本書主要講述基于脈沖超寬帶無線通信技術(shù)的超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)中的幾大關(guān)鍵技術(shù)，包括有源標(biāo)簽設(shè)計(jì)、小型化超寬帶天線設(shè)計(jì)、濾波器設(shè)計(jì)、室內(nèi)電波傳播建模及預(yù)測(cè)、室內(nèi)定位系統(tǒng)基站設(shè)計(jì)分析、基于TDOA方法的高精度定位算法研究、移動(dòng)目標(biāo)跟蹤定位算法研究等。本書基本涵蓋了超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)的整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容，包括理論研究、硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)等。
序言
導(dǎo)航定位關(guān)乎國(guó)家安全，是全球大國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的核心利益。對(duì)于室外環(huán)境，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)諸如美國(guó)的全球定位服務(wù)，基本滿足了用戶在室外場(chǎng)景中對(duì)基于位置服務(wù)的需求。然而，個(gè)人用戶、服務(wù)機(jī)器人、掃地機(jī)器人等有大量定位需求發(fā)生在室內(nèi)場(chǎng)景。而室內(nèi)場(chǎng)景受到建筑物遮擋，衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)快速衰減，甚至完全拒止，無法滿足室內(nèi)場(chǎng)景中導(dǎo)航定位的需要。室內(nèi)外高精度位置服務(wù)技術(shù)是繼互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信之后發(fā)展最快的新一代信息技術(shù)，已成為國(guó)際科技經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)。
相對(duì)室外導(dǎo)航定位，室內(nèi)定位技術(shù)起步較晚，為實(shí)現(xiàn)精確定位與服務(wù)，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局于2013年制訂洞悉戰(zhàn)場(chǎng)計(jì)劃，提出建設(shè)更精確鎖定位置的打擊系統(tǒng)；2013年美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)提出下一代911項(xiàng)目，要求實(shí)現(xiàn)精度在60米以內(nèi)的位置服務(wù)；德國(guó)電信于2011年將高精度位置服務(wù)定位為未來移動(dòng)通信服務(wù)的核心；日本于2009年頒布了《緊急呼叫法案》，要求室內(nèi)位置服務(wù)精度達(dá)到10米以內(nèi)。我國(guó)在《國(guó)家衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》和《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（20062020）》任務(wù)中明確提出要加快室內(nèi)位置服務(wù)建設(shè)。目前在各行業(yè)應(yīng)用需求的推動(dòng)下，室內(nèi)定位技術(shù)得到了快速發(fā)展，近幾年來成為工業(yè)界和學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。
隨著室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展，各類室內(nèi)定位技術(shù)百花齊放，包括基于WiFi的定位、藍(lán)牙定位、小基站定位、LED可見光定位、超寬帶定位、RFID、慣性導(dǎo)航、地磁定位、偽衛(wèi)星等多種室內(nèi)定位技術(shù)。而在這些定位技術(shù)中，超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)是一種優(yōu)勢(shì)全面的專業(yè)級(jí)定位技術(shù)，具有定位精度高（1～15cm）、抗干擾能力強(qiáng)、分辨率高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。本書內(nèi)容來源于作者多年的研究成果，內(nèi)容豐富，有獨(dú)特的觀點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)，對(duì)基于脈沖超寬帶技術(shù)超寬帶定位系統(tǒng)各個(gè)組成部分設(shè)計(jì)方案和關(guān)鍵部件及算法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，包括超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)的構(gòu)成、新型有源標(biāo)簽的設(shè)計(jì)、多種結(jié)構(gòu)的小型化天線設(shè)計(jì)、濾波器設(shè)計(jì)、超寬帶信號(hào)室內(nèi)及室內(nèi)-室外電波傳播特性預(yù)測(cè)及信道建模、定位基站設(shè)計(jì)和高精度定位算法設(shè)計(jì)等，本書是一本詳細(xì)闡述超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)的書籍，在目前室內(nèi)定位技術(shù)蓬勃發(fā)展和市場(chǎng)需求日益增長(zhǎng)的大形勢(shì)下，可供國(guó)內(nèi)研究超寬帶定位的有關(guān)人員和企業(yè)參考，以推動(dòng)室內(nèi)定位技術(shù)的市場(chǎng)化。
張明高
中國(guó)工程院院士
前言
根據(jù)諾基亞、谷歌等提供的數(shù)據(jù)，人們的日常生活中超過80%的時(shí)間都發(fā)生在室內(nèi)，室內(nèi)位置服務(wù)是真正實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)的基礎(chǔ)，室內(nèi)定位技術(shù)已經(jīng)成為解決定位導(dǎo)航最后100米的關(guān)鍵手段。中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書認(rèn)為，面向大眾和面向行業(yè)應(yīng)用的室內(nèi)定位導(dǎo)航成為剛需，于此同時(shí)，大型城市綜合體越來越多，大型醫(yī)院、大型停車場(chǎng)、大型辦公樓、大型商場(chǎng)等建筑物室內(nèi)空間也更加復(fù)雜，傳統(tǒng)的指示牌已經(jīng)無法滿足人們找尋目的地的需求。室內(nèi)定位精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)跨樓層指引，可以極大提升便利性精準(zhǔn)室內(nèi)定位技術(shù)，可為智慧大樓、智慧停車場(chǎng)、智慧工廠、智慧醫(yī)院、數(shù)萬人會(huì)展等行業(yè)領(lǐng)域提供諸多室內(nèi)定位解決方案，當(dāng)前市場(chǎng)對(duì)室內(nèi)定位的需求越來越多，所以衍生出各種各樣的定位技術(shù)。
超寬帶技術(shù)是近年來新興一項(xiàng)全新的、與傳統(tǒng)通信技術(shù)有極大差異的通信無線新技術(shù)。它不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波，而是通過發(fā)送和接收具有納秒或納秒級(jí)以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，從而具有3.1～10.6GHz量級(jí)的帶寬。目前，包括美國(guó)、日本、加拿大等在內(nèi)的國(guó)家都在研究這項(xiàng)技術(shù)，在無線室內(nèi)定位領(lǐng)域具有良好的前景。
超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)是一種基于脈沖超寬帶技術(shù)的無載波無線通信技術(shù)，具有傳輸速率高、發(fā)射功率較低、穿透能力較強(qiáng)、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，使它在室內(nèi)定位領(lǐng)域獨(dú)占鰲頭。超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)常采用TDOA測(cè)距定位算法，通過信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差，利用雙曲線交叉實(shí)現(xiàn)定位。定位過程中由UWB接收器接收標(biāo)簽發(fā)射的UWB信號(hào)，通過過濾電磁波傳輸過程中夾雜的各種噪聲干擾，得到含有效信息的信號(hào)，再通過中央處理單元進(jìn)行定位算法分析，解析出位置信息。
基于智慧城市、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)行業(yè)的需求位置服務(wù)，位置服務(wù)也已成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)的迫切需求，位置服務(wù)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一種業(yè)務(wù)支撐的關(guān)系，無論是信息消費(fèi)還是戰(zhàn)略信息產(chǎn)業(yè)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中都是新增長(zhǎng)點(diǎn)。由于室內(nèi)不僅是人們的生活場(chǎng)所，還是工作場(chǎng)所，而且人們大部分時(shí)間生活在室內(nèi)，室內(nèi)位置服務(wù)的發(fā)展至關(guān)重要。導(dǎo)航與位置服務(wù)攸關(guān)國(guó)家安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)民生，在新一代信息技術(shù)這一戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中，具有舉足輕重和不可或缺的地位。
本書的研究?jī)?nèi)容主要包括：提出了基于雙非門結(jié)構(gòu)的新型超寬帶宅脈沖信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)，避免了傳統(tǒng)基于數(shù)字方法比邏輯器件自身的依賴性，改善了脈沖性能；利用小型化、寬帶化微帶天線設(shè)計(jì)方法，提出了多種新型結(jié)構(gòu)的小型化超寬帶天線及帶阻天線設(shè)計(jì)；采用微帶線和多指諧振腔設(shè)計(jì)方法，提出了新型結(jié)構(gòu)的超寬帶濾波器設(shè)計(jì)方法；利用頻域測(cè)量手段和射線追蹤方法，研究了超寬帶信號(hào)的電波傳播特性，揭示了超寬帶信號(hào)室內(nèi)-室外傳播的電波傳播規(guī)律，給出了解析數(shù)學(xué)模型；分析給出了基于數(shù)模混合接收超寬帶定位系統(tǒng)定位基站方案，提出了可控積分電路高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路方法；構(gòu)建了到達(dá)時(shí)間差和物理距離關(guān)系模型，提出了偏最小二乘粒子群定位算法，加快了算法的收斂，增強(qiáng)了算法的魯棒性；分析了IEEE802.15.3a信道模型下定位算法的適應(yīng)性，提出了導(dǎo)頻輔助的2LS-PSO定位算法，定位誤差小于10cm(TDOA誤差小于0.5ns時(shí))；提出了自適應(yīng)卡爾曼平滑濾波跟蹤算法，解決了移動(dòng)目標(biāo)機(jī)動(dòng)變化、不良測(cè)量條件帶來的定位不準(zhǔn)確問題。
本書主要章節(jié)是基于脈沖超寬帶技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)各個(gè)組成部分一層層展開的，具有較強(qiáng)的工程背景，可讀性強(qiáng)。本書內(nèi)容是作者近幾年來發(fā)表的論文、獲獎(jiǎng)、申請(qǐng)專利等，涉及最新的電路結(jié)構(gòu)、算法及分析方法，可借鑒性、工程性強(qiáng)，具有較強(qiáng)的工程指導(dǎo)價(jià)值。
本書由趙紅梅副教授獨(dú)立創(chuàng)作，負(fù)責(zé)全書大綱及內(nèi)容的擬定并定稿。在前期研究及本書撰寫過程中，充分借鑒和引用了國(guó)內(nèi)外同行在本領(lǐng)域的的相關(guān)研究成果，同時(shí)也得到了鄭州輕工業(yè)學(xué)院河南省超寬帶無線通信技術(shù)院士工作站研究團(tuán)隊(duì)的各位老師和研究生們的大力支持，他們對(duì)本書的撰寫及研究成果都做出了大量的貢獻(xiàn)，并提出了許多寶貴的意見與建議，在此對(duì)他們表示感謝。
趙紅梅，女，1976年11月生，副教授，信息與通信工程專業(yè)工學(xué)博士，碩士生導(dǎo)師，鄭州輕工業(yè)學(xué)院超寬帶無線通信技術(shù)研究室學(xué)術(shù)帶頭人，河南省"超寬帶無線通信技術(shù)及鄭州市"UWB實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)院士工作站院士助手，河南省優(yōu)秀碩士學(xué)位論文指導(dǎo)教師，河南省儀器儀表學(xué)會(huì)常務(wù)理事，副秘書長(zhǎng)；長(zhǎng)期從事微帶天線設(shè)計(jì)、超寬帶無線通信技術(shù)等方向的研究；獲河南省科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，廳級(jí)科技成果一等獎(jiǎng)4項(xiàng)，通過省級(jí)科技成果鑒定10項(xiàng)，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利7項(xiàng)，主持及參與國(guó)家和省級(jí)項(xiàng)目8項(xiàng)，發(fā)表論文30多篇。 目前研究方向：微帶天線設(shè)計(jì)、超寬帶信號(hào)電波傳播特性研究、超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)研究
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