特殊環(huán)境下超寬帶傳感器網(wǎng)絡(luò)測距與定位算法研究.pdf

1、近年來一系列礦難事故的發(fā)生，令礦井等特殊環(huán)境下人員的定位與搜救受到廣泛關(guān)注。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)為井下通信提供了一種動態(tài)快速的組網(wǎng)方式。超寬帶無線電技術(shù)(Ultra Wide Band，UwB)具有低功耗，高速率，抗多徑和干擾，測距和定位能力強等特點，適合井下復(fù)雜多變的通信環(huán)境。因此，超寬帶傳感器網(wǎng)絡(luò)為井下通信和定位提供了可行的方案。本文主要研究特殊環(huán)境下超寬帶傳感器網(wǎng)絡(luò)測距與定位算法。 首先，介紹了UWB無線電技術(shù)的概念、特點

2、和研究現(xiàn)狀。分析比較了UWB脈沖的產(chǎn)生方式、信號的調(diào)制方式、信道模型、現(xiàn)有測距和定位算法以及信道接入方式，選擇了適當(dāng)?shù)腢WB通信方式和井下定位策略。 跳時超寬帶(Time Hopping UWB，TH-UWB)是一種無載波UWB系統(tǒng)，性價比高，其隨機跳時碼(Time Hopping Code，TH)可以在井下環(huán)境中解決多用戶干擾的問題。本文將TH-UWB技術(shù)用于井下通信，根據(jù)信號在井下的傳播特點，參考IEEE802.15.4a信

3、道模型，對其中的室內(nèi)信道的建模方式進行了改進，考慮了井下不同區(qū)域和位置對數(shù)正態(tài)陰影的影響，提出一種類室內(nèi)環(huán)境的井下UWB對數(shù)距離路徑損耗模型。在此模型基礎(chǔ)上，提出基于最大似然估計的接收信號強度(Received signal Strength Indication，RSSI)測距方法，提高了井下RSSI測距的穩(wěn)定性。推導(dǎo)了RSSI測距的Cramer-Rao下界，用于評估RSSI測距算法的性能。通過理論分析和實驗驗證，井下RSSI測距算法

4、在測距精度和穩(wěn)定性上得到了很大提高。 在井下信道模型和測距算法研究基礎(chǔ)之上，推導(dǎo)了測距和定位之間的關(guān)系，提出井下超寬帶傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位算法。通過在定位過程中引入穩(wěn)定的井下RSSI測距方法，改進最小均方誤差定位算法，降低了定位對信標(biāo)節(jié)點的依賴，保證了定位的精確性。同時充分利用TH-UWB中TH碼的多址特點，采用跳時-碼分多址(Time Hopping-Code Division Multiple Access，TH-CDMA)的介