UWB室內(nèi)定位技術(shù)研究

黃鶴

摘要：本文以超寬帶（UWB）技術(shù)進行室內(nèi)定位的研究，介紹了室內(nèi)定位的幾種技術(shù)，及利用UWB室內(nèi)定位的方法，并進行了實驗。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)定位；UWB無線通信系統(tǒng)；基于到達時間差的雙曲線定位算法；指紋法

中圖分類號：TN925 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）07-0125-02

隨著當(dāng)今社會經(jīng)濟的發(fā)展，除了在室外能過獲得自己或他人的位置外，獲取在室內(nèi)的精確位置信息也成了人們追求的目標(biāo)。在室外定位中，GPS定位已趨向成熟，但室內(nèi)定位仍處于尚未成熟階段。室內(nèi)定位技術(shù)在礦井中定位井下人員位置、火災(zāi)中確定被困人員方位、室內(nèi)商場中定位老人兒童位置、倉庫中定位商品等場合中均有重要作用。

1 無線室內(nèi)定位技術(shù)分析與比較

目前的室內(nèi)定位技術(shù)主要有：紅外線室內(nèi)定位技術(shù)、超聲波室內(nèi)定位技術(shù)、藍牙室內(nèi)定位技術(shù)、射頻指紋技術(shù)、超寬帶技術(shù)、Wi-Fi技術(shù)和ZigBee技術(shù)。

紅外線室內(nèi)定位因光線不能穿透障礙物，當(dāng)障礙物遮擋時，定位效果便很差，只能短距離定位。超聲波室內(nèi)定位技術(shù)是由一個主測距器和幾個應(yīng)答器組成，定位精度較高，但易受多徑效應(yīng)和障礙物的干擾，且設(shè)備成本高。藍牙定位的優(yōu)點是其設(shè)備的體積小，易于集成，定位時不受視距的影響，缺點是設(shè)備造價昂貴，抗噪能力差，穩(wěn)定性不高。射頻指紋定位技術(shù)是利用射頻的方式來進行傳輸數(shù)據(jù)達到定位的目的。其可以速獲得定位精度信息，且成本低、體積小。但是因為它的作用距離近，不具有通信能力，而且難以與其他系統(tǒng)相融。Wi-Fi室內(nèi)定位技術(shù)可以實現(xiàn)大范圍的復(fù)雜的室內(nèi)定位，易于安裝，需要基站的數(shù)量少，系統(tǒng)的總精度高，但容易受到別的信號的干擾，且定位器的能耗較高。本文利用超寬帶技術(shù)進行室內(nèi)定位。

2 UWB室內(nèi)定位裝置

本課題使用的UWB定位系統(tǒng)包括了交換機、基站接收機和標(biāo)簽三部分硬件。

基站采用的是工作頻段為5-6GH的UWB室內(nèi)型微基站，其解算頻率、掃描頻率均可控，掃描半徑約為30米。UWB設(shè)備采用短脈沖監(jiān)聽器測量短脈沖到達時間，可以精確至ns。

標(biāo)簽采用的是普通型卡片式標(biāo)簽，其工作頻段由基站決定，可自定義每秒發(fā)送的UWB脈沖數(shù)據(jù)包次數(shù)，范圍是10～100次/秒。每個標(biāo)簽發(fā)送UWB脈沖數(shù)據(jù)包所需的時間極短，各標(biāo)簽的數(shù)據(jù)包幾乎不會發(fā)生碰撞，當(dāng)一個范圍內(nèi)存在多個標(biāo)簽時不會影響各自的定位。

3 UWB室內(nèi)定位算法

本文采用了雙向測距的方法來獲取標(biāo)簽與基站之間的距離。由于標(biāo)簽與基站之間時間不同步，因此利用標(biāo)簽發(fā)出信號與收到反饋信號之間的時間差，加之發(fā)送的速度為電磁波的轉(zhuǎn)播速度，可以獲得基站與標(biāo)簽之間的距離。主要采用的是TDOA雙曲線定位算法。假設(shè)為標(biāo)簽的坐標(biāo)，為基站的坐標(biāo)，為標(biāo)簽和基站之間的距離，則、、之間滿足如下關(guān)系：

在確定基站的分組后，每次定位至少需要三個及以上的不在同一直線的基站來確定標(biāo)簽坐標(biāo)。

實驗地點為華東師范大學(xué)信息學(xué)院一樓大廳，共安裝8個基站，并分為前后左右共四組，每組四個基站。通過多次先驗實驗可知，應(yīng)用雙曲定位算法解算的標(biāo)簽坐標(biāo)在前廳和左通道定位效果好，發(fā)現(xiàn)右通道和后廳存在較多的跳躍點，誤差大，因此考慮在右通道和后廳利用指紋法消除誤差。將右通道和后廳劃分成若干細密的網(wǎng)格，每個網(wǎng)絡(luò)的邊長小于1米，通過多次實驗采集每個網(wǎng)格點實際定位出的坐標(biāo)取平均，貯存于數(shù)據(jù)庫中，在后續(xù)定位過程中將判定為跳躍點的坐標(biāo)在數(shù)據(jù)庫中查找對應(yīng)坐標(biāo)，作為模糊定位坐標(biāo)，可以有效的消除誤差。

4 UWB組合定位與實驗

本文采用了UWB室內(nèi)定位裝置，利用TDOA雙曲定位算法進行標(biāo)簽坐標(biāo)的解算，并在實驗場地的后廳和右通道利用了指紋法消除誤差。其中，雙曲定位算法是利用了三個以上基站到標(biāo)簽的距離，通過雙曲線方程來解算出標(biāo)簽坐標(biāo)，并根據(jù)時間判斷與前幾個解算出的坐標(biāo)點之間的距離，判斷是否為跳躍點，若是跳躍點，則判斷為哪個區(qū)域的跳躍點，并調(diào)用相應(yīng)的指紋庫與此坐標(biāo)比對，進行誤差的校正。首先判斷是否有三個以上的基站獲取到標(biāo)簽數(shù)據(jù)，若只有兩個以下的標(biāo)簽獲得這個時刻的標(biāo)簽數(shù)據(jù)，則放棄這組的數(shù)據(jù)，重新進行讀取。讀取數(shù)據(jù)成功后，利用雙曲定位算法進行標(biāo)簽坐標(biāo)的解算，之后判定是否為跳躍點，若不為跳躍點則直接顯示，若為跳躍點則利用指紋庫進行比對，再進行坐標(biāo)的顯示。多次實驗室據(jù)可得，前廳的定位的精度為0.71米，左通道的定位精度為0.65米，右通道的定位精度為1.24米，后廳的定位精度為0.86米，總精度為0.83米。

圖1基站分布圖、右通道指紋法、后廳指紋法示意圖指紋法消除誤差和基于UWB的定位實現(xiàn)實例。

5 結(jié)語

超寬帶（UWB）室內(nèi)定位技術(shù)因其具有功耗低、隱蔽性好、精確度高、系統(tǒng)簡單、截獲率小等優(yōu)點在國內(nèi)引起重視，具有很好的發(fā)展前景。本文以超寬帶（UWB）技術(shù)進行室內(nèi)定位的研究，介紹了室內(nèi)定位的幾種技術(shù)，及利用UWB室內(nèi)定位的方法，并在華東師范大學(xué)信息學(xué)院一樓大廳進行了實驗，平均定位精度為0.83米。

參考文獻

[1]張新躍，沈樹群.超寬帶無線通信技術(shù)及其發(fā)展前景[J].數(shù)據(jù)通信.2004.2”pp9-12.

[2]王金龍，王呈貴，闡金榮，徐以濤.無線超寬帶（UWB）通信原理與應(yīng)用[M].2005年11月 1-10，pp.33-40.

[3]葛利嘉等編著.超寬帶無線通信[M].國防工業(yè)出版社，2005，pp266-284.

[4]楊德成 基于UWB的室內(nèi)組合定位算法研究[D].華東師范大學(xué)，2016.9，56-68.endprint