單基站UWB定位距離的獲得及處理方法

安寶強(qiáng)+張浩+崔學(xué)榮

摘 要： 相比于其他定位系統(tǒng)通常至少需要3個(gè)參考基站的開銷來說，UWB單基站定位只需要一個(gè)基站，系統(tǒng)配置簡單，可以很快的被應(yīng)用和發(fā)展。為了提高UWB單基站定位系統(tǒng)中對(duì)于距離的測(cè)定精度，提出了一種應(yīng)用于該系統(tǒng)的通信定位協(xié)議。該定位通信協(xié)議用于更加精確地進(jìn)行基站與標(biāo)簽之間的時(shí)鐘同步。同時(shí)將最大概率數(shù)據(jù)處理方法應(yīng)用于距離數(shù)據(jù)處理。通過對(duì)UWB單基站定位系統(tǒng)的整體仿真得到的距離測(cè)量誤差小于5 cm。該仿真結(jié)果說明了此種定位協(xié)議和最大概率數(shù)據(jù)處理方法可以應(yīng)用于室內(nèi)高精度無線定位。

關(guān)鍵詞： 定位協(xié)議； UWB； 最大概率； 單基站

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）07?0015?03

Acquisition and processing method of UWB positioning distance in single base station

AN Bao?qiang， ZHANG Hao， CUI Xue?rong

（School of Information Science and Engineering， Ocean University of China， Qingdao 266100， China）

Abstract： Compared to other positioning systems which requires at least 3 reference stations， Ultra?Wideband （UWB） single base station positioning only need one base station， and the system configuration is very simple， so it can be applied and developed. In order to improve the distance measurement accuracy of UWB single base station positioning system， a communication positioning protocol is proposed， which is used for more accurate clock synchronization between the base station and label. At the same time， the maximum probability data processing method is applied to distance data processing. Through the whole simulation of UWB single base station positioning system， distance measurement error can be reduced to less than 5cm. The simulation result shows the positioning data processing method and positioning communication protocol can be used in the precision indoor wireless positioning.

Kewords： positioning protocol； UWB； maximum probability； single base station

0 引 言

UWB（Ultra?Wideband）信號(hào)使用的是寬度為納秒級(jí)別的窄脈沖，具有非常高的時(shí)間分辨率[1]，脈沖的持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)小于多徑簇的到達(dá)延遲時(shí)間，因此具有很高的多徑分辨率[2]。使用UWB信號(hào)能得到高精度的時(shí)間延遲信息，而這個(gè)測(cè)量值是無線定位獲得距離的重要信息。

傳統(tǒng)的無線定位方式多是基于多基站的幾何定位，比如基于到達(dá)時(shí)間（TOA）[3]和基于到達(dá)時(shí)間差（TDOA）[4]的方式。這兩種方式是通過解曲線的方程得到多條曲線之間的交點(diǎn)，交點(diǎn)就是標(biāo)簽的位置。另外還有到達(dá)角度（AOA）的方式[5]，這種定位方式最少需要一個(gè)參考基站，獲得標(biāo)簽相對(duì)于基站的角度信息和距離信息就可以確定標(biāo)簽的位置。

在基于UWB 的定位方法中，無論是基站還是移動(dòng)標(biāo)簽都存在處理時(shí)間、時(shí)鐘偏移等延遲時(shí)間[6]，所以導(dǎo)致雖然通過TOA方式得到了到達(dá)時(shí)間，但是從到達(dá)時(shí)間中計(jì)算出信號(hào)實(shí)際的飛行時(shí)間TOF（Time of Flight）也存在一定的誤差。

為解決該誤差，提出了應(yīng)用于單基站定位的定位協(xié)議，并對(duì)通過定位協(xié)議解析出來的信號(hào)實(shí)際的飛行時(shí)間測(cè)得的距離進(jìn)行最大概率的處理，進(jìn)一步提高定位精度。

1 定位協(xié)議

在基于單機(jī)站的UWB的無線定位方法中，參考基站和標(biāo)簽測(cè)距之前還要進(jìn)行時(shí)間的同步，這樣才能確定基站（或者標(biāo)簽）發(fā)送的信號(hào)何時(shí)被標(biāo)簽（或者基站）檢測(cè)到并且決定何時(shí)開始監(jiān)聽和接收。 精確的時(shí)間同步能提高測(cè)量的精度，而制定一個(gè)合適的定位協(xié)議對(duì)于提高基站和標(biāo)簽的時(shí)間同步程度十分重要。

設(shè)計(jì)參考基站和標(biāo)簽之間的定位通信幀可以根據(jù)IEEE 802.15.4a標(biāo)準(zhǔn)[7]，如下：

[同步頭（SHR）＼&物理層協(xié)議頭（PHR）＼&物理層負(fù)載（MPDU）＼&前導(dǎo)序列＼&幀起始符＼&]

為適用單基站UWB定位，將通信幀設(shè)計(jì)如下：

[同步頭＼&時(shí)間標(biāo)簽＼&標(biāo)簽序號(hào)＼&測(cè)距序列＼&擴(kuò)充序列＼&通信數(shù)據(jù)信息＼&]

同步頭：用于標(biāo)簽和基站定位之前的時(shí)間同步。基站廣播同步頭，在基站工作范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽響應(yīng)同步頭。

時(shí)間標(biāo)簽：標(biāo)示定位通信幀的發(fā)射時(shí)刻。

標(biāo)簽序號(hào)：記錄標(biāo)簽的序號(hào)，區(qū)分基站工作區(qū)之內(nèi)的其他定位標(biāo)簽。

測(cè)距序列：真正用于測(cè)距的脈沖序列。

擴(kuò)充序列：用于其他定位方式的序列，例如AOA定位序列。

通信數(shù)據(jù)信息：其他的信息，例如負(fù)載信息。

測(cè)距序列這里沿用了IEEE 802.15.4a標(biāo)準(zhǔn)中物理層協(xié)議頭的方案，一共19位，具體作用如下[8]：

[0＼&1＼&2＼&3＼&4＼&5＼&6＼&7＼&8＼&傳輸速率＼&幀長度＼&9＼&10＼&11＼&12＼&13＼&14＼&15＼&16＼&17＼&18＼&RNG＼&EXT＼&前導(dǎo)碼長度＼&校驗(yàn)和＼&]

其中RNG表示此通信幀是否為測(cè)距通信幀，1表示該幀是測(cè)距幀，0表示該幀不是測(cè)距幀，表示該幀可能是用于擴(kuò)展序列或者僅僅是用于廣播同步頭。

圖1 測(cè)距原理示意圖

測(cè)距原理示意圖如圖1所示，其步驟如下：

（1） 基站廣播同步頭，間隔1 ms，工作范圍內(nèi)的標(biāo)簽的每個(gè)接收窗之間間隔1 ms加一個(gè)小的偏移，該偏移應(yīng)該小于接收窗的寬度。收到一個(gè)同步頭的標(biāo)簽仍然不斷監(jiān)聽直到收到另一個(gè)同步頭。由標(biāo)簽測(cè)得的同步頭之間的時(shí)間和參考基站產(chǎn)生的兩個(gè)同步頭之間的時(shí)間之比可以得到標(biāo)簽基站之間大致的時(shí)鐘頻率f。

（2） 所有工作范圍內(nèi)的標(biāo)簽都將捕獲同步頭，預(yù)定義每個(gè)標(biāo)簽的序號(hào)都不相同，與接收到的標(biāo)簽序號(hào)相同的標(biāo)簽將繼續(xù)接收測(cè)距脈沖序列，測(cè)距序列的測(cè)距標(biāo)志位決定該幀是否為測(cè)距幀。若是測(cè)距幀，本文采用的是雙向TOA測(cè)距方式（TW?TOA），因此參考基站收到的信號(hào)的功率將是[1r2]的倍數(shù)而不是[1r4]的倍數(shù)，這里[r]是參考基站和標(biāo)簽之間的距離。

（3） 參考基站處，在同步頭數(shù)據(jù)域的最后一個(gè)UWB脈沖發(fā)送完畢之后，開始發(fā)送測(cè)距脈沖序列的第一個(gè)脈沖，此時(shí)刻作為脈沖的發(fā)送時(shí)刻[T1b，]根據(jù)標(biāo)簽與參考基站之間的同步，標(biāo)簽的可能接收時(shí)間為[T′1t。]

標(biāo)簽天線經(jīng)過一段很小的延遲之后立刻生成一個(gè)回復(fù)幀，記回復(fù)幀的第一個(gè)測(cè)距UWB脈沖結(jié)束時(shí)的時(shí)刻為[T2t，]根據(jù)標(biāo)簽與參考基站之間的同步，標(biāo)簽的可能接收時(shí)間為[T′2b。]當(dāng)參考基站接收到測(cè)距序列的第一個(gè)UWB脈沖時(shí)，基站開始進(jìn)行數(shù)據(jù)的精確計(jì)算得到實(shí)際的接收時(shí)間為[T2b。]

標(biāo)簽接收到信號(hào)并且產(chǎn)生回復(fù)幀后，其天線內(nèi)部會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)精確化處理，得到[T′1t]對(duì)應(yīng)的實(shí)際接收時(shí)間[T1t，]這一段天線內(nèi)部的延遲定義為[ΔTt。]

每次測(cè)距之后，都會(huì)由標(biāo)簽經(jīng)過一定的延時(shí)后都會(huì)向參考基站發(fā)射一系列的校驗(yàn)位，基站經(jīng)過處理后得到該次測(cè)距的[T1t]和[T2t]信息。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)就可以得到TOA信息中的信號(hào)飛行時(shí)間[TTOF：]

[TTOF=12[（T2b-T1b）-f?（T2t-T1t）]]

信號(hào)傳播的速度為[c，]那么標(biāo)簽與參考基站的距離為[r=c?TTOF。]

（4） 通過第（3）步，得到距離原始信息，再使用最大概率處理算法處理數(shù)據(jù)，得到最終可用于定位的距離信息。

2 最大概率數(shù)據(jù)處理方法

對(duì)通過實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)取平均是為了消除個(gè)別不合理數(shù)據(jù)，但是這一系列不合理的數(shù)據(jù)造成的誤差需要其他合理的數(shù)據(jù)來彌補(bǔ)。對(duì)一個(gè)穩(wěn)定系統(tǒng)來說，測(cè)距時(shí)以最大概率出現(xiàn)的數(shù)據(jù)是更加接近真實(shí)距離的數(shù)據(jù)[9]。

根據(jù)IEEE 802.15.4a提供的信道模型，對(duì)室內(nèi)信道模型的測(cè)距情況進(jìn)行了仿真，結(jié)果發(fā)現(xiàn)多次測(cè)量后最接近真實(shí)值的估計(jì)值不是所有測(cè)量值的平均值，而是在一個(gè)出現(xiàn)概率最大的范圍區(qū)間內(nèi)的平均值。表1所示的是發(fā)射信號(hào)功率為-40 dB，采樣頻率為10 GHz的信號(hào)在CM3室內(nèi)視距信道下對(duì)7.3 m，5.4 m，8.6 m，13.6 m，17.6 m，20.4 m的100次仿真結(jié)果，表中[R]表示真實(shí)值，[M]表示最大概率處理方法，[A]表示取平均處理方法。

表1 測(cè)量結(jié)果 m

[R＼&7.3＼&5.4＼&8.6＼&13.6＼&17.6＼&20.4＼&M＼&7.299 9＼&5.400 7＼&8.599 1＼&13.599 0＼&17.599 9＼&20.401 2＼&A＼&7.324 9＼&5.421 1＼&8.622 0＼&13.618 8＼&17.622 0＼&20.431 8＼&]

通過表1可以看出最大概率估計(jì)的數(shù)據(jù)處理方法比單純的平均值法要精確地多。

最大概率數(shù)據(jù)處理算法的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1） 獲得多次測(cè)量的結(jié)果，存放到數(shù)組Measured_d_ matrix中。

（2） 室內(nèi)UWB定位誤差為厘米級(jí)別，分米級(jí)別的數(shù)字是準(zhǔn)確的。因此，將四舍五入后的小數(shù)位設(shè)置為一位（單位為米，小數(shù)點(diǎn)后一位為分米）。將結(jié)果存放到另一個(gè)數(shù)組Rounded_measured_d_ matrix中。此時(shí)數(shù)組中每個(gè)元素相當(dāng)于一個(gè)長度為10 cm的區(qū)間，比如是9.6，表示（9.6±0.1） m的區(qū)間。

（3） 統(tǒng)計(jì)Measured_d_matrix中落在Rounded_measured_d_matrix元素表示的各個(gè)區(qū)間的概率，找到最大的概率，如果其大于25%，返回此概率以及其對(duì)應(yīng)的區(qū)間值。

（4） 返回Measured_d_matrix中四舍五入后的值為步驟（3）中找到的區(qū)間值的元素下標(biāo)。

（5） 將步驟（4）中找到的下標(biāo)所對(duì)應(yīng)的元素值取平均就得到了最大概率下的距離信息。

圖2表示的是在真實(shí)距離為8.6 m時(shí)仿真結(jié)果概率分布圖，在100次仿真結(jié)果中測(cè)量值在（8.6±0.1） m區(qū)間內(nèi)的次數(shù)超過45次，概率大于45%。當(dāng)環(huán)境更加復(fù)雜的情況之下，特別是沒有直達(dá)路徑的情況之下，此概率可能會(huì)更小。

圖2 測(cè)量結(jié)果的分布圖

3 仿真驗(yàn)證

仿真環(huán)境為室內(nèi)視距環(huán)境。 IEEE 802.15.4a提供了9種信道模型中，本次仿真使用了CM3信道[10]：室內(nèi)環(huán)境，3～28 m，2～8 GHz，視距條件。仿真示意圖如圖3所示，其中A，B，C為樣本點(diǎn)。

圖3 仿真環(huán)境示意圖

仿真結(jié)果見表2。表中R表示真實(shí)值，M表示最大概率處理方法，A表示取平均處理方法，AE表示平均值誤差，ME表示最大概率誤差。

表2 仿真結(jié)果 m

[＼&R＼&A＼&M＼&AE＼&ME＼&A＼&7.43＼&7.453 6 ＼&7.429 8＼&0.023 6 ＼&0.000 2＼&B＼&14.21＼&14.230 0＼&14.208 3＼&0.020 0 ＼&0.001 7＼&C＼&23.76＼&23.778 5＼&23.758 7＼&0.018 5＼&0.001 3＼&]

從表2看出，測(cè)距離的誤差在1 cm之內(nèi)，明顯比使用平均的方法處理數(shù)據(jù)的精度高很多。

距離的精度能達(dá)到厘米級(jí)別，因此，對(duì)于該信道范圍（3～28 m）來說，厘米級(jí)別的誤差可以忽略，對(duì)于標(biāo)簽的定位精度主要取決于角度。

例如，對(duì)于28 m處的標(biāo)簽角度偏差1°的話，那么與實(shí)際標(biāo)簽之間的偏差就能達(dá)到：

[2rsinθ2=56?sin0.5°≈0.49 m]

該值為[θ]對(duì)應(yīng)的弦長，如圖4所示。

圖4 誤差計(jì)算示意圖

在信道的距離范圍（3～28 m）之內(nèi)，對(duì)于標(biāo)簽的定位誤差位于：[2rsin （θ2）=6?sin0.5°≈0.05 m]和[2rsin （θ2）=][56?sin0.5°≈0.49 m。]因此，測(cè)量標(biāo)簽位置與實(shí)際標(biāo)簽的位置誤差范圍在0.05～0.49 m之間。

4 結(jié) 論

本文詳細(xì)論述了適用于單基站UWB定位的通信定位幀的定義方式以及各個(gè)段的具體含義，同時(shí)給出了基站和標(biāo)簽時(shí)間同步情況之下的距離信息的獲得方法。同時(shí)提出將最大概率的數(shù)據(jù)處理方法應(yīng)用于距離測(cè)量值的數(shù)據(jù)處理，進(jìn)一步提高了定位精度。利用系統(tǒng)仿真獲得的距離能達(dá)到厘米級(jí)別的精度（5 cm）。在根據(jù)IEEE 802.15.4a提供的信道模型，采用了CM3信道下，定位精度的范圍在0.05～0.49 m之間，實(shí)現(xiàn)了很高的定位精度。如果在室內(nèi)距離不是很遠(yuǎn)的定位中，精度完全能夠達(dá)到厘米級(jí)別。

參考文獻(xiàn)

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圖2 測(cè)量結(jié)果的分布圖

3 仿真驗(yàn)證

仿真環(huán)境為室內(nèi)視距環(huán)境。 IEEE 802.15.4a提供了9種信道模型中，本次仿真使用了CM3信道[10]：室內(nèi)環(huán)境，3～28 m，2～8 GHz，視距條件。仿真示意圖如圖3所示，其中A，B，C為樣本點(diǎn)。

圖3 仿真環(huán)境示意圖

仿真結(jié)果見表2。表中R表示真實(shí)值，M表示最大概率處理方法，A表示取平均處理方法，AE表示平均值誤差，ME表示最大概率誤差。

表2 仿真結(jié)果 m

[＼&R＼&A＼&M＼&AE＼&ME＼&A＼&7.43＼&7.453 6 ＼&7.429 8＼&0.023 6 ＼&0.000 2＼&B＼&14.21＼&14.230 0＼&14.208 3＼&0.020 0 ＼&0.001 7＼&C＼&23.76＼&23.778 5＼&23.758 7＼&0.018 5＼&0.001 3＼&]

從表2看出，測(cè)距離的誤差在1 cm之內(nèi)，明顯比使用平均的方法處理數(shù)據(jù)的精度高很多。

距離的精度能達(dá)到厘米級(jí)別，因此，對(duì)于該信道范圍（3～28 m）來說，厘米級(jí)別的誤差可以忽略，對(duì)于標(biāo)簽的定位精度主要取決于角度。

例如，對(duì)于28 m處的標(biāo)簽角度偏差1°的話，那么與實(shí)際標(biāo)簽之間的偏差就能達(dá)到：

[2rsinθ2=56?sin0.5°≈0.49 m]

該值為[θ]對(duì)應(yīng)的弦長，如圖4所示。

圖4 誤差計(jì)算示意圖

在信道的距離范圍（3～28 m）之內(nèi)，對(duì)于標(biāo)簽的定位誤差位于：[2rsin （θ2）=6?sin0.5°≈0.05 m]和[2rsin （θ2）=][56?sin0.5°≈0.49 m。]因此，測(cè)量標(biāo)簽位置與實(shí)際標(biāo)簽的位置誤差范圍在0.05～0.49 m之間。

4 結(jié) 論

本文詳細(xì)論述了適用于單基站UWB定位的通信定位幀的定義方式以及各個(gè)段的具體含義，同時(shí)給出了基站和標(biāo)簽時(shí)間同步情況之下的距離信息的獲得方法。同時(shí)提出將最大概率的數(shù)據(jù)處理方法應(yīng)用于距離測(cè)量值的數(shù)據(jù)處理，進(jìn)一步提高了定位精度。利用系統(tǒng)仿真獲得的距離能達(dá)到厘米級(jí)別的精度（5 cm）。在根據(jù)IEEE 802.15.4a提供的信道模型，采用了CM3信道下，定位精度的范圍在0.05～0.49 m之間，實(shí)現(xiàn)了很高的定位精度。如果在室內(nèi)距離不是很遠(yuǎn)的定位中，精度完全能夠達(dá)到厘米級(jí)別。

參考文獻(xiàn)

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圖2 測(cè)量結(jié)果的分布圖

3 仿真驗(yàn)證

仿真環(huán)境為室內(nèi)視距環(huán)境。 IEEE 802.15.4a提供了9種信道模型中，本次仿真使用了CM3信道[10]：室內(nèi)環(huán)境，3～28 m，2～8 GHz，視距條件。仿真示意圖如圖3所示，其中A，B，C為樣本點(diǎn)。

圖3 仿真環(huán)境示意圖

仿真結(jié)果見表2。表中R表示真實(shí)值，M表示最大概率處理方法，A表示取平均處理方法，AE表示平均值誤差，ME表示最大概率誤差。

表2 仿真結(jié)果 m

[＼&R＼&A＼&M＼&AE＼&ME＼&A＼&7.43＼&7.453 6 ＼&7.429 8＼&0.023 6 ＼&0.000 2＼&B＼&14.21＼&14.230 0＼&14.208 3＼&0.020 0 ＼&0.001 7＼&C＼&23.76＼&23.778 5＼&23.758 7＼&0.018 5＼&0.001 3＼&]

從表2看出，測(cè)距離的誤差在1 cm之內(nèi)，明顯比使用平均的方法處理數(shù)據(jù)的精度高很多。

距離的精度能達(dá)到厘米級(jí)別，因此，對(duì)于該信道范圍（3～28 m）來說，厘米級(jí)別的誤差可以忽略，對(duì)于標(biāo)簽的定位精度主要取決于角度。

例如，對(duì)于28 m處的標(biāo)簽角度偏差1°的話，那么與實(shí)際標(biāo)簽之間的偏差就能達(dá)到：

[2rsinθ2=56?sin0.5°≈0.49 m]

該值為[θ]對(duì)應(yīng)的弦長，如圖4所示。

圖4 誤差計(jì)算示意圖

在信道的距離范圍（3～28 m）之內(nèi)，對(duì)于標(biāo)簽的定位誤差位于：[2rsin （θ2）=6?sin0.5°≈0.05 m]和[2rsin （θ2）=][56?sin0.5°≈0.49 m。]因此，測(cè)量標(biāo)簽位置與實(shí)際標(biāo)簽的位置誤差范圍在0.05～0.49 m之間。

4 結(jié) 論

本文詳細(xì)論述了適用于單基站UWB定位的通信定位幀的定義方式以及各個(gè)段的具體含義，同時(shí)給出了基站和標(biāo)簽時(shí)間同步情況之下的距離信息的獲得方法。同時(shí)提出將最大概率的數(shù)據(jù)處理方法應(yīng)用于距離測(cè)量值的數(shù)據(jù)處理，進(jìn)一步提高了定位精度。利用系統(tǒng)仿真獲得的距離能達(dá)到厘米級(jí)別的精度（5 cm）。在根據(jù)IEEE 802.15.4a提供的信道模型，采用了CM3信道下，定位精度的范圍在0.05～0.49 m之間，實(shí)現(xiàn)了很高的定位精度。如果在室內(nèi)距離不是很遠(yuǎn)的定位中，精度完全能夠達(dá)到厘米級(jí)別。

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