超宽带穿墙测距误差研究
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第
43
卷 第
11
期
2 0 1 1
年
11
月
哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报
JOURNAL OF HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY
Vol. 43 No. 11
Nov． 2011
IR-UWB
穿墙测距误差研究
蒙 静
1
，
张钦宇
1
，
张乃通
1，2
，
张霆廷
1
，
马 琳
2
（ 1 ．
哈尔滨工业大学 深圳研究生院
，518055
深圳
，starsmeng@ 126． com；
2．
哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院
，150001
哈尔滨
）
摘 要
：
通过将
IR-UWB
穿墙测距
NLOS
误差建模为由空间结构导致的几何距离误差和脉冲信号波形失真
导致的峰值偏移误差
．
依据高频射线理论推导了基于收发节点距离和墙体参数的几何距离误差限
．
通过对
IR-UWB
信号穿墙透射机理的建模
，
研究了频率依赖性导致的波形失真问题及相应的
TOA
测距误差
．
仿真结
果表明
，
几何距离误差主要由墙体障碍物参数决定
，
受收发节点间距离的影响不大
； IR-UWB
信号穿墙传播
会发生波形畸变
，
墙体的非均匀性和相对介电常数越大
，
波形畸变越严重
，
由此导致的
TOA
相关峰值偏移误
差维持在脉冲信号距离分辨率范围内
．
关键词
：
测距误差
； IR-UWB；
穿墙传播
；
波形失真
中图分类号
： TN914. 4
文献标志码
： A
文章编号
： 0367 － 6234（ 2011） 11 － 0084 － 05
Research on IR-UWB through wall ranging error
MENG Jing
1
，ZHANG Qin-yu
1
，ZHANG Nai-tong
1，2
，ZHANG Ting-ting
1
，MA Lin
2
（ 1． Shenzhen Graduate School，Harbin Institute of Technology，518055 Shenzhen，China，starsmeng@ 126． com；
2． School of Electronics and Information Engineering，Harbin Institute of Technology，150001 Harbin）
Abstract： As the TOA ranging error was always corrupted by the direct path blockage and excess delay in
complicated indoor environments，the NLOS ranging error due to IR-UWB through wall propagation was mod-
eled by dividing it into two parts： the geometrical error caused by the pulse transmitted through wall，and the
peak biased error caused by the pulse waveform distortion due to frequency dependence of huge bandwidth．
The theoretical geometrical error bound was derived from transceiver distance
，wall thickness and materials．
The IR-UWB through wall propagation was modeled using sub-band method，and the peak biased errors were
investigated through the waveform distortion of IR-UWB signal propagated in different wall structures． The sim-
ulation results show that the geometrical error was mainly determined by the obstacles parameters and the peak
biased errors caused by IR-UWB waveform distortions were within the distance resolution of IR-UWB signal．
Key words： ranging error； IR-UWB； through wall propagation； pulse distortion
收稿日期
： 2010 － 05 － 07．
基金项目
：
国家自然科学基金资助项目
（ 60702034） ．
作者简介
：
蒙 静
（ 1981—） ，
女
，
博士研究生
；
张钦宇
（ 1972—） ，
男
，
教授
，
博士生导师
；
张乃通
（ 1937—） ，
男
，
教授
，
博士生导师
．
基于脉冲超宽带
（ Impulse Radio Ultra-wide-
band，IR-UWB）
的无线定位系统充分利用了
IR-
UWB
信号高达纳秒级别的时间分辨率
，
结合到达
时间
（ Time-of-Arrival，TOA）
的测距理论上可获得
厘米级别的定位精度
［1］
．
然而
，
无线定位测距性能
也受到
IR-UWB
信号传播特性的影响
，
特别是复杂
室内环境下的非视距
（ Non-Line-of-Sight，NLOS）
传
播是造成
TOA
测距误差的主要原因
．
由于
IR-UWB
信号具有强穿透能力
，
是目前众多短距离定位技术
无法匹敌的
［2］
，
深入研究
IR-UWB
信号穿墙透射机
理及其导致的
NLOS
测距误差
，
对无线定位系统设
计和性能优化都具有重要意义
．
目前在视距
（ Line-of-Sight，LOS）
环境下对
IR-UWB
定位系统测距误差的研究已经获得了较
统一的高斯分布模型
［3 － 4］
，
而对
NLOS
误差的研
究一直没有定论
，
主要是由于室内环境统计相似
性已明显消失
［5］
，
有限环境测量结果通用性不
大
．
特别是
IR-UWB
穿墙传播中的距离误差不仅
与收发节点距离和障碍物参数有关
，
也受到脉冲
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