序言

導航定位關乎國家安全，是全球大國競爭的核心利益。對於室外環境，全球導航衛星繫統諸如美國的全球定位服務，基本滿足了用戶在室外場景中對基於位置服務的需求。然而，個人用戶、服務機器人、掃地機器人等有大量定位需求發生在室內場景。而室內場景受到建築物遮擋，衛星導航信號快速衰減，甚至完全拒止，無法滿足室內場景中導航定位的需要。室內外高精度位置服務技術是繼互聯網、移動通信之後發展快的新一代信息技術，已成為國際科技經濟競爭的制高點。

相對室外導航定位，室內定位技術起步較晚，為實現精確定位與服務，美國國防部高級研究計劃局於2013年制訂“洞悉戰場”計劃，提出建設更精確鎖定位置的打擊繫統；2013年美國聯邦通信委員會提出“下一代911項目”，要求實現精度在60米以內的位置服務；德國電信於2011年將高精度位置服務定位為未來移動通信服務的核心；日本於2009年頒布了《緊急呼叫法案》，要求室內位置服務精度達到10米以內。我國在《國家衛星導航產業中長期發展規劃》和《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020）》任務中明確提出要加快室內位置服務建設。目前在各行業應用需求的推動下，室內定位技術得到了快速發展，近幾年來成為工業界和學術界研究的熱點。

隨著室內定位技術的發展，各類室內定位技術百花齊放，包括基於WiFi的定位、藍牙定位、小基站定位、LED可見光定位、超寬帶定位、RFID、慣性導航、地磁定位、偽衛星等多種室內定位技術。而在這些定位技術中，超寬帶室內定位技術是一種優勢全面的專業級定位技術，具有定位精度高（1～15cm）、抗干擾能力強、分辨率高、功耗低等優點。本書內容來源於作者多年的研究成果，內容豐富，有獨特的觀點和創新點，對基於脈衝超寬帶技術超寬帶定位繫統各個組成部分設計方案和關鍵部件及算法進行了詳細的介紹，包括超寬帶室內定位繫統的構成、新型有源標簽的設計、多種結構的小型化天線設計、濾波器設計、超寬帶信號室內及室內-室外電波傳播特性預測及信道建模、定位基站設計和高精度定位算法設計等，本書是一本詳細闡述超寬帶室內定位技術的書籍，在目前室內定位技術蓬勃發展和市場需求日益增長的大形勢下，可供國內研究超寬帶定位的有關人員和企業參考，以推動室內定位技術的市場化。

張明高  

中國工程院院士

前言

根據諾基亞、谷歌等提供的數據，人們的日常生活中超過80%的時間都發生在室內，室內位置服務是真正實現萬物互聯的基礎，室內定位技術已經成為解決定位導航後100米的關鍵手段。中國衛星導航與位置服務產業發展白皮書認為，面向大眾和面向行業應用的室內定位導航成為剛需，於此同時，大型城市綜合體越來越多，大型醫院、大型停車場、大型辦公樓、大型商場等建築物室內空間也更加復雜，傳統的指示牌已經無法滿足人們找尋目的地的需求。室內定位精度高，能夠實現跨樓層指引，可以極大提升便利性精準室內定位技術，可為智慧大樓、智慧停車場、智慧工廠、智慧醫院、數萬人會展等行業領域提供諸多室內定位解決方案，當前市場對室內定位的需求越來越多，所以衍生出各種各樣的定位技術。

超寬帶技術是近年來新興一項全新的、與傳統通信技術有極大差異的通信無線新技術。它不需要使用傳統通信體制中的載波，而是通過發送和接收具有納秒或納秒級以下的極窄脈衝來傳輸數據，從而具有3.1～10.6GHz量級的帶寬。目前，包括美國、日本、加拿大等在內的國家都在研究這項技術，在無線室內定位領域具有良好的前景。

超寬帶室內定位技術是一種基於脈衝超寬帶技術的無載波無線通信技術，具有傳輸速率高、發射功率較低、穿透能力較強、定位精度高等優點，使它在室內定位領域獨占鼇頭。超寬帶室內定位技術常采用TDOA測距定位算法，通過信號到達的時間差，利用雙曲線交叉實現定位。定位過程中由UWB接收器接收標簽發射的UWB信號，通過過濾電磁波傳輸過程中夾雜的各種噪聲干擾，得到含有效信息的信號，再通過中央進行定位算法分析，解析出位置信息。

基於智慧城市、物聯網、移動互聯網等相關行業的需求位置服務，位置服務也已成為我國經濟轉型升級的迫切需求，位置服務和移動互聯網技術是一種業務支撐的關繫，無論是信息消費還是戰略信息產業，在國民經濟中都是新增長點。由於室內不僅是人們的生活場所，還是工作場所，而且人們大部分時間生活在室內，室內位置服務的發展至關重要。導航與位置服務攸關國家安全、經濟發展和社會民生，在新一代信息技術這一戰略性新興產業中，具有舉足輕重和不可或缺的地位。

本書的研究內容主要包括：提出了基於雙非門結構的新型超寬帶宅脈衝信號發生器設計，避免了傳統基於數字方法比邏輯器件自身的依賴性，改善了脈衝性能；利用小型化、寬帶化微帶天線設計方法，提出了多種新型結構的小型化超寬帶天線及帶阻天線設計；采用微帶線和多指諧振腔設計方法，提出了新型結構的超寬帶濾波器設計方法；利用頻域測量手段和射線追蹤方法，研究了超寬帶信號的電波傳播特性，揭示了超寬帶信號室內-室外傳播的電波傳播規律，給出了解析數學模型；分析給出了基於數模混合接收超寬帶定位繫統定位基站方案，提出了可控積分電路高速模數轉換電路方法；構建了到達時間差和物理距離關繫模型，提出了偏小二乘粒子群定位算法，加快了算法的收斂，增強了算法的魯棒性；分析了IEEE802.15.3a信道模型下定位算法的適應性，提出了導頻輔助的2LS-PSO定位算法，定位誤差小於10cm(TDOA誤差小於0.5ns時)；提出了自適應卡爾曼平滑濾波跟蹤算法，解決了移動目標機動變化、不良測量條件帶來的定位不準確問題。

本書主要章節是基於脈衝超寬帶技術的室內定位繫統各個組成部分一層層展開的，具有較強的工程背景，可讀性強。本書內容是作者近幾年來發表的論文、獲獎、申請專利等，涉及的電路結構、算法及分析方法，可借鋻性、工程性強，具有較強的工程指導價值。

本書由趙紅梅副教授獨立創作，負責全書大綱及內容的擬定並定稿。在前期研究及本書撰寫過程中，充分借鋻和引用了國內外同行在本領域的的相關研究成果，同時也得到了鄭州輕工業學院河南省“超寬帶無線通信技術”院士工作站研究團隊的各位老師和研究生們的大力支持，他們對本書的撰寫及研究成果都做出了大量的貢獻，並提出了許多寶貴的意見與建議，在此對他們表示感謝。