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UWB是什么?UWB定位技术原理解析

UWB(Ultra Wideband)是一种无载波通信技术,利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。有人称它为无线电领域的一次革命性进展,认为它将成为未来短距离无线通信的主流技术。UWB在早期被用来应用在近距离高速数据传输,近年来国内外开始利用其亚纳秒级超窄脉冲来做近距离精确室内定位



UWB的基本测距原理是什么?

在说明这个问题之前,我们很有必要说说UWB测距的基本原理。

TOF(Time Of Flight飞行时间测距法)主要利用信号在两个异步收发机(Transceiver)之间飞行时间来测量节点间的距离。双向飞行时间法(TW-TOF,two way-time of flight)每个模块从启动开始即会生成一条独 立的时间戳 。模块A的发射机在其时间戳上的Ta1发射请求性质的脉冲信号,模块B在Tb2时刻发射一个响应性质的信号,被模块A在自己的时间戳Ta2时刻接收。有次可以计算出脉冲信号在两个模块之间的飞行时间,从而确定飞行距离S。



距离:S=Cx[(Ta2-Ta1)-(Tb2-Tb1)](C为光速)。

但是单纯的TOF算法有一个比较严格的约束:发送设备和接收设备必须始终同步。这是一个比较棘手的问题,但是一种Double-sided Two-way Ranging的算法巧妙的避开了这个问题,它即利用了TOF测距的优良特点,同时又极大的去除了TOF的同步问题,从而为TOF的实用化扫清了道路。


上面就是Double-sided Two-way Ranging算法的实际模型和计算飞行时间的公式,可以看到它在计算飞行时间时仅仅需要分别来自上面和下面定位设备的时间信息,而不需要两部设备时间同步。

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UWB的定位原理是什么?

定位算法中比较成熟的有:TOA(到达时间)、TDOA(到达时间差)、AOA(到达角度或称为DOA估计)定位技术和这三种技术的混合技术。

TOA通过分别测量移动终端与三个或更多基站之间信号的传播时间来定位。它采用了圆周定位,

假如己知移动终端到基站i的直线距离尺Ri, 那么由几何原理可知,移动终端的位置一定在以基站i的位置为圆心,Ri为半径 的圆周上。即若移动终端的位置(X0,Y0),基站位置为(Xi,Yi),则两者满足如下 关系:


下面的图非常形象的诠释了TOA算法的原理:


然而事情都具有两面性:TOA定位对传播中产生的误差比较敏感,这些误差来自于传播中的反射、 多径传播、非视距传播和噪声等干扰,会造成各圆无法相交或相交处不是一个点而是一个区域。同时TOA定位要求移动终端和基站之间在时间上要准确同步,1ns的同步误差将会给定位带来大约0.3米的不确定性。纳秒级的同步精度在 许多通信系统中是达不到的。因此,实际中很少使用单纯的TOA定位。

正因为如此,TDOA对TOA技术加以了改进。

TDOA定位不必要进行基站和移动终端之间的同步,而只需要基站之间进行同步。因为基站的位置是固定的,基站之间进行同步与基站和移动终端之间进行同步要容易实现得多。这使得TDOA定位比TOA定位要更加容易实现,所以 TDOA定位的应用非常广泛。

它通过测量出两个不同基站与移动终端的传输时延差来进行定位。假设移动终端的位置与基站1和基站2的距离差为R21=R2-R1,则移动终端的位置必定在以两个基站为焦点,与两个焦点的距离差恒为R21的双曲线上。即若移动终端的位置为(X0,Y0),基站1位置为(X1,Y1),基站2位置为(X2,Y2),则它们满足关系:

再通过另一组移动终端与基站1基站3或基站2基站3的TDOA,可以得到 另一组双曲线,两组双曲线将最多产生两个交点,再根据先验知识(如半径范围 等)判断出移动终端的位置。

它的基本原理可以从下面的图得到良好的诠释:


AOA估计也叫DOA(Direction ofArrival)估计或者方向识别DF(DirectionFinding)。

AOA的优点是所需要的基站比较少,最少只要两个基站就可以进行定位。在LTE系统之前,由于以前的基站并没有天线阵列,而只为了进行定位而对基 站进行更换,不仅需要投入庞大的资金也会破坏原有系统的结构和工作模式,使通信系统无法正常工作,因此AOA定位并不受人重视。在LTE系统中应用了 OFDM和多天线阵技术,使得基于LTE的AOA定位成为了研究热点。AOA的缺点是当移动终端和基站的距离比较远的时候,即使有微小的定位角度的误差,都会造成比较大的定位距离的偏差。因此AOA定位多见于中、短距离的定位。

下图很好的诠释了AOA的基本原理:


混合定位技术就是混合使用上述的两种或三种定位技术,比如TOA-TDOA、 TOA-AOA、TDOA-AOA等,通过检测并提取相关的定位参数,用于定位解算。混合定位技术可以运用多种定位参数实现定位,综合不同定位技术的特点,在各 种定位技术的特性中取长补短,让最终的定位性能得到优化。

对于基于TOA-AOA的技术,又叫圆角定位,利用这种方法可以实现利用单个基站进行定位。首先利用TOA的值计算出移动终端和基站之间的距离R,那么可以确定用终端的位置在以基站为圆心,R为半径的圆周上。接着利用天线阵 列测量出的移动终端到基站的AOA,作出一条射线。则射线与圆之间的交点就是移动终端的位置。若移动终端的位置为(X0,Y0),基站位置为(X,Y)在基站测得的移动终端发出的信号的到达角度为θ,基站和移动终端的距离为R,则他们满足如下方程:

我们可以通过下图形象地体会定位过程:

对于TDOA-AOA定位,可以通过下图形象的理解其定位原理:











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