室內定位——UWB測距及定位原理

我們都知道衛星信號在室內會被嚴重的影響，從而導致GPS或是北斗無法發定位。所以在室內定位主要采用無線通訊、基站定位、慣導定位等多種技術集成形成一套室內位置定位體系，從而實現人員、物體等在室內空間中的位置監控。除通訊網絡的蜂窩定位技術外，常見的室內無線定位技術還有：Wi-Fi、藍牙、紅外線、超寬帶、RFID、ZigBee和超聲波，今天我們來談談UWB-Ultra Wideband(超寬帶)定位原理。

UWB是什么？

超寬帶技術是一種全新的、與傳統通信技術有極大差異的通信新技術。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沖來傳輸數據，從而具有GHz量級的帶寬。

UWB與傳統的窄帶系統相比有什么區別？

超寬帶系統與傳統的窄帶系統相比，具有穿透力強、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統復雜度低、能提供精確定位精度等優點。因此，超寬帶技術可以應用于室內靜止或者移動物體以及人的定位跟蹤與導航，且能提供十分精確的定位精度。

UWB的測距原理

雙向飛行時間法（TW-TOF,two way-time of flight）每個模塊從啟動開始即會生成一條獨立的時間戳。模塊A的發射機在其時間戳上的Ta1發射請求性質的脈沖信號，模塊B在Tb2時刻發射一個響應性質的信號，被模塊A在自己的時間戳Ta2時刻接收。有次可以計算出脈沖信號在兩個模塊之間的飛行時間，從而確定飛行距離S。S=Cx[(Ta2-Ta1)-(Tb2-Tb1)](C為光速)

TOF測距方法屬于雙向測距技術，它主要利用信號在兩個異步收發機（Transceiver）之間飛行時間來測量節點間的距離。因為在視距視線環境下，基于TOF測距方法是隨距離呈線性關系，所以結果會更加精準。我們將發送端發出的數據包和接收回應的時間間記為T_TOT,接收端收到數據包和發出回應的時間間隔記為T_TAT,那么數據包在空中單向飛行的時間T_TOF可以計算為：T_TOF=(T_TOT-T_TAT)/2

然后根據TTOF與電磁波傳播速度的成績便可計算出兩點間的距離D=CxT_TOF

TOF測距方法和兩個關鍵側約束：

1、發送設備和接收設備必須始終同步

2、接收設備提供信號的傳輸時間的長短

為了實現始終同步，TOF測距方法采用了始終偏移量啦解決始終同步問題，單由于TOF測距方法的時間以來與本地的遠程幾點，側距精度容易受兩端節點中的始終偏移量的影響。為了減少此類錯誤的影響，這里采用反向測量方法，即遠程節點發送數據包，本地節點接收數據包，并自動響應。通過平均正向和反向多次測量的平均值，減少對任何始終偏移量的影響，從而減少測距誤差。

UWB的定位原理

知道了UWB的測距原理，再來了解UWB的室內定位原理就很容易了。UWB的室內定位功能和衛星原理很相似，就是通過室內布置4個已知坐標的定位基站，需要定位的人員胡總惡化時設備攜帶定位標簽，標簽按照一定的頻率發傻脈沖，不斷和4個已知位置的基站進行測距，通過一定的精確算法定出標簽的位置！更多咨詢：0755-83408210

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

遮擋對UWB定位的影響主要分以下幾種情形

1、實體墻：一睹實體墻的這種遮擋將使得UWB信號衰減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體墻遮擋，將使得UWB無法定位。

2、鋼板：鋼鐵對UWB脈沖信號吸收很嚴重，將使得UWB無法定位。

3、玻璃：玻璃遮擋對UWB定位精度沒太大影響。

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

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

UWB室內定位基站布置原則

一：精準的三維定位每隔50-100米步驟一個定位基站，使得任意時刻 都有四個基站能接受到標簽發出的脈沖！

二：一維定位就是測距應用，適用于隧道，礦井對定位精度不高場景，精度在0.3米左右

1.3系統定位維度

根據應用場景的不同，可以實現一、二、三維定位。

1.3.1一維定位

典型應用為巷道定位，只需要定位目標在這個巷道的相對位置。一般會忽略巷道的寬度。

在這種模式下，可以采用基站時間同步的方式實現一維定位。

1.3.2二維定位

二維定位需要確定在空間的X、Y 坐標。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，但采用測距的方式實現定位功能。通過標簽離基站的距離，計算標簽的位置，有于場景的特殊性，可以計算出標簽的最終位置。

1.3.2.2標準二維定位

通過三個以上的基站，確定區域內的標簽的位置。可以得出基站的二維坐標。在這個系統中，由于只有二維坐標，需要關注“垂直投影”帶來的誤差。如下圖：

基站4 和其他基站不在同一個平面上，若做測距，得到的是標簽和基站4 的斜邊的距離，需要通過投影到平面進行計算。

1.3.3三維定位

實現三維定位，需要求出被定位設備的XYZ 三維坐標，在基站架設的時候，需要特別拉開Z 軸的高度差，以確保在Z 軸上的精確度。若用測距的方式，三個基站就可以完成三維定位，用TDOA 的方式，必須要四個以上基站才能完成。

二、系統組成及特性

2.1系統組成

系統包含三部分：電池供電的活動標簽，能夠發射UWB信號來確定位置；位置固定的傳感器，能夠接收并估算從標簽發送過來的信號；以及綜合所有位置信息的軟件平臺，獲取、分析并傳輸信息給用戶和其他相關信息系統。

2.2系統特性

?系統定位精度高達三維15cm，為目前無線電定位最高精度；

?標簽刷新率從0.002Hz-33Hz可以根據環境自動分配；

?標簽內置振動傳感器、紐扣電池可供1年供電；

?支持Linux和Windows環境，分布式結構；

?定位平臺功能豐富，圖形化操作界面，提供API開發支持；

三、應用領域

?工業/汽車：實時追蹤資產和庫存，改進流程，提高搜索效率，減少資源浪費；

?物流倉儲：跟蹤條碼閱讀器和叉車，減少保險檢查的環節，使倉儲管理變得靈活；

?軍事：人員定位和設備追蹤，例如城市作戰訓練、彈藥倉庫管理、高級研發；

?醫療保健：實時跟蹤病人，進行照顧和管理，利于病情分析和治療改進，方便于人力資源管理；

?危險環境：定位個人和資源，安全位置緊急搜索，人員監控，優化管理過程，做到安全有效；

?重點安保區域：人員的進出管理、實時位置查詢、禁區監管、隔離距離控制、人員調度，能對人員的位、行進路線、距離、速度進行監控和統計；

?體育：實時跟蹤與計算運動員的方向和速度等，詳細的性能分析，記錄隊伍的比賽實況，視頻集成。

轉載自 http://www.skylab.com.cn/newsview-158.html

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

總結

以上是生活随笔為你收集整理的UWB定位技术的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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