提高DWM1000模塊UWB定位精度的技術(shù)分析

馬銘辰 王洪源

摘? 要：為了有效地提高超寬帶技術(shù)的定位精度的同時(shí)降低系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，通過對(duì)比各種無(wú)線定位技術(shù)，提出了基于Decawave的射頻芯片DWM1000的UWB定位方案。使用TDOA定位算法能夠很好地采用UWB測(cè)距技術(shù)中基于接收信號(hào)時(shí)間法的雙邊測(cè)距，在獲得信號(hào)的傳輸時(shí)間之后，便可根據(jù)參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)和接收信號(hào)時(shí)間來(lái)聯(lián)立方程組，以計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的具體坐標(biāo)，提高了定位精度。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究表明，在100m范圍內(nèi)，TOF 也只有3.35×10-5s秒，所以誤差為6.7×10-10s秒，誤差范圍大約 20cm。

關(guān)鍵詞：超寬帶? 無(wú)線定位? TDOA? 雙邊測(cè)距

中圖分類號(hào)：TP242? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）09（b）-0115-03

Abstract：In order to effectively improve the positioning accuracy of ultra-wideband technology and reduce the complexity of system implementation， a UWB positioning scheme based on DWM1000 RF chip is proposed by comparing various wireless positioning technologies. Using TDOA location algorithm can well use the two-sided distance measurement based on the time method of receiving signal in UWB distance measurement technology. After obtaining the transmission time of the signal， the equations can be set up according to the coordinates of the reference node and the time of receiving signal， so as to calculate the specific coordinates of the target node and improve the positioning accuracy. The experimental results show that within 100 meters， TOF is only 3.35×10-5s seconds， so the error is 6.7×10-10s seconds， and the error range is about 20cm.

Key Words：Ultra-wide band;Wireless positioning; Time difference of arrival; Two-way ranging

無(wú)線定位技術(shù)是利用常見的定位算法，實(shí)現(xiàn)定位、跟蹤和監(jiān)測(cè)特定目標(biāo)的位置的技術(shù)。分為室外定位和室內(nèi)定位[1]。常見的室內(nèi)定位技術(shù)有：UWB，WiFi，藍(lán)牙，ZigBee等。其中UWB（Ultra-Wide Band）超寬帶技術(shù)是一種帶寬為1GHz以上且不需要載波的無(wú)線通信技術(shù)。工作頻段為3.1～10.6GHZ，可直接脈沖調(diào)制，不受載波干擾。

1? UWB定位技術(shù)

基于 TDOA 定位的原理是，當(dāng)所有基站之間時(shí)鐘同步時(shí)，標(biāo)簽發(fā)出一個(gè)測(cè)距信號(hào)，不同基站在不同時(shí)刻接收到這個(gè)測(cè)距信號(hào)，選取某基站接收到該測(cè)距信號(hào)的時(shí)刻作為基準(zhǔn)，其他基站收到信號(hào)的時(shí)刻減去該基準(zhǔn)，便能得到測(cè)距信號(hào)到達(dá)時(shí)間差，即 TDOA[2]值。我們根據(jù)兩個(gè)基站之間測(cè)量的到達(dá)時(shí)間差，便可以得到一個(gè)雙曲線。三個(gè)基站就可得到一組雙曲線方程，雙曲線的交點(diǎn)即為標(biāo)簽的位置。

TDOA 原理如圖 1所示。

圖中BS1為基準(zhǔn)基站[3]，假設(shè)電磁波信號(hào)到達(dá)三個(gè)參考基站的時(shí)間分別為t1，t2，t3，ri表示目標(biāo)點(diǎn)到第i個(gè)參考基站的距離，那么ri=cti，Ri1表示目標(biāo)點(diǎn)到第i個(gè)參考基站與到基準(zhǔn)基站間的距離差，則Ri1=c（ti-t1）。建立雙曲線方程組就可以解算出待定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)（x，y）值。

2? 基于DWM1000的UWB定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

DWM1000 是一款符合IEEE802.15.4-2011UWB 規(guī)范，基于DecaWave? DW1000IC 的無(wú)線收發(fā)器模塊。該器件集成了必要的射頻設(shè)計(jì)所需的一切。芯片，天線，電源芯片，晶振和電壓轉(zhuǎn)換芯片都安裝一塊 23mm×13mm×2.9mm 的24 針類似郵票的 PCB 中，如圖2。

本文定位系統(tǒng)采用的硬件系統(tǒng)是基于UWB的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[4]，包含標(biāo)簽和基站，首先當(dāng)標(biāo)簽上電開啟后會(huì)周期性地不斷廣播自身信息，各基站解析標(biāo)簽信息后會(huì)得到標(biāo)簽的信息和一個(gè)時(shí)鐘同步到達(dá)時(shí)間TOA。然后再?gòu)母骰驹賹⑦@些數(shù)據(jù)信息打包發(fā)送到主基站。主基站通過虛擬串口將所有數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)不同基站的TDOA 值，利用雙曲線算法計(jì)算得到標(biāo)簽的估計(jì)坐標(biāo)。

3? 測(cè)距精度的提高

TWR 是一個(gè)基本的概念，通過確定兩個(gè)物體之間傳輸信號(hào)的飛行時(shí)間TOF來(lái)計(jì)算兩個(gè)物體之間的距離d。DW1000使用數(shù)學(xué)和電子技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)非常精確的時(shí)鐘記錄。當(dāng)在DW1000無(wú)線電波信號(hào)的發(fā)送和接收期間發(fā)生某些事件時(shí)，通過記錄該時(shí)鐘的狀態(tài)，DW1000能夠“時(shí)間戳”這些事件。

現(xiàn)在使用時(shí)間戳t1和t2，發(fā)起者可以計(jì)算往返時(shí)間Troundtrip，并且知道標(biāo)記Treply中的應(yīng)答時(shí)間，TOF[5]可以由下式確定，

如果我們假設(shè)無(wú)線電波通過空氣的速度與光速c相同，那么兩者之間的距離d通過計(jì)算得到，

在Decawave的雙向測(cè)距演示中，兩個(gè)單元成對(duì)工作。一個(gè)單元充當(dāng)啟動(dòng)測(cè)距交換的“標(biāo)簽”，另一個(gè)單元充當(dāng)監(jiān)聽標(biāo)簽消息并與其執(zhí)行雙向測(cè)距交換的“基站”。 在雙向測(cè)距過程中，使用了5條消息交換[5]：（1）未配對(duì)基站處于偵聽模式，正在偵聽標(biāo)簽的閃爍消息;（2）未配對(duì)的標(biāo)簽發(fā)送周期性閃爍和偵聽響應(yīng);（3）基站決定與這個(gè)標(biāo)簽配對(duì)進(jìn)行測(cè)距并發(fā)送測(cè)距初始化消息;（4）標(biāo)簽看到測(cè)距初始化響應(yīng)并與基站配對(duì);（5）基站計(jì)算范圍，并立即或在下一條響應(yīng)消息中將范圍報(bào)告發(fā)送回標(biāo)簽。兩條在發(fā)現(xiàn)階段（閃爍Blink和測(cè)距初始化Ranging Init），3條在測(cè)距階段（Poll、Response和Final）。

（1）發(fā)現(xiàn)階段。

最初標(biāo)簽處于發(fā)現(xiàn)階段，它周期性地發(fā)送Blink消息，并偵聽來(lái)自基站的Ranging Init響應(yīng)。當(dāng)收到Blink消息時(shí)，基站會(huì)向標(biāo)簽發(fā)送初始化消息，標(biāo)簽將完成發(fā)現(xiàn)階段并進(jìn)入測(cè)距階段。

（2）測(cè)距階段。

在測(cè)距階段，標(biāo)簽周期性地與基站進(jìn)行雙向測(cè)距信息交換。每個(gè)雙向測(cè)距交換由發(fā)送輪詢消息、接收響應(yīng)消息和發(fā)送最終消息的標(biāo)記組成，如圖3。

在標(biāo)簽到基站雙向測(cè)距的情況下，由于時(shí)鐘漂移和頻率漂移，存在許多誤差源[6]。采用非對(duì)稱雙邊測(cè)距方法實(shí)現(xiàn)了減少誤差。圖4顯示了一個(gè)進(jìn)行TWR的最終輪詢響應(yīng)方法。

Rmarker是數(shù)據(jù)幀的第一個(gè)脈沖離開發(fā)射天線的時(shí)刻，最后一條消息將發(fā)起方的Tround和Treply時(shí)間傳遞給響應(yīng)方，響應(yīng)方計(jì)算到發(fā)起方的范圍：

如果設(shè)備 A 和 B 的時(shí)鐘在 20 ppm與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的誤差相加并等于 40ppm 的方向上，那么 ka 和 kb 可能都是 0.99998 或 1.00002。

4? 結(jié)語(yǔ)

本文提出采用UWB測(cè)距技術(shù)中基于接收信號(hào)時(shí)間法的雙邊測(cè)距，在獲得信號(hào)的傳輸時(shí)間之后，便可根據(jù)參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)和接收信號(hào)時(shí)間來(lái)聯(lián)立方程組，以計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的具體坐標(biāo)，提高了定位精度。即使在比較大的 UWB 工作范圍（比如 100 m）下，TOF 也只有3.35×10-5s秒，即誤差時(shí)間為6.7×10-10s秒或 67ns，誤差范圍大約20cm。

參考文獻(xiàn)

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