基于UWB技術(shù)的室內(nèi)定位方法簡述

1.UWB室內(nèi)定位概述：

UWB室內(nèi)定位技術(shù)與傳統(tǒng)通信技術(shù)有極大的差異，它不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波，而是通過發(fā)送和接收具有納秒或納秒級(jí)以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，從而具有GHz量級(jí)的帶寬。超寬帶室內(nèi)定位可用于各個(gè)領(lǐng)域的室內(nèi)精確定位和導(dǎo)航，包括人和大型物品，例如貴重物品倉儲(chǔ)、礦井人員定位、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)跟蹤、汽車地庫停車等。

UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)相比，具有穿透力強(qiáng)、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供精確定位精度等優(yōu)點(diǎn)。因此，UWB室內(nèi)定位技術(shù)可以應(yīng)用于室內(nèi)靜止或者移動(dòng)物體以及人的定位跟蹤與導(dǎo)航，且能提供十分精確的定位精度。例如作為UWB定位專家的EHIGH恒高，其自主研發(fā)生產(chǎn)的UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)可以達(dá)到優(yōu)于10cm的定位精度。

2.UWB室內(nèi)定位原理：

跟藍(lán)牙和WIFI定位方法不同，UWB室內(nèi)定位技術(shù)位置信息并不是基于信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）進(jìn)行計(jì)算，而是通過精確無線信號(hào)的發(fā)送時(shí)刻、接收時(shí)刻，并通過算法計(jì)算的。UWB無線定位系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)精確定位，首先要獲取與位置相關(guān)的變量信息，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)這些變量和參數(shù)以及數(shù)學(xué)模型來解算目標(biāo)的坐標(biāo)。

UWB室內(nèi)定位技術(shù)具有超高的時(shí)間分辨率，保證了UWB可以準(zhǔn)確的獲得待定位目標(biāo)的時(shí)間和角度信息，信號(hào)飛行的速度是光速（固定值），所以只要知道飛行時(shí)間就可以計(jì)算出兩個(gè)設(shè)備的距離，結(jié)合角度信息利用三角定位等幾何定位方法求得待定位目標(biāo)的位置信息。

在UWB室內(nèi)定位技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的是飛行時(shí)間測距法（TOF）和到達(dá)時(shí)間差法（TDOA）。從定位方式來看均屬于多點(diǎn)定位，即確定標(biāo)簽與多個(gè)已知坐標(biāo)點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系定位。

3.UWB室內(nèi)定位之TOF

飛行時(shí)間法（Time of flight，TOF）是一種雙向測距技術(shù)，它通過測量UWB信號(hào)在基站與標(biāo)簽之間往返的飛行時(shí)間來計(jì)算距離。根據(jù)數(shù)學(xué)關(guān)系，一點(diǎn)到已知點(diǎn)的距離為常數(shù)，那么這點(diǎn)一定在以已知點(diǎn)為圓心，以該常數(shù)為半徑的圓上。有兩個(gè)已知點(diǎn)，就有兩個(gè)交點(diǎn)。以三個(gè)已知點(diǎn)和距離作三個(gè)圓，他們交于同一個(gè)點(diǎn)，該點(diǎn)就是標(biāo)簽的位置。

移動(dòng)標(biāo)簽首先向定位基站發(fā)送測距請(qǐng)求，基站收到測距請(qǐng)求進(jìn)行處理，經(jīng)過一小段時(shí)間處理后向移動(dòng)標(biāo)簽回復(fù)確認(rèn)信息，分別記錄 UWB 信號(hào)發(fā)送和接收的時(shí)間間隔，例如我們將發(fā)送端發(fā)出信號(hào)和接收回應(yīng)的時(shí)間間隔記為TTOT，接收端收到數(shù)據(jù)包和發(fā)出回應(yīng)的時(shí)間間隔記為TTAT。那么信號(hào)在空中的單向飛行時(shí)間TTOF可以計(jì)算為：

然后根據(jù)TTOF與電磁波傳播速度的乘積便可算出標(biāo)簽到基站之間的距離。d = c × TTOF

根據(jù)到各個(gè)基站的測距信息，以各個(gè)基站為中心畫圓，就可以得到一個(gè)交點(diǎn)，交點(diǎn)就是標(biāo)簽的位置。

4.UWB室內(nèi)定位之上行TDOA

到達(dá)時(shí)間差（Time Difference of Arrival，TDOA）是一種利用到達(dá)時(shí)間差進(jìn)行定位的方法又稱為雙曲線定位。標(biāo)簽卡對(duì)外發(fā)送一次UWB信號(hào)，在標(biāo)簽定位距離內(nèi)的所有基站都會(huì)收到無線信號(hào)，如果有兩個(gè)已知坐標(biāo)點(diǎn)的基站收到信號(hào)，標(biāo)簽和基站的距離間隔不同，因此這兩個(gè)收到信號(hào)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)是不一樣的，根據(jù)數(shù)學(xué)關(guān)系，到已知兩點(diǎn)為常數(shù)的點(diǎn)，一定處于以這兩點(diǎn)為焦點(diǎn)的雙曲線上。那么有四個(gè)已知點(diǎn)（四個(gè)定位基站）就會(huì)有四條雙曲線，四條雙曲線交于一點(diǎn)就是標(biāo)簽的位置。

5.UWB室內(nèi)定位之下行TDOA技術(shù)

簡單的說就是定位基站發(fā)送定位信號(hào)，定位標(biāo)簽接收定位信號(hào)。這種工作方式和GPS類似，所以又叫室內(nèi)GPS。下行TDOA是在終端進(jìn)行位置坐標(biāo)計(jì)算，同時(shí)EHIGH恒高的定位系統(tǒng)，可以通過標(biāo)簽上傳這些數(shù)據(jù)到服務(wù)器，實(shí)時(shí)結(jié)算標(biāo)簽位置，這一點(diǎn)得歸功于恒高室內(nèi)定位系統(tǒng)自帶的一套高實(shí)時(shí)性的物聯(lián)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

下行TDOA的優(yōu)勢是，基站決定信號(hào)發(fā)送的時(shí)間，所以基站的功耗較低，并且跟GPS有著同樣的優(yōu)勢，即該系統(tǒng)的容量無限大的，終端獲取位置信息的延時(shí)也很小，這種模式，適合用于目標(biāo)的獨(dú)立導(dǎo)航。

在國內(nèi)的UWB行業(yè)中，能實(shí)現(xiàn)UWB下行TDOA定位技術(shù)的公司屈指可數(shù)，EHIGH恒高正是其中一家，并且早在2016年的福清核電建設(shè)工地項(xiàng)目上就已經(jīng)被成功應(yīng)用了。