UWB室內定位技術

1、UWB室內定位技術作者：日期：2UWB 室內定位技術1 引言本文探討室內定位技術中的一種：UWB 室內定位技術，并在定位技術系列最后對各種定位技術進行總結，敬請關注微信公眾號“智物客”后續(xù)文章。2 概述UWB （UltraWideBand）即超寬帶技術，它是一種無載波通信技術，利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，因此其所占的頻譜范圍很寬。傳統(tǒng)的定位技術是根據(jù)信號強弱來判別物體位置，信號強弱受外界影響較大，因此定位出的物體位置與實際位置的誤差也較大，定位精度不高，而UWB 定位采用了寬帶脈沖通訊技術， 具備極強的抗干擾能力，使定位誤差減小。 UWB 定位技術的出現(xiàn)填補了高精度定位領域的空白，它具

2、有對信道衰落不敏感、發(fā)射信號功率譜密度低、低截獲能力、系統(tǒng)復雜度低、能提供厘米級的定位精度等優(yōu)點。3 UWB 室內定位流程（ 1 ）每個 定位標簽 以 UWB 脈沖重復不間斷發(fā)送數(shù)據(jù)幀；（ 2 ）定位標簽 發(fā)送的 UWB 脈沖串被 定位基站 接收；（3 ）每個 定位基站 利用高敏度的短脈沖偵測器測量每個定位標簽 的數(shù)據(jù)幀到達接收器天線的時間；（ 4 ）定位引擎 參考標簽發(fā)送過來的校準數(shù)據(jù)， 確定標簽達到不同 定位基站 之間的時間差， 并利用三點定位技術及優(yōu)化算法來計算標簽位置。（5 ）利用單基站定位一般采用AOA （(AngleofArrival ）算法，采用多基站定位多采用TDOA （ Ti

3、medifference of Arrival）算法。4 UWB 室內定位系統(tǒng)架構及功能4.1系統(tǒng)結構圖34.2主要設備及組件定位標簽定位標簽為有源標簽，能做成不同的形態(tài)固定在物體、車輛或佩戴在人員身上使用，在不同應用環(huán)境下?lián)碛卸嘧冃浴Ｋ亩ㄎ痪茸罡呖蛇_到5-10cm ，標簽發(fā)出的UWB 脈沖信號，通過定位基站（定位傳感器）接收和傳輸。每一個標簽都有唯一的 ID 號，可通過這個 ID 號將定位的物體聯(lián)系起來，使定位基站（定位傳感器） 通過標簽找到實際定位的位置。 標簽傳輸信號持續(xù)時間很短， 能夠允許成百上千的標簽同時定位。提供一個參考技術參數(shù)：4參數(shù)項參數(shù)值定位精度5-10cm系統(tǒng)總刷新率1

4、200Hz單一標簽刷新率1/64Hz-100Hz射頻發(fā)射3.1GHz 10.6GHz （分頻段）射頻接收信令信道ISM穿墻能力玻璃、木質墻體可穿透一堵墻，鋼筋混凝土墻體不能穿透電池供電可充電 500mAh鋰電池耗電指標按 1Hz 刷新率計算約使用1 個月定位基站定位基站（定位傳感器）可以通過到達時間差（TDOA ）測量技術，來確定標簽的位置，并將數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)絡控制器及定位引擎軟件，定位精度達到厘米級。參考技術參數(shù)如下：參數(shù)項參數(shù)值天線接口SMA網(wǎng)絡接口RJ455UWB 頻段3.1-10.6GHz（分頻段）系統(tǒng)控制信號2.4GHz ISM輸入電壓DC12V安全機制過熱、過載和短路保護功率消耗10

5、W定位引擎定位引擎位于部署于定位服務器中，是定位算法實現(xiàn)的地方，并提供API 與上層應用軟件調用。上層應用軟件上層應用軟件主要體現(xiàn)為系統(tǒng)功能。UWB 室內定位系統(tǒng)基本功能可包括：人員分布顯示：佩戴定位標簽的人員分布情況。人員移動軌跡：通過電子地圖實時顯示一個或多個人員移動軌跡。跟蹤指定人員：地圖隨著標簽的移動自動切換，將鼠標移到標簽上可以看到標簽的當前狀態(tài)。電子圍欄： 通過平面電子地圖上不同顏色和形狀顯示人員的報警位置狀態(tài)。5 UWB 技術特點UWB 技術應用于室內定位，具有以下特點：（1 ）系統(tǒng)容量大香農公式給出C=Blog 2(1+S/N)可以看出，帶寬增加使信道容量的提高遠遠大于信號功率

6、上升所帶來的效應，這一點也正是提出超寬帶技術的理論機理。超寬帶無線電系統(tǒng)用戶數(shù)量大大高于3G 系統(tǒng)。6（2 ）數(shù)據(jù)傳輸速度快UWB 系統(tǒng)使用上吉赫茲的超寬頻帶，根據(jù)香農信道容量公式，即使把發(fā)送信號功率密度控制得很低，也可以實現(xiàn)高的信息速率。一般情況下，其最大數(shù)據(jù)傳輸速度可以達到幾百兆比特每秒到吉比特每秒。（3 ）多徑分辨能力強UWB 由于其極高的工作頻率和極低的占空比而具有很高的分辨率，窄脈沖的多徑信號在時間上不易重疊，很容易分離出多徑分量， 所以能充分利用發(fā)射信號的能量。實驗表明，對常規(guī)無線電信號多徑衰落深達10 30dB 的多徑環(huán)境， UWB 信號的衰落最多不到 5dB 。（4 ）隱蔽性好

7、因為 UWB 的頻譜非常寬，能量密度非常低，因此信息傳輸安全性高。另一方面，由于能量密度低，UWB設備對于其他設備的干擾就非常低。（5 ）定位精確沖激脈沖具有很高的定位精度，采用超寬帶無線電通信，可在室內和地下進行精確定位，精度最高可達2厘米，一般精度在15 厘米內。而GPS 定位系統(tǒng)只能工作在GPS 定位衛(wèi)星的可視范圍之內。與GPS 提供絕對地理位置不同，超短脈沖定位器可以給出相對位置，其定位精度可達厘米級。（6 ）抗干擾能力強UWB 擴頻處理增益主要取決于脈沖的占空比和發(fā)送每個比特所用的脈沖數(shù)。UWB 的占空比一般為0.01 0.001 ，具有比其他擴頻系統(tǒng)高得多的處理增益，抗干擾能力強。 一般來說， UWB 抗干擾處理增益在50dB以上。（7 ）低功耗UWB 無線通信系統(tǒng)接收機沒有本振、功放、鎖相環(huán)(PLL) 、壓控振蕩器 (VCO) 、混頻器等，因而結構簡單，設備成本將