室內(nèi)定位——UWB測(cè)距及定位原理

我們都知道衛(wèi)星信號(hào)在室內(nèi)會(huì)被嚴(yán)重的影響，從而導(dǎo)致GPS或是北斗無(wú)法發(fā)定位。所以在室內(nèi)定位主要采用無(wú)線通訊、基站定位、慣導(dǎo)定位等多種技術(shù)集成形成一套室內(nèi)位置定位體系，從而實(shí)現(xiàn)人員、物體等在室內(nèi)空間中的位置監(jiān)控。除通訊網(wǎng)絡(luò)的蜂窩定位技術(shù)外，常見(jiàn)的室內(nèi)無(wú)線定位技術(shù)還有：Wi-Fi、藍(lán)牙、紅外線、超寬帶、RFID、ZigBee和超聲波，今天我們來(lái)談?wù)刄WB-Ultra Wideband(超寬帶)定位原理。

UWB是什么？

超寬帶技術(shù)是一種全新的、與傳統(tǒng)通信技術(shù)有極大差異的通信新技術(shù)。它不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波，而是通過(guò)發(fā)送和接收具有納秒或納秒級(jí)以下的極窄脈沖來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，從而具有GHz量級(jí)的帶寬。

UWB與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)相比有什么區(qū)別？

超寬帶系統(tǒng)與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)相比，具有穿透力強(qiáng)、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供精確定位精度等優(yōu)點(diǎn)。因此，超寬帶技術(shù)可以應(yīng)用于室內(nèi)靜止或者移動(dòng)物體以及人的定位跟蹤與導(dǎo)航，且能提供十分精確的定位精度。

UWB的測(cè)距原理

雙向飛行時(shí)間法（TW-TOF,two way-time of flight）每個(gè)模塊從啟動(dòng)開(kāi)始即會(huì)生成一條獨(dú)立的時(shí)間戳。模塊A的發(fā)射機(jī)在其時(shí)間戳上的Ta1發(fā)射請(qǐng)求性質(zhì)的脈沖信號(hào)，模塊B在Tb2時(shí)刻發(fā)射一個(gè)響應(yīng)性質(zhì)的信號(hào)，被模塊A在自己的時(shí)間戳Ta2時(shí)刻接收。有次可以計(jì)算出脈沖信號(hào)在兩個(gè)模塊之間的飛行時(shí)間，從而確定飛行距離S。S=Cx[(Ta2-Ta1)-(Tb2-Tb1)](C為光速)

TOF測(cè)距方法屬于雙向測(cè)距技術(shù)，它主要利用信號(hào)在兩個(gè)異步收發(fā)機(jī)（Transceiver）之間飛行時(shí)間來(lái)測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離。因?yàn)樵谝暰嘁暰€環(huán)境下，基于TOF測(cè)距方法是隨距離呈線性關(guān)系，所以結(jié)果會(huì)更加精準(zhǔn)。我們將發(fā)送端發(fā)出的數(shù)據(jù)包和接收回應(yīng)的時(shí)間間記為T_TOT,接收端收到數(shù)據(jù)包和發(fā)出回應(yīng)的時(shí)間間隔記為T_TAT,那么數(shù)據(jù)包在空中單向飛行的時(shí)間T_TOF可以計(jì)算為：T_TOF=(T_TOT-T_TAT)/2

然后根據(jù)TTOF與電磁波傳播速度的成績(jī)便可計(jì)算出兩點(diǎn)間的距離D=CxT_TOF

TOF測(cè)距方法和兩個(gè)關(guān)鍵側(cè)約束：

1、發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備必須始終同步

2、接收設(shè)備提供信號(hào)的傳輸時(shí)間的長(zhǎng)短

為了實(shí)現(xiàn)始終同步，TOF測(cè)距方法采用了始終偏移量啦解決始終同步問(wèn)題，單由于TOF測(cè)距方法的時(shí)間以來(lái)與本地的遠(yuǎn)程幾點(diǎn)，側(cè)距精度容易受兩端節(jié)點(diǎn)中的始終偏移量的影響。為了減少此類錯(cuò)誤的影響，這里采用反向測(cè)量方法，即遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包，本地節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包，并自動(dòng)響應(yīng)。通過(guò)平均正向和反向多次測(cè)量的平均值，減少對(duì)任何始終偏移量的影響，從而減少測(cè)距誤差。

UWB的定位原理

知道了UWB的測(cè)距原理，再來(lái)了解UWB的室內(nèi)定位原理就很容易了。UWB的室內(nèi)定位功能和衛(wèi)星原理很相似，就是通過(guò)室內(nèi)布置4個(gè)已知坐標(biāo)的定位基站，需要定位的人員胡總惡化時(shí)設(shè)備攜帶定位標(biāo)簽，標(biāo)簽按照一定的頻率發(fā)傻脈沖，不斷和4個(gè)已知位置的基站進(jìn)行測(cè)距，通過(guò)一定的精確算法定出標(biāo)簽的位置！更多咨詢：0755-83408210

遮擋主要指室內(nèi)定位UWB基站和定位標(biāo)簽之間存在障礙物，阻礙了信號(hào)直接被互相接收，從而影響定位。

遮擋對(duì)UWB定位的影響主要分以下幾種情形

1、實(shí)體墻：一睹實(shí)體墻的這種遮擋將使得UWB信號(hào)衰減60-70%定位精度誤差上升30厘米左右，兩睹或者兩睹以上的實(shí)體墻遮擋，將使得UWB無(wú)法定位。

2、鋼板：鋼鐵對(duì)UWB脈沖信號(hào)吸收很嚴(yán)重，將使得UWB無(wú)法定位。

3、玻璃：玻璃遮擋對(duì)UWB定位精度沒(méi)太大影響。

4、木板或紙板：一般厚度10厘米左右的木板或紙板對(duì)UWB定位精度沒(méi)太大影響。

5、電線桿或樹(shù)木：電線桿或者書(shū)面遮擋時(shí)需要看他們之間距離基站或者標(biāo)簽的距離，和基站和標(biāo)簽的相對(duì)距離比較是否很小，比如，基站和定位標(biāo)簽距離50米，電線桿或者樹(shù)木正好在兩者中間，25米處，這種遮擋就無(wú)大的影響，如離基站或者標(biāo)簽距離很近小于1米，影響就很大。

UWB室內(nèi)定位基站布置原則

一：精準(zhǔn)的三維定位每隔50-100米步驟一個(gè)定位基站，使得任意時(shí)刻 都有四個(gè)基站能接受到標(biāo)簽發(fā)出的脈沖！

二：一維定位就是測(cè)距應(yīng)用，適用于隧道，礦井對(duì)定位精度不高場(chǎng)景，精度在0.3米左右

1.3系統(tǒng)定位維度

根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同，可以實(shí)現(xiàn)一、二、三維定位。

1.3.1一維定位

典型應(yīng)用為巷道定位，只需要定位目標(biāo)在這個(gè)巷道的相對(duì)位置。一般會(huì)忽略巷道的寬度。

在這種模式下，可以采用基站時(shí)間同步的方式實(shí)現(xiàn)一維定位。

1.3.2二維定位

二維定位需要確定在空間的X、Y 坐標(biāo)。分兩種情況

1.3.2.1 類似于道路的偽二維定位

和一維定位非常類似，但采用測(cè)距的方式實(shí)現(xiàn)定位功能。通過(guò)標(biāo)簽離基站的距離，計(jì)算標(biāo)簽的位置，有于場(chǎng)景的特殊性，可以計(jì)算出標(biāo)簽的最終位置。

1.3.2.2標(biāo)準(zhǔn)二維定位

通過(guò)三個(gè)以上的基站，確定區(qū)域內(nèi)的標(biāo)簽的位置。可以得出基站的二維坐標(biāo)。在這個(gè)系統(tǒng)中，由于只有二維坐標(biāo)，需要關(guān)注“垂直投影”帶來(lái)的誤差。如下圖：

基站4 和其他基站不在同一個(gè)平面上，若做測(cè)距，得到的是標(biāo)簽和基站4 的斜邊的距離，需要通過(guò)投影到平面進(jìn)行計(jì)算。

1.3.3三維定位

實(shí)現(xiàn)三維定位，需要求出被定位設(shè)備的XYZ 三維坐標(biāo)，在基站架設(shè)的時(shí)候，需要特別拉開(kāi)Z 軸的高度差，以確保在Z 軸上的精確度。若用測(cè)距的方式，三個(gè)基站就可以完成三維定位，用TDOA 的方式，必須要四個(gè)以上基站才能完成。

二、系統(tǒng)組成及特性

2.1系統(tǒng)組成

系統(tǒng)包含三部分：電池供電的活動(dòng)標(biāo)簽，能夠發(fā)射UWB信號(hào)來(lái)確定位置；位置固定的傳感器，能夠接收并估算從標(biāo)簽發(fā)送過(guò)來(lái)的信號(hào)；以及綜合所有位置信息的軟件平臺(tái)，獲取、分析并傳輸信息給用戶和其他相關(guān)信息系統(tǒng)。

2.2系統(tǒng)特性

?系統(tǒng)定位精度高達(dá)三維15cm，為目前無(wú)線電定位最高精度；

?標(biāo)簽刷新率從0.002Hz-33Hz可以根據(jù)環(huán)境自動(dòng)分配；

?標(biāo)簽內(nèi)置振動(dòng)傳感器、紐扣電池可供1年供電；

?支持Linux和Windows環(huán)境，分布式結(jié)構(gòu)；

?定位平臺(tái)功能豐富，圖形化操作界面，提供API開(kāi)發(fā)支持；

三、應(yīng)用領(lǐng)域

?工業(yè)/汽車：實(shí)時(shí)追蹤資產(chǎn)和庫(kù)存，改進(jìn)流程，提高搜索效率，減少資源浪費(fèi)；

?物流倉(cāng)儲(chǔ)：跟蹤條碼閱讀器和叉車，減少保險(xiǎn)檢查的環(huán)節(jié)，使倉(cāng)儲(chǔ)管理變得靈活；

?軍事：人員定位和設(shè)備追蹤，例如城市作戰(zhàn)訓(xùn)練、彈藥倉(cāng)庫(kù)管理、高級(jí)研發(fā)；

?醫(yī)療保健：實(shí)時(shí)跟蹤病人，進(jìn)行照顧和管理，利于病情分析和治療改進(jìn)，方便于人力資源管理；

?危險(xiǎn)環(huán)境：定位個(gè)人和資源，安全位置緊急搜索，人員監(jiān)控，優(yōu)化管理過(guò)程，做到安全有效；

?重點(diǎn)安保區(qū)域：人員的進(jìn)出管理、實(shí)時(shí)位置查詢、禁區(qū)監(jiān)管、隔離距離控制、人員調(diào)度，能對(duì)人員的位、行進(jìn)路線、距離、速度進(jìn)行監(jiān)控和統(tǒng)計(jì)；

?體育：實(shí)時(shí)跟蹤與計(jì)算運(yùn)動(dòng)員的方向和速度等，詳細(xì)的性能分析，記錄隊(duì)伍的比賽實(shí)況，視頻集成。

轉(zhuǎn)載自 http://www.skylab.com.cn/newsview-158.html

http://www.czlaite.com/contents/231/2385.html

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的UWB定位技术的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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