基于脉冲超宽带的异步测量定位技术研究

张燕，毛莉君

（西安培华学院智能科学与信息工程学院，陕西西安，710125）

1　基于脉冲超宽带的测距定位方法分析

1.1　的测距定位方法

基于AOA(angle of arrival)到达角度的测距，接收节点通过天线阵列或者多个接收器结合得到发射节点发送信号的方向，计算接收节点和发射节点之间相对方位或角度，再通过一定的算法得到节点的估计位置。

基本的AOA定位法，如图1所示，在二维平面中，未知节点M得到与导标节点A和B所构成的角度之后就可以利用公式(1)，确定自身的位置，即可计算出未知节点的位置信息。

AOA定位需要天线阵列或多个接收器实现定位，硬件系统设备复杂，并不适用于对成本敏感的基于脉冲超宽带技术的无线传感器网络定位，且AOA定位需要两节点之间存在视线传输(LOS)，即使是在LOS传输为主的情况下，无线传输的多径效应仍然会对AOA定位造成干扰。目前研究大都放弃了这种完全AOA定位。

1.2　的测距定位方法

基于RSSI(received signal strength indicator)接收信号强度的测量定位。已知发送节点的信号强度，通过测量接收信号的强度，计算信号的传播损耗，根据理论或经验信号传播衰减模型将传播损耗转化为距离。得到锚节点与未知节点之间距离信息后，采用三边测量法或最大似然估计法可以计算出未知节点的位置。

图1　AOA定位原理图

根据信号传播理论，由无线信号发射功率和接收功率之间的关系式可以计算得到距离d值的估计值。已知发射功率，在接收节点测量接收功率，计算传播算好，使用理论或经验的信号传播模型将传播损耗转化为距离。在自由空间中，距发射机d处的天线接收到的信号强度为公式(2)

式中，Pt为发射机功率，为在距离d处的接收功率，分别为发射天线和接收天线的增益，接收机功率随发射机和接收机距离的平方衰减。通过测量接收信号的强度，再利用公式(2)就能计算出收发节点间的估计距离。

实际应用中的情况要复杂的多，尤其是定位技术应用到分布式密集的无线传感我网络中。反射、多径干扰、非视距、天线增益等问题都会对相同距离产生显著不同的传播损耗。实际环境中通常采用公式(3)经验公式：

式中，00()P d 为距发射机处的参考信号强度，n为信号传播路径衰落系数，与特定环境相关，Xσ为由遮蔽效应引起的正态分布的随机变量。

1.3　到达的测距定位方法

基于TOA(time of arrival)的测量定位算法，已知信号的传播速度，通过测量信号传播时间来测量距离。TOA可以通过以下两种方式来完成节点间距离的测量。

(1)测量信号单向传播时间。（2）发送节点记录信号的发送时间并同步告诉接收节点，接收节点记录信号的接收时间，通过这种方式测量信号的传播时间，并有信号的传播速度计算得到节点间的距离。这种方法需要节点间时钟的完全同步。（3）测量信号往返时间差，接收节点在收到信号后直接发回，发送节点测量收发时间差，由于仅使用一个时钟，可以解决时钟不同步的问题，但是此方法中接收节点的处理时延无法估计。采用超宽带进行测量时1ns的时间误差也可能带来10CM的误差。（4）目前基于TOA的超宽带测量定位算法被广泛使用，在参考文献等都有相应的研究，只要解决时钟同步所带来的误差问题，其定位精度可以提高到厘米数量级。目前基于TOA的超宽带测量定位算法被广泛使用，在参考文献等都有相应的研究，只要解决时钟同步所带来的误差问题，其定位精度可以提高到厘米数量级。

1.4　帧往返测量技术

由于超宽带不同于传统的无线电波，收发器设计比较简单易于集成一体，大多数超宽带收发器都是集成一体化的，如果只是单方面的应用超宽带收发器的接收技术或者发送技术未免有点资源浪费，最好能将资源全部有效地利用。基于帧往返的测距技术就是针对这种要求而提出的，每一个节点都可以自主的接收或者发送脉冲，通过计算节点之间脉冲往返时间与脉冲波速的乘积即可获得两个节点之间的距离。在此注明帧往返传输用RTT(round trip time)与现有大多文献中提到的FFT(frame fly time)表述的是一个概念，不再过多区分。基于帧往返的测距技术具体通过以下方式完成节点之间的测距。

主测量点即通常所述参考节点发出一帧信息关闭发送器开启接收器并通过时钟计时，待被测量点接收到主测量点发出的帧信息后立即回应一帧信息，主测量点在接收到被测量点发出的信息后停止计时，注意每次计时可以从0开始，也可以运用标准时钟计算时间差来计时，通过计算获得两个节点之间的距离如公式(4)所示：

其中公式(2.4)中ijd表示节点i和节点 j之间的距离，Δ为时间差，C为超宽带信号传播速度，在精确测量中Δ包含的时间信息应该只限于超宽带信号往返的时间，对于接收器和发送器所消耗的时间都应该剔除，以使得尽量的减小误差，精确测量。于是Δ可表示为公式(5)

其中公式(5) 中iτ表示发送器所消耗的时间，iΔ为节点i到节点j所耗用时间，jτ为j节点接收i节点信号后再回应一脉冲信号的时间，当然包括其中的信道解码、信号解码、信源编码、信道编码等。jΔ为节点j到节点i所耗用时间。

因此要使得精确测量就要对时间误差进行提出即所要得到的精确测量应该如公式(6)所示：

2　结论

通过分析现有的超宽带异步定位算法模型有待解决的问题，同时为了尽大化的开发超宽带自身具有的特性，本章在原有基础上进行改进，使其更适用于无线传感器网络定位。