UWB定位基礎(chǔ)算法及NLOS抑制算法分析

陳志遠(yuǎn)++馬哲++梁建超

摘要：超寬帶（UWB）定位技術(shù)測距定位精度高、成本低，比較實用。本文簡單介紹了UWB定位技術(shù)的基本算法和簡單的誤差產(chǎn)生原因及一種在非視距（NLOS）環(huán)境下的抑制算法。

關(guān)鍵詞：超寬帶（UWB）定位技術(shù)；基本算法；NLOS抑制算法

中圖分類號：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）03-0155-01

隨著無線通信技術(shù)在日常生活中普及，定位技術(shù)已經(jīng)滲透到社會發(fā)展各個領(lǐng)域。對于定位技術(shù)，全球定位技術(shù)GPS最令人熟知[1]。但是GPS僅限于在室外環(huán)境應(yīng)用中，而室內(nèi)定位，由于GPS衛(wèi)星信號無法穿透建筑，且室內(nèi)環(huán)境多徑和非視距影響，無法進(jìn)行精確定位。而超寬帶（UWB）定位技術(shù)，容易與通信結(jié)合，多徑分辨能力強(qiáng)，傳輸速率高，成本相對較低，定位精度高，適用于室內(nèi)精確定位。所以UWB定位技術(shù)在室內(nèi)定位方面有很大潛力。

1 UWB定位算法簡介

UWB定位技術(shù)屬于無線定位技術(shù)之一，定位精度高[1]。此算法根據(jù)測量參數(shù)的不同，主要介紹基于接收信號到達(dá)時間、到達(dá)時間差的檢測方法。

1.1 基于到達(dá)時間法（TOA）

TOA算法需要建立三個及以上基站且知道位置坐標(biāo)（x，y），通過測量時信號到達(dá)時間t和信號傳播速度c，帶入公式（x-a）2+（y-b）2=（ct）2。分別將三個基站的相應(yīng)數(shù)據(jù)代入上述公式，列出方程組，聯(lián)立求解得出待測點(diǎn)移動臺位置（a，b）。

1.2 基于到達(dá)時間差法（TDOA）

此算法是對基于到到達(dá)時間（TOA）技術(shù)的改進(jìn)，有兩種方式。

第一種是測量點(diǎn)信號到基站時間取差值。盡管這樣的情況也需要對基站的時間同步，但根據(jù)信道傳輸特性相似，大量減少了多徑效應(yīng)帶來的誤差影響，提高了計算精度。第二種是發(fā)射兩種不同的信號，分別測量到達(dá)時間并測量，從而得到TDOA的值，這種算法避開了基站和移動臺時間不同步的問題，也大大提高了精度。

2 誤差來源

UWB定位系統(tǒng)有許多誤差來源，但在現(xiàn)實中LOS環(huán)境（視距傳播）下測距基本是不存在的，所以要在NLOS（非視距）環(huán)境進(jìn)行測距。

2.1 同步與多徑

目前許多研究重點(diǎn)是基于時間定位方式下的UWB定位技術(shù)[3]，此方式的弊端是：需盡量保持基站間時間同步，優(yōu)點(diǎn)是：降低了基站、被測點(diǎn)兩者之間的同步時間要求。由于UWB工作頻率和時間的測量精度非常高、對時間同步要求大，當(dāng)UWB信號占空比很低、多徑傳播時，在短距傳輸中，采用脈沖先后發(fā)射后，相對更容易識別。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度大、現(xiàn)場復(fù)雜、多徑嚴(yán)重的環(huán)境中，借助有效的多徑信道模型進(jìn)行計算，可進(jìn)一步提高定位精度。

2.2 NLOS環(huán)境下的障礙物阻擋

NLOS環(huán)境下，信號傳播有阻擋，這是現(xiàn)實中最常面臨的問題，而且影響UWB定位精度。對引用的基本算法TOA/TDOA來說，在信號傳播不受阻的情況下，定位精度準(zhǔn)確、信號可穿透墻壁等障礙物，但在穿透時傳播速度、功率等必然受影響。

3 NLOS抑制算法

經(jīng)過大量的研究表明，在三維空間中，在無遮擋的視距傳播（LOS）UWB定位中，采用建立5個基站，基站位置采用兩個在上兩個在下，一個在中的方式定位結(jié)果和耗費(fèi)資金最令人滿意。而在NLOS環(huán)境中，基站超過4個時，會把識別出NLOS測量值舍棄，使用LOS測量數(shù)據(jù)進(jìn)行定位分析。考慮到實際環(huán)境測量，NLOS基站是非常關(guān)鍵的因素，舍棄后無法實現(xiàn)定位功能。此時需要NLOS抑制算法來克服這個弊端。

此算法將NLOS測距值進(jìn)行重構(gòu)，使其接近LOS環(huán)境下的測量值并將測量出的NLOS下的動態(tài)范圍值進(jìn)行平滑，得出平均距離測量值曲線，再將平滑曲線向下移動至LOS測量值曲線附近，進(jìn)行對比取值。

（1）匹配平滑測量數(shù)據(jù)時使用N階多項式。

（2）進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑誤差校正后，可計算出所測量出每個距離值和平滑值兩者之間偏差，經(jīng)足夠多的采樣次數(shù)計算后，可發(fā)現(xiàn)測量值與平滑曲線最大偏差出現(xiàn)在某一數(shù)值t。若每次測量時間間隔比較大且每次測量都據(jù)有無關(guān)性，則實驗結(jié)果表明：測距的最大偏差與LOS條件下距離測量值的方差相似。然后進(jìn)行下一步操作，將平滑后的曲線下移最大偏差值的距離，此時得到的曲線接近于LOS距離測量值。

4 結(jié)語

UWB定位技術(shù)以其傳輸速率高、系統(tǒng)容量大、抗干擾能力強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)廣受人們青睞。自UWB定位技術(shù)概念提出以來，越來越多的企業(yè)開始研究并投入使用，UWB的發(fā)展極具潛力，而在我國處于萌芽階段，因此，需要大量的研究人員致力于UWB定位技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]鄔春明.DGPS與UWB混合精確無縫定位技術(shù)研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2012.

[2]李開權(quán).GPS定位與手機(jī)定位有什么不同[J].輕松學(xué)電腦：電子樂園，2011.

[3]李真真.基于UWB的室內(nèi)定位關(guān)鍵技術(shù)研究[J].信息技術(shù)，2011.