UWB測距與室內(nèi)定位精度研究

張濤,徐亞明

(1.武漢大學(xué) 測繪學(xué)院,武漢430079;2.精密工程與工業(yè)測量國家測繪地理信息局重點實驗室,武漢 430079)

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UWB測距與室內(nèi)定位精度研究

張濤1,2,徐亞明1,2

(1.武漢大學(xué) 測繪學(xué)院,武漢430079;2.精密工程與工業(yè)測量國家測繪地理信息局重點實驗室,武漢 430079)

本文通過實驗,測試和分析了UWB技術(shù)測距和室內(nèi)定位的精度以及影響精度的因素。數(shù)據(jù)表明,UWB室內(nèi)測距精度不僅受到多路徑和遮擋的影響,還受到天線群延遲的各向異性的影響。其中,多路徑造成的誤差范圍相對較小;天線群延遲的各向異性造成的測距誤差有著較強(qiáng)的規(guī)律性,在一定程度上可以當(dāng)作系統(tǒng)誤差將其減弱;遮擋造成的誤差最為嚴(yán)重,但可以通過合理布設(shè)Anchor來盡量避免遮擋造成的影響。總之,目前的低成本UWB測距和定位產(chǎn)品的精度和穩(wěn)定性已經(jīng)可以滿足一部分用戶的需求,具備大范圍推廣實用的可能。

UWB;測距;室內(nèi)定位;多路徑;天線;群延遲;各向異性

0 引 言

眾多行業(yè)都對室內(nèi)定位技術(shù)提出越來越高的要求,例如物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)、旅游行業(yè)、商業(yè)場所、機(jī)場、消防、公安、軍用、停車場,醫(yī)院、機(jī)器人、無人機(jī),隧道礦井等。在超寬帶(UWB)定位,WIFI指紋定位,超聲波定位,藍(lán)牙定位,地磁定位,偽衛(wèi)星定位等眾多室內(nèi)定位技術(shù)解決方案中,目前來看,UWB技術(shù)是比較能在精度和成本之間取得平衡的一種技術(shù),最有希望能得到發(fā)展的推廣。

UWB是利用比傳統(tǒng)通信技術(shù)寬得多的頻譜(通常是數(shù)百MHz到數(shù)GHz)進(jìn)行通信。根據(jù)Shannon 理論,信道帶寬越寬,就有著越強(qiáng)的抗干擾能力,所需要的發(fā)射功率越小,傳輸速率也越快。因此UWB技術(shù)可以使用更少的電能,更快地進(jìn)行數(shù)據(jù)的有效傳輸,其脈沖寬度非常短,通常可以在ns級別[4]。由于 UWB通信的特性與常規(guī)的無線通信有著較大區(qū)別,因此在抗多徑以及穿透性等諸多方面有著傳統(tǒng)無線通信方式無法實現(xiàn)的優(yōu)勢[1]。

本文中,分別作了如下實驗,測試和分析了UWB測距以及定位精度,對誤差來源進(jìn)行了分析,并提出了降低這些誤差的方法。1) 室外,設(shè)備固定位置、定向測距實驗,目的是衡量設(shè)備測距噪聲特性;2) 室外,不同方向無遮擋測距實驗,衡量天線的群延遲各向異性;3) 室外,遮擋對測距影響實驗;4) 室內(nèi),無遮擋測距精度實驗;5) 室內(nèi),遮擋物對測距精度的影響實驗;6) 室內(nèi),三維定位精度實驗。

實驗中所使用的設(shè)備是基于DecaWave公司生產(chǎn)的 DW1000芯片開發(fā)的測距設(shè)備。該芯片體積小,功耗低,接口簡單,開發(fā)容易。天線使用的是Abracon LLC 公司生產(chǎn)的貼片UWB天線[2]。

1 UWB室外測距實驗

室內(nèi)定位,有一個很大的問題就是多路徑問題。為了更準(zhǔn)確的得到 UWB應(yīng)對多路徑問題的性能,首先在室外多路徑情況微弱的環(huán)境下進(jìn)行實驗1到實驗3.

實驗1:室外,無遮擋,設(shè)備固定、定向測距實驗。

在室外空曠環(huán)境,將Tag和Anchor的天線分別固定,中間無遮擋,距離大約30 m,進(jìn)行多次測距。

在連續(xù)測量200次后,其結(jié)果方差為0.014 5 m,可見其測量結(jié)果質(zhì)量比較高,所使用設(shè)備的測量噪聲特性很好。鑒于這樣的測試結(jié)果,后面的測試均只測量一次,不再進(jìn)行多次測量取平均值的操作。

實驗2:室外,設(shè)備固定,無遮擋,天線旋轉(zhuǎn)測距實驗。

考慮到 UWB天線的群延遲特性,室外測距實驗中,將Anchor天線固定設(shè)置為正面朝向Tag,而Tag天線作了4個方向的測試,分別是F:正面(0°),B:背面(180°),L:左側(cè)面(270°),R:右側(cè)面(90°)。

測試結(jié)果如表1所示(以下實驗的準(zhǔn)確距離均由全站儀測得)。

圖1 UWB天線測試方向示意圖

序號準(zhǔn)確距離DFBLRF?DB?DL?DR?D1720572017272087208-004-0050030032613613612861326139000-00200200934684676466746874689-004-013007009442884283427242944288-005-01600600052404239723924062406-007-01400200262402239523892412405-007-0130080037375374368378381-001-007003006839138838399398-003-011008007均值-004-010005005方差003005003003

從表1中可以看出,實驗采用的UWB設(shè)備的測距精度可以達(dá)到亞分米,精度可靠性也比較高,但是從中也可以看到,從不同方向測量的結(jié)果有著不同的結(jié)果,這說明所采用的天線的各個方向的群延遲差異明顯。其中,背面(B)與側(cè)面(L和R)之間的差異平均值為0.15 m(相當(dāng)于群延遲值差了0.5 ns),如果同時考慮收發(fā)兩方的天線群延遲,這個誤差值就有可能達(dá)到0.3 m,這個誤差對最終定位造成的影響就可能達(dá)到0.42 m(2d)或者0.52 m(3d),顯然已經(jīng)不可忽視了。幸運的是,由天線群延遲造成的誤差有著很強(qiáng)的規(guī)律性,在一定程度上可以當(dāng)作系統(tǒng)誤差進(jìn)行減弱。市場上一些UWB定位產(chǎn)品的實驗室數(shù)據(jù)很好,但是實用中精度大大降低,很大的原因就是受到天線群延遲各向異性的影響。解決這個問題,有一個簡單有效的辦法,就是首先將天線的群延遲特性測量出來,在測距和定位的時候,將這個延遲值減掉。由于天線的群延遲有很明顯的各向異性,因此必須采用多傳感器結(jié)合的方法,在定位目標(biāo)上安裝IMU,測量Tag天線與Anchor天線之間的相對姿態(tài),從而可以準(zhǔn)確消除誤差。

實驗3：外遮擋測距實驗。

對所使用的UWB設(shè)備有一個初步了解之后,進(jìn)行遮擋測距實驗,為了保證實驗結(jié)果的有效性,以下實驗都保持 Anchor天線與 Tag天線保持正面相對狀態(tài)。

所采用的遮擋物為兩面厚度都為20 cm的磚墻。測試結(jié)果如表2所示。

表2 兩層20 cm厚磚墻遮擋后的測距結(jié)果

從測量數(shù)據(jù)可以看出,經(jīng)過兩層20 cm磚墻遮擋以后,傳輸延遲明顯增大,因此造成的測距結(jié)果比真實結(jié)果大了0.23～0.62 m,平均誤差0.43 m,方差也明顯增大,說明測距結(jié)果精度比無遮擋的時候降低了很多,但這樣的精度,在大多數(shù)情況下,仍然是非常實用的。

在Anchor與Tag之間用兩面20 cm的磚墻和兩面30 cm的混凝土墻遮擋進(jìn)行測試,此時,測距結(jié)果比真實距離大了4 m左右,而且不時有大的波動,波動范圍從2 m到6 m,甚至有一些測距失敗(丟包)現(xiàn)象,說明此時的測距結(jié)果已經(jīng)非常不可靠,無法直接使用。

在實際的室內(nèi)定位環(huán)境中,一般會通過合理架設(shè)Anchor的方式來盡量避免遮擋,并且會架設(shè)冗余的Anchor,這樣既可避免多層墻遮擋引起的測距誤差。

2 室內(nèi)測距實驗

通過以上的實驗,可以知道UWB測距的基本性能。由于最終UWB測距的應(yīng)用是要面向室內(nèi)定位,因此需要進(jìn)行如下室內(nèi)的實驗。

實驗4:室內(nèi)無遮擋測距。

在室內(nèi)測距實驗中,結(jié)果如表3所示。

表3 室內(nèi)無遮擋測距實驗

對比表1室外無遮擋測距實驗的結(jié)果中的F-D列,可以發(fā)現(xiàn),同樣是天線正面相對,室外測距結(jié)果偏小,而室內(nèi)測距結(jié)果均偏大,而且方差略有增大,但總體結(jié)果仍然是比較理想的。這說明,UWB測距雖然有很強(qiáng)的抗多路徑能力,但是多路徑效應(yīng)仍然會影響測距結(jié)果,會使得測距結(jié)果大約增大0.09 m左右。這樣的誤差相對于其他的測距方式來說,已經(jīng)有了很好的表現(xiàn)。

實驗5：室內(nèi)遮擋物對測距的影響。

實際的室內(nèi)測距或者定位環(huán)境,是無法保證Tag與Anchor之間通視的,因此下面針對幾種常見的遮擋物作了測試,結(jié)果如表4所示。

表4 室內(nèi)不同遮擋物對測距結(jié)果的影響(實際距離D=5.31 m)

可見,不同材料或物體在不同位置上,對測距結(jié)果的影響有很大差異,一般來說,距離天線越近,對測距結(jié)果的影響越大。但是絕緣體安放位置與測距結(jié)果之間的關(guān)系不明顯。

3 室內(nèi)三維定位實驗

實驗6:室內(nèi)定位實驗。

基于以上的測距實驗,在長20 m,寬12 m,高3 m的房間內(nèi)布設(shè)三個Anchor和一個Tag,進(jìn)行定位實驗。Anchor與Tag之間均無遮擋。

根據(jù)Tag與多個已知坐標(biāo)的Anchor之間的距離,是可以求得Tag的坐標(biāo)的。計算 Tag坐標(biāo)的方法有很多種,可以通過幾何的方法進(jìn)行計算球面交點,也可以通過將方程線性化再通過迭代的方法求解。為了能夠使得算法更具有通用性,選擇將方程線性化然后迭代求解的方法。

而將方程線性化再進(jìn)行迭代求解的方法,最簡單的就是牛頓迭代。然而經(jīng)過對實際數(shù)據(jù)測試發(fā)現(xiàn),牛頓迭代法在處理基于UWB測距的室內(nèi)定位數(shù)據(jù)的時候,收斂非常困難,甚至經(jīng)常出現(xiàn)發(fā)散的情況,無法得到解。另外,實際的室內(nèi)定位系統(tǒng)往往會使用更多的Anchor來提高系統(tǒng)的可用性和精度,因此會出現(xiàn)超定方程,求解朝定方程最常用的方法是最小二乘法[3]。因此在本文的實驗中,也采用了最小二乘方法來求解,實驗發(fā)現(xiàn),采用最小二乘方法進(jìn)行基于UWB測距的室內(nèi)定位解算,將初始位置設(shè)置在定位的區(qū)域中心位置,迭代過程100%是可以收斂的,通常迭代6次即可。

具體實現(xiàn)參考GNSS偽距定位原理[4],但不同的是此處沒有時間未知數(shù)。設(shè)X=[x,y,z]T為Tag坐標(biāo)向量,X(n)=[x(n),y(n),z(n)]T為第n個Anchor的坐標(biāo)向量,則Tag到第n個Anchor 的距離ρ(n)為

ρ(n)=|X(n)-X|

(1)

由于ρ(n)都已經(jīng)通過UWB測距得到,而X(n)是已知的,因此計算Tag坐標(biāo)的工作實質(zhì)就是求解以下的三元非線性方程組

(2)

將Tag的初始位置設(shè)置為所有Anchor的幾何中心, 然后通過最小二乘解法即可得到Tag的坐標(biāo)解:

(3)

式中: Δx,Δy,Δz為每次迭代的更新量; G為雅各比矩陣; b為吸收向量。

表5列出了用最小二乘方法求解UWB室內(nèi)定位結(jié)果,可見,采用最小二乘方法解算的基于UWB測距的室內(nèi)三維定位,在平面上可以取得較好的效果。但是由于Anchor的分布原因,使得豎直方向上的誤差比較大?？梢灶A(yù)計的是,如果環(huán)境允許,適當(dāng)優(yōu)化Anchor的幾何分布,是可以提高豎直方向的定位精度的。

進(jìn)一步,在實驗場地內(nèi)劃分一個長和寬都是3 m的區(qū)域,以0.6 m的間隔測量其四個邊,Tag高度為0.57 m.測試結(jié)果如圖2所示,圖中,箭頭為真實位置到測量位置的矢量。

表5 室內(nèi)定位精度統(tǒng)計

圖2 UWB室內(nèi)三維定位效果 (a) 立體效果圖; (b) 俯視圖

4 結(jié)束語

通過以上實驗,可見UWB室內(nèi)測距和定位技術(shù)的測距穩(wěn)定性很高,噪聲較低。其主要誤差來源是遮擋、天線群延遲的各向異性以及多路徑。而這三種誤差都有有效的方法進(jìn)行降低和消除。UWB測距技術(shù)與最小二乘法相結(jié)合進(jìn)行三維室內(nèi)定位,具有很高的成功率,且在平面方向上的精度可以控制在20 cm以內(nèi),三維定位精度可以控制在0.5 m以內(nèi)?？梢哉J(rèn)為,目前的 UWB測距和定位設(shè)備已經(jīng)達(dá)到了實用化的程度,具備推廣的可能。

[1] 汪洋,張乃通,唐珣,等.UWB室內(nèi)視距環(huán)境多徑傳播模型[J].通信學(xué)報,2005,26(10),24-28.

[2] Abracon Corporation. ACA-107-T datasheet[EB/OL]. http://www.abracon.com/chip-antenna/ACA-107-T.pdf

[3] 吳紹華,張乃通.室內(nèi)信道環(huán)境下UWB精確測距研究[J].通信學(xué)報,2007,28(4),65-71.

[4] 謝鋼. GPS原理與接收機(jī)設(shè)計[M]. 北京:電子工業(yè)出版社, 2009.

Research on Accuracy of UWB Ranging and Indoor Positioning

ZHANG Tao1,2,XU Yaming1,2

(1.SchoolofGeodesy&Geomatics,WuhanUniversity,Wuhan430079,China; 2.KeyLaboratoryofPreciseEngineeringandIndustrySurveying,NationalAdministrationofSurveying,MappingandGeo-information,Wuhan430079,China)

In this paper, through the experiment, has tested the accuracy of UWB technology ranging and indoor positioning, and analyzed the error source of UWB technology ranging and indoor positioning. The data showed that UWB indoor ranging accuracy is not only effected by the multi-path and blocking, but also effected by the anisotropic of antenna group delay. And, the multi-paths effect is not the main source of the error. The ranging error that the antenna group delay causes has the strong regularity, to a certain extent can treat as the systematic error to weaken it; The error that the blocking causes is most serious, but can reduced through build Anchors reasonably. In brief, the precision and stability of current low cost UWB product have been able to fit the needs of some users, and It has the possibility of promotion.

UWB; ranging; indoor positioning; multi-path; antenna; group delay; anisotropic

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.05.011

2016-03-22

國家重點研發(fā)計劃項目(編號：2016YFB0501803)

P228.4

A

1008-9268(2016)05-0056-05

張濤 (1972-),男,碩士,工程師,主要從事通信,導(dǎo)航,自動控制以及顯示技術(shù)的研究工作。

徐亞明 (1964-),男,博士,教授,主要從事精密工程測量與工業(yè)測量的研究工作。

聯(lián)系人： 張濤 E-mail: uhwsin@qq.com