arrival)的測量定位算法，已知信號的傳播速度，通過測量信號傳播時間來測量距離。TOA可以通過以下兩種方式來完成節點間距離的測量。

(1)測量信號單向傳播時間。（2）發送節點記錄信號的發送時間并同步告訴接收節點，接收節點記錄信號的接收時間，通過這種方式測量信號的傳播時間，并有信號的傳播速度計算得到節點間的距離。這種方法需要節點間時鐘的完全同步。（3）測量信號往返時間差，接收節點在收到信號后直接發回，發送節點測量收發時間差，由于僅使用一個時鐘，可以解決時鐘不同步的問題，但是此方法中接收節點的處理時延無法估計。采用超寬帶進行測量時1ns的時間誤差也可能帶來10CM的誤差。（4）目前基于TOA的超寬帶測量定位算法被廣泛使用，在參考文獻等都有相應的研究，只要解決時鐘同步所帶來的誤差問題，其定位精度可以提高到厘米數量級。目前基于TOA的超寬帶測量定位算法被廣泛使用，在參考文獻等都有相應的研究，只要解決時鐘同步所帶來的誤差問題，其定位精度可以提高到厘米數量級。

1.4　幀往返測量技術

由于超寬帶不同于傳統的無線電波，收發器設計比較簡單易于集成一體，大多數超寬帶收發器都是集成一體化的，如果只是單方面的應用超寬帶收發器的接收技術或者發送技術未免有點資源浪費，最好能將資源全部有效地利用。基于幀往返的測距技術就是針對這種要求而提出的，每一個節點都可以自主的接收或者發送脈沖，通過計算節點之間脈沖往返時間與脈沖波速的乘積即可獲得兩個節點之間的距離。在此注明幀往返傳輸用RTT(round trip time)與現有大多文獻中提到的FFT(frame fly time)表述的是一個概念，不再過多區分。基于幀往返的測距技術具體通過以下方式完成節點之間的測距。

主測量點即通常所述參考節點發出一幀信息關閉發送器開啟接收器并通過時鐘計時，待被測量點接收到主測量點發出的幀信息后立即回應一幀信息，主測量點在接收到被測量點發出的信息后停止計時，注意每次計時可以從0開始，也可以運用標準時鐘計算時間差來計時，通過計算獲得兩個節點之間的距離如公式(4)所示：

其中公式(2.4)中ijd表示節點i和節點 j之間的距離，Δ為時間差，C為超寬帶信號傳播速度，在精確測量中Δ包含的時間信息應該只限于超寬帶信號往返的時間，對于接收器和發送器所消耗的時間都應該剔除，以使得盡量的減小誤差，精確測量。于是Δ可表示為公式(5)

其中公式(5) 中iτ表示發送器所消耗的時間，iΔ為節點i到節點j所耗用時間，jτ為j節點接收i節點信號后再回應一脈沖信號的時間，當然包括其中的信道解碼、信號解碼、信源編碼、信道編碼等。jΔ為節點j到節點i所耗用時間。

因此要使得精確測量就要對時間誤差進行提出即所要得到的精確測量應該如公式(6)所示：

2　結論

通過分析現有的超寬帶異步定位算法模型有待解決的問題，同時為了盡大化的開發超寬帶自身具有的特性，本章在原有基礎上進行改進，使其更適用于無線傳感器網絡定位。