UWB室內(nèi)定位技術(shù)

1、UWB室內(nèi)定位技術(shù)作者：日期：2UWB 室內(nèi)定位技術(shù)1 引言本文探討室內(nèi)定位技術(shù)中的一種：UWB 室內(nèi)定位技術(shù)，并在定位技術(shù)系列最后對各種定位技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，敬請關(guān)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(shù)，它是一種無載波通信技術(shù)，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(shù)是根據(jù)信號強(qiáng)弱來判別物體位置，信號強(qiáng)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(shù)， 具備極強(qiáng)的抗干擾能力，使定位誤差減小。 UWB 定位技術(shù)的出現(xiàn)填補(bǔ)了高精度定位領(lǐng)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(fù)雜度低、能提供厘米級的定位精度等優(yōu)點。3 UWB 室內(nèi)定位流程（ 1 ）每個 定位標(biāo)簽 以 UWB 脈沖重復(fù)不間斷發(fā)送數(shù)據(jù)幀；（ 2 ）定位標(biāo)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(biāo)簽 的數(shù)據(jù)幀到達(dá)接收器天線的時間；（ 4 ）定位引擎 參考標(biāo)簽發(fā)送過來的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)， 確定標(biāo)簽達(dá)到不同 定位基站 之間的時間差， 并利用三點定位技術(shù)及優(yōu)化算法來計算標(biāo)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(nèi)定位系統(tǒng)架構(gòu)及功能4.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖34.2主要設(shè)備及組件定位標(biāo)簽定位標(biāo)簽為有源標(biāo)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(yīng)用環(huán)境下?lián)碛卸嘧冃?。它的定位精度最高可達(dá)到5-10cm ，標(biāo)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(biāo)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(biāo)簽找到實際定位的位置。 標(biāo)簽傳輸信號持續(xù)時間很短， 能夠允許成百上千的標(biāo)簽同時定位。提供一個參考技術(shù)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(biāo)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(zhì)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(biāo)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(dá)時間差（TDOA ）測量技術(shù)，來確定標(biāo)簽的位置，并將數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)絡(luò)控制器及定位引擎軟件，定位精度達(dá)到厘米級。參考技術(shù)參數(shù)如下：參數(shù)項參數(shù)值天線接口SMA網(wǎng)絡(luò)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(jī)制過熱、過載和短路保護(hù)功率消耗10

5、W定位引擎定位引擎位于部署于定位服務(wù)器中，是定位算法實現(xiàn)的地方，并提供API 與上層應(yīng)用軟件調(diào)用。上層應(yīng)用軟件上層應(yīng)用軟件主要體現(xiàn)為系統(tǒng)功能。UWB 室內(nèi)定位系統(tǒng)基本功能可包括：人員分布顯示：佩戴定位標(biāo)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(biāo)簽的移動自動切換，將鼠標(biāo)移到標(biāo)簽上可以看到標(biāo)簽的當(dāng)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(shù)特點UWB 技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)定位，具有以下特點：（1 ）系統(tǒng)容量大香農(nóng)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號功率

6、上升所帶來的效應(yīng)，這一點也正是提出超寬帶技術(shù)的理論機(jī)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(nóng)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(dá)到幾百兆比特每秒到吉比特每秒。（3 ）多徑分辨能力強(qiáng)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(dá)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(shè)備對于其他設(shè)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(nèi)和地下進(jìn)行精確定位，精度最高可達(dá)2厘米，一般精度在15 厘米內(nèi)。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(nèi)。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(dá)厘米級。（6 ）抗干擾能力強(qiáng)UWB 擴(kuò)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(kuò)頻系統(tǒng)高得多的處理增益，抗干擾能力強(qiáng)。 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(jī)沒有本振、功放、鎖相環(huán)(PLL) 、壓控振蕩器 (VCO) 、混頻器等，因而結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備成本將