UWB高精度定位技术

懒驴 2021年03月04日 394次浏览
  • UWB简介
    UWB是Ultra Wide Band UWB的简称,是一种无线载波通信技术,它不采用正弦载波,而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据,因此其所占的频谱范围很宽。UWB技术具有系统复杂度低,发射信号功率谱密度低,对信道衰落不敏感,截获能力低,定位精度高等优点,尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入。

    图1

  • UWB的应用
    UWB技术应用按照通信距离分大体可以分为两类:
    一类是短距离高速应用,数据传输速率可以达到数百兆比特每秒,主要是构建短距离高速WPAN、家庭无线多媒体网络以及替代高速率短程有线连接,如无线USB和DVD,其典型的通信距离是10m;
    另一类是中长距离(几十米以上)低速率应用,通常数据传输速率为1Mbit/s,主要应用于无线传感器网络和低速率连接。同时,由于UWB技术可以利用低功耗、低复杂度的收发信机实现高速数据传输,所以UWB技术在近年来得到了迅速发展。它在非常宽的频谱范围内采用低功率脉冲传输数据而不会对常规窄带无线通信系统造成大的干扰,并可充分利用频谱资源。基于UWB技术而构建的高速率数据收发机有看广泛的用途。

  • 室内环境中的常用无线定位测量方法
    无线定位测量方法是指分析接收到的无线电波信号的特征参数,然后根据特定算法计算被测对象的位置(二维/三维坐标: 经度,纬度,高度)。

    常用的室内无线定位测量方法如下:

    基于AOA(Angle of Arriva, 到达角度定位)的定位算法
    基于TOA(Time of Arriva, 到达时间定位)的定位算法
    基于TDOA(Time Difference of Arriva, 到达时间差定位)的定位算法
    基于RSS(Received Signal Strength, 接收信号强度定位)的定位算法
    混合定位
    不同的算法,定位的精度也不同。为了提高定位的精度,也可以采用多种技术的组合。

  • 基于AOA的定位算法
    AOA定位是通过基站天线或天线阵列测出终端发射电波的入射角(入射角是光源与法线的夹角),从而构成一根从接收机到终端的径向连线,即方位线。利用两个或两个以上AP接入点提供的AOA测量值,按AOA定位算法确定多条方位线的交点,即,为待定终端的估计位置。

  • 基于TOA的定位算法
    TOA技术是指由基站向移动站发出特定的测距命令或指令信号,并要求终端对该指令进行响应。基站会纪录下由发出测距指令到收到终端确认信号所花费的时间,该时间主要由射频信号在环路上的传播时延、终端的响应时延和处理时延、基站的处理时延组成。如果能够准确地得到终端和基站的响应和处理时延,就可以算出射频信号的环路传播时延。因为无线电波在空气中以光速传播,所以基站与终端之间的距离可以估算出来。当有三个基站参与测量时,就可以根据三角定位法来确定终端所在的区域。
    图2

  • 基于TDOA的定位算法
    TDOA定位算法是一种利用时间差进行定位的方法,通过测量信号达到基站的时间,可以确定信号源的距离,利用信号源到多个无线电监测站的距离(以无线电基站为中心,距离为半径作园),就能确定信号的位置。通过比较信号到达多个基站的时间差,就能做出以检测站为焦点、距离差为长轴的双曲线的交点,该交点即为信号的位置。
    图3
    TDOA是基于多站点的定位算法,因此要对信号进行定位必须有至少3个以上的监测站进行同时测量。而每个监测站的组成则相对比较简单,主要包括接收机、天线和时间同步模块。理论上现有的监测站只要具有时间同步模块就能升级为TDOA监测站,而不需要复杂的技术改造。

  • 基于RSS的定位算法
    在基于RSS的算法中,被跟踪目标测量来自多个发射器接收的信号强度,以便使用信号强度作为发射器和接收器之间距离的估算参数。这样,接收器将能够估算其相对于发射器节点的位置。在基于RSS的算法中,无线信号传输过程中的多径效应和通过障碍时产生的阴影效应是产生定位误差的主要原因。在开放空间里,若无障碍物的阻隔,可以得到较为精确的定位,而在很多环境下,因为存在各种各样的障碍物导致的多径效应,衰减,散射等等不确定因素,将大大影响其定位精度。另外,基于RSS的算法与其他算法相比也具有一些优势,在基于RSS的算法中,移动标签仅用作接收器,因此依赖于来自多个发射器的接收信号的强度来找到它们的位置。以这种方式,基于RSS的算法倾向于具有较少的通信流量,这有助于改善信道访问控制和定位准确性。此外,较少的通信流量有助于克服对使用中的标签数量的限制。移动标签只是接收器,数量没有限制。

    基于RSS的算法可以分为两种主要类型:三边测量和指纹识别。三边测量算法使用RSS测量来估计到三个不同参考节点的距离,从而估计当前位置。另一方面,指纹识别需要收集场景RSS指纹的数据集,该数据集则用于将在线测量与数据集中最接近的指纹匹配用以估计位置。

  • 结语
    在工业4.0的物联网体系中,关键位置定位信息,是工业信息智能化的重要组成部分,解决的是4.0时代工业现场供应链组件、生产设备、调度车辆与操作人员精确定位的问题,是对生产组织过程进行智能分析、科学决策的前提条件。

    锐捷网络人员资产定位管理方案通过融合感知级别的无源RFID应用、米级定位的有源RFID应用、亚米级定位的UWB超宽带应用和锐捷物联网平台,提供一套软硬件综合应用解决方案。可实现实时定位、人员资产分布、历史轨迹回放、电子围栏报警、物资管理、物资盘点等功能。可广泛应用于隧道管廊、司法监狱、大型工厂、石油化工、养老医院、仓储物流、智能楼宇、机场车站等对人员和资产有定位管理需求的场景。根据定位需求的不同,提供多种定位方案,实现需求与成本的完美平衡。

      		     ---<文章总结学习自互联网>---