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(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 (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)的定彳4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(shí)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，它具有對信道衰落不敏感、發(fā)射信號功率譜密度

2、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(diǎn)。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(shí)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(shí)間差，并利用三點(diǎn)定位技術(shù)及優(yōu)化算法來計(jì)算標(biāo)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(Timedifference of Arrival) 算法.4 UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)架構(gòu)及功

3、能4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖工作三孤期翡套謨摩服身患應(yīng)用展普器位置展各器/謔服各算物冏有疑以太網(wǎng)或WiFi其他定仁基站咱同T國多個簟芳器4.2 主要設(shè)備及組件4.3 。1 UWB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(shí)際定位的位置。標(biāo)簽傳輸信號持續(xù)時(shí)間很短，能夠允許成百上千的標(biāo)簽同時(shí)定位。提供一個參考技術(shù)參數(shù)參數(shù)項(xiàng)參數(shù)值定位精度

4、5-10cm系統(tǒng)總刷新率1200Hz單一標(biāo)簽刷新率1/64Hz-100Hz射頻發(fā)射3.1GHz 10.6GHz （分頻段）射頻接收信令彳t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(jì)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(dá)時(shí)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(xiàng)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

5、 12 V安全機(jī)制過熱、過載和短路保護(hù)功率消耗10W4。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(shí)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(biāo)簽的人員分布情況。人員移動軌跡：通過電子地圖實(shí)時(shí)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(bào)警位置狀態(tài)。5 UWB技術(shù)特點(diǎn)UWB技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)定位，具有以下特點(diǎn)：(1)系統(tǒng)容量大香農(nóng)公式給出 C=Blog 2(

6、1+S/N)可以看出，帶寬增加使信道容量的提高遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號功率上升所帶來的效應(yīng)，這一點(diǎn)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)。(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(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)表明，對常規(guī)無線電信號多徑衰落深達(dá) 1030dB的多徑環(huán)境，UWB信號

7、的衰落最多不到 5dB。(4)隱蔽性好因?yàn)閁WB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。010。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)備成本將很低。由于 UWB信號無需載波，而是使用間歇的脈沖來發(fā)送數(shù)