提高DWM1000模塊UWB定位精度的技術分析

馬銘辰 王洪源

摘? 要：為了有效地提高超寬帶技術的定位精度的同時降低系統實現的復雜度，通過對比各種無線定位技術，提出了基于Decawave的射頻芯片DWM1000的UWB定位方案。使用TDOA定位算法能夠很好地采用UWB測距技術中基于接收信號時間法的雙邊測距，在獲得信號的傳輸時間之后，便可根據參考節點的坐標和接收信號時間來聯立方程組，以計算目標節點的具體坐標，提高了定位精度。經實驗研究表明，在100m范圍內，TOF 也只有3.35×10-5s秒，所以誤差為6.7×10-10s秒，誤差范圍大約 20cm。

關鍵詞：超寬帶? 無線定位? TDOA? 雙邊測距

中圖分類號：TP242? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）09（b）-0115-03

Abstract：In order to effectively improve the positioning accuracy of ultra-wideband technology and reduce the complexity of system implementation， a UWB positioning scheme based on DWM1000 RF chip is proposed by comparing various wireless positioning technologies. Using TDOA location algorithm can well use the two-sided distance measurement based on the time method of receiving signal in UWB distance measurement technology. After obtaining the transmission time of the signal， the equations can be set up according to the coordinates of the reference node and the time of receiving signal， so as to calculate the specific coordinates of the target node and improve the positioning accuracy. The experimental results show that within 100 meters， TOF is only 3.35×10-5s seconds， so the error is 6.7×10-10s seconds， and the error range is about 20cm.

Key Words：Ultra-wide band;Wireless positioning; Time difference of arrival; Two-way ranging

無線定位技術是利用常見的定位算法，實現定位、跟蹤和監測特定目標的位置的技術。分為室外定位和室內定位[1]。常見的室內定位技術有：UWB，WiFi，藍牙，ZigBee等。其中UWB（Ultra-Wide Band）超寬帶技術是一種帶寬為1GHz以上且不需要載波的無線通信技術。工作頻段為3.1～10.6GHZ，可直接脈沖調制，不受載波干擾。

1? UWB定位技術

基于 TDOA 定位的原理是，當所有基站之間時鐘同步時，標簽發出一個測距信號，不同基站在不同時刻接收到這個測距信號，選取某基站接收到該測距信號的時刻作為基準，其他基站收到信號的時刻減去該基準，便能得到測距信號到達時間差，即 TDOA[2]值。我們根據兩個基站之間測量的到達時間差，便可以得到一個雙曲線。三個基站就可得到一組雙曲線方程，雙曲線的交點即為標簽的位置。

TDOA 原理如圖 1所示。

圖中BS1為基準基站[3]，假設電磁波信號到達三個參考基站的時間分別為t1，t2，t3，ri表示目標點到第i個參考基站的距離，那么ri=cti，Ri1表示目標點到第i個參考基站與到基準基站間的距離差，則Ri1=c（ti-t1）。建立雙曲線方程組就可以解算出待定位節點坐標（x，y）值。

2? 基于DWM1000的UWB定位系統設計

DWM1000 是一款符合IEEE802.15.4-2011UWB 規范，基于DecaWave? DW1000IC 的無線收發器模塊。該器件集成了必要的射頻設計所需的一切。芯片，天線，電源芯片，晶振和電壓轉換芯片都安裝一塊 23mm×13mm×2.9mm 的24 針類似郵票的 PCB 中，如圖2。

本文定位系統采用的硬件系統是基于UWB的無線傳感器網絡[4]，包含標簽和基站，首先當標簽上電開啟后會周期性地不斷廣播自身信息，各基站解析標簽信息后會得到標簽的信息和一個時鐘同步到達時間TOA。然后再從各基站再將這些數據信息打包發送到主基站。主基站通過虛擬串口將所有數據傳輸給上位機，上位機根據不同基站的TDOA 值，利用雙曲線算法計算得到標簽的估計坐標。

3? 測距精度的提高

TWR 是一個基本的概念，通過確定兩個物體之間傳輸信號的飛行時間TOF來計算兩個物體之間的距離d。DW1000使用數學和電子技術來實現非常精確的時鐘記錄。當在DW1000無線電波信號的發送和接收期間發生某些事件時，通過記錄該時鐘的狀態，DW1000能夠“時間戳”這些事件。

現在使用時間戳t1和t2，發起者可以計算往返時間Troundtrip，并且知道標記Treply中的應答時間，TOF[5]可以由下式確定，

如果我們假設無線電波通過空氣的速度與光速c相同，那么兩者之間的距離d通過計算得到，

在Decawave的雙向測距演示中，兩個單元成對工作。一個單元充當啟動測距交換的“標簽”，另一個單元充當監聽標簽消息并與其執行雙向測距交換的“基站”。 在雙向測距過程中，使用了5條消息交換[5]：（1）未配對基站處于偵聽模式，正在偵聽標簽的閃爍消息;（2）未配對的標簽發送周期性閃爍和偵聽響應;（3）基站決定與這個標簽配對進行測距并發送測距初始化消息;（4）標簽看到測距初始化響應并與基站配對;（5）基站計算范圍，并立即或在下一條響應消息中將范圍報告發送回標簽。兩條在發現階段（閃爍Blink和測距初始化Ranging Init），3條在測距階段（Poll、Response和Final）。

（1）發現階段。

最初標簽處于發現階段，它周期性地發送Blink消息，并偵聽來自基站的Ranging Init響應。當收到Blink消息時，基站會向標簽發送初始化消息，標簽將完成發現階段并進入測距階段。

（2）測距階段。

在測距階段，標簽周期性地與基站進行雙向測距信息交換。每個雙向測距交換由發送輪詢消息、接收響應消息和發送最終消息的標記組成，如圖3。

在標簽到基站雙向測距的情況下，由于時鐘漂移和頻率漂移，存在許多誤差源[6]。采用非對稱雙邊測距方法實現了減少誤差。圖4顯示了一個進行TWR的最終輪詢響應方法。

Rmarker是數據幀的第一個脈沖離開發射天線的時刻，最后一條消息將發起方的Tround和Treply時間傳遞給響應方，響應方計算到發起方的范圍：

如果設備 A 和 B 的時鐘在 20 ppm與標準時鐘的誤差相加并等于 40ppm 的方向上，那么 ka 和 kb 可能都是 0.99998 或 1.00002。

4? 結語

本文提出采用UWB測距技術中基于接收信號時間法的雙邊測距，在獲得信號的傳輸時間之后，便可根據參考節點的坐標和接收信號時間來聯立方程組，以計算目標節點的具體坐標，提高了定位精度。即使在比較大的 UWB 工作范圍（比如 100 m）下，TOF 也只有3.35×10-5s秒，即誤差時間為6.7×10-10s秒或 67ns，誤差范圍大約20cm。

參考文獻

[1] 王洋洋.UWB技術在煤礦精確定位中的應用[J].煤炭技術，2020，39（5）：186-188.

[2] 高健，陸陽，李慶巧，等.采用三次通信的TOF與TDOA聯合定位算法[J].電子測量與儀器學報，2020，34（3）：66-73.

[3] 周愛國，楊思靜，沈勇，等.融合UWB測距信息的室外高精度定位算法[J].導航定位學報，2020，8（1）：26-31.

[4] 李晨輝，甄杰，祝會忠，等.復雜環境下的超寬帶高精度定位算法[J].測繪科學，2020，45（1）：4-10.

[5] KonstantinMikhaylov.ImpactofIEEE802.15.4 Communication Settings on Performance in Asynchronous Two Way UWB Ranging[J].International Journal of Wireless Information Networks， 2017，24 （2）：124-139.

[6] Kevin Bouchard，Julien Maitre. Activity Recognition in Smart Homes using UWB Radars[J].Procedia Computer Science， 2020： 10-17.