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硬件電路設(shè)計(jì)之“UWB定位算法”

時(shí)間：2021-09-18 17:54:00
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[導(dǎo)讀]本文主要介紹UWB的定位算法。根據(jù)上一篇的介紹，UWB的定位算法可以分為三類：基于接收信號(hào)的強(qiáng)度（RSS，ReceivedSignalStrength）、基于到達(dá)角度（AngleofArrival）、基于到達(dá)時(shí)間（TOA，TimeofArrival）。不管是什么方式，其技術(shù)實(shí)現(xiàn)大...

本文主要介紹UWB的定位算法。



根據(jù)上一篇的介紹，UWB的定位算法可以分為三類：基于接收信號(hào)的強(qiáng)度（RSS，Received Signal Strength）、基于到達(dá)角度（Angle of Arrival）、基于到達(dá)時(shí)間（TOA，Time of Arrival）。不管是什么方式，其技術(shù)實(shí)現(xiàn)大致是一樣的：都是通過(guò)測(cè)量接收信號(hào)中的某些特征值，比如信號(hào)強(qiáng)度、角度、時(shí)間等，再采用相關(guān)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的定位。下面分別介紹這三類算法：RSS的原理是通過(guò)坐標(biāo)位置已知的探測(cè)器測(cè)量待測(cè)目標(biāo)所在位置的信號(hào)強(qiáng)度，由于信號(hào)強(qiáng)度與信號(hào)衰減滿足一定的關(guān)系，可以利用它來(lái)估算出待測(cè)目標(biāo)到當(dāng)前測(cè)量探測(cè)器的距離。其定位原理與TOA相同，只是獲取距離的方法不一樣，對(duì)于RSS，其測(cè)量的距離和衰減之間的關(guān)系依賴于信道特性，所以具有一個(gè)精確的傳輸模型是可靠估計(jì)距離的前提。然而未知環(huán)境下，其信號(hào)的傳輸模型未知，因而其定位誤差通常較大。AOA定位是通過(guò)基站A和基站B的接收天線或天線陣列，分別測(cè)量出A、B與目標(biāo)之間的角度值，該角度使接收機(jī)到移動(dòng)臺(tái)組成一條射線，該角度稱為方位角，該射線稱為方位線。使用兩個(gè)或兩個(gè)以上的AOA方位線，即可得出多條射線的交點(diǎn)，該交點(diǎn)幾位待測(cè)目標(biāo)的估計(jì)位置。


TOA定位法是通過(guò)獲得N個(gè)位置已知的基站和待測(cè)目標(biāo)之間的直線距離（測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的距離，主要有兩種方法，一種是測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的傳播時(shí)間（也就是TOF），另一種是測(cè)量到達(dá)信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)變化（也就是RSS）），根據(jù)幾何原理實(shí)現(xiàn)定位。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)目標(biāo)的定位，在無(wú)先驗(yàn)知識(shí)的情況下，需要基站的數(shù)量至少為三個(gè)，以三個(gè)基站的位置坐標(biāo)為圓心，他們分別與待測(cè)目標(biāo)之間的距離為半徑畫(huà)圓，在無(wú)NLOS誤差的情況下，待測(cè)目標(biāo)必然在三個(gè)圓的交點(diǎn)上。





TOF的實(shí)現(xiàn)方式是需要目標(biāo)和基站之間進(jìn)行兩次TOA估算，并減去中間處理時(shí)間得到目標(biāo)和基站之間的往返時(shí)間。其定位原理和TOA相同，有點(diǎn)在于需要兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間有共同的時(shí)鐘。因?yàn)樗峭ㄟ^(guò)測(cè)量一個(gè)節(jié)點(diǎn)收發(fā)信息的往返時(shí)間來(lái)估計(jì)兩點(diǎn)之間的距離。



由于TOF在實(shí)際應(yīng)用中有各種各樣的問(wèn)題，比如由于設(shè)備B時(shí)鐘源的自我偏差PPM會(huì)導(dǎo)致每次Tdelay的不一致性等等。因此TOF也有很多變種，比如RTOF（也叫TW-TOF或者DS-TWR）這種不需要同步的方式，也有TDOA這種需要系統(tǒng)有精確的時(shí)間同步功能。


TW-TOF是TOF（也叫SS-TWR）的一種擴(kuò)展測(cè)距方法，記錄了兩個(gè)往返的時(shí)間戳，最后得到飛行時(shí)間，雖然增加了響應(yīng)的時(shí)間，但會(huì)降低測(cè)距誤差。雙邊雙向測(cè)距根據(jù)發(fā)送消息個(gè)數(shù)不同，分為兩種方法：


  • 4消息方式（4 messages）


  • 3消息方式（3 messages）


雙邊雙向測(cè)距4消息方式分為兩次測(cè)距，設(shè)備A主動(dòng)發(fā)起第一次測(cè)距消息，設(shè)備B響應(yīng)，得到4個(gè)時(shí)間戳；然后過(guò)了一段時(shí)間，設(shè)備B主動(dòng)發(fā)起測(cè)距，設(shè)備A響應(yīng)，同樣得到4個(gè)不同的時(shí)間戳。





雙邊雙向測(cè)距3消息方式相比較于4消息方式，省掉了第二次測(cè)距的發(fā)起動(dòng)作，當(dāng)設(shè)備A收到數(shù)據(jù)之后，立刻返回?cái)?shù)據(jù)，最終也可以得到四個(gè)時(shí)間差。






得到四個(gè)時(shí)間戳就可以根據(jù)下面的公式進(jìn)行計(jì)算了：



TDOA是基于到達(dá)時(shí)間差定位，系統(tǒng)中需要有精確時(shí)間同步功能。時(shí)間同步有兩種：


一種是通過(guò)有線做時(shí)間同步，同步精度非常高，能控制到0.1ns，但由于采用有線，所有設(shè)備要么采用中心網(wǎng)絡(luò)的方式，要么采用級(jí)聯(lián)的方式，但增加了網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的復(fù)雜度，也增加了施工的復(fù)雜度，成本較高。并且，系統(tǒng)中還有一個(gè)專用的有線時(shí)間同步器，價(jià)格比較貴。



另一種是通過(guò)無(wú)線做時(shí)間同步，采用無(wú)線同步一般可以達(dá)到0.25ns，精度稍遜于有線時(shí)間同步，但其UWB定位系統(tǒng)相對(duì)來(lái)說(shuō)更為簡(jiǎn)單，定位基站只需要供電，數(shù)據(jù)回傳可以采用WiFi的方式，有效降低了成本。



TDOA定位不必要進(jìn)行基站和移動(dòng)終端之間的同步，而只需要基站之間進(jìn)行同步。因?yàn)榛镜奈恢檬枪潭ǖ?，基站之間進(jìn)行同步與基站和移動(dòng)終端之間進(jìn)行同步要容易實(shí)現(xiàn)得多。這使得TDOA定位比TOA定位要更加容易實(shí)現(xiàn)，所以TDOA定位的應(yīng)用非常廣泛。


TDOA定位在二維定位中需要使用4個(gè)定位基站?；緯r(shí)間同步之后，標(biāo)簽發(fā)送一個(gè)廣播報(bào)文，基站收到之后，標(biāo)記接收到此報(bào)文的時(shí)間戳，并將內(nèi)容發(fā)送到計(jì)算服務(wù)器，計(jì)算服務(wù)器根據(jù)其他基站的定位報(bào)文的時(shí)間戳，計(jì)算出被定位目標(biāo)的位置。


通過(guò)測(cè)量標(biāo)簽到每?jī)蓚€(gè)基站之間的距離差，距離差等于常量即可繪制出雙曲線，而曲線交點(diǎn)即可確定標(biāo)簽坐標(biāo)。該方法實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，標(biāo)簽只需要廣播一次UWB信號(hào)即可，因此有利于標(biāo)簽的功耗及標(biāo)簽并發(fā)數(shù)量。








以上就是針對(duì)UWB定位算法的簡(jiǎn)單介紹。





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