基于超寬帶技術(shù)測距的室內(nèi)定位系統(tǒng)

張 鵬 王 曉 代作曉* 尹恒軍

（1、上海電力大學自動化工程學院，上海200090 2、太倉光電技術(shù)研究所，江蘇 蘇州215400）

在軍事和導航領(lǐng)域最早出現(xiàn)定位技術(shù)的運用，全球定位系統(tǒng)于20 世紀出現(xiàn)，隨后在海陸空得到全方位的應(yīng)用。雖然室外定位系統(tǒng)能夠幫助人們獲取室外位置信息，但在室內(nèi)由于環(huán)境因素造成諸多遮擋，信號會發(fā)生折射、反射，衰減甚至不能傳遞，所以它們的表現(xiàn)就很難滿足定位要求。而超寬帶憑借其極高的時間分辨率和較強的抗干擾性能為室內(nèi)精準定位提供了良好方案[1]。

1 超寬帶特點[2]

抗干擾能力強：UWB 信號使用極窄脈沖傳遞信息，使其能夠在更低的SNR 下進行信息傳輸。多徑分辨能力強：由于UWB是采用納秒級別的脈沖，脈沖占用的時間極短，這種特性可以很好的分辨多徑信號。傳輸速率高，系統(tǒng)容量大：根據(jù)香濃公式，當信噪比一定時，傳輸速率和帶寬成正比，UWB 具有的帶寬很寬，所以傳輸速率極高，提高系統(tǒng)容量。安全性好：FCC 對UWB 的功率譜密度進行了限制，信號功率在其他信號功率譜之下，導致UWB 信號很難被發(fā)現(xiàn)。

2 測距及定位方法

2.1 測距方法[3]

圖1 是基于三消息幀的雙邊雙向測距方法（DS-TWR），圖中給出了雙向測距的兩個往返行程。其中，往返行程時間用Ra和Rb表示，裝置A、B 的回復(fù)時間用Da和Db表示，雙向測距的理想飛行時間用Tf表示。根據(jù)以上方法，估計出信號在設(shè)備A、B 之間的傳輸時間，如式（1）：

2.2 定位方法[4]

基于時間測量的定位思想是利用超寬帶無線收發(fā)模塊測量目標點和每個基站之間的飛行時間，乘以光速得到距離測量值。然后以基站為圓心，基站到目標點的距離為半徑建立定位模型來確定目標點的位置。

根據(jù)已知的參考基站坐標以及測得的目標點到各個設(shè)備的距離即可求得目標點的坐標。

3 基于卡爾曼濾波的定位算法

利用超寬帶無線收發(fā)設(shè)備進行測距，擬合公式對測距值校正，卡爾曼濾波算法再次對測距值處理，降低非視距引起的數(shù)據(jù)干擾，最終利用定位算法求解定位目標坐標值。

圖1 基于三消息幀的雙邊雙向測距

3.1 數(shù)據(jù)擬合

林志東等人在文獻中較為全面分析了測距誤差的影響因素[5]，并對此提出了減小測距誤差的方法，提高了UWB 測距精度。通過基于UWB 的測距方法測得標簽與基站間的測量值，與實際距離值擬合出校正公式。多次實驗發(fā)現(xiàn)，利用擬合方法可以增強測距值對環(huán)境的適應(yīng)性。

3.2 卡爾曼濾波[6]

卡爾曼濾波技術(shù)主要廣泛應(yīng)用在軍事領(lǐng)域中的雷達定位與導航方面，這是由于它具有理想的跟蹤性能決定的。因此將卡爾曼濾波技術(shù)應(yīng)用到無線定位技術(shù)中，能夠有效達到動態(tài)跟蹤定位的效果。數(shù)學表達式如式（2）：

Xk|k-1是利用k-1 時刻預(yù)測的當前值；Xk-1|k-1是k-1 時刻最優(yōu)值；Fx是Xk-1|k-1狀態(tài)下的變換矩陣，Bk是變換矩陣，uk是控制增益。Pk|k-1是k 時刻系統(tǒng)預(yù)測協(xié)方差矩陣；Pk-1|k-1是k-1 時刻系統(tǒng)協(xié)方差矩陣；Qk是系統(tǒng)過程噪聲的協(xié)方差。Kk是卡爾曼增益，Hk是對象的預(yù)測矩陣，Pk是對象測量噪聲的協(xié)方差矩陣。Xk|k是k 時刻狀態(tài)變量最優(yōu)估計值；Zk是對象的測量值。Pk|k為k 時刻協(xié)方差矩陣；I 為單位矩陣。

4 測距與定位實驗

4.1 定位系統(tǒng)介紹

DW1000 是一款基于IEEEE802.15.4-2011 超寬帶標準的低功耗集成芯片，測距精度達到10 厘米。DW1000 無線收發(fā)芯片通過SPI 通信接口與stm32 主控制器連接，進行測距信息傳輸。核心控制模塊采用STM32F103 系列單片機，它的主要是對DW1000 收發(fā)芯片寄存器進行操作管理，數(shù)據(jù)交換，完成測距信息的采集，同時將測距信息通過USB 接口與主基站連接傳輸給上位機解算軟件。本上位機主要實現(xiàn)的功能是與超寬帶定位模塊通過虛擬串口建立連接，接收定位主基站的TOF 測距信息，利用三邊定位算法求解最后的目標位置。

4.2 測距校正

在室內(nèi)環(huán)境利用超寬帶模塊進行測距實驗，采集測距數(shù)據(jù)，將所測的距離數(shù)據(jù)與實際距離測量值對比，進行數(shù)據(jù)擬合。利用超寬帶模塊進行實驗，部分校正后測距值如表1，對比數(shù)據(jù)校正前后的測距值，測距精度有了明顯的提高，除去最大誤差值23 厘米，其余測距誤差穩(wěn)定在10 厘米。

表1 校正后測距值（單位/m）

4.3 靜點定位結(jié)果

表2 中，（Xt,Yt）是真實值，（Xe，Ye）是測距值。對數(shù)據(jù)進行分析，X 軸絕對平均誤差是0.0467 米，Y 軸絕對平均誤差是0.0367米，平均定位誤差是0.0703 米，均方根定位誤差是0.0743 米。

表2 部分靜點定位結(jié)果（單位/m）

4.4 動態(tài)定位結(jié)果

利用matlab 打開定位軟件導出的定位數(shù)據(jù)并畫出其軌跡，如圖2，同時畫出真實路線圖，做一個直觀比較。從圖中可以看到，定位軌跡沿著實際路線分布。

圖2 軌跡路線

5 結(jié)論

本文基于超寬帶時間分辨精度高、抗干擾的優(yōu)點，采用雙邊雙向測距方法得出信號在收發(fā)裝置間的飛行時間，利用擬合公式對測距值進行校正，結(jié)合卡爾曼濾波算法進一步優(yōu)化，帶入定位算法求解出目標位置。利用基于DW1000 的無線信號收發(fā)模塊進行室內(nèi)定位實驗，取得了較高的定位精度，具有一定的實用性。