基于多径信道仿真的UWB限定空间测距修正方法

本发明涉及无线通信、无线测距技术等领域，具体为基于多径信道仿真的uwb限定空间测距修正方法。

背景技术：

1、限定空间精准定位导航作为近些年来民用导航技术发展的主要领域之一已经得到极大的重视和发展，限定空间精准定位导航服务对于工业的生产和人们的生活越来越重要，特别是环境复杂的限定空间，如长廊、隧道、地下通道、井下巷道等场所，目前室内精准定位导航技术处于快速发展时期，各种限定空间精准定位导航技术仍还处于研究阶段，尚无法满足限定空间精准导航定位的应用需求。

2、无线电测距是一种利用电磁波进行距离测量的技术，在限定空间精准定位导航中有广泛的应用。为了满足高精度的位置估计和导航等领域的要求，需要能够通过无线测距的方法获取高精度的测距信息。

3、超宽带(ultrawideband，uwb)是一种脉冲无线电通信技术，它可以记录飞行时间戳以实现uwb标签和uwb基站之间的测距。与传统测距技术相比，uwb技术具有穿透力强功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低等优点，可以实现厘米级的精确测距能力。

4、理论上，利用uwb技术进行无线测距可以获取到毫米级的测距精度。在理想环境的实际应用中，通常可以达到厘米级的视距误差精度。但是，在长廊型限定空间环境的测量过程中，由于信号多径传播等因素的影响，会导致uwb测量出现误差而无法保证厘米级的视距误差精度。因此，需要一种能够对偏差的观测数据进行修正的方法。

技术实现思路

1、为解决限定空间下测距时信号多径传输带来的误差问题，本发明提供了一种基于多径信道仿真的uwb限定空间测距修正方法，有效减小了限定空间下由于信号多径传输引起的误差。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、基于多径信道仿真的uwb限定空间测距修正方法，用于使用uwb通信方式的至少两个uwb节点之间的测距；步骤包括：

4、步骤1：测量限定空间垂直于测距方向的横截面的高和宽，确定uwb节点所使用的uwb通道及天线极化方向；

5、步骤2：根据步骤1得到的参数，建立仿真测距模型，以步骤1中测得的高和宽设置四个平面，确定仿真限定空间，仿真限定空间内信号发射源发射uwb脉冲序列，经过直射径、一阶反射径以及二阶反射径到达信号接收点，在信号接收点对多个路径的信号序列进行处理及合成，经过计算得到合成信号相对于发射源信号的延迟时间，并计算出仿真测距值dsr；

6、步骤3：设置多个不同的信号接收点进行步骤2的仿真，得到的多组仿真测距值组成仿真测距数据dsr，仿真测距数据以及与其对应的仿真直线距离dss将测距范围分成不同测距区间，根据测距区间得到测距修正模型dc＝f(dr)；

7、步骤4：使用两个uwb节点通过基于飞行时间的无线测距方法得到实际测距值drr；

8、步骤5：将drr带入步骤3测距修正模型中的dr得到修正后的测距值drc＝f(drr)。

9、所述步骤2中信号发射源发射的uwb脉冲为β＝0.5的根升余弦脉冲，其表达式如下：

10、

11、式中tp为脉冲持续时间。令tp＝3ns(纳秒)，根据上述表达式生成从-8ns到8ns间隔为0.001纳秒的序列，即为信号发射源发射的uwb脉冲序列s{n}。

12、所述步骤2中信号发射源发射uwb脉冲序列，经直射径到达信号接收点的直射径uwb序列为在s{n}前拼接长度为l＝(dss/0.3)的零序列其中dss为直线距离；且s{n}幅度乘以辐射系数cra；即sstraight＝{s0l,cras{n}}，其中辐射系数cra由下式计算：

13、

14、式中λ为uwb信号中心频率对应的波长，由uwb节点所使用的uwb通道决定。

15、所述步骤2中信号发射源发射uwb脉冲序列，经第j条一阶反射径到达信号接收点的一阶反射uwb序列为在s{n}前拼接长度为的零序列其中为第j条一阶反射径距离，即信号发射源到入射点距离与入射点到信号接收点距离之和；且s{n}幅度乘以该一阶反射路径辐射系数和反射系数即其中辐射系数和反射系数由下式计算：

16、

17、式中εr为反射面相对介电常数，与构成限定空间的材料有关，混凝土取7；θj为第j条一阶反射径的入射角；γj为天线线极化方向与第j条一阶反射径入射面的夹角。

18、所述步骤2中信号发射源发射uwb脉冲序列，经第j条二阶反射径到达信号接收点的二阶反射uwb序列为在s{n}前拼接长度为的零序列其中为第j条二阶反射径距离，即信号发射源到第一个入射点距离、第一个入射点到第二个入射点距离以及第二个入射点到信号接收点距离之和；且s{n}幅度乘以该二阶反射路径辐射系数和反射系数即其中辐射系数和反射系数由下式计算：

19、

20、式中εr为反射面相对介电常数，即巷道材料的相对介电常数，混凝土取7；θ1j为第j条二阶反射径的第一个入射角；γ1j为天线线极化方向与第j条二阶反射径第一个入射面的夹角；θ2j为第j条二阶反射径的第二个入射角；γ2j为天线线极化方向与第j条二阶反射径第二个入射面的夹角。

21、所述步骤2中信号接受点接收到经直射径、一阶反射径以及二阶反射镜到达的uwb信号序列sstraight、s1reflection和s2reflection，对其尾部添加0序列，使其达到相同长度；取到达时间与直射径相差不超过2tp的信号序列并相加，得到合成后的信号序列ssynthesis。

22、所述步骤2中对于合成后的信号序列ssynthesis，这里将其简写为ss，由如下计算得到合成信号相对发射源信号的延迟时间tsrns(纳秒)：

23、

24、则仿真测距值dsrm(米)可由tsr·0.3得到。

25、所述步骤3中信号接收点分别设置在与信号发射源的距离从1m到20m间隔0.01m的不同点位。

26、所述步骤3中修正模型dc＝f(dr)如下：

27、

28、其中和分别为仿真模型中对应点间的直线距离和仿真测距值，

29、所述步骤4中基于飞行时间的无线测距方法包括单边双向测距方法和双边双向测距方法。

30、本发明达到的有益效果：本发明结合信道仿真与uwb测距技术，对限定空间下的uwb多径信道进行仿真，进而对uwb测距结果进行修正，减小限定空间下uwb测距误差，有效提高uwb测距精度。

技术特征：

1.基于多径信道仿真的uwb限定空间测距修正方法，其特征在于：所述测距修正方法用于使用uwb通信方式的至少两个uwb节点之间的测距；步骤包括：

2.根据权利要求1所述的基于多径信道仿真的uwb限定空间测距修正方法，其特征在于：所述步骤2中信号发射源发射的uwb脉冲为β＝0.5的根升余弦脉冲，其表达式如下：

3.根据权利要求1所述的基于多径信道仿真的uwb限定空间测距修正方法，其特征在于：所述步骤2中信号发射源发射uwb脉冲序列，经直射径到达信号接收点的直射径uwb序列为在s{n}前拼接长度为l＝1000(dss/0.3)的零序列其中dss为直线距离；且s{n}幅度乘以辐射系数cra；即其中辐射系数cra由下式计算：

4.根据权利要求1所述的基于多径信道仿真的uwb限定空间测距修正方法，其特征在于：所述步骤2中信号发射源发射uwb脉冲序列，经第j条一阶反射径到达信号接收点的一阶反射uwb序列为在s{n}前拼接长度为的零序列其中为第j条一阶反射径距离，即信号发射源到入射点距离与入射点到信号接收点距离之和；且s{n}幅度乘以该一阶反射路径辐射系数和反射系数即其中辐射系数和反射系数由下式计算：

5.根据权利要求1所述的基于多径信道仿真的uwb限定空间测距修正方法，其特征在于：所述步骤2中信号发射源发射uwb脉冲序列，经第j条二阶反射径到达信号接收点的二阶反射uwb序列为在s{n}前拼接长度为的零序列其中为第j条二阶反射径距离，即信号发射源到第一个入射点距离、第一个入射点到第二个入射点距离以及第二个入射点到信号接收点距离之和；且s{n}幅度乘以该二阶反射路径辐射系数和反射系数即其中辐射系数和反射系数由下式计算：

6.根据权利要求1所述的基于多径信道仿真的uwb限定空间测距修正方法，其特征在于：所述步骤2中信号接受点接收到经直射径、一阶反射径以及二阶反射镜到达的uwb信号序列sstraight、s1reflection和s2reflection，对其尾部添加0序列，使其达到相同长度；取到达时间与直射径相差不超过2tp的信号序列并相加，得到合成后的信号序列ssynthesis。

7.根据权利要求1所述的基于多径信道仿真的uwb限定空间测距修正方法，其特征在于：所述步骤2中对于合成后的信号序列ssynthesis，这里将其简写为ss，由如下计算得到合成信号相对发射源信号的延迟时间tsrns(纳秒)：

8.根据权利要求1所述的基于多径信道仿真的uwb限定空间测距修正方法，其特征在于：所述步骤3中信号接收点分别设置在与信号发射源的距离从1m到20m间隔0.01m的不同点位。

9.根据权利要求1所述的基于多径信道仿真的uwb限定空间测距修正方法，其特征在于：所述步骤3中修正模型dc＝f(dr)如下：

10.根据权利要求1所述的基于多径信道仿真的uwb限定空间测距修正方法，其特征在于：所述步骤4中基于飞行时间的无线测距方法包括单边双向测距方法和双边双向测距方法。

技术总结本发明公开了基于多径信道仿真的UWB限定空间测距修正方法。所述基于多径信道仿真的UWB限定空间测距修正方法主要包括以下步骤：确定所需参数；建立仿真测距模型；进行仿真，得到修正模型；进行UWB测距，得到测距值；使用修正模型得到测距值的修正值。多径信道仿真模型包括以下部分：模型基本设置、信号发射源发射的信号序列、信号序列的传播路径、直射径的信号序列、一阶反射径的信号序列、二阶反射径的信号序列、信号接收点合成后的信号。本发明结合信道仿真与UWB测距技术，对限定空间下的UWB多径信道进行仿真，进而对UWB测距结果进行修正，减小限定空间下UWB测距误差，有效提高UWB测距精度。技术研发人员：刘毅,闵志鹏受保护的技术使用者：中国矿业大学（北京）技术研发日：技术公布日：2024/9/29