逄坤
摘 要:和傳統(tǒng)的技術(shù)相比起來,超寬帶技術(shù)的傳輸速率更高,同時具有更高的時域分辨度,同時穿透性較強,優(yōu)勢非常明顯。近年來其應(yīng)用也開始為人們所重視,尤其是在于短距離傳輸、復(fù)雜環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸上的優(yōu)勢更加明顯,所以現(xiàn)在已經(jīng)成為室內(nèi)無線定位的重要實現(xiàn)途徑。這項技術(shù)最早應(yīng)用于上個世紀六十年代,其初期主要用于軍事領(lǐng)域的監(jiān)聽,近年來才開始逐步推廣為民用和商用。本文針對其定位和追蹤技術(shù)的實現(xiàn)進行了簡要分析,希望可以給相關(guān)工作的開展提供一些參考。
關(guān)鍵詞:超寬帶;無線網(wǎng)絡(luò);定位技術(shù)
GPS定位技術(shù)現(xiàn)在得到了很大程度的推廣,可以說給人們的日常生活帶來了很大的便利。但是這其實也面臨著很多問題,例如衛(wèi)星信號并不能隨時覆蓋,在室內(nèi)、森林等環(huán)境下經(jīng)常導航失靈,而室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜的情況下也會導致信號衰減,這些問題的存在都會造成定位上的誤差。而超寬帶(UWB)信號的穿透能力較強,時域分辨率上也存在明顯的優(yōu)勢,所以這項技術(shù)用于定位的優(yōu)勢非常明顯。UWB信號的絕對貸款超過500MHZ,其本質(zhì)也是通過的萊昂占用帶寬來實現(xiàn)的穿透能力的。
1 超寬帶技術(shù)簡介
超寬帶技術(shù)簡稱UWB,其是一種新的頻譜方式,在很多通信系統(tǒng)都可以得到應(yīng)用,不僅成本低廉、功耗較低,同時也有著很強的抗干擾能力和穿透力,在無線通信空間的容量上也遠遠高于其他通信系統(tǒng),但是其缺點也非常明顯,不僅會占用很大的帶寬,更會給其他無線電設(shè)備造成影響,所以現(xiàn)在對于UWB的應(yīng)用,各國都提出了一些限制,但是現(xiàn)在國際上都已經(jīng)提高了對這項技術(shù)的研究力度,例如很多筆記本電腦當中都已經(jīng)具備了超寬帶傳輸模塊。
UWB定位精確度很高、具備很好的安全性,所以在未來,無線定位技術(shù)當中,UWB的應(yīng)用也將越來越廣泛。由于其具備低功耗和強抗干擾能力的特點,所以在軍事方面的應(yīng)用價值非常明顯,與此同時,在醫(yī)護和辦公自動化以及未來的機器人追蹤等領(lǐng)域,所以應(yīng)用領(lǐng)域也會迅速擴展。
2 UWB定位技術(shù)
2.1 典型定位算法
現(xiàn)階段所應(yīng)用的無線定位算法可以分為兩類,分別是以距離為基礎(chǔ)和以定位為基礎(chǔ)的算法,相比之下和距離無關(guān)的算法并不會對硬件有過高的要求,但是精度也受到了一定的限制,所以現(xiàn)階段,基于距離的算法最為常用。
(1)角度定位和強度分析
到達角度定位簡稱為AOA、信號強度分析簡稱為RSS,AOA通過針對被檢測到的兩個接收機信號進行檢測,之后實現(xiàn)定位,這個過程需要天線系統(tǒng)的支持,并且一旦出現(xiàn)角度誤差,就會直接給定位精度造成很大的影響。而RSS則是結(jié)合信號傳輸模型來對比接收信號和距離之間的關(guān)聯(lián),實現(xiàn)定位。但是這種算法對于信號傳輸模型的依賴性非常明顯,如果環(huán)境條件出現(xiàn)了改變,也會直接影響定位,所以UWB的優(yōu)勢無從發(fā)揮。這樣看來,無論是到達角度定位還是信號強度都不能很好地完成距離測定,只能進行粗定位,作為輔助手段來使用,如果想要實現(xiàn)精確定位,仍然需要精密測距。
(2)到達時間分析(TOA)
如果被側(cè)點有三個以上的參考節(jié)點來進行測量,經(jīng)由其到達各接收機所需的時間的不同來進行三角定位,算出距離,就可以直接測定出被測點的位置來。如果帶寬為1GHz,那么其精度非常高,誤差僅為數(shù)cm,但這需要時間定位上具備嚴格時間同步,這也是較為難以實現(xiàn)的。
(3)到達時間差定位(TDOA)
與TOA類似,一般文獻不區(qū)別討論,只是測量得到的是時間差而非絕對時間,利用雙曲線交叉進行定位。應(yīng)用此法只需參考節(jié)點之間保持同步,不要求參考節(jié)點與被測點之間嚴格的時間同步,使系統(tǒng)相對簡化,所以在定位系統(tǒng)中應(yīng)用最廣。
(4)混合處理法(Hybrid)
綜合運用RSS與TOA/TDOA方法,當被測點與參考節(jié)點間距離較近時,采用RSS輔助方法可以減小數(shù)據(jù)處理復(fù)雜度,大幅提升定位精度,適用于ZigBee等短距離定位場合。
2.2 精確測距與定位
UWB定位系統(tǒng)多采用極窄的高斯脈沖信號,脈沖寬度通常低于0.5ns,定位精度非常高。通常,UWB定位系統(tǒng)設(shè)定幾個定位參考節(jié)點,接收數(shù)量眾多的被測點發(fā)出的高斯脈沖信號,各被測點由PN碼序列區(qū)分,處理接收到的脈沖序列可得到接收時間,即得到被測點與參考點之間的距離。
要定位一個三維坐標,至少需要4個參考點,建立4個方程進行直接計算,求解此四元二次方程組,可得被測點坐標。將各方程相減,則可消去未知參量to,同時減少一個有效方程,實現(xiàn)TDOA算法。測量誤差及參考節(jié)點的位置對方程組有較大影響,可能出現(xiàn)無解或迭代溢出的情況。為了提高有解的概率,可設(shè)定5個參考點,根據(jù)不同組合得到5組解,從中選取最優(yōu)解。也可選擇4個接收信號功率最高的參考節(jié)點聯(lián)立方程組。實驗表明,5選4算法可將定位精度提高27%,若進一步增加參考基站,定位精度提高不明顯,反而會使系統(tǒng)更復(fù)雜。因此,要獲得更高的定位精度,不能只依靠增加參考基站。實際應(yīng)用中,參考基站一般采用5選4算法為宜。
2.3 定位網(wǎng)絡(luò)協(xié)議
定位節(jié)點(設(shè)備)可分為完整功能節(jié)點(FFD)和簡化功能節(jié)點(RFD)。FFD能與多個RFD以及相鄰的FFD進行會話,RFD定制非常簡單,僅能與一個FFD會話。定位協(xié)議也可分為兩類[5]:基于錨(anchor-based)的協(xié)議和無錨(anchor-free)協(xié)議?;阱^的協(xié)議假定網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點集(參考節(jié)點或錨節(jié)點)在網(wǎng)絡(luò)初始化時已知相對或絕對位置,需要外在的定位系統(tǒng)(一般使用GPS)提供每個錨節(jié)點的位置。GPS終端可測定錨節(jié)點的位置,并提供一個全球坐標系,與定位協(xié)議相關(guān)的信令流量較低,但存在稀疏錨節(jié)點問題和測距誤差問題,GPS本身的定位精度有限,以致產(chǎn)生較大定位誤差。
基于錨的TDOA定位模式主要有兩種:a.由參考節(jié)點發(fā)射信號,被測節(jié)點負責接收并進行數(shù)據(jù)處理,這種方式與GPS定位類似,增加了被測節(jié)點的電池能耗,大大減少了使用壽命。b.由被測節(jié)點發(fā)射信號,各基站(參考節(jié)點)負責接收,傳送到中心節(jié)點進行計算,得到被測點的精確坐標,適合節(jié)點小型化、簡單化的要求,目前討論最多且已投入運行。它又有兩類網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu):其一是被測點為RFD,參考節(jié)點為FFD,預(yù)先在定位現(xiàn)場選擇適當?shù)奈恢媒ㄔO(shè)基站,并測定好坐標,基站可測量范圍即網(wǎng)絡(luò)工作區(qū)域,多數(shù)實驗?zāi)P筒捎么四J健?/p>
3 結(jié)束語
經(jīng)過前文總結(jié),我們不難發(fā)現(xiàn),超寬帶技術(shù)在諸多無限定位技術(shù)當中的優(yōu)勢非常明顯,可以用于無線定位需求的滿足,在未來有著廣闊的應(yīng)用前景。除此之外,和常規(guī)的wlan技術(shù)相比起來,UWB也可以很好地將通信技術(shù)融合到定位當中,在短距離范圍內(nèi),UWB技術(shù)也可以在定位領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更長遠的發(fā)展?,F(xiàn)在無限定位技術(shù)雖然已經(jīng)得到了一定的探索,但其應(yīng)用水平的不足仍然是不爭的事實,這就需要我們進一步探索,來拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。本文針對這些問題進行了簡要分析,希望可以給相關(guān)工作的開展提供一些參考。
參考文獻
[1]戴明宏,呂蒙.基于UWB實時定位鐵路大型養(yǎng)路機械施工人員防碰撞技術(shù)研究[J].產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究,2018(2).
[2]于洋,侯娟.基于DWM1000的改進型超寬帶無線通信室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計[J].信息技術(shù)與信息化,2018(z1).
[3]楊海,李威,張禾,等.復(fù)雜環(huán)境下基于SINS/UWB的容錯組合定位技術(shù)研究[J].儀器儀表學報,2017(9):2177-2185.
[4]馮高昂.UWB室內(nèi)定位多標簽防碰撞算法研究[D].海南大學,2017.