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超宽带uwb怎么实现精准室内定位?

2018-12-28 10:39:26 来源:
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超宽带技术(UWB,Ultra Wide Band)技术是一种新型的无线通信技术。它通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制,使信号具有GHz量级的带宽。

随着科学的发展与进步, GPS已经可以在室外提供稳定、精准的定位导航服务,但在室内或者有障碍物遮挡情况下,GPS因其信号穿透能力较差而无法实现精确的室内定位,因此室内定位成为定位导航领域里的“最后一公里”问题。

为解决室内定位这一难题,国内外研究人员尝试了WLAN技术、射频识别技术(RFID)、蓝牙技术、ZigBee技术等,根据不同场景需求这些技术已经开始广泛应用,今天大家针对超宽带uwb技术进行先容。

何为超宽带技术?

超宽带技术(UWB,Ultra Wide Band)技术是一种新型的无线通信技术。它通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制,使信号具有GHz量级的带宽。

超宽带技术解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题,它具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、能提供数厘米的定位精度等优点。

超宽带(UWB)在早期被用来应用在近距离高速数据传输,近年来国外开始利用其亚纳秒级超窄脉冲来做近距离精确室内定位。

超宽带定位有哪几种常用的算法?

1、RSS法
超宽带定位在使用RSS算法的时候可以通过测量节点间的能量来估计目标与接收机之间的距离,由于接收信号的强度与传播的距离成反比,因此,距离的估算可以通过发射信号的强度和接收信号的强度利用衰减模型繁衍得到。超宽带定位的这种算法操作简单,而且成本也很低,但是在计算时需要考虑多径衰弱和阴影效应的影响。

2、AOA法
AOA算法能测量未知点和参考点之间的角度并计算目标的位置。超宽带定位系统通过多个基站测量从定位目标最先到达接收机的信号的到达角度,从而估计出定位目标的位置。如果区域内的障碍物比较少,则可以利用AOA算法获得较高的定位精度,但是如果定位区域内的障碍物比较多,那么就要考虑多径效应的影响。

3、TOA/TDOA法
当超宽带定位使用AOA方法来计算时,由于多路径效应和接收机天线的限制,往往需要较多的传感器同时工作,这样会增加系统的应用成本。而利用TOA/TDOA联合定位算法,可以减少同时工作的传感器数量,并且获得待定位目标的三维坐标。

TOA即“到达时间”,这种方式定位是通过Anchor和Tag之间的多次通信实现的,如下图:

 


1、Anchor首先发给Tag一个包,同时记录下Anchor当前的时间信息,记为T1。

2、Tag收到基站的信息,返回一个ACK。

3、 Anchor收到Tag的ACK,记录当前的时间信息,记为T2。

4、Anchor计算时间差Tr = T2 - T1,并且根据此计算出距离。

d = c * Tr / 2 其中c为光速。

当然,实际应用中为了更加靠谱,往往不仅仅是利用两次通信来测距,还会有更加复杂的多次通信来提高精度。

对于空间定位,只需要利用SX(球面相交法)便可以得出最后的坐标。

可见,为了一次定位,每个Anchor和Tag之间要进行两次通信,故又将这种定位方式称为“Two-way-ranging”。这种定位的优势在于其实现的便捷性和对硬件的宽容,只需要有几个摆放在不同位置的Anchor和一个Tag便可进行定位,而缺点嘛。。。首先自然是定位速度了,其次,由于每次通信的质量无法保证,而一对Anchor/Tag又无法做自我的校准,精度自然也会受到影响。

TODA即“到达时间差”,这种方式的一次测距是由两个Anchor和一个Tag实现的。在这种模式下,多个时钟完全同步的Anchor同时接受来自一个Tag的包,对于不同位置的Anchor,同一个Tag的同一次广播包到达的时间是不同的,所以便有有以下算法:

1、Tag发出一个广播包。

2、 两个Anchor接收到同一个包,Anchor1接收到的时间为T1,Anchor2接收到的时间为T1。

3、计算时间差Td = T2 - T1。

4、 对于至少四个Anchor,可以得到三组这样的两两之间的信息。

5、通过数学方法(multi-lateration)可以解算出Tag的空间坐标。

由于算法比较复杂,这里不再赘述。由此可见,TDOA的优势首先在于一次定位的通信次数显著减少,其次由于是用时间差而非绝对时间进行测距,其精度也比TOA高出一些。但优势总是以一些代价换来的,TDOA系统中各个Anchor的时钟必须严格同步,由于这种定位本质上是依赖于光速的,所以1ns的固有时钟误差便可以造成30cm的固有距离误差,这一点显然是不可接受的。而要打造一个间距比较大的精确同步系统成本又是比较高昂的。

和其他定位技术对比

1、Wi-Fi技术
通过无线接入点(包括无线路由器)组成的无线局域网络(WLAN),可以实现复杂环境中的定位、监测和追踪任务。它以网络节点(无线接入点)的位置信息为基础和前提,采用经验测试和信号传播模型相结合的方式,对已接入的移动设备进行位置定位,最高精确度大约在1米至20米之间。如果定位测算仅基于当前连接的Wi-Fi接入点,而不是参照周边Wi-Fi的信号强度合成图,则Wi-Fi定位就很容易存在误差(例如:定位楼层错误)。

另外,Wi-Fi接入点通常都只能覆盖半径90米左右的区域,而且很容易受到其他信号的干扰,从而影响其精度,定位器的能耗也较高。

2、蓝牙技术
蓝牙通讯是一种短距离低功耗的无线传输技术,在室内安装适当的蓝牙局域网接入点后,将网络配置成基于多用户的基础网络连接模式,并保证蓝牙局域网接入点始终是这个微网络的主设备。这样通过检测信号强度就可以获得用户的位置信息。

蓝牙定位主要应用于小范围定位,例如:单层大厅或仓库。对于持有集成了蓝牙功能移动终端设备,只要设备的蓝牙功能开启,蓝牙英皇宫殿网上娱乐场就能够对其进行位置判断。

不过,对于复杂的空间环境,蓝牙定位系统的稳定性稍差,受噪声信号干扰大。

3、红外线技术
红外线技术室内定位是通过安装在室内的传感器接收各移动设备(红外线IR标识)发射调制的红外射线进行定位,具有相对较高的室内定位精度。

但是,由于光线不能穿过障碍物,使得红外射线仅能视距传播,容易受其他灯光干扰,并且红外线的传输距离较短,使其室内定位的效果很差。当移动设备放置在口袋里或者被墙壁遮挡时,就不能正常工作,需要在每个房间、走廊安装接收天线,导致总体造价较高。

4、超宽带UWB技术
超宽带技术与传统通信技术的定位方法有较大差异,它不需要使用传统通信体制中的载波,而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据,可用于室内精确定位,例如:战场士兵的位置发现、机器人运动跟踪等。

超宽带系统与传统的窄带系统相比,具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能够提高精确定位精度等优点,通常用于室内移动物体的定位跟踪或导航。

5、RFID技术
RFID定位技术利用射频方式进行非接触式双向通信交换数据,实现移动设备识别和定位的目的。它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息,且传输范围大、成本较低;不过,由于以下问题未能解决,以RFID定位技术的适用范围受到局限。

1)RFID不便于整合到移动设备之中

2)作用距离短(一般最长为几十米)

3)用户的安全隐私保护

4)国际标准化

6、超声波技术
超声波定位主要采用反射式测距(发射超声波并接收由被测物产生的回波后,根据回波与发射波的时间差计算出两者之间的距离),并通过三角定位等算法确定物体的位置。

超声波定位整体定位精度较高、系统结构简单,但容易受多径效应和非视距传播的影响,降低定位精度;同时,它还需要大量的底层硬件设施投资,总体成本较高。

 

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