UWB室內(nèi)定位技術(shù)

1、UWB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（Ultra Wide Band ）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(shù)，具備極強的抗干擾能力，使定位誤差減小。UWB定位技術(shù)的出現(xiàn)填補了高精度定位領(lǐng)域的空白，它具有對信道衰落不敏

2、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）每個定位標簽以UWB脈沖重復(fù)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(shù)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（(Angle of Arrival）算法，采用多基站定位多采用TDOA（Time difference of Arrival）算法。4&

3、#160; 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 4.2   主要設(shè)備及組件4.2.1  UWB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(yīng)用環(huán)境下?lián)碛卸嘧冃?。它的定位精度最高可達到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(shù)參數(shù)：參數(shù)項參數(shù)值定位精度5-10cm系統(tǒng)總刷新率

4、1200Hz單一標簽刷新率1/64Hz-100Hz射頻發(fā)射3.1GHz10.6GHz（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鋰電池耗電指標按1Hz刷新率計算約使用1個月 4.2.2  UWB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(shù)，來確定標簽的位置，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RJ45UWB頻段3.1-10.6GHz（分頻段）系統(tǒng)控制信號2.4GHz ISM輸入電壓DC 12 V安全機制

5、過熱、過載和短路保護功率消耗10W 4.2.4  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。4.2.5  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(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

6、大香農(nóng)公式給出C=Blog2(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)的理論機理。超寬帶無線電系統(tǒng)用戶數(shù)量大大高于3G系統(tǒng)。（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103

7、0dB的多徑環(huán)境，UWB信號的衰落最多不到5dB。（4）隱蔽性好因為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)和地下進行精確定位，精度最高可達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0.010.001，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(jié)構(gòu)簡