Performance of multi-band orthogonal frequency division multiplexing ultra wide-band system on IEEE UWB channels

Multiband orthogonal frequency division multiplexing (MB-OFDM) ultra wide-band (UWB) is a novel wireless communication technology. It has many advantages and is being actively researhed. In this study, we constructed and implemented a simulation model of UWB communication systems in Simulink. We found the MB-OFDM UWB system has the best performance in distance between 4 m to 10 m without the line-of-sight requirement.

一种复杂环境下UWB测距误差预测方法

针对复杂室内环境中,多径干扰和视距遮挡影响室内定位精度的问题,提出一种复杂环境下UWB测距误差的预测方法:根据超宽带(UWB)室内定位方法抗干扰能力强、定位精度高的特点,从理论上分析影响超宽带信号测距精度的因素;然后通过模型量化分析每种影响因素对测距误差的影响程度,改进以往通过信道脉冲响应特征分析单一的视距遮挡参数来提高定位精度的补偿算法;最后从数据挖掘和机器学习的角度出发,将多径效应、视距遮挡、标签与基站的距离、标签移动速度、标签与基站天线俯仰角以及气象因素(温度、湿度、压强)等对测距精度造成影响的重要因素作为特征进行分类和归类,并使用梯度提升决策树模型对数据集进行训练和预测。实验结果表明,该模型可以根据当前状态下的组合特征值估计出测距误差值,将当前预测的误差值补偿到测量值上,可以有效提高超宽带室内定位的精度。

基于TOF和自适应抗差卡尔曼滤波的UWB室内定位算法

为提高超宽带(UWB)定位系统在室内复杂环境下的定位精度,提出一种基于飞行时间(TOF)和自适应抗差卡尔曼滤波(ARKF)的改进定位算法。针对超低功耗宽带设备在复杂室内环境状态下易受周围干扰而存在标准时间偏差的问题,提出一种改进的TOF算法,同时进行测距标定,拟合数据;对室内存在非视距(NLOS)干扰的情形,提出一种ARKF算法,通过比较残差与3倍信息的方差来判断视距(LOS)与NLOS情形。实验结果显示:该算法可以在静态与动态定位实验中有效提高系统定位精度,降低定位误差,取得较好的定位效果。

基于UWB的天然气站场室内三维定位系统研究

为解决天然气站场室内定位中因非视距(NLOS)现象导致人员和设备定位精度低的问题,设计了一种基于超宽带(UWB)与Three.js的天然气站场室内人员与设备三维定位系统。通过B/S三层架构,以Django框架和VUE框架为基础,利用Python、HTML5、CSS3和Three.js,实现定位信息在网页客户端的三维可视化。通过对UWB技术的研究,为保证定位精度,基于到达时间差(TDOA)测量值,采用卡尔曼滤波算法对其进行NLOS滤波,并结合Chan算法融合多基站数据,最终得到目标点的计算位置。通过搭建实验环境,对三维定位系统进行定位标签静态和动态定位实验。实验结果表明,对于NLOS现象严重的复杂室内环境,该系统定位精度高、运行平稳,能为天然气站场室内定位提供一种切实可行的技术。

PDR与UWB融合的森林消防员定位系统设计

针对森林消防员在林区环境下由于全球导航卫星系统(GNSS)定位拒止及惯性导航误差累积而难以精确定位的问题,设计了一种融合行人航位推算(PDR)和超宽带(UWB)测距的定位系统。首先,基于消防员个体装备的便携性要求,利用加速度计、磁强计、陀螺仪和气压计设计头戴式定位系统;其次,将指挥员作为基站,利用UWB测得消防员与基站之间的距离;接着,基于扩展卡尔曼滤波(EKF)设计了PDR与UWB融合的定位算法,将测距信息与消防员的运动状态进行融合解算,约束误差发散;最后,利用设计的软硬件定位系统进行了验证实验。结果表明:在真实林区实验中,与无约束PDR相比,采用PDR与UWB融合的定位方法将位置误差减小了60.04%,有效提升了系统的定位精度。

基于UWB定位技术的煤矿机械装备防碰撞系统研究

随着煤矿机械装备的广泛应用,机械装备的防碰撞已经成为煤炭行业重要的研究课题。文章主要研究了基于超宽带(Ultra Wide Band,UWB)定位技术的煤矿机械装备防碰撞系统,通过开发定位算法、防碰撞算法、数据处理与分析等功能模块,实现系统的实时监控与报警功能。实验表明,该系统能够有效避免机械装备之间发生碰撞,进而提升煤矿生产的安全性。

基于Taylor-Chan算法的改进UWB室内三维定位方法

[目的]针对室内三维空间环境复杂导致传统超宽带(ultra wide band,UWB)定位算法精度低、稳定性差的问题对UWB室内三维定位方法进行研究.[方法]在Chan和Taylor算法基础上,设计了一种基于距离误差筛选机制的Taylor-Chan定位算法.首先使用简化Taylor算法求解得到标签初定位结果,再结合初定位结果和测距信息根据所设计筛选函数剔除误差较大的基站数据,最后基于筛选得到的数据,使用Chan算法得到最终标签定位结果.[结果]在室内视距和非视距两种场景下进行仿真,Taylor-Chan算法相比于Chan和Taylor定位精度都有一定的提高,且测距误差越大的情况下,Taylor-Chan算法的定位效果越明显.[结论]仿真结果表明,对比现有方法,本文所提出的Taylor-Chan算法在室内三维空间的视距和非视距环境下都能有效改善定位精度.

改进抗差卡尔曼滤波的UWB定位模型

针对超宽带(UWB)技术已在室内定位、智能交通等领域广泛应用,但由于障碍物遮挡或其他原因,使得UWB测距值可能存在误差,从而大幅度降低UWB的定位精度和可靠性的问题,分析抗差卡尔曼滤波(RKF)在UWB定位中的特点,在此基础上,提出改进的RKF算法(RKF-SW)进行粗差检测,根据预测残差进行第一次样本异常值检验探测,采用1/4样本分位数进行第二次样本异常值探测。实验结果表明,与RKF算法相比,RKF-SW算法具有较强的异常值识别能力,能够提升UWB系统的定位精度,开阔场景下定位精度可提高约80.0%,遮挡物干扰情况下可提高约82.1%。

抗差Helmert方差分量估计在GPS/BDS/UWB融合定位中的应用

针对卫星信号受限环境下,全球定位系统(GPS)/北斗卫星导航系统(BDS)组合定位出现较大偏差的问题,引入超宽带(UWB)技术作为定位性能增强技术。GPS/BDS伪距测量值与UWB测距值作为原始观测值,提出了基于抗差赫尔默特(Helmert)方差分量估计的GPS/BDS/UWB融合定位方法,实现合理定权,抵御粗差影响。分别进行了静态实验和动态实验,结果表明:没有粗差情况下,GPS/BDS/UWB融合定位相对于GPS/BDS的定位精度在静态实验和动态实验中均有所提升;引入粗差后,定位结果可抵御粗差,精度提升较为明显。

基于WSN+UWB的室内人员定位系统设计

随着社会发展,家长对幼儿安全越来越重视,幼儿园环境安全与否直接关系到儿童的健康及生命。为保障园区内幼儿状况及安全,文章提出了一种室内人员定位系统设计,该系统在满足基本定位需求的同时,采用了超宽带(Ultra Wide Band,UWB)技术,具有穿透性强、抗干扰和功耗低等优势,其性能表现已超过蓝牙和Wi-Fi,并以UWB技术作为主要技术依据,将无线传感网络(Wireless Sensor Network,WSN)技术与UWB技术相结合,设计了一款智能化的人员看护及定位系统,测试结果证明了该系统设计可满足园区内人员监测及定位警报的需求。

基于时频域特征融合的IR-UWB穿墙雷达人体行为识别方法

冲激脉冲(impulse radio,IR)超宽带(ultra-wideband,UWB)穿墙雷达因其良好的穿透性和距离分辨率在穿墙人体行为识别领域具有重要作用,但是常规识别方法仅采用单域特征对行为模式进行描述,识别准确率不高。针对这一问题,提出基于时频域特征融合的IR-UWB穿墙雷达人体行为识别算法。首先,通过杂波抑制及距离补偿方法获取高信噪比的人体行为距离像。其次,基于距离像提取目标时域特征,与频域特征进行融合,构建数据集。最后,基于支持向量机(support vector machine,SVM)算法对人体行为进行识别。实验结果表明,所提算法对于IR-UWB穿墙雷达人体行为识别能够达到95%的准确率。

UWB无线传感器网络中基于匹配滤波检测的TOA估计

深入研究了UWB(ultra wideband)无线传感器网络中基于匹配滤波门限检测的TOA(time of arrival)估计算法.针对现有算法的不足,提出了一种三步TOA估计算法:先确定DP(direct path)搜索区域,然后使用门限检测确定DP的粗略位置,最后精确搜索到DP的中心.其中,用于计算检测门限的门限因子依据匹配滤波输出的峭度动态设置,设置模型独立于信道模式,其正确性通过与使用固定门限因子所获得的性能对比进行了验证.与其他算法的性能对比仿真结果表明,所提出的三步TOA估计算法在运算效率和TOA估计精度上取得了较好折衷,适合于当前实际应用.还通过对TOA估计误差的统计分析讨论了测距结果的可信度:依据峭度将测距结果划分为可信和不可信两个级别,并为各级别的TOA估计误差分别了建立概率密度模型.在定位模块中有效利用这些可信度信息,可进一步提高定位精度.

DGPS与UWB混合精确无缝定位技术研究

差分全球定位系统(DGPS)是一种精确的定位系统,但在室内或有障碍物的情况下,其定位精度很低甚至不能进行定位。超宽带(UWB)定位系统在室内有很高的定位精度,但受其测量范围的影响,不适合室外定位。将DGPS和UWB结合定位,利用Kalman滤波器对UWB非视距误差(NLOS)进行消除,采用粒子滤波器对不同传感器进行数据融合,并使用GPRS通信模块进行无线数据传输。实验表明:该方法能够使系统整体定位精度提高19%,既能满足室内外无缝定位,又具有很高的定位精度。

基于UWB的无线传感器网络中的两步TOA估计法

为了设计一种以较小运算量获得较高测距精度的TOA(time of arrival)估计算法以适合节点运算能力有限的UWB(ultra wideband)无线传感器网络,提出了一种结合能量检测与匹配滤波的两步TOA估计方法.分析了该方法的工作原理,指出了第1步中DP(direct path)块检测成功率及第2步中匹配滤波门限因子设置的重要性.通过仿真对影响DP块检测成功率的两个因素,即DP块检测算法的选用和能量积分周期的设置进行了讨论.提出了依据能量采样序列中DP块与最小块比值DMR(DP to minimum energy sample ratio)动态设置匹配滤波门限因子的思想,并为其建立了数学模型.仿真结果表明,两步TOA估计方法在运算量比单一的基于匹配滤波的相干算法小很多的情况下,获得了比单一的基于能量检测的非相干方法更好的TOA估计性能,从而更适合应用于有低复杂度、低能耗设计需求的传感器节点中.

时间平均改进的UWB精确定位算法

超宽带(UWB)技术在无线定位的应用上具有很大的优势.针对UWB定位算法在短距离时精度不高的问题,提出了时间平均的改进算法.仿真结果表明,采用不同的时间平均次数,改进算法可使定位精度由传统算法的1.1 m提高到0.2～0.6 m.

UWB MIMO生物雷达多静止人体目标成像方法研究

由于临近多静止人体目标之间存在较强的相互干扰,仅利用单通道生物雷达的距离像难以区分多个静止人体目标。为解决上述问题,该文利用超宽带多输入多输出(UWB MIMO)生物雷达获取多静止人体目标的2维高分辨图像,从空间上更好地分隔多静止人体目标,然后基于UWB MIMO图像的慢时间序列对人体生理信号进行增强,有效抑制人体目标间的相互干扰。实测数据结果证明该文所提方法能够获得相互靠近的多静止人体目标的高分辨图像,使后续的多静止人体目标高性能检测与定位成为可能。

基于改进射线追踪和三维可视化的UWB信道仿真

结合几何光学和一致性劈绕射理论,实现超宽带确定性信道的仿真。应用类似矢量网络分析仪的原理,计算超宽带信道的时域响应和信道损耗。在应用基于镜像的射线追踪方法进行路径计算时,引入了一种控制仿真深度的方法。该方法在构建镜像树时预测每个子节点可产生的最小衰减值,并将其与期望衰减阈值进行比较的,以达到控制镜像树规模的目的。与以反射和绕射阶数控制仿真深度的方法相比,该方法在保证同样精确度的条件下能够有效地减少计算时间。为了增强仿真结果的表现形式,仿真借用3D游戏平台,实现了信道损耗的立体可视化。

基于邻域统计分布变化分析的UWB SAR隐蔽目标变化检测

该文针对载机不同航迹条件下所得多时相UWB SAR图像灰度值存在较大起伏,严重影响了基于像素灰度值差异的变化检测算法性能,提出了一种基于邻域统计分布变化分析的UWB SAR隐蔽目标变化检测方法。该方法将Gram-Charlier展开理论同秩序滤波器相结合对多时相图像中每个像素邻域的统计分布进行估计,进而借助K-L散度理论对多时相图像邻域统计分布变化进行定量分析以检测目标对应的变化区域。实验结果表明,该文方法能够更好地适应不同航迹UWB SAR图像间灰度起伏的影响,取得更好的检测结果。

消除窄带干扰的UWB正交成形脉冲序列设计

提出了产生UWB正交成形脉冲序列且能消除窄带同频干扰的新方法.仿真结果表明:该方法产生的UWB瞬时成形脉冲的功率谱密度分布符合FCC频谱规定的要求,具有很高的频谱利用率,既可以降低用户间干扰,又解决了UWB与窄带系统同频干扰的问题.

基于UWB无线定位的汽车防撞系统设计

汽车测速、测距的防撞预警可有效避免交通事故的发生。介绍了测速、测距原理,在此基础上论述了基于系统及芯片(system on a chip,SoC)的汽车防撞系统,提出了一种应用SoC芯片和超宽带(ultra wide band,UWB)无线定位技术的汽车防撞系统方案,研究了系统中关键功能模块UWB模块和SoC信号处理模块的实现和软件处理流程。结果表明,该方案可对行驶中的汽车与汽车以及汽车与其他障碍物之间的距离进行实时监测,在距离较近时能准确及时地判断并采取合理的处理措施,避免碰撞的发生,保障行车安全。