UWB定位基礎(chǔ)算法及NLOS抑制算法分析

陳志遠(yuǎn)++馬哲++梁建超

摘要：超寬帶（UWB）定位技術(shù)測(cè)距定位精度高、成本低，比較實(shí)用。本文簡(jiǎn)單介紹了UWB定位技術(shù)的基本算法和簡(jiǎn)單的誤差產(chǎn)生原因及一種在非視距（NLOS）環(huán)境下的抑制算法。

關(guān)鍵詞：超寬帶（UWB）定位技術(shù)；基本算法；NLOS抑制算法

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）03-0155-01

隨著無(wú)線通信技術(shù)在日常生活中普及，定位技術(shù)已經(jīng)滲透到社會(huì)發(fā)展各個(gè)領(lǐng)域。對(duì)于定位技術(shù)，全球定位技術(shù)GPS最令人熟知[1]。但是GPS僅限于在室外環(huán)境應(yīng)用中，而室內(nèi)定位，由于GPS衛(wèi)星信號(hào)無(wú)法穿透建筑，且室內(nèi)環(huán)境多徑和非視距影響，無(wú)法進(jìn)行精確定位。而超寬帶（UWB）定位技術(shù)，容易與通信結(jié)合，多徑分辨能力強(qiáng)，傳輸速率高，成本相對(duì)較低，定位精度高，適用于室內(nèi)精確定位。所以UWB定位技術(shù)在室內(nèi)定位方面有很大潛力。

1 UWB定位算法簡(jiǎn)介

UWB定位技術(shù)屬于無(wú)線定位技術(shù)之一，定位精度高[1]。此算法根據(jù)測(cè)量參數(shù)的不同，主要介紹基于接收信號(hào)到達(dá)時(shí)間、到達(dá)時(shí)間差的檢測(cè)方法。

1.1 基于到達(dá)時(shí)間法（TOA）

TOA算法需要建立三個(gè)及以上基站且知道位置坐標(biāo)（x，y），通過(guò)測(cè)量時(shí)信號(hào)到達(dá)時(shí)間t和信號(hào)傳播速度c，帶入公式（x-a）2+（y-b）2=（ct）2。分別將三個(gè)基站的相應(yīng)數(shù)據(jù)代入上述公式，列出方程組，聯(lián)立求解得出待測(cè)點(diǎn)移動(dòng)臺(tái)位置（a，b）。

1.2 基于到達(dá)時(shí)間差法（TDOA）

此算法是對(duì)基于到到達(dá)時(shí)間（TOA）技術(shù)的改進(jìn)，有兩種方式。

第一種是測(cè)量點(diǎn)信號(hào)到基站時(shí)間取差值。盡管這樣的情況也需要對(duì)基站的時(shí)間同步，但根據(jù)信道傳輸特性相似，大量減少了多徑效應(yīng)帶來(lái)的誤差影響，提高了計(jì)算精度。第二種是發(fā)射兩種不同的信號(hào)，分別測(cè)量到達(dá)時(shí)間并測(cè)量，從而得到TDOA的值，這種算法避開(kāi)了基站和移動(dòng)臺(tái)時(shí)間不同步的問(wèn)題，也大大提高了精度。

2 誤差來(lái)源

UWB定位系統(tǒng)有許多誤差來(lái)源，但在現(xiàn)實(shí)中LOS環(huán)境（視距傳播）下測(cè)距基本是不存在的，所以要在NLOS（非視距）環(huán)境進(jìn)行測(cè)距。

2.1 同步與多徑

目前許多研究重點(diǎn)是基于時(shí)間定位方式下的UWB定位技術(shù)[3]，此方式的弊端是：需盡量保持基站間時(shí)間同步，優(yōu)點(diǎn)是：降低了基站、被測(cè)點(diǎn)兩者之間的同步時(shí)間要求。由于UWB工作頻率和時(shí)間的測(cè)量精度非常高、對(duì)時(shí)間同步要求大，當(dāng)UWB信號(hào)占空比很低、多徑傳播時(shí)，在短距傳輸中，采用脈沖先后發(fā)射后，相對(duì)更容易識(shí)別。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度大、現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜、多徑嚴(yán)重的環(huán)境中，借助有效的多徑信道模型進(jìn)行計(jì)算，可進(jìn)一步提高定位精度。

2.2 NLOS環(huán)境下的障礙物阻擋

NLOS環(huán)境下，信號(hào)傳播有阻擋，這是現(xiàn)實(shí)中最常面臨的問(wèn)題，而且影響UWB定位精度。對(duì)引用的基本算法TOA/TDOA來(lái)說(shuō)，在信號(hào)傳播不受阻的情況下，定位精度準(zhǔn)確、信號(hào)可穿透墻壁等障礙物，但在穿透時(shí)傳播速度、功率等必然受影響。

3 NLOS抑制算法

經(jīng)過(guò)大量的研究表明，在三維空間中，在無(wú)遮擋的視距傳播（LOS）UWB定位中，采用建立5個(gè)基站，基站位置采用兩個(gè)在上兩個(gè)在下，一個(gè)在中的方式定位結(jié)果和耗費(fèi)資金最令人滿意。而在NLOS環(huán)境中，基站超過(guò)4個(gè)時(shí)，會(huì)把識(shí)別出NLOS測(cè)量值舍棄，使用LOS測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行定位分析?？紤]到實(shí)際環(huán)境測(cè)量，NLOS基站是非常關(guān)鍵的因素，舍棄后無(wú)法實(shí)現(xiàn)定位功能。此時(shí)需要NLOS抑制算法來(lái)克服這個(gè)弊端。

此算法將NLOS測(cè)距值進(jìn)行重構(gòu)，使其接近LOS環(huán)境下的測(cè)量值并將測(cè)量出的NLOS下的動(dòng)態(tài)范圍值進(jìn)行平滑，得出平均距離測(cè)量值曲線，再將平滑曲線向下移動(dòng)至LOS測(cè)量值曲線附近，進(jìn)行對(duì)比取值。

（1）匹配平滑測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)使用N階多項(xiàng)式。

（2）進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑誤差校正后，可計(jì)算出所測(cè)量出每個(gè)距離值和平滑值兩者之間偏差，經(jīng)足夠多的采樣次數(shù)計(jì)算后，可發(fā)現(xiàn)測(cè)量值與平滑曲線最大偏差出現(xiàn)在某一數(shù)值t。若每次測(cè)量時(shí)間間隔比較大且每次測(cè)量都據(jù)有無(wú)關(guān)性，則實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：測(cè)距的最大偏差與LOS條件下距離測(cè)量值的方差相似。然后進(jìn)行下一步操作，將平滑后的曲線下移最大偏差值的距離，此時(shí)得到的曲線接近于LOS距離測(cè)量值。

4 結(jié)語(yǔ)

UWB定位技術(shù)以其傳輸速率高、系統(tǒng)容量大、抗干擾能力強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)廣受人們青睞。自UWB定位技術(shù)概念提出以來(lái)，越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始研究并投入使用，UWB的發(fā)展極具潛力，而在我國(guó)處于萌芽階段，因此，需要大量的研究人員致力于UWB定位技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]鄔春明.DGPS與UWB混合精確無(wú)縫定位技術(shù)研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2012.

[2]李開(kāi)權(quán).GPS定位與手機(jī)定位有什么不同[J].輕松學(xué)電腦：電子樂(lè)園，2011.

[3]李真真.基于UWB的室內(nèi)定位關(guān)鍵技術(shù)研究[J].信息技術(shù)，2011.