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　　本书涉及无线跟踪定位技术的原理、设计和工程实践。重点介绍了该领域前沿热门的技术内容，包括无线传播理论、信号探测方法、ToA测量技术、跟踪算法的性能测评、定位系统的基础理论、常见定位方法、定位精度、传感器网络定位技术、非视距传播技术等。本书为涉及无线定位技术的高年级本科生和研究生提供了系统和深入的理论讲解，也为工程师和其他相关领域的专家提供解决定位问题的方法。

第1章导论

1.1无线定位概述

1.2中短程无线定位技术

1.3本书内容

参考文献

第2章无线信号传播

2.1统计多径理论

2.2各种距离规模的无线传播特征

2.3测量结果

2.4无线传播的额外延迟

2.5天线的影响

参考文献

第3章相关信号检测

3.1发射器信号

3.2接收器信号处理

参考文献

第4章带限到达时间测量

4.1宽带多径定理

4.2带限相关图的特点

4.3带限相关图的模型

4.4峰值跟踪算法的性能

4.5前沿投影算法

4.6前沿比率算法

4.7多径相位

4.8跟踪算法的性能总结

参考文献

第5章定位系统的基本原理

5.1导航系统和跟踪系统

5.2系统体系结构

5.3定位方法综述

5.4室内性能问题

参考文献

第6章非迭代定位方法

6.1基本定位方法

6.2线性化最小二乘法

6.3球形插值法

6.4 拟最小二乘法

6.5线性修正最小二乘法

参考文献

第7章迭代定位

7.1迭代算法

7.2基于滤波的方法

7.3数据平滑

参考文献

第8章定位精度评估

8.1精度度量

8.2视距条件下的Cramer?Rao下界

8.3非视距条件下的Cramer?Rao下界推导

8.4线性最小二乘法的近似方差

8.5精度比较

附录8.A费歇尔信息矩阵的结构

参考文献

第9章几何精度因子分析

9.1几何误差分析

9.2统计误差分析

9.3几何精度因子的计算

9.4精度概率

9.5具体案例：几何精度因子的解析方案

9.6几何精度因子性能

参考文献

第10章多径抑制

10.1残差-加权法

10.2滤波法

10.3约束最优化法

10.4散射体法

10.5误差统计分布

10.6传播模型法

10.7模式匹配法

10.8性能分析

附录10.A连续二次规划法

附录10.B方程系数

参考文献

第11章基于锚点的无线传感器网络定位

11.1无线传感器网络的特征

11.2粗略定位方法

11.3综合定位方法

11.4未知内部延迟和时钟偏置的定位

参考文献

第12章提高锚点的定位精度

12.1锚点位置精度对传感器节点定位的影响

12.2视距和非视距传播模型

12.3锚点定位的边界

12.4基于距离和角度估计的精度改进

12.5基于距离估计的精度改进

附录12.A视距条件下的矩阵和向量定义

附录12.B非视距条件下的矩阵和向量定义

参考文献

第13章无锚点定位

13.1稳健四边形

13.2多维标度法

13.3质点-弹簧模型

13.4杂合方法

13.5图模型

13.6分簇与缝合

13.7构建基准坐标系统

13.8克拉姆-拉奥下界

13.9位置估计的精度

13.10基于距离偏差的精度度量

13.11精度评估

参考文献

第14章非视距辨识

14.1数据平滑

14.2分布检验

14.3计算电平通过率和衰落延迟

14.4评估莱斯因子

14.5广义似然比检验

14.6非参数方法

14.7利用中间位置估计

14.8Neyman?Pearson检验

14.9基于到达时间与接收信号强度的联合方法

14.10基于到达角的方法

附录14.A定理及推论的证明

附录14.B检测概率的推导

参考文献

附录 A双曲线导航

A.1双曲线的解析方程

A.2求解双曲线导航

A.3求解示例问题

附录 B无线传播测量技术

B.1使用网络分析仪的测量

B.2时域测量

索引词

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前言

　　译者序在国际上的位置服务领域，本书是最新介绍无线定位技术的教学与参考书籍之一。位置服务是计算机科学与技术领域的研究热点，具有非常重要的应用背景。目前定位问题已经开展了诸多研究。在古代，水手在航海时根据星辰来定位。如今人们使用多种手段来实现室内、室外的目标定位。本书从定位理论和应用技术角度，全面和深入地介绍了定位方法等系列问题。本书提供了当前位置计算研究的主要成果，因此我们决定将本书从英文版翻译成中文出版，希望本书中文版的发行能吸引我国更多的科研人员从事相关的理论研究和系统研制，推动我国在位置服务领域取得具有自主知识产权的创新研究成果。无线定位技术是通过测量无线电波的参数，根据特定的算法来判断被测物体的位置。它包括红外、超声波、蓝牙、射频识别、超宽带、Wi?Fi、ZigBee等，最初是为了满足远航导航等需要。无线定位分辨率能精确到0.25m，在手机用户定位、矿井人员定位、灾难现场人员搜救、集装箱运输跟踪、车辆导航等方面具有广泛应用。在无线传感器网络中，定位信息除了用于报告探测事件发生的地点，还可用于目标跟踪、协助路由和网络拓扑管理等。欧洲电信标准化协会ETSI对GSM系统的无线定位制订了一系列标准，目前移动定位服务产业已成为最具潜力的移动增值业务之一。学术研究人员通常在现有无线设备和定位系统的限定条件下，努力实现取得最优的和最有效的定位方法。无线定位技术在工业界已有成熟应用，例如思科无线定位设备、德国Nanotron的高精度实时定位测距模块、TI公司的带硬件定位引擎的CC2431芯片、赫立讯ZigBee无线定位系统、成都无线龙通讯公司的ZigBee无线网络定位开发系统、威德电子公司的无线实时定位系统等。本书是国际上第一本全面深入介绍不涉及GPS的无线定位技术专著。尽管目前已有一些关于定位和跟踪的书籍面世，但主要是介绍GPS，专门阐述不涉及GPS的定位技术书籍尚不多见。该书由地面无线定位技术的国际著名学者撰写，内容主要是地面无线定位与跟踪技术的原理、设计和工程实现。随着位置服务需求的快速增长，对无线定位精度的要求迫使人们不断寻求新的定位技术，本书主要涉及前沿热门的技术，内容包括无线传播理论、信号探测方法、到达时间测量技术、跟踪算法的性能测评、定位系统的基础理论、常见的定位方法、定位精度、传感器网络定位技术、非视距传播技术等。本书的特点在于内容上既有理论性又有工程实践，不仅阐述无线定位的计算基础理论，而且讲解定位系统的工程实现细节。本书的重点是介绍中短程定位系统，尤其是室内性能计划达到1~2m的精度。这类系统的应用在不久的将来具有极大的应用市场，因而本书内容可作为其中的关键技术。书中还综述了无线定位与跟踪方法的研究现状，如基于锚点和无锚点的无线传感器网络定位问题。作者讨论了现实世界目标定位的一些实质性问题，如多径、非视距传播、精度极限和测量误差。本书对计算机科学与技术、电子工程、自动化和测控专业的广大教师、研究生和科研工程人员都具有很高的参考价值，也可供涉及位置服务技术的机构和企业研发、销售和管理人员参考。本书主要针对以下阅读群体：①计算机、通信与测控等专业本科生学习定位技术的入门辅导书；②普通高校的硕士生、博士生研究不涉及GPS无线定位技术的必备书籍；③工程技术开发和管理人员作为手头上的参考书。无线定位系统在研究、开发和推广应用的每个阶段都将面临空前的机遇和挑战。本书给本领域的高年级本科生和研究生提供了系统而深入的理论讲解，也向工程师和其他相关领域的专家提供了解决问题的方法。如果作为研究生课程的教材，可以选择其中最基础性的内容给学生讲解，对最新研究成果内容的介绍则可以留给学生在今后的科研工作中领会和借鉴。全书由崔逊学和汪涛共同翻译，全书的译文由崔逊学负责统一术语、格式、一致性检查和统稿。在翻译的过程中，对发现的原著中错误进行了相应更正，对原著叙述不畅的地方进行了适当补充和润色。感谢原书作者KegenYu博士对翻译该中文版的大力支持和帮助，并修正了部分术语的翻译。感谢电子工业出版社积极引进本书，以及John Wiley ＆Sons出版公司帮助，使得本书中文版能够尽快与读者见面。本书译者的工作得到了国家自然科学基金项目（No.61170252）的支持和资助，在此表示谢意！在本书的翻译过程中，我们尽量力求忠实、准确地把握原著，同时保留原著的写作风格。尽管无线定位技术特别是目标定位技术，是译者从事研究的一个主要内容，但由于水平有限，译文中难免存在一些错误和不当之处，敬请广大读者批评指正。有关意见和建议请发送到xxcui@tsinghua.org.cn，我们将视具体情况予以采纳和更正。希望这本译著有助于推动我国在位置服务和定位技术方面的深入研究和广泛应用。在本书翻译完毕之际，我们深深感到定位技术及其原理是如此重要，也深深体会到本书的技术内容介绍非常到位！另外，译者也从事定位技术方面的研究工作，欢迎读者与我们共同探讨与交流相关技术和理论问题。译者2012年3月作者简介 KegenYu博士1983年在中国吉林大学获得学士学位，1999年在澳大利亚国立大学获得硕士学位，2003年在澳大利亚悉尼大学获得博士学位，1983年至1997年期间先后以助理工程师和讲师身份在中国南昌大学工作，2003年至2005年期间以博士后身份进入芬兰奥卢大学，从事无线定位和通信理论研究，2005年11月开始以研究科学家身份在澳大利亚联邦科学与工业研究组织ICT中心任职，从事自组织无线定位系统、无线传感器网络和重配置无线电技术的研究。出版专著3部，发表期刊和会议论文40多篇。IanSharp无线定位系统的资深顾问，30多年无线电系统的工程经历，早期从事航空飞行定位技术，20世纪80年代重点从事内扫描微波着陆系统研制。20世纪80年代末至90年代初，负责Quiktrak隐蔽车辆跟踪系统的研发，目前该系统已应用于世界各地。20世纪90年代中期至2007年，在澳大利亚联邦科学与工业研究组织主要从事无线电系统研究实验，是该组织的体育场精确定位应用系统的发明人和架构设计师，该系统已在澳大利亚和美国试验成功。拥有与定位技术相关的多项专利。Y.JayGuo教授2005年开始担任澳大利亚联邦科学与工业研究组织无线技术实验室主任兼宽带专项负责人，之前在欧洲无线工业组织担任高级职务，负责3G移动通信系统的技术研发。在天线、信号处理和无线网络方面具有20多年的工业和学术经历。出版3部技术专著，在顶级研究期刊和国际会议发表100多篇科技论文，拥有12项无线技术方面的专利。担任澳大利亚麦考瑞大学兼职教授、IETFellow、中国科学院客座教授。致谢感谢澳大利亚联邦科学与工业研究组织ICT中心的同事们多年来在无线定位领域的贡献！1995年至2009年期间我们研制的各种无线定位系统和无线传播测量设备，是本书成文的基础。特别感谢AlijaKajan在澳大利亚和美国所做的计算机编程、传输测量和系统测试工作，Alex Grancea、John Olip和RobertShaw在无线设备方面所做的设计和制作工作，Jayasri Joseph和JosephPathikugara在数字硬件方面所做的设计和制作工作。我们还要衷心感谢Mark Hedley博士、DavidHumphrey博士和PhilHo博士所做的多次令人愉快、鼓励性的技术交流和学术讨论！前言随着20世纪90年代全球定位系统（Global PositioningSystem,GPS）的问世，民用位置服务一直稳步增长。由于GPS芯片成本的下降，它已可以实现与移动/蜂窝电话相集成，进一步驱动了消费市场的快速增长。GPS最先起源于全球范围的军事应用，随着世界人口城市化的增长趋势，主要的位置服务增长领域可能是在城市。另外，由于城市居民的大多数时间是在室内度过的，这时GPS不能有效发挥作用，显然定位系统的未来发展趋势可能是在建筑物内提供优良的性能。本书重点介绍中短程定位系统，尤其是室内性能计划达到1~2m的精度。尽管在当前采用廉价的这类系统硬件设备并不可行，但在不久的将来，如果大规模地与模拟无线电及数字信号处理芯片相集成，则性能有望满足需求。中短程定位系统的应用涉及建筑物内的人员跟踪、货物管理、安全应用和无线传感器网络的定位问题。室内定位系统的本质有些不同于室外系统，如GPS。GPS领域的研究重点在于接收器的性能，因为卫星设备由美国国防部负责提供。反过来，室内定位系统必须涉所有方面，包括时间和频率同步、硬件的内部延迟效应和网络节点之间的通信。这些问题都具有高度的挑战性，为了达到1~2m的定位精度，通常需要非常精确的纳秒级的时间度量。由于室内应用的特点，定位系统可能采用自组织网络，而不是传统远程定位系统的“固定”基站和移动节点。尽管基于传统的双曲线定位原理的位置计算可能仍然比较重要，但我们可以发觉其他定位技术的广泛应用情况，如信号强度、到达角、混合无线电-超声，甚至位置计算仅依靠对网络内邻居节点的探测。由于位置服务和应用的多样性，本书覆盖了当前分散在这一技术领域的各种关键定位技术和处理算法，不局限于具体定位系统。本书介绍的这些技术和算法对于系统设计人员、研究人员和研究生应该具有重要价值。本书主要分为两部分。第一部分讲解定位性能的背景问题，如室内无线传播和信号处理；第二部分分析各种位置计算算法及其位置精度的性能。第1章介绍室内定位问题，综述各种可能的技术和未来系统的特征。第2~5章介绍影响室内定位系统的重要方面。第2章综述了室内无线传播的特点，特别是额外传播消耗和延迟这两个重要问题。设计人员根据这些内容可以估计出一个系统可能的工作范围和精度。第3章综述了信号处理特别是扩频信号相关内容。扩频调制的焦点是希望获得精确的位置计算，反过来又需要较宽的带宽频谱。远距离的室内覆盖范围要求传输机的功率比较