室內(nèi)定位——UWB測距及定位原理
[導(dǎo)讀]關(guān)注、星標(biāo)公眾號(hào)，直達(dá)精彩內(nèi)容來源：平行機(jī)器人整理：李肖遙我們都知道衛(wèi)星信號(hào)在室內(nèi)會(huì)被嚴(yán)重影響，從而導(dǎo)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(dǎo)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(shí)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...
關(guān)注、星標(biāo)公眾號(hào)，直達(dá)精彩內(nèi)容來源：平行機(jī)器人整理：李肖遙
我們都知道衛(wèi)星信號(hào)在室內(nèi)會(huì)被嚴(yán)重影響，從而導(dǎo)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(dǎo)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(shí)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(lán)牙、紅外線、超寬帶、RFID、ZigBee和超聲波，今天我們就來談?wù)?a href="/tags/UWB" target="_blank">UWB(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(jí)以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，從而具有GHz量級(jí)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(qiáng)、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供精確定位精度等優(yōu)點(diǎn)。因此，超寬帶技術(shù)可以應(yīng)用于室內(nèi)靜止或者移動(dòng)物體以及人的定位跟蹤與導(dǎo)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(shí)間法（TW-TOF,two way-time of flight）每個(gè)模塊從啟動(dòng)開始即會(huì)生成一條獨(dú)立的時(shí)間戳?。模塊A的發(fā)射機(jī)在其時(shí)間戳上的Ta1時(shí)刻發(fā)射請求性質(zhì)的脈沖信號(hào)，模塊B在Tb1時(shí)刻發(fā)射一個(gè)響應(yīng)性質(zhì)的信號(hào)，被模塊A在自己的時(shí)間戳Tb2時(shí)刻接收。由次可以計(jì)算出脈沖信號(hào)在兩個(gè)模塊之間的飛行時(shí)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(hào)在兩個(gè)異步收發(fā)機(jī)（Transceiver）之間飛行時(shí)間來測量節(jié)點(diǎn)間的距離。因?yàn)樵谝暰嘁暰€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(huì)更加精準(zhǔn)。我們將發(fā)送端發(fā)出的數(shù)據(jù)包和接收回應(yīng)的時(shí)間間記為TTOT,接收端收到數(shù)據(jù)包和發(fā)出回應(yīng)的時(shí)間間隔記為TTAT,那么數(shù)據(jù)包在空中單向飛行的時(shí)間TTOF可以計(jì)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(jì)算出兩點(diǎn)間的距離D=CxTTOFTOF測距方法和兩個(gè)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(hào)的傳輸時(shí)間的長短為了實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步，TOF測距方法采用了時(shí)鐘偏移量來解決時(shí)鐘同步問題。但由于TOF測距方法的時(shí)間依賴于本地和遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)，測距精度容易受兩端節(jié)點(diǎn)中時(shí)鐘偏移量的影響。為了減少此類錯(cuò)誤的影響，這里采用反向測量方法，即遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包，本地節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包，并自動(dòng)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(shí)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(gè)已知坐標(biāo)的定位基站，需要定位的人員或設(shè)備攜帶定位標(biāo)簽，標(biāo)簽按照一定的頻率發(fā)傻脈沖，不斷和4個(gè)已知位置的基站進(jìn)行測距，通過一定的精確算法定出標(biāo)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(biāo)簽之間存在障礙物，阻礙了信號(hào)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(shí)體墻：一堵實(shí)體墻的這種遮擋將使得UWB信號(hào)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(shí)體墻遮擋，將使得UWB無法定位。2、鋼板：鋼鐵對UWB脈沖信號(hào)吸收很嚴(yán)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(shí)需要看他們之間距離基站或者標(biāo)簽的距離，和基站和標(biāo)簽的相對距離比較是否很小，比如，基站和定位標(biāo)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(biāo)簽距離很近小于1米，影響就很大。來源整理于網(wǎng)絡(luò)素材，版權(quán)歸原作者所有，如有侵權(quán)，請聯(lián)系刪除，謝謝。???????????????? ?END ?????????????????關(guān)注我的微信公眾號(hào)，回復(fù)“加群”按規(guī)則加入技術(shù)交流群。
我們都知道衛(wèi)星信號(hào)在室內(nèi)會(huì)被嚴(yán)重影響，從而導(dǎo)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(dǎo)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(shí)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(lán)牙、紅外線、超寬帶、RFID、ZigBee和超聲波，今天我們就來談?wù)?a href="/tags/UWB" target="_blank">UWB(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(jí)以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，從而具有GHz量級(jí)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(qiáng)、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供精確定位精度等優(yōu)點(diǎn)。因此，超寬帶技術(shù)可以應(yīng)用于室內(nèi)靜止或者移動(dòng)物體以及人的定位跟蹤與導(dǎo)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(shí)間法（TW-TOF,two way-time of flight）每個(gè)模塊從啟動(dòng)開始即會(huì)生成一條獨(dú)立的時(shí)間戳?。模塊A的發(fā)射機(jī)在其時(shí)間戳上的Ta1時(shí)刻發(fā)射請求性質(zhì)的脈沖信號(hào)，模塊B在Tb1時(shí)刻發(fā)射一個(gè)響應(yīng)性質(zhì)的信號(hào)，被模塊A在自己的時(shí)間戳Tb2時(shí)刻接收。由次可以計(jì)算出脈沖信號(hào)在兩個(gè)模塊之間的飛行時(shí)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(hào)在兩個(gè)異步收發(fā)機(jī)（Transceiver）之間飛行時(shí)間來測量節(jié)點(diǎn)間的距離。因?yàn)樵谝暰嘁暰€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(huì)更加精準(zhǔn)。我們將發(fā)送端發(fā)出的數(shù)據(jù)包和接收回應(yīng)的時(shí)間間記為TTOT,接收端收到數(shù)據(jù)包和發(fā)出回應(yīng)的時(shí)間間隔記為TTAT,那么數(shù)據(jù)包在空中單向飛行的時(shí)間TTOF可以計(jì)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(jì)算出兩點(diǎn)間的距離D=CxTTOFTOF測距方法和兩個(gè)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(hào)的傳輸時(shí)間的長短為了實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步，TOF測距方法采用了時(shí)鐘偏移量來解決時(shí)鐘同步問題。但由于TOF測距方法的時(shí)間依賴于本地和遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)，測距精度容易受兩端節(jié)點(diǎn)中時(shí)鐘偏移量的影響。為了減少此類錯(cuò)誤的影響，這里采用反向測量方法，即遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包，本地節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包，并自動(dòng)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(shí)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(gè)已知坐標(biāo)的定位基站，需要定位的人員或設(shè)備攜帶定位標(biāo)簽，標(biāo)簽按照一定的頻率發(fā)傻脈沖，不斷和4個(gè)已知位置的基站進(jìn)行測距，通過一定的精確算法定出標(biāo)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(biāo)簽之間存在障礙物，阻礙了信號(hào)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(shí)體墻：一堵實(shí)體墻的這種遮擋將使得UWB信號(hào)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(shí)體墻遮擋，將使得UWB無法定位。2、鋼板：鋼鐵對UWB脈沖信號(hào)吸收很嚴(yán)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(shí)需要看他們之間距離基站或者標(biāo)簽的距離，和基站和標(biāo)簽的相對距離比較是否很小，比如，基站和定位標(biāo)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(biāo)簽距離很近小于1米，影響就很大。來源整理于網(wǎng)絡(luò)素材，版權(quán)歸原作者所有，如有侵權(quán)，請聯(lián)系刪除，謝謝。???????????????? ?END ?????????????????關(guān)注我的微信公眾號(hào)，回復(fù)“加群”按規(guī)則加入技術(shù)交流群。
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