室內(nèi)定位——UWB測距及定位原理
來源：平行機器人
整理：李肖遙
我們都知道衛(wèi)星信號在室內(nèi)會被嚴重影響，從而導致GPS或是北斗無法定位。所以在室內(nèi)定位主要采用無線通訊、基站定位、慣導定位等多種技術(shù)集成形成一套室內(nèi)位置定位系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對人員、物體等在室內(nèi)空間中的位置監(jiān)控。除了通訊網(wǎng)絡(luò)的蜂窩定位技術(shù)外，常見的室內(nèi)無線定位技術(shù)還有：Wi-Fi、藍牙、紅外線、超寬帶、RFID、ZigBee和超聲波，今天我們就來談?wù)刄WB(超寬帶)定位原理。
UWB是什么？
UWB(Ultra Wideband)超寬帶技術(shù)是一種全新的、與傳統(tǒng)通信技術(shù)有極大差異的通信新技術(shù)。它不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波，而是通過發(fā)送和接收具有納秒或納秒級以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，從而具有GHz量級的帶寬。
UWB與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)相比有什么區(qū)別？
超寬帶系統(tǒng)與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)相比，具有穿透力強、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復雜度低、能提供精確定位精度等優(yōu)點。因此，超寬帶技術(shù)可以應(yīng)用于室內(nèi)靜止或者移動物體以及人的定位跟蹤與導航，且能提供十分精確的定位精度。
UWB的測距原理
雙向飛行時間法（TW-TOF,two way-time of flight）每個模塊從啟動開始即會生成一條獨立的時間戳 。模塊A的發(fā)射機在其時間戳上的Ta1時刻發(fā)射請求性質(zhì)的脈沖信號，模塊B在Tb1時刻發(fā)射一個響應(yīng)性質(zhì)的信號，被模塊A在自己的時間戳Tb2時刻接收。由次可以計算出脈沖信號在兩個模塊之間的飛行時間，從而確定飛行距離S。S=Cx[(Tb2-Ta1)-(Tb1-Ta2)](C為光速)
TOF測距方法屬于雙向測距技術(shù)，它主要利用信號在兩個異步收發(fā)機（Transceiver）之間飛行時間來測量節(jié)點間的距離。因為在視距視線環(huán)境下，基于TOF測距方法是隨距離呈線性關(guān)系，所以結(jié)果會更加精準。我們將發(fā)送端發(fā)出的數(shù)據(jù)包和接收回應(yīng)的時間間記為TTOT,接收端收到數(shù)據(jù)包和發(fā)出回應(yīng)的時間間隔記為TTAT,那么數(shù)據(jù)包在空中單向飛行的時間TTOF可以計算為：TTOF=(TTOT-TTAT)/2
然后根據(jù)TTOF與電磁波傳播速度的乘積便可計算出兩點間的距離D=CxTTOF
TOF測距方法和兩個關(guān)鍵側(cè)約束：
1、發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備必須始終同步
2、接收設(shè)備提供信號的傳輸時間的長短
為了實現(xiàn)時鐘同步，TOF測距方法采用了時鐘偏移量來解決時鐘同步問題。但由于TOF測距方法的時間依賴于本地和遠程節(jié)點，測距精度容易受兩端節(jié)點中時鐘偏移量的影響。為了減少此類錯誤的影響，這里采用反向測量方法，即遠程節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包，本地節(jié)點接收數(shù)據(jù)包，并自動響應(yīng)，通過平均在正向和反向所得的平均值，減少對任何時鐘偏移量的影響,從而減少測距誤差。
UWB的定位原理
知道了UWB的測距原理，再來了解UWB的室內(nèi)定位原理就很容易了。UWB的室內(nèi)定位功能和衛(wèi)星原理很相似，就是通過室內(nèi)布置4個已知坐標的定位基站，需要定位的人員或設(shè)備攜帶定位標簽，標簽按照一定的頻率發(fā)傻脈沖，不斷和4個已知位置的基站進行測距，通過一定的精確算法定出標簽的位置！
遮擋對UWB室內(nèi)定位的影響
遮擋主要指室內(nèi)定位UWB基站和定位標簽之間存在障礙物，阻礙了信號直接被互相接收，從而影響定位。
遮擋對UWB定位的影響主要分以下幾種情形：
1、實體墻：一堵實體墻的這種遮擋將使得UWB信號衰減60-70%定位精度誤差上升30厘米左右，兩睹或者兩睹以上的實體墻遮擋，將使得UWB無法定位。
2、鋼板：鋼鐵對UWB脈沖信號吸收很嚴重，將使得UWB無法定位。
3、玻璃：玻璃遮擋對UWB定位精度沒太大影響。
4、木板或紙板：一般厚度10厘米左右的木板或紙板對UWB定位精度沒太大影響。
5、電線桿或樹木：電線桿或者樹木遮擋時需要看他們之間距離基站或者標簽的距離，和基站和標簽的相對距離比較是否很小，比如，基站和定位標簽距離50米，電線桿或者樹木正好在兩者中間，25米處，這種遮擋就無大的影響，如離基站或者標簽距離很近小于1米，影響就很大。
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