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随着无线通信的迅速发展，基于位置的服务(LBS)业务需求也不断壮大。在室外等开放场所，全球定位系统(GPS)因能实现高精度、高可靠性的LBS而得到广泛应用。然而在人类活动更加频繁的室内场所，由于建筑物阻挡等原因，GPS很难提供准确的位置信息。这些年来，室内定位得到广泛关注，各种室内定位方法也是层出不穷。现有的室内定位方法，根据不同的技术类别，可分为声学、光学和射频(RF)等方法。
由于RF信号可以穿透障碍物并可以同时用于定位和通信，因此基于RF的室内定位方法成为目前最有前景的选择。RF估计目标通常依据的参数包括：接收信号强度(RSS)，到达角(AOA)，到达时间(TOA)和到达时间差(TDOA)。基于时间参数的定位方法(TOA或TDOA)具有较高的精度和较小的系统复杂度，是研究和应用的常用方法。特别是TDOA方法，因不需要有关发送信号的信息而更具吸引力。但是，室内环境中的多径效应，会严重影响TDOA室内定位的准确度，尤其是在诸如IEEE802.11b WLAN的窄带扩频系统中。近年来，研究人员已经提出了若干种方法来减轻多径效应对TDOA室内定位精度的影响。然而，这些方法在普适性和计算复杂性方面仍需要进一步加强。众所周知，多径效应不仅与室内环境有关，还与天线有关，特别是与天线的辐射方向图和极化特性有关。然而，现阶段除了广泛用于GPS定位的抗多径天线外，用于室内定位的抗多径天线极少被提及与研究。针对以上问题，本文从天线、软硬件系统和实验三个方面研究了一种新型的波束扫描圆极化天线在TDOA室内定位系统中抑制多径效应的应用。本文的主要工作及创新点如下：
(1)提出了利用天线定向性波束和圆极化特性抑制TDOA室内定位多径效应的方法，并首次提出了一款用于TDOA室内定位的新型波束切换扫描圆极化天线，解决了定向性波束覆盖范围小的问题。首先分析了室内多径的传播特性及多径对TDOA室内定位精度的影响，并提出结合天线的定向性波束和圆极化特性来抑制TDOA定位多径传播的方法。通过组合定向性波束和圆极化，仿真并设计了新型的波束切换扫描圆极化天线。该天线由波束切换网络、四个相同的辐射单元及各自的馈电网络组成。通过控制波束切换网络中的射频开关状态，设计的天线可以分别激励起四个不同指向的圆极化波束。在采用标准的印刷电路板工艺对天线进行实物制作后，对天线实施了全面的测量，具体包括馈电网络、天线辐射单元和波束切换网络。当应用频段为2~2.8GHz时，在90°的波束带宽内，该天线中四个辐射单元的轴比基本都小于3dB。测量结果表明，通过切换四个指向性波束，该天线能实现方位角全向圆极化覆盖。对比现阶段室内定位中用于抑制多径的多种天线，所设计的天线在带宽、增益、极化方式、波束扫描方式及扫描范围等方面有优势。据所知，这是第一次将波束切换扫描圆极化天线用于TDOA室内定位中抑制多径。
(2)设计并实现了采用波束切换扫描圆极化天线的TDOA室内定位系统，并提出了适用于该定位系统的自动波束选择算法和数据修正算法。波束切换扫描圆极化天线TDOA室内定位系统主要包括硬件和软件两个部分。在硬件部分，包括自研的接收机、时钟同步模块和发射机。接收机整体采用的是低中频架构，相比主流定位应用的通用软件无线电外设，在采样频率、信噪比和杂散抑制方面有明显的改进。设计的时钟同步模块主要用来提供采样时间同步和频率同步的功能。发射机则利用矢量信号源SMBV100A，并配合信号调制软件来生成数字调制信号。软件主要包括自动波束选择算法、TDOA估计算法、数据修正算法和位置计算算法。TDOA估计算法利用互相关来得到初步的TDOA估计值，以实现对距离的估计，并加入了抛物线插值拟合算法来达到子采样间的估计精度。为消除定位中触发信号上升沿不稳定问题，且消除异常值数据，提出了触发信号修正算法及异常值去除算法。位置计算算法则采用了Chan算法。提出的自动波束选择算法，配合波束切换扫描圆极化天线TDOA室内定位系统，可以实现波束的自动扫描及选择。即使在不知道目标节点方向的前提下，仍能实现位置坐标的计算及显示。
(3)设计了大量仿真和实际环境中TDOA室内定位对比实验，完整而系统的研究了波束切换扫描圆极化天线在TDOA室内定位系统抗多径效应中的应用。仿真实验探究了接收信号的信噪比、多径数量、时延和幅度对定位精度的影响。实际环境的定位实验包括有线信道实验、无线信道实验和抗多径天线实验。在有线信道下进行的是测距实验，首先提出了针对定位系统的校准方法来消除接收机间固有的时延差，并初步得到最大误差仅为2cm的测距结果。之后是在无线信道下的实验，包括微波暗室和室内环境，且使用的天线既有定向天线又有全向天线。对比这两种不同室内环境下的测距及定位实验得以验证，室内多径会明显恶化定位的精度，而且不同波束宽度的天线对定位精度也有重要的影响。最后利用提出的抗多径天线作为接收天线，分别在会议室和实验室进行了大量二维定位实验，并最终得到0.70m的平均定位误差。与一同使用的全向线极化天线对比，使用提出的抗多径天线能提高至少约51%的定位精度。通过对比国内外现有室内定位的结果，证明了所设计的波束切换扫描圆极化天线TDOA室内定位系统的先进性。
本文工作既包括波束扫描圆极化天线、硬件定位系统的测试设备，又有自动波束选择、TDOA估计、数据修正和位置计算等算法和大量实际环境中的实验测试，从多个角度全面系统的研究了波束扫描圆极化天线在TDOA室内定位系统中抑制多径效应的应用。本文中提出的波束扫描圆极化天线，不仅能应用在TDOA室内定位中，还能应用于其他定位方法，未来还可以和基于信号处理的多径抑制方法相结合来进一步提高定位精度，以促进未来室内定位的发展。
由于RF信号可以穿透障碍物并可以同时用于定位和通信，因此基于RF的室内定位方法成为目前最有前景的选择。RF估计目标通常依据的参数包括：接收信号强度(RSS)，到达角(AOA)，到达时间(TOA)和到达时间差(TDOA)。基于时间参数的定位方法(TOA或TDOA)具有较高的精度和较小的系统复杂度，是研究和应用的常用方法。特别是TDOA方法，因不需要有关发送信号的信息而更具吸引力。但是，室内环境中的多径效应，会严重影响TDOA室内定位的准确度，尤其是在诸如IEEE802.11b WLAN的窄带扩频系统中。近年来，研究人员已经提出了若干种方法来减轻多径效应对TDOA室内定位精度的影响。然而，这些方法在普适性和计算复杂性方面仍需要进一步加强。众所周知，多径效应不仅与室内环境有关，还与天线有关，特别是与天线的辐射方向图和极化特性有关。然而，现阶段除了广泛用于GPS定位的抗多径天线外，用于室内定位的抗多径天线极少被提及与研究。针对以上问题，本文从天线、软硬件系统和实验三个方面研究了一种新型的波束扫描圆极化天线在TDOA室内定位系统中抑制多径效应的应用。本文的主要工作及创新点如下：
(1)提出了利用天线定向性波束和圆极化特性抑制TDOA室内定位多径效应的方法，并首次提出了一款用于TDOA室内定位的新型波束切换扫描圆极化天线，解决了定向性波束覆盖范围小的问题。首先分析了室内多径的传播特性及多径对TDOA室内定位精度的影响，并提出结合天线的定向性波束和圆极化特性来抑制TDOA定位多径传播的方法。通过组合定向性波束和圆极化，仿真并设计了新型的波束切换扫描圆极化天线。该天线由波束切换网络、四个相同的辐射单元及各自的馈电网络组成。通过控制波束切换网络中的射频开关状态，设计的天线可以分别激励起四个不同指向的圆极化波束。在采用标准的印刷电路板工艺对天线进行实物制作后，对天线实施了全面的测量，具体包括馈电网络、天线辐射单元和波束切换网络。当应用频段为2~2.8GHz时，在90°的波束带宽内，该天线中四个辐射单元的轴比基本都小于3dB。测量结果表明，通过切换四个指向性波束，该天线能实现方位角全向圆极化覆盖。对比现阶段室内定位中用于抑制多径的多种天线，所设计的天线在带宽、增益、极化方式、波束扫描方式及扫描范围等方面有优势。据所知，这是第一次将波束切换扫描圆极化天线用于TDOA室内定位中抑制多径。
(2)设计并实现了采用波束切换扫描圆极化天线的TDOA室内定位系统，并提出了适用于该定位系统的自动波束选择算法和数据修正算法。波束切换扫描圆极化天线TDOA室内定位系统主要包括硬件和软件两个部分。在硬件部分，包括自研的接收机、时钟同步模块和发射机。接收机整体采用的是低中频架构，相比主流定位应用的通用软件无线电外设，在采样频率、信噪比和杂散抑制方面有明显的改进。设计的时钟同步模块主要用来提供采样时间同步和频率同步的功能。发射机则利用矢量信号源SMBV100A，并配合信号调制软件来生成数字调制信号。软件主要包括自动波束选择算法、TDOA估计算法、数据修正算法和位置计算算法。TDOA估计算法利用互相关来得到初步的TDOA估计值，以实现对距离的估计，并加入了抛物线插值拟合算法来达到子采样间的估计精度。为消除定位中触发信号上升沿不稳定问题，且消除异常值数据，提出了触发信号修正算法及异常值去除算法。位置计算算法则采用了Chan算法。提出的自动波束选择算法，配合波束切换扫描圆极化天线TDOA室内定位系统，可以实现波束的自动扫描及选择。即使在不知道目标节点方向的前提下，仍能实现位置坐标的计算及显示。
(3)设计了大量仿真和实际环境中TDOA室内定位对比实验，完整而系统的研究了波束切换扫描圆极化天线在TDOA室内定位系统抗多径效应中的应用。仿真实验探究了接收信号的信噪比、多径数量、时延和幅度对定位精度的影响。实际环境的定位实验包括有线信道实验、无线信道实验和抗多径天线实验。在有线信道下进行的是测距实验，首先提出了针对定位系统的校准方法来消除接收机间固有的时延差，并初步得到最大误差仅为2cm的测距结果。之后是在无线信道下的实验，包括微波暗室和室内环境，且使用的天线既有定向天线又有全向天线。对比这两种不同室内环境下的测距及定位实验得以验证，室内多径会明显恶化定位的精度，而且不同波束宽度的天线对定位精度也有重要的影响。最后利用提出的抗多径天线作为接收天线，分别在会议室和实验室进行了大量二维定位实验，并最终得到0.70m的平均定位误差。与一同使用的全向线极化天线对比，使用提出的抗多径天线能提高至少约51%的定位精度。通过对比国内外现有室内定位的结果，证明了所设计的波束切换扫描圆极化天线TDOA室内定位系统的先进性。
本文工作既包括波束扫描圆极化天线、硬件定位系统的测试设备，又有自动波束选择、TDOA估计、数据修正和位置计算等算法和大量实际环境中的实验测试，从多个角度全面系统的研究了波束扫描圆极化天线在TDOA室内定位系统中抑制多径效应的应用。本文中提出的波束扫描圆极化天线，不仅能应用在TDOA室内定位中，还能应用于其他定位方法，未来还可以和基于信号处理的多径抑制方法相结合来进一步提高定位精度，以促进未来室内定位的发展。