宽带超声波的室内定位系统(共19页).docx

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1、精选优质文档-倾情为你奉上宽带超声定位系统-此文翻译而来仅供参考-麦克哈斯和安迪霍普概述超声波定位系统是一种普遍的能够提供高精度的室内点位置定位数据的解决方案。应用系统包括强大的无线路由网络，计算机辅助导航，和位置检测装置的反应。然而，当前的超声波定位系统由于使用窄带传感器而受到局限。本文研究使用宽带超声波的室内定位系统。宽带超声的发射器和接收器单元的开发和特征。使用这些单元去构造两个具有不同体系结构的定位系统是为了突出和证实这种体系，实际的说明带宽超声波在室内定位定位人或设备的优势。索引词定位关键/灵敏度，普遍性和通用性计算，支持服务移动计算。1 引言在过去的15年，已经有越来越多的研究致力

2、于发展位置检测传感器系统。节点的定位数据可用于提高无线网络部署的动态性或是允许打印传感器位置数据。通过追踪用户，定位系统也能驱动使用检测周围环境的应用程序，通过这样允许设备更有效的为用户提供服务。全球定位系统原理是移动接收端通过测量卫星发射信号达到时间差来计算自身位置数据。通常精度可以达到几米，但是在室内GPS性能受到严重限制。为了解决这些缺陷，已经开发了一些专用的室内定位系统。所有的数据通过感应真实世界的物理量来获取，依靠这些数据计算或推导出位置。最早的一些定位系统依靠发射单元和接收单元两者进行周期性发射红外脉冲。红外信号唯一能够识别发送单元，它使用定位系统中已知固定位置的单元，通过比例大小

3、估算出移动单元的位置。近期，也提出了基于无线电信号的定位系统。有的是利用视觉或是测量无线局域网中接入点的信号强度，还有的是基于特殊标志和固定基站测量无线电信号传播时间。这两种典型的定位系统定位精度都在3米或更大。相比之下，高精度定位系统有能力提供精确到厘米级的定位信息，可以用来增强现有的应用和可能实现的新应用。在我们工作场所、家里和公共场所已经存在大量的高精度位置传感器。例如包括移动地图，桌面控制，移动电话会议和移动多媒体，活动注释，无处不在的用户界面、增强真实性，室内环境控制，电话呼叫转移，监控和支持老人使用的系统，和博物馆导航。在高精度室内定位解决方案中，超声波定位系统已经被证明是相对简单

4、的方案。然而由于现在已有的超声波定位系统总是采用随机处理的窄带宽超声波，迫使系统在许多方面的性能受到限制。本文介绍了以宽带超声为基础的高精度定位系统。首先，对先去的高精度定位系统进行讨论和鉴定局限他们功能的共同因素。宽带超声波发送和接收单元合适的使用在标准室内定位系统上后的描述和特性。概述一种适合传播频谱信号的方法和评估该方案测距的能力。本文也通过调查形式报告实验结果，集中定位系统和个人向导定位系统。通过分析两个系统的性能总结得出关于宽带宽超声波定位系统的一般性结论。2 相关工作和目的各种各样的高精度室内定位系统传感器解决方案用于计算移动位置。在海博系统中，用户佩戴安装有横向光电感应二极管阵列

5、传感器和安装在天花板上的红外发射装置。超带宽无线定位系统由Ubisense公司开发。利用安装在建筑中的信号接收装置来跟踪定位用户携带的超声发射装置发射的信号。TRIP系统采用计算机视觉技术来跟踪定位贴在用户或设备上的二维码标签。虽然效果好，高精度的红外和超带宽系统使用的是专用硬件所以目前用在移动场所定位相对比较昂贵。计算机视觉技术使用的是商用相机潜在的降低了成本，但是它们能被运用在大面积定位吗。因此，它们的真实成本没有被评估和在运用在有许多人的大范围跟踪方面以及设备在日常环境中的运用能力尚未验证。大量的其它方面的研究影响超声波定位系统的发展。超声波传感器相对成本低，出来超声信号的要求也比以上提

6、到的解决方中的要求低，结果表明简单的、低成本的系统才是有效的室内定位系统解决方案。2.1 超声波定位系统在Bat系统中，用户佩戴小小的装置当接收到来自中央控制器的触发信号时就发送超声波脉冲。系统测出脉冲在装置和安装在天花板上的接收之间的转播时间，采用多点定位算法计算装置在该网络中的三维坐标。系统得出位置信息通常精度能达到3cm，理论上更新一个集合位置的频率能达到150Hz。Cricke系统使用分布在建筑中的“路标”，每个“路标”装置向周围发送射频信号的同时发送超声波脉冲。这些装置广播似的随机发送信号目的是出现最小信号碰撞。由移动用户携带的设备称为监听器，接收射频和超声波信号以及计算其传播到信标

7、的时间近似计算距离。系统第一次实现计算能够定位用户在一个平方米的面积内，但通过使用更大密度的“路标”装置，设计能够达到5到25cm的精度。收集来自距离25m的每一个装置出现最小射频和超声噪声信号时的样本数据，那么得到一次更新的位置数据平均需要5秒。监听器可以独立定位自己的位置，避免有潜在妥协用户个人信息的集中式系统。同样，兰德尔和穆勒描述了一个允许穿戴设备和手机都可以自动定位的系统。四个超声波传感器放置在场地角落的天花板上并连接到控制器。控制器发送一个无线触发信号触发四个超声波传感器连续的发出超声波信号。无线触发信号也同步触发移动接收单元，然后测量超声波传播时间以此来计算自身在3维空间里面的位

8、置，可以精确到1025cm。系统更新频率为几赫兹。2.2 窄带宽超声波定位系统的局限性上述三个系统都是采用窄带超声传感器为它们测量距离。三个系统固有的局限性有如下这些原因：1. 单用户访问。如果多个用户同时发送信号，一个信号会被另一个信号干扰，破坏接收。2. 缺少识别码。窄带系统典型的解码数据缓慢，这使得在它上面编码一个独特的短小的标志信号是不可能的；因此，接收机很难区分信号来自哪个发送基站。3. 噪声灵敏度。这些系统在超声噪音方面性能差。上述超声波定位系统通过试图确保发射机单一时间发送信号来避免第一个问题。这个解决方案以牺牲更新速度为代价；只允许一时刻只有一个发送信号是一段时间更新一次位置数

9、据的条件。第二个问题是经常使用更广泛的带宽技术、无线电或红外线等来解决识别传送单元。然而，提供一个专用的通信通道会增加系统的复杂性，需要更多的固定基础设施，和提高了移动设备的功率。第三个问题是没有地址。超声波噪声产生于人们日常活动。例如包括铅笔掉到桌子上的叮当声，人敲击电脑键盘打字的声音，或者一袋薯片被打开的沙沙声。这些声音经常发生在典型的室内环境中。上述这些声音发生时，上述超声波定位系统准确性受到干扰，移动端更新的位置数据带有噪声源。为了克服这些问题带来的限制，宽带换能器和传播光谱信号技术被提出来。本文研究的目的是实现和描述带宽超声波室内定位系统的优势。2.3 设备描述和特性宽带超声波发射器

10、和接收器的原理，称作声呐效应，已经被开发。本文描述了如何设计和表征声呐效应的原理。本文还展示带宽通道发射机和接收机的灵敏度，证明声呐类型的带宽超声波定位系统的定位搜索能力。应该指出的是声呐单元被设计得十分灵活，为了充分评估这项新技术的适用性。因此，硬件没有优化尺寸和功耗，信号分析和处理由外部设备执行。然而，优化设计单位小，自主，无线电，和可靠的电池，在为了完成研究所需要完整设置分为5个部分，还有讨论声呐定位系统的可行性。3 传感器设计3.1 传感器的选择和安装通常用于超声波系统的窄带传感器使用压电陶瓷作为他们的位置传感元件。这些类型的传感器低价、小、耐用和灵敏度高。然而，他们是高度共振的，在大

11、多数情况下有一个可用的带宽频率不足5Hz。另一方面，静电换能器拥有高灵敏度和极宽的带宽。但是，它们不耐用并且昂贵，以至于不能大规模使用它。某些合成聚合物薄膜具有压电属性和压电聚合物薄膜或是压电简单薄膜。这些压电薄膜中尤其是氟化物已经在超声波传感器上使用，运用在高频率（超过200KHz）医学成像和非破坏性测试。压电薄膜传感器很小、便宜、崎岖的多静电传感器，有一个宽的频率带宽。虽然有现成的压电薄膜设备可检测的带宽特性能用于超声波定位位置，这些往往过于笨重运用在移动计算应用程序场景。因此，它需要制作一个小的压电薄膜传感器，但是仍然在带宽和辐射模式上适合室内定位系统。压电薄膜超声换能器在空气中传播的设

12、计来自费奥瑞洛和被王户田和丰岛区进一步改进。它由一个两个沿着边缘安装的小矩形块压电薄膜形成半圆柱形。如图一，图1、操作夹圆柱派佐薇聚传感器这是设计产品的压电薄膜加紧装置。半圆柱的半径r任意变化可以被视为改变电压薄膜的长度L，来自L=r。由于电压薄膜的形变，改变的长度L大约与输入电压成正比。因此，增加传感器灵敏度可通过下面两种方式：1. 发射机,当电压被应用；2. 接收器,当空气中的声波的影响。这个传感器被设计来衡量短距离和最大范围的40厘米。费奥瑞洛修改版本的设计中使用声呐原型发射器和接收器。从测量专业的压电膜采购公司2。小从压电换能器元素被削减电影表。如图2所示，每个元素被接触导电垫之间两张

13、打印出来电路板(PCB)。使用螺钉和螺栓毗邻垫,两块PCB紧紧攥在一起，严格夹紧的两端压电薄膜元素。的压电薄膜在发射机安装单位有一个元素圆柱长度约5毫米,而接收单位10毫米，允许更大的敏感性。图2、PCB压电薄膜，压电薄膜元素是被夹在两块导电垫之间的印刷电路板。3.2 发射机更常见的超声换能器相比,这样的压电陶瓷、压电薄膜传感器较低效率。在实验中,灵活性希望发射器单元可以开车，从其压电薄膜传感器的信号水平几十几百伏峰间值。所示图3，这是通过使用一个功率运算放大器一些信号调节和升压变压器。声呐发射器单元图4所示，尺寸在60mm*94mm*15mm。五的发射机单位在使用测量的一个特征消声室。五个单

14、位的测量频率响应图5所示。几乎没有反应的差异个人发射器。图5 b显示了平均频率响应的五个单元。辐射模式是通过测量特征声压级在不同在两个不同的角度飞机，定义在图6。在50千赫平均响应五个发射器一系列这些角度所示图7。总的来说，声呐发射机的特点是有利的。在1米，不声输出随超过10 dB从35到100千赫频率和的角度，在60度。图3、发射机框图。一个运算放大器和升压变压器用于驱动压电薄膜元素。图4、声呐发射机在这个原型,权力和模拟信号一代提供外部来源。图5。生发射机频率响应在1米。(b)显示了响应曲线予以修正，但就算是这样，一直使用已知的补偿频率特性的测量设备和超声波在空气中传播的衰减。(a)个人反

15、应五个发射器。（b）平均响应。图6。传感器灵敏度的角度的定义。描述的角度飞机正常的传感器的圆柱形轴,而代表包含圆柱轴的角度在平面上。(一)角度描述通过。(b)角度描述。图7。在两个垂直平面(见发射机辐射模式 图（6)。(a)排放。(b)排放。3.3 接收方压电薄膜的压电效率相对较低再决定接收机原型的设计决策。静电计的电荷放大器配置用于放大压电产生的低信号电影的元素，如图8所示。由于敏感性静电计的前置放大器，它是必要的电磁屏蔽接收机电路(图9)。否则，辐射外部资源,如高可能在发射机的电压，可以创建不可接受的信噪比条件。图8。接收单元电子传感器接口。静电计电荷放大器作为前置放大器、带通滤波器将感兴

16、趣的频率范围以外的(20 - 100千赫)。图9。声呐接收机。住房和金属网圆顶减少电磁干扰。接收方还包含两个标准9 V电池提供电力。五个声呐接收器的灵敏度特性在消声室测量。在1米，接收单位拥有平均灵敏度1724 mV / Pa 50千赫。图10显示了他们的反应分贝,引用这个敏感性,图10 b显示了平均频率响应。图10。接收机频率响应。(a)个人五接收器的敏感性。(b)平均灵敏度。图11显示了50千赫和灵敏度飞机(图6)中定义,平均五个接收器。绘制敏感性是用分贝表示,请参考在0度的敏感性。图11。接收机灵敏度模式在两个垂直平面无花果。6)。(a)敏感。(b)的敏感性。接收器的行为不是尽可能接近理

17、想发射器。频率响应的变化25 dB在检查频率范围。作者怀疑接收机频率特性由金属网屏蔽不利影响,或可能静电计前置放大器电路,但进一步表征接收器需要来确定事业。关于梁模式,接收机灵敏度在10 60 dB寻找j和重要的旁瓣可见45。注意,光束模式内10 dB 60之间的角度发射器,但只有45接收器。长圆柱长度往往聚焦光束模式。因为的长度接收换能器发射换能器的两倍,这预计更集中的光束。3.4 通道带宽的平均频率响应之间的通道声呐是发射机和接收机图12所示。为同轴的范围在1米的距离,该频道76千赫带宽噪声地板上面。如图所示表1，如果信号是由离轴传输衰减或更大的发射机和接收机之间的距离，仍然有噪音带宽上面

18、地板上。4 宽带测距宽带的声呐带宽特性，可以用来实现处理增益扩频信号，允许完成测距各种各样的入射角度和室内环境的距离。本节讨论信号测距方法适合的测量宽带超声和显示测距精度的方法。然后概述了一种多用户信号处理技术方法的功能。4.1 直接序列，分码多址在直接序列扩频系统中，一个随机二进制序列进一步调制在调制载波信号上。应用位随机序列码的速率通常比数据速率快。这些对传播信号频谱的影响。可以认为这是分发的信息内容在一个大范围的对承运人频率而不是定心的频率。这种传播方式使得频谱信号存在更多的噪声。使用DS伪码随机发送方式可以在带宽超声波系统中可以避免现有的窄带噪声系统敏感性的限制。金码是一组特定的具有自

19、动适应性和互相关联的属性的伪随机码。在扩展频谱系统中将不同的金码分配给用户，他们的信号可以同时发送仍然能被接收机分别接收。这减小了由于信号相互干扰影响多址访问时系统接收出错的问题。系统使用特定挑选的代码实现从不同的用户中分离记录用户信息的伪代码的重叠信号进行多地址访问。采用多地址访问方式为带宽超声波分配信号用户地址和解决窄带系统识别和编码的约束。DS/CDMA信号结构是适当的声呐通道，因为他们使在低信噪比条件下比其他多址方式处理信号效率更高更容易，如调频方式。实验时提出在测量信号中由一个50KHz载波调制的黄金二进制代码。黄金代码长度为511位传播频率为20KHz，产生一个持续时间约25ms的

20、信号。如图13，展示了当黄金代码在调节使用时频率扩散效应对它的影响。图13.传播范围的光谱信息。（a）50KHz载波。(b)50Khz传播20KHz黄金信号为了检测测距脉冲的到达，接收机接收到的波形必须支持相关的本地生成的信号，使用已知的信号参数。一个简单的峰值信号检测算法可以用于识别不同信号到达的时间差。4.2 测距精度多址访问测量已经被证明比先前的测距系统更成功。它们类似于GPS定位方式且吉罗德和艾福特已经使用代码在类似声波测距系统中，它能在音频范围内运行。验证DS/CDMA超声波测距精度通过使用黄金代码传播准则，测试发送机和接收机使用声呐效应。信号的生成，捕获，和分析使用数据采集工作组电

21、脑和模拟输出PCI卡。超声波在空气中传播的速度（传播时间换算出所需测量的距离）估算通过一个温度传感器辅助。每五个直接的距离为0.52.5m之间完成1500米范围内进行测量。测距错误如图14，随着距离的变化的测量误差情况-不超过预期参考距离计算的误差。图14.发射机接收机误差。误差条表示的是每个测量距离的标准偏差4.3 消除串行干扰CDMA系统有许多发射机同时发送信号有时会遇到信号之间相互干扰的问题，尽管事实上这些代码可以选择可能的属性相近的垂直线。这些发射机发送信号的功率与接收机接收信号相比。当尝试解调的信号弱于其它信号许多倍时其它信号的内容，互相关峰值由于这些信号相互叠加，探测器可能无法检测

22、到弱信号。通常情况下大信号发射机会导致系统性能退化这种现象称为远程效应。处理多用户互相干扰的一种有效方式为CDMA系统采用连续消除干扰（SIC），该方式被维特比提出。一个接收器执行SIC第一次检测发射机发射的有效的一个信号。一旦检测到信号，发射机选择（可能发射一个相对其它很强的信号）发射信号然后重新建立连接接收机和接收波形。重复这个过程直到只剩下一个用户。在执行SIC方式时困难在于取消了估算信号振幅。无线通讯时，信号的振幅取是否测试取决于用户拥有的权利，用户通过控制功率控制发射机功率来觉得振幅。然而，在室内超声波定位系统与移动用户设备之间，接收器发射的信号的功率还取决于发射机的位置和方向是未知

23、的。替代方法为运行相关计算信号的振幅权限。一中类似的方法可用于SIC系统处理带宽超声波测距信号，定位系统其中一个应用在下一节中讲述。5 两个带宽超声波定位系统本节介绍了两个采用声呐原理的超声波定位系统的原型。这两个系统有完全不同的体系结构，相互比较，说明带宽超声波带来的优势。然后测评硬件进行比广域部署和使用声呐原型所需的平均要求。5.1 调查，集成位置系统调研部分超声波定位系统，主要是发送它们的测试信号时将提前通知放射机，因而其它部分则集中等待，这表明有一个中央服务器负责收集信号传播时间根据时间来计算移动终端的位置坐标。蝙蝠就是中央集中式定位系统的一种典型例子。发射机是集中控制的，这种系统在更

24、新速度上往往快于其它结构的系统。对声呐系统的原型调查，集中在一个小房间。八个接收器安装在天花板上，已知它们的准确位置。四个发射器被放置在离地面约0.75米的固定位置上。另外一个发射机作为移动单元，放置在空间中的64个测试位置上进行测试。涵盖了各种各样高度的测试点（1040cm高度已经地板上），包括靠近墙壁和家具的位置，这些地方也通常是导致超声波发生反射的地方。一个温度传感器放置在房间里，目的是精确计算目前声波在空气中的速度。上面实验测量出测试点距离给出测量精度，所有信号的产生，捕捉，和分析都是在同一工作电脑上完成。5.1.1 位置计算移动单元的位置计算有以下几个步骤：1. 信号达到时间反应了移

25、动单元测量信息通过比较接收信号和期望信号（黄金代码被移动单元调制在50KHz的载波上）。信号传播时间是发射机发送相关数据到触发接收之间的时间。2. 信号在空气中的传播时间和速度计算出为接收器的距离。3. 使用准确的位置进行验证接收器与发射器之间的测量距离，采用多点逼近算法估算被测点室内位置。由于接收器是共面，至少需要三个距离信息来计算移动单元的位置，假设天花板在下面。然而，这要求至少需要测量四个距离，使用多点定位法算法来估算产生错误的地点。该算法如果得不到四个传播时间值就不会返回一个位置参数，估算的距离就会出现错误。5.1.2 结果500个位置读数来自于64个测试点每一个四种情况的测试：1.

26、移动单元自身传输信号2. 移动单元和四个固定基站同时传输信号3. 移动单元和四个固定基站在存在噪声的环境中同时传输信号4. 移动单元和四个固定基站同时传输信号，SIC应用处理。如图15.显示的是移动单元在四种测试情况下返回的位置误差分布函数。表2所示的是读取一个位置参数估算得到的百分比。95%的信号水平的3D位置精度满足要求。图15.测试位置的估算精度，集中式系统表2查询，集中位置系统性能5.1.3 优势结果清楚的表明宽带系统在有较大噪声的环境中也能更好的执行定位功能，而典型的窄带超声波定位系统定位计算位置会失败。虽然定位算法能够减少噪声带来的影响，但位置更新时定位的准确性没有明显受到影响。这

27、证明了当多个发射器同时发送测距信号时系统任然有更新位置数据的能力，能够成功的检测到接收器的信号。带有信号参数选择，发射器位置更新的最大频率约为40Hz。然而，考虑到黄金代码长度，发射器可以同时发送513次近似正交的测试信号，这大大提高了效率使理论更新频率达到约20KHz。虽然，在当前场景，对这个更新频率是否能够实现或成功存在疑问，但是它表明宽带系统能够更新许多用户位置且远多于窄带的定位解决方案。上面的结论，在多用户测试实例中产生的数据少约20%的数据更新速率，但是可以缓解SIC系统处理数据。最后一个重要的结论是，系统即可为不同的环境产生信号从而更新位置信息。由于多址系统的性质，因为不同的发射器

28、之间而延迟更新位置的频率。因此，这样一个系统的优势在于应用程序根据不同对象的需要而跟新对应的位置数据。例如3D鼠标，手势识别，增强和虚拟现实，和实时跟踪移动的人或携带该传感器的设备。5.2 隐蔽导航定位系统一些研究已经开始研发隐蔽导航解决方案。超声波定位系统具有能够完整的保证用户个人隐私位置信息的安全和可控制两个属性。1）一位即使匿名存在的用户不发射信号，2）外部存在的用户的控制信号传播时间的收集不委托给其它用户或计算机，用户的位置信息就不用经过设备的其它部分允许。为了满足第一个属性，定位系统设计为移动单元不需要发射任何形式的检测信号。通过检测其它设备发射的信号，一个收集信号装置可以推测出用户

29、所在的区域。为了满足第二个属性，一个移动单元必须使用自己携带的传感器来检测环境中存在的测距信号，因此可以避免依赖外部传感器设备。此外，移动单元必须具有查询环境中发射器位置信息的功能，因此它可以使用使用信号传播时间来计算获取自身位置。板球就是一个隐蔽定位系统的例子。声呐原型被发展部署为隐藏定位系统，最多带有7个广播发射机同时使用前文所描述的DS/CDMA信号结构。移动接收端放置在64个测试位置上进行实验，集中系统实验。如先前，声音在空气中传播的速度借助一个外部温度传感器进行估算加上工作站的电脑对执行信号进行处理。5.2.1 定位估值窄带超声波定位接收规则和查询，介绍集成定位系统利用同步反射器和接

30、收器。在同步超声波定位系统中，接收器能够知道当测距信号离开发射器时。因此，他们可以直接测量信号传播时间并通过声音在空气中的速度将其转换为发送器到接收器之间的距离。然后使用最接近法算法计算位置。隐私导航系统在本节描述，能够操作异步接收器并处理信号数据。异步接收器不用知道测距信号离开发射器的时间。相反，他们仅仅知道发射机相对另一个发射器发射信号的时间差。利用这个知识点，接收器是有可能通过接收到一个信号传播时间值来计算得到其位置参数的，尽管事实上接收器不能直接检测信号传播时间。因为接收器到发送器之间的距离是不知道的，因此传统的多点定位法不能运用。然而接收器可以选择任意时间点作为参考测量信号的传播时间

31、。假设已知一个反射器相对另一个发射器发射信号的时间，接收器可以计算创建一组伪距离。伪距离不是发送器到接收器之间的实际距离；反之，收集的伪距离与发射器和接收器之间的真实距离成正比。发射器之间发射信号的时间差之间影响着偏移距离，发射信号的时间差不等偏移距离也不等被数据接收器选择。GPS接收器得到伪距是由于接收器的时钟不是一定与整个系统时钟同步。移动单元到达一个位置后估算4个伪距，为了得到接收器的3维坐标还需要必须抵消未知距离。如果需要达到测量的标准误差，5个及更多的伪距是必要的。上述描述的是采用伪距进行细化位置的算法。集中定位系统的调研实验，必需进行标准误差的计算，因此该套方案不完整的数据使该算法

32、不能使用。因此，下面讨论的同步系统和异步系统共同的结论是结论是每个系统必需用至少4个发射器发射测距信号并且这些信号都能被检测到。如果信号太弱检测不到则该算法得不到一个带有位置参数的返回值，或者该解决方案会得到一个误差很高的位置坐标。5.2.2 结果同步和异步接操作系统在64个测试点位置上测试得到500个测试数据进行性能评估。如图16所示的是精度的分布数据，表3列出95%置信水平的3维位置，计算（它们的水平分量）以及返回分量的数据算法。图16.隐私导航系统中计算的位置准确性表3.隐私导航系统性能三维同步接收器精确度高95%的位置数据能达到5厘米级，其竞争力和水平相对之前讨论的系统较优。一个异步接

33、收器系统95%的3位位置定位数据误差为25厘米级。这是由于安装在天花板上同一平面的发射器发射的两个相关的测距信号在位置计算的算法中将与伪距离在垂直分量上的距离相互抵消了。作为表3表明，垂直分量误差更多的导致了异步接收器在三维定位中的水平位置数据误差增大。然而，许多定位应用场景只需要水平位置参数以及水平位置的定位精度；垂直位置往往不需要定位。尽管异步接收器定位系统能够定位的三维位置参数的准确性比现在一些同步定位系统的准确性更差，但是它定位水平位置数据的准确性95%都能达到10厘米级。异步接收器定位系统接收到需要处理的数据量出错率往往低于同步计数器系统接收数据处理出错率的20%左右。这是因为同步接

34、收器需要检测的信号通常需要来自至少5个发送器的测试信号，以此来计算它的位置数据一个信号作为误差估算，而同步接收器只有4个发送信号。因此异步接收器必须能够识别5个甚至10个可以发射测试信号的发射器。另外，在高度接近定位极限是，许多同步接收器和异步接收器往往不能提供足够用于多点定位接收信号传播时间的数据。根据以前的特性，这种效应的发生是由于安装在天花板上的发射器模拟声呐系统特性时发生漫反射。这两种类型的接收器读取操作时返回更多数据可以通过添加更多的发射器系统来改善，或者是稍微修改发射器在提供的其它地方的天花板上的布置方案。5.2.3 优势由于接收器可以成功的检测到多个同时发送的测距信号，因此带宽定

35、位系统的优势在于更新频率极大的提高。与信号的结构、位置移动更新的速度都相关者跟新频率，同步和异步操作方式执行相关的更新为40Hz左右。这种方案优于窄带超声隐私导航定位系统。同样，DS/CDMA系统同时启动动态跟踪的测试信号性能增强。在采用窄带隐私导航定位系统中接收器在接收声音时不需测量超声波单次发送的传播时间。因为用户和移动设备在测量过程中是移动的，这意味着收集测量到的传播时间并没有那么准确而导致定位精度的损失。这是因为部分缓存通道包括接收器可能在选择参数是说呢过单次跟踪方式导致的。然而，去除单次发射约束的带宽超声波解决方案能够提高这一技术的性能。最后，实验表明，定位系统使用带宽超声波可以增强

36、系统识别编码的能力。假设发射机分配了唯一的传播代码，接收器就可以识别信号来自于某个发射机。这免除了需要使用其它通信方式来识别发射器，这可以有益于系统瞬间接来自许多发射器的测距信号，增加系统效率。另外，如图所示的异步接收器的实验，系统不需要专用的通道来分别识别各各信号。5.3 生产系统所需的改进正如上面提到的声呐单元的设计在实验时测试系统定位的灵活性。在人们日常使用时通常需要进行广域的部署系统对发射基站的需求就大。发射器和接收器如果太大太笨重了会导致在移动环境中安装不方便。在部署日常使用的工程设备是选择跟适合的小型的不引人注目的便于安装的设备更好。作为移动设备通常选择低电压低功耗的组件，这样他们

37、可以使用一节电池供电就足够了。在本文给出的试验中，工作站的电脑在接受到测距信号后通过上位机软件快速将信号进行傅里叶变换并与预期扩频波形进行比较。由于傅里叶变换算法所支持的硬件比较昂贵，最可靠的是关联一个部署在系统的可控制的声呐接收单元。GPS接收器为一种小型化的集成接收单元，执行相同的操作它的速度更高，该模块已经成功设计成为合适的PCMCIA卡。6 总结本文讨论了探索带宽超声波定位系统。因为宽带系统可以利用扩频多地址技术来增强他们的测距信号，将它们运用在定位系统上相对于窄带超声波定位系统许多方面都具有十分明显的优势。声呐发射器和接收器原型和特征进行了详细的描述。体积小、廉价的压电式换能器使用在

38、模块单元中使得安装方法简单结构更紧凑。接收器和发射器可以灵敏的接收到信号的角度能达到45度和60度。结果证明宽带超声波传感器比窄带超声波传感器更适合用于室内非接触时测量发射器与接收器之间的距离。然后概述了一种适合于DS/CDMA系统结构的信号，其测距原型为声呐系统定位精度能达到半厘米。在声呐系统单元中创建两个带宽超声波定位系统。测试表明，整个集成系统由安装在天花板上的接收器和移动的发射器组成其定位精度达到2厘米。高精度的数据才得到一个定位成功的结果，特别要使用程序消除连续的干扰。所以集中系统与安装在天花板上的发射器和接收器由于声波反射降低了定位精度并使获取的数据成功率降低，主要由于天花板上安装

39、方案不同。尽管如此，隐私导航定位系统的性能适用于计算移动单元精度定位。最重要的是两个系统相对于窄带系统具有许多优势。带宽超声波定位系统的优势可以概况如下：1. 噪声鲁棒性。测距信号可以降低超声带内噪声的存在，使得系统即使系统持续返回更新位置的传感器不收噪声的激励。2. 增加更新频率。同时可以访问多个发射器发射的测距信号，因此发射器发射信号的个数将不收到限制，这将大大的增加定位数据的更新频率，中枢系统给个人定位的数据更新频率能力增强。3. 减小延迟定位。同时访问多个信号给反射式测量带来的延迟将微不足道。在调查中显示，集中式系统几乎可以同时更新定位多个人员和设备。在隐私导航系统中，极大的改进了动态跟踪移动用户的能力。4. 增强识别编码。由于带宽信号有更大的发射信息的能力，发射器发射的信号的独特性能被接收器识别。这可以减小使用其它无线通信设备（无线电或红外线等），在某些情况下，避免了系统依赖外部通信渠道。读者可以通过其它途径了解更详细的概念、设备和系统的介绍。7 鸣谢麦克哈斯感谢安迪沃德对他在整个博士学习过程中的指导。他还要感谢弗兰克霍夫曼帮助他设计完成本文中描述的传感器的安装方法。本文有哈斯博士在英国剑桥大学的通信工程实验室完成撰写。材料的费用来自于美国国家科学基金会支持研究生工作得奖学金。专心-专注-专业