超寬帶室內(nèi)動態(tài)定位精度影響探究

李浩博，王 堅，王川陽

(中國礦業(yè)大學 環(huán)境與測繪學院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計現(xiàn)代人每天平均有超過80 %的時間在室內(nèi)度過，獲取高精度的室內(nèi)位置信息也變得愈發(fā)重要[1]。近年來，超寬帶(ultra-wide band，UWB)系統(tǒng)以其高帶寬、高分辨能力、高傳輸速率、強魯棒性、低功耗以及低成本等諸多優(yōu)勢已成為無線定位的研究熱點以及室內(nèi)定位中最有前景的技術方案之一，廣泛應用于位置檢測、高速率通信等領域[2-5]。

超寬帶技術作為一種無載波通信技術最早應用在軍用領域，1989年美國國防部高級研究計劃署首次采用了UWB這一專用術語[6]，隨后，基于超寬帶極寬頻譜的特點，美國聯(lián)邦通信委員會(Federal Communications Commission，F(xiàn)CC)在2002年宣布UWB技術可用于精確測距、無線通信等民用領域，并為UWB分配了3.1～10.6 GHz共7.5 GHz的帶寬[1-2，7-8]。根據(jù)香農(nóng)理論，信道帶寬越寬，就有著越強的抗干擾能力，所需要的發(fā)射功率就越小，傳輸速率也越快[9]。UWB技術通過在吉赫量級的帶寬上利用極窄脈沖傳輸?shù)凸β实臒o線信號，在10 m左右的范圍實現(xiàn)最快達數(shù)Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率[10]。此外，超寬帶定位系統(tǒng)也具有優(yōu)于其他系統(tǒng)上百倍的距離分辨率，這些特性均保證了UWB系統(tǒng)能夠較好地滿足室內(nèi)定位的需要[11]。

本文研究不同因素對UWB室內(nèi)多基站環(huán)境下動態(tài)定位的影響特性，并通過動態(tài)定位實驗對標簽位置、行進速度、行人干擾、標簽與基站間距離等4種因素進行分析。

1 UWB定位系統(tǒng)及方法

1.1 UWB定位系統(tǒng)

典型的UWB定位系統(tǒng)由定位基站、定位標簽、位置計算引擎及圖形呈現(xiàn)系統(tǒng)構成。其中：定位基站一般設于場景的幾何邊緣，對區(qū)域進行信號覆蓋，探測其與標簽間的距離，并通過有線或無線局域網(wǎng)(wireless local area network，WLAN)方式回傳給位置計算引擎；定位標簽則通過與被定位的對象進行關聯(lián)，自動同基站通訊建立聯(lián)系并廣播自己的位置；位置計算引擎及圖形呈現(xiàn)系統(tǒng)接受回傳的數(shù)據(jù)，通過解算基站和標簽間的距離得到定位標簽的具體位置，并以圖形化的方式呈現(xiàn)出來。

1.2 UWB定位方法

UWB定位技術屬于無線定位系統(tǒng)，在獲取與位置有關的變量的同時，建立超寬帶系統(tǒng)定位模型。隨后，通過利用獲取的變量及相關定位模型來完成對目標物體定位坐標的計算。按獲取變量的不同，可以將UWB定位方法分為3類：基于信號接收強度(received signal strength，RSS)法、基于到達角度(angle of arrival，AOA)法和基于接收信號時間/時間差(time/time difference of arrival，TOA/TDOA)法[12-13]。

基于信號接收強度法是通過信號強度和已知信號衰弱模型來估計基站與標簽的距離，根據(jù)多個基站距離待測點的距離值畫出圓，多個圓重疊部分就是定位標簽的位置；RSS法常用接收信號強度指標RSSI來表示，在理想環(huán)境中，這種方式可以獲得較為精確的定位結果，但是RSSI易受信號反射折射等多路徑干擾，實際應用中常存在較大誤差?；诘竭_角度法是利用定向天線測出信號來源方向，多個基站同時按照接收角度畫出直線，交點就是目標位置。該方法的誤差來源是角度解析的誤差，誤差隨距離的增加而逐漸增大。基于接收信號時間法和基于接收信號強度法類似，但是是通過采用無線信號傳播時間乘以無線信號傳輸速度來計算接收點和測量點間的距離。在基于接收信號強度法和基于到達角度法中，多徑效應是引起各種信號測量誤差的主要原因之一[14]。相較于前2種方法，TOA/TDOA法有著較為明顯的優(yōu)勢：它有最高的定位精度，可以充分利用UWB超寬帶寬，并且最能體現(xiàn)出UWB信號時間分辨率高的特點[15]。

本文所建立的UWB定位系統(tǒng)均采用TOA法來測量定位基站同標簽間的距離，其定位算法中的位置估計過程即為求解定位方程組以獲得目標所在位置坐標的過程。在獲得信號的傳輸時間后，可以根據(jù)球形定位模型建立方程組。實驗中共設置4個定位基站，能夠建立4個方程。在笛卡爾坐標系中若設定位基站k(k=0，1，2，3)的坐標為(Xk,Yk,Zk)，定位標簽的坐標位置為(X,Y,Z)，則根據(jù)每個定位標簽到基站的距離可以列出k分別取值的4個方程為

(1)

式中：c為光速；tk為信號傳輸?shù)降趉個定位基站的傳輸時間。求解方程組可以得到定位標簽在不同時刻的坐標位置，實現(xiàn)室內(nèi)定位。

2 實驗與結果分析

2.1 實驗設置

本文實驗采用基于DecaWave公司生產(chǎn)的DW1000芯片開發(fā)的測距設備，該設備具有較好的通信距離，有助于降低系統(tǒng)成本及對額外基礎設施的需求，采樣時間為0.281 s。以下實驗中均采用基于飛行時間(time of flight，TOF)雙向測距的定位方法，并采用Zigbee技術進行數(shù)據(jù)的實時傳輸，最終基于最小二乘法對量測結果進行平滑，得到所需的定位坐標信息。該定位方法在視距(line of sight，LOS)環(huán)境下結果隨視距呈線性關系，定位結果較為理想。

實驗場地設在煤炭安全綠色開采協(xié)同創(chuàng)新中心九樓大廳，測試環(huán)境為一個大小為7.2 m×7.2 m的正方形區(qū)域，分別在正方形的4個角布置4個超寬帶定位基站，調(diào)整合適的角度，并設置基站高度為85 cm。為了便于進行實驗操作及數(shù)據(jù)分析，將實驗場地分割成長寬均為80 cm的正方形格網(wǎng)，并建立定位空間坐標系。令主基站所在位置為坐標原點，則4個超寬帶定位基站的坐標分別為0號主基站(0，0，0.85)、1號基站(7.2，0，0.85)、2號基站(7.2，7.2，0.85)、3號基站(0，7.2，0.85)。

由于定位基站均位于同一高度，因此實驗中主要針對定位標簽的水平坐標精度進行分析，探討不同影響因素對室內(nèi)動態(tài)定位精度的影響特性。此外，為了更清晰地對比定位影響因素的特性，預先在實驗場地中設定2條規(guī)劃好的軌跡路線，其中：軌跡1為實驗場地中一個4 m×4 m的正方形路線，總長度為16 m；軌跡2為在軌跡1內(nèi)的一個2.4 m×2.4 m的正方形路線，總長度為9.6 m。實驗環(huán)境的空間坐標系及軌跡路線如圖1所示。

2.2 結果分析

2.2.1 定位標簽位置的影響

本次實驗通過對比由定位標簽處于不同的位置時所獲得的定位結果，分析定位標簽位置對動態(tài)定位精度的影響特性。

實驗中，行人分別將定位標簽置于頭部及腰部佩戴，按照軌跡1以正常步速行進一圈，行進過程中基站不斷接收到定位標簽發(fā)射的超寬帶信號，并將測距信息傳輸至定位平臺進行解算，生成位置坐標。利用MATLAB處理軟件對標簽在實驗中采集的測距信息進行處理分析，得到定位標簽分別位于頭頂及腰部的定位軌跡，如圖2所示。

由圖2可知，2種情況下的定位軌跡都能基本形成一個完整回路，然而定位標簽佩戴于腰部時存在40 cm左右的定位誤差，而當定位標簽置于頭部時誤差小于20 cm，精度提高了超過50 %，較好地完成了超寬帶動態(tài)定位過程。

2.2.2 行進速度的影響

本次實驗通過對比由行人行進速度不同時所獲得的定位結果，分析行進速度對動態(tài)定位精度的影響特性。

實驗中，行人分別以正常步速以及小跑(速度約為正常步速的2倍)行進，將定位標簽固定于頭頂按照軌跡1行進一圈。數(shù)據(jù)處理及分析步驟與上節(jié)相同，可以得到2種情況下的定位軌跡，如圖3所示。

在按照軌跡1以正常步速行進的時候，采樣時間為21 s，共獲取坐標點76個；而當小跑行進時，采樣時間為12.5 s，獲取坐標點45個。由于在相同的行進距離中，跑步行進的速度快于正常步速，因而采樣時間及采樣點數(shù)明顯小于正常行進時。因此在基于TOF雙向測距定位方法中，速度越大、時間越短，受到多路徑影響也就越小，能夠有效提高定位精度。由圖3可知，正常步速行進的平均定位誤差約為25 cm，而小跑行進的平均誤差約為18 cm。由此可見，小跑行進不但能夠大幅縮短整體采樣時間，還能提高定位精度30 %以上。

2.2.3 行人干擾的影響

本次實驗通過對比在是否存在行人干擾的情況下所獲得的定位結果，分析行人干擾對動態(tài)定位精度的影響特性。

實驗中，行人將定位標簽置于頭部并按照軌跡1以正常步速行進一圈。在行走過程中存在行人干擾的情況下，安排3人輔助在測試場地內(nèi)隨機行走干擾信號傳遞。隨后按照2.2.1節(jié)中的步驟進行數(shù)據(jù)處理及分析，并同無干擾環(huán)境中的測試數(shù)據(jù)對比分析，得到2種情況下移動標簽的定位軌跡，如圖4所示。

由圖4可知：在大部分時間內(nèi)2種情況下的定位軌跡是接近重合的，定位誤差基本相當；而在存在行人干擾的定位軌跡圖中出現(xiàn)了部分軌跡突變的現(xiàn)象，對應時刻的定位誤差也大幅增加。由此可見，在存在行人干擾的環(huán)境中，定位軌跡會因定位結果的跳變而出現(xiàn)突變，誤差迅速增大，在某些時刻甚至會出現(xiàn)無法定位的情況。

2.2.4 標簽與基站間距離的影響

本次實驗通過對比定位標簽在不同軌跡上行進所獲得的定位結果，分析標簽與定位基站間距離對動態(tài)定位精度的影響特性。

實驗中，行人將定位標簽置于頭頂并以正常步速分別按照軌跡1和軌跡2行進一圈，將獲取的定位信息按照2.2.1節(jié)中的步驟進行處理并分析，得到移動標簽分別按照軌跡1及軌跡2行走所獲取的定位軌跡，如圖5所示。

由圖5可以較明顯地看出，按照軌跡2行進的定位軌跡偏差明顯小于按照軌跡1所得到的軌跡，

其中按照軌跡2行進的平均定位誤差約為15 cm，而按照軌跡1行進的平均定位誤差約為25 cm。由此可見，定位標簽所在行進軌跡距離超寬帶定位基站所確定的覆蓋范圍中心越近，定位精度越高。

3 結束語

超寬帶技術作為室內(nèi)定位中最有前景的方案之一，因其超寬的頻帶特性而具有極高的距離分辨度和定位精度。本文測試并分析了不同因素對超寬帶室內(nèi)定位精度的影響特性，結果表明，超寬帶室內(nèi)定位精度受定位標簽位置、行進速度、行人干擾及標簽與基站間距離的影響，其中：當定位標簽置于頭頂時精度明顯高于置于腰間；跑步行進的定位精度略高于正常步速行走；而如果存在行人干擾則會出現(xiàn)定位軌跡突變、誤差大幅增加的現(xiàn)象；此外，行進路徑越靠近由基站所確定的覆蓋范圍中心，精度就會越高。

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