基于UWB的雙向測距TOA定位系統設計

中國電子科技集團公司第五十四研究所 王丹丹 許磊

針對傳統室內定位技術定位精度低、抗干擾能力差的問題，設計了一種基于UWB的雙向測距TOA定位系統。首先對其系統架構和UWB技術進行了概述。然后提出采用雙向測距算法進行距離測量，避免了定位標簽和定位基站時鐘同步的難題。最后，運用TOA估計求解出定位標簽的位置坐標。該系統實現簡單，功耗低，能夠滿足在室內復雜環境中精確實時定位的需求。

隨著我國北斗三號全球衛星導航系統的建成及開通，基于北斗系統的導航定位已經廣泛應用于農林業、交通運輸、防災減災、公安應急等諸多領域。但由于衛星定位屬于室外定位，其自身技術特點使其容易受到建筑物遮擋，難以接收到足夠的衛星信號進行室內定位。而人們所處環境日益復雜，對室內位置服務的需求強烈，如隧道、礦井、醫院人員定位等。如何實現室內定位并提高室內定位精度成為較為熱門的研究方向。

目前比較常用的室內定位技術有RFID、ZigBee、WiFi、藍牙等，可以很好的彌補北斗定位在室內環境中的缺陷。但是RIFD技術只能識別目標是否存在，無法實時定位；且ZigBee、WiFi、藍牙只能定位約幾十米的范圍，定位精度約為3m左右。超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術是近幾年新興的一種無線通信技術，不需載波對數據進行調制，僅使用納秒級非正弦波窄脈沖進行數據傳輸，傳輸速率高達幾十Mbit/s到幾百Mbit/s。相較于以上幾種室內定位技術，UWB定位范圍更大（大約100m），定位精度可達厘米級。除此之外，UWB定位具有較強的抗干擾能力和較低的功耗，在現實生活中具有更好的實用性。

本文針對室內實時精確定位的需求，設計了基于UWB的雙向測距TOA定位系統。采用雙向測距算法摒棄定位標簽與定位基站時鐘未同步帶來的誤差，提高測距精度，并結合TOA定位方法實現目標定位。該系統抗干擾能力強，定位精度高，適合用于工地、倉庫、礦井、隧道等諸多室內環境中。

1 系統架構設計

基于TOA估計的UWB雙向測距定位系統由定位基站、定位標簽、交換機、服務器組成，其系統結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖Fig.1 System structure diagram

在室內布置已知位置坐標的定位基站，待測人員攜帶用于定位的定位標簽。定位標簽按照規定的頻率持續發射UWB信號，各定位基站接收信號后采用雙向測距算法獲得定位標簽與基站的距離，并將距離信息通過交換機傳送給服務器。服務器調用TOA定位算法建立方程組，求解出定位標簽的位置坐標。

雙向測距要求定位標簽和定位基站均具備發射接收功能，既是信號發射器也是信號接收器。UWB信號發射器的工作原理如圖2所示。首先將調制數據輸入脈沖調制器，代碼生成器根據調制方法對數據進行調制。然后將脈沖數據輸入帶有時鐘振蕩器的可編程延時單元，把每個數據放置在時間軸上的特定位置。根據數據的位置，脈沖發射器產生具有一定幅度的脈沖，最后發射天線將脈沖信號發送出去。

圖2 UWB信號發射器工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of UWB signal transmitter

UWB信號接收器的工作原理如圖3所示。為了使接收器和發射器保持幀同步，指令生成器生成一個波形，該波形通過模板生成器生成bit信號。同時接收天線接收UWB信號，當UWB信號和bit信號共同作用于脈沖相關器時，相關器會將接收信號輸入到內部函數生成單個直流電壓，該直流電壓被送到脈沖解調器中，輸出最終的解調數據。

圖3 UWB信號接收器工作原理圖Fig.3 Working principle diagram of UWB signal receiver

2 UWB技術

UWB是一種無載波通信技術，其信號采用納秒級窄脈沖進行短距離數據傳播。UWB信號的通信頻率為3.1GHz～10.6GHz，絕對帶寬不小于500MHz，相對帶寬不小于0.2，其表達式如式(1)所示：

f

f

f

UWB系統結構簡單，功耗低，成本低；信道容量大，傳輸速率快；多徑分辨能力強，定位精度高；抗干擾能力強，安全性高。這些特點和優勢使UWB技術具有很高的定位準確度和定位精度，逐漸發展為近年來室內定位技術中的主流技術。

3 雙向測距算法

雙向測距算法是在定位標簽和定位基站沒有精確時鐘同步的情況下，利用收發節點的往返時間來估算這兩個節點之間的距離。UWB定位系統中雙向測距各節點具備雙工通信能力，雙向測距示意圖如圖4所示。

圖4 雙向測距示意圖Fig.4 Schematic diagram of two-way ranging

定位標簽A在Ta1時刻向定位基站B發送一個搭載時間標記的UWB無線電信息，當定位基站B收到信息時記下當前時刻Tb1。為了避免定位標簽A接收沖突，定位基站B延時一定時隙t延時后，將回復信息、定位基站的接收信息時刻Tb1和信息發送時刻Tb2發送至定位標簽A。定位標簽在Ta2時刻收到定位基站發來的數據包，再根據數據包中的時間信息來計算信號的傳播時延T。將T乘以電磁波傳播速度c，即可得到定位標簽A、定位基站B之間的距離D。

根據各自的本地時鐘，定位標簽A可以計算出UWB信號的往返時間t，如式(2)所示：

由于定位基站B延時t=Tb2-Tb1已知，定位標簽A和定位基站B之間UWB信息的傳輸時間如式(3)所示：

則定位標簽和定位基站之間的距離D由如式(4)所示：

雙向測距能夠屏蔽定位標簽和定位基站之間時鐘不同步帶來的影響，提高測距精度。同時基于雙向測距實現的定位系統的復雜度可以大大降低，具有更強的實用性。

4 TOA定位方法

基于TOA的定位方法即基于信號到達時間（Time Of Arrival）的定位方法，其原理是通過定位標簽發出的信號到達定位基站的傳播時間，來計算定位標簽和定位基站之間的距離。二維空間下的TOA定位模型如圖5所示。

圖5 TOA定位模型Fig.5 TOA positioning model

假設定位標簽的坐標位置為（x，y），基站坐標位置為（xi，yi），其中（i=1，2，3）。Li（i=1，2，3）為定位標簽與基站之間的距離，由雙向測距算法獲得。以每個基站為圓心，分別以各個距離為半徑畫圓，三個圓相交的點即為定位標簽的位置。其定位方程組如式(5)所示：

將方程組等式展開，分別減去第一項可得，如式(6)所示：

將上式轉化為矩陣形式可以得到，如式(7)所示：

上式可以簡化后如式(8)所示：

其中：

由此可以得到待測定位標簽的位置坐標X，如式(9)所示：

5 結語

針對傳統定位系統定位精度低、抗干擾能力差、抗多徑效應差的問題，設計了一種基于UWB技術的室內定位系統。本文介紹了系統架構，描述了UWB技術，結合雙向測距算法，采用TOA定位方法，無需定位標簽和定位基站間的時間同步，實現了室內定位功能。該系統實現簡單，可廣泛應用于室內、隧道等復雜環境中。