硬件電路設(shè)計之“UWB定位算法”

時間：2021-09-18 17:54:00

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[導(dǎo)讀]本文主要介紹UWB的定位算法。根據(jù)上一篇的介紹，UWB的定位算法可以分為三類：基于接收信號的強(qiáng)度（RSS，ReceivedSignalStrength）、基于到達(dá)角度（AngleofArrival）、基于到達(dá)時間（TOA，TimeofArrival）。不管是什么方式，其技術(shù)實(shí)現(xiàn)大...

本文主要介紹UWB的定位算法。

根據(jù)上一篇的介紹，UWB的定位算法可以分為三類：基于接收信號的強(qiáng)度（RSS，Received Signal Strength）、基于到達(dá)角度（Angle of Arrival）、基于到達(dá)時間（TOA，Time of Arrival）。不管是什么方式，其技術(shù)實(shí)現(xiàn)大致是一樣的：都是通過測量接收信號中的某些特征值，比如信號強(qiáng)度、角度、時間等，再采用相關(guān)算法來實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的定位。下面分別介紹這三類算法：RSS的原理是通過坐標(biāo)位置已知的探測器測量待測目標(biāo)所在位置的信號強(qiáng)度，由于信號強(qiáng)度與信號衰減滿足一定的關(guān)系，可以利用它來估算出待測目標(biāo)到當(dāng)前測量探測器的距離。其定位原理與TOA相同，只是獲取距離的方法不一樣，對于RSS，其測量的距離和衰減之間的關(guān)系依賴于信道特性，所以具有一個精確的傳輸模型是可靠估計距離的前提。然而未知環(huán)境下，其信號的傳輸模型未知，因而其定位誤差通常較大。AOA定位是通過基站A和基站B的接收天線或天線陣列，分別測量出A、B與目標(biāo)之間的角度值，該角度使接收機(jī)到移動臺組成一條射線，該角度稱為方位角，該射線稱為方位線。使用兩個或兩個以上的AOA方位線，即可得出多條射線的交點(diǎn)，該交點(diǎn)幾位待測目標(biāo)的估計位置。

TOA定位法是通過獲得N個位置已知的基站和待測目標(biāo)之間的直線距離（測量兩點(diǎn)之間的距離，主要有兩種方法，一種是測量兩點(diǎn)之間的傳播時間（也就是TOF），另一種是測量到達(dá)信號的場強(qiáng)變化（也就是RSS）），根據(jù)幾何原理實(shí)現(xiàn)定位。為了實(shí)現(xiàn)對待測目標(biāo)的定位，在無先驗知識的情況下，需要基站的數(shù)量至少為三個，以三個基站的位置坐標(biāo)為圓心，他們分別與待測目標(biāo)之間的距離為半徑畫圓，在無NLOS誤差的情況下，待測目標(biāo)必然在三個圓的交點(diǎn)上。

TOF的實(shí)現(xiàn)方式是需要目標(biāo)和基站之間進(jìn)行兩次TOA估算，并減去中間處理時間得到目標(biāo)和基站之間的往返時間。其定位原理和TOA相同，有點(diǎn)在于需要兩個節(jié)點(diǎn)之間有共同的時鐘。因為他是通過測量一個節(jié)點(diǎn)收發(fā)信息的往返時間來估計兩點(diǎn)之間的距離。

由于TOF在實(shí)際應(yīng)用中有各種各樣的問題，比如由于設(shè)備B時鐘源的自我偏差PPM會導(dǎo)致每次Tdelay的不一致性等等。因此TOF也有很多變種，比如RTOF（也叫TW-TOF或者DS-TWR）這種不需要同步的方式，也有TDOA這種需要系統(tǒng)有精確的時間同步功能。

TW-TOF是TOF（也叫SS-TWR）的一種擴(kuò)展測距方法，記錄了兩個往返的時間戳，最后得到飛行時間，雖然增加了響應(yīng)的時間，但會降低測距誤差。雙邊雙向測距根據(jù)發(fā)送消息個數(shù)不同，分為兩種方法：

4消息方式（4 messages）
3消息方式（3 messages）

雙邊雙向測距4消息方式分為兩次測距，設(shè)備A主動發(fā)起第一次測距消息，設(shè)備B響應(yīng)，得到4個時間戳；然后過了一段時間，設(shè)備B主動發(fā)起測距，設(shè)備A響應(yīng)，同樣得到4個不同的時間戳。

雙邊雙向測距3消息方式相比較于4消息方式，省掉了第二次測距的發(fā)起動作，當(dāng)設(shè)備A收到數(shù)據(jù)之后，立刻返回數(shù)據(jù)，最終也可以得到四個時間差。

得到四個時間戳就可以根據(jù)下面的公式進(jìn)行計算了：

TDOA是基于到達(dá)時間差定位，系統(tǒng)中需要有精確時間同步功能。時間同步有兩種：

一種是通過有線做時間同步，同步精度非常高，能控制到0.1ns，但由于采用有線，所有設(shè)備要么采用中心網(wǎng)絡(luò)的方式，要么采用級聯(lián)的方式，但增加了網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的復(fù)雜度，也增加了施工的復(fù)雜度，成本較高。并且，系統(tǒng)中還有一個專用的有線時間同步器，價格比較貴。

另一種是通過無線做時間同步，采用無線同步一般可以達(dá)到0.25ns，精度稍遜于有線時間同步，但其UWB定位系統(tǒng)相對來說更為簡單，定位基站只需要供電，數(shù)據(jù)回傳可以采用WiFi的方式，有效降低了成本。

TDOA定位不必要進(jìn)行基站和移動終端之間的同步，而只需要基站之間進(jìn)行同步。因為基站的位置是固定的，基站之間進(jìn)行同步與基站和移動終端之間進(jìn)行同步要容易實(shí)現(xiàn)得多。這使得TDOA定位比TOA定位要更加容易實(shí)現(xiàn)，所以TDOA定位的應(yīng)用非常廣泛。

TDOA定位在二維定位中需要使用4個定位基站?；緯r間同步之后，標(biāo)簽發(fā)送一個廣播報文，基站收到之后，標(biāo)記接收到此報文的時間戳，并將內(nèi)容發(fā)送到計算服務(wù)器，計算服務(wù)器根據(jù)其他基站的定位報文的時間戳，計算出被定位目標(biāo)的位置。

通過測量標(biāo)簽到每兩個基站之間的距離差，距離差等于常量即可繪制出雙曲線，而曲線交點(diǎn)即可確定標(biāo)簽坐標(biāo)。該方法實(shí)現(xiàn)過程中，標(biāo)簽只需要廣播一次UWB信號即可，因此有利于標(biāo)簽的功耗及標(biāo)簽并發(fā)數(shù)量。