UWB超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)*

杜鑫 朱文亮 文西芹 周云鵬 王素紅

1.江蘇海洋大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院;2.連云港市水利局

隨著現(xiàn)代社會(huì)智能家居和智慧工廠的發(fā)展,眾多應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)室內(nèi)定位精度的要求不斷提高。UWB定位方法作為一種新興技術(shù),成為室內(nèi)定位研究中的熱點(diǎn)領(lǐng)域。本文從UWB超寬帶通信技術(shù)的起源開(kāi)始,分別介紹了目前UWB主流定位技術(shù)算法與應(yīng)用,包括到達(dá)時(shí)間定位、到達(dá)時(shí)間差定位、到達(dá)角度定位以及其他具有代表性的UWB融合定位方法,并且總結(jié)了每種定位方法的運(yùn)行原理、優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)景,并預(yù)測(cè)UWB的未來(lái)發(fā)展方向。

0 引言

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步,使越來(lái)越多的智能化產(chǎn)品進(jìn)入到工業(yè)生產(chǎn)和用戶生活當(dāng)中。搬運(yùn)機(jī)器人、物流機(jī)器人和掃地機(jī)器人等多種多樣的機(jī)器人極大地便捷了人們的生產(chǎn)生活,而復(fù)雜的工廠車間和居家環(huán)境對(duì)機(jī)器人定位精度提出了更高要求。除此之外,智能車間、智慧倉(cāng)儲(chǔ)等作業(yè)場(chǎng)所,也都對(duì)高精度定位技術(shù)有著迫切的需求。超聲波和激光定位技術(shù)擁有著不錯(cuò)的定位精度,但由于此二者應(yīng)用場(chǎng)景單一,不適合民用領(lǐng)域的推廣。WiFi定位技術(shù)使用較多,但定位精度只是在3m以內(nèi),且需要建立指紋數(shù)據(jù)庫(kù),工作復(fù)雜度較高。蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是覆蓋率較高,但其抗干擾能力較差,因此其定位的可靠性受到影響。超寬帶技術(shù)(Ultra-Wideband,UWB)作為近年來(lái)的新興通信技術(shù),以其定位精準(zhǔn)、功耗低和抗多徑能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),成為室內(nèi)定位方案的熱門(mén)選擇。本文主要綜述了UWB超寬帶的主流定位算法及應(yīng)用。

1 簡(jiǎn)述UWB技術(shù)

超寬帶技術(shù)UWB是近年來(lái)新興的一種無(wú)載波通信技術(shù),以占空比很低(幾十分之一)的超短電磁能量窄脈沖作為信息載體,因此又稱脈沖無(wú)線電。其信號(hào)定義為相對(duì)帶寬(信號(hào)帶寬與中心頻率之比)大于0.2,或在傳輸?shù)娜魏螘r(shí)刻絕對(duì)帶寬不小于500MHz的脈沖信號(hào)。該項(xiàng)技術(shù)早期應(yīng)用于軍方,并利用其開(kāi)發(fā)出了分辨率極高的雷達(dá)設(shè)備,直到2002年該項(xiàng)技術(shù)才獲批進(jìn)入民用領(lǐng)域[1]。FCC通信認(rèn)證規(guī)定:UWB信號(hào)使用3.1GHz～10.6GHz的頻段范圍,并且該信號(hào)的發(fā)射功率須在1mW以下[2]。高達(dá)GHz的信號(hào)帶寬和獨(dú)特的頻域、時(shí)域特性,使其在信道容量上較其他通信方式有明顯優(yōu)勢(shì),具有高速數(shù)據(jù)傳輸、低功耗、保密性強(qiáng)、高處理增益、抗多徑能力強(qiáng)和定位精準(zhǔn)等特點(diǎn),單個(gè)標(biāo)簽定位精度可達(dá)10cm。UWB定位技術(shù)和其他多數(shù)定位方式相同,也是基于測(cè)距原理而實(shí)現(xiàn),其測(cè)距模塊的工作機(jī)制是:設(shè)置基站和標(biāo)簽,通過(guò)二者間的信息交流來(lái)記錄信息的發(fā)送和到達(dá)時(shí)間,并根據(jù)獲取的時(shí)間關(guān)系來(lái)推算出信號(hào)飛行時(shí)間,從而得到基站與標(biāo)簽之間的直線距離。

2 主流UWB定位算法與原理

2.1 TOA算法

根據(jù)UWB信號(hào)的通信方式,研究者首先設(shè)計(jì)出到達(dá)時(shí)間定位算法,又稱TOA(Time of Arrival)定位算法,該算法依據(jù)信號(hào)傳播時(shí)間而直接計(jì)算出被測(cè)點(diǎn)(標(biāo)簽)與參考點(diǎn)(基站)之間的距離。此算法中,標(biāo)簽發(fā)送信號(hào)到至少3個(gè)以上的基站上,系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量信號(hào)到達(dá)各個(gè)基站的時(shí)間,從而獲取標(biāo)簽與基站之間的距離,然后再以各個(gè)基站為圓心所得距離為半徑作圓,各圓的交點(diǎn)便是目的節(jié)點(diǎn)的參考位置。Liu分析了TOA模式的超寬帶算法，圖1為T(mén)OA模式原理圖[3]。

圖1 TOA模式Fig.1 TOA model

圖中A1、A2、A3為場(chǎng)景中的三個(gè)基站，傳統(tǒng)TOA算法是通過(guò)記錄標(biāo)簽與三個(gè)基站之間的單向信號(hào)傳播時(shí)間，再分別乘以電磁波在空氣中的傳播速度，得到被測(cè)點(diǎn)標(biāo)簽與三個(gè)基站之間的直線距離，并分別記為R0、R1和R2。取A0、A1和A2為圓心，R0、R1和R2為半徑作圓，三個(gè)圓的交點(diǎn)即為被測(cè)點(diǎn)位置坐標(biāo)。設(shè)被測(cè)點(diǎn)標(biāo)簽坐標(biāo)為(x,y)，A0坐標(biāo)為(x0，y0)，A1坐標(biāo)為(x1，y1)，A2坐標(biāo)為(x2，y2)，由此可得公式如下：

Liu采用最小二乘法定位算法，對(duì)原始TOA測(cè)距值進(jìn)行了處理，通過(guò)最小化誤差平方和來(lái)尋求數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配，使所得數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)的誤差平方和最小。在非視距環(huán)境下進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示該算法使定位精度較原始TOA算法有所提升。該算法布置實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單方便,但各基站與標(biāo)簽應(yīng)嚴(yán)格保持時(shí)間同步,否則會(huì)對(duì)定位精度有較大影響。

2.2 TDOA算法

比TOA算法更高級(jí)的是到達(dá)時(shí)間差定位算法,又稱TDOA(Time Differencce of Arrive)算法。二者都是依據(jù)信號(hào)傳播時(shí)間而實(shí)現(xiàn)的測(cè)量方法,但是TDOA算法處理的并不是絕對(duì)時(shí)間,而是信號(hào)到達(dá)時(shí)間差,其只需要各基站的時(shí)間同步,不要求被測(cè)點(diǎn)處的標(biāo)簽時(shí)間也達(dá)到同步[4]。該算法中,每個(gè)TDOA測(cè)量值對(duì)應(yīng)兩個(gè)基站為焦點(diǎn)的一對(duì)雙曲線,以此來(lái)達(dá)到定位效果。如果要獲取被測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo),則至少需要4個(gè)基站作為參考點(diǎn)。該算法核心公式如下:

式中(x,y,z)和(xi,yi,zi)分別代表需定位的目標(biāo)位置和參考點(diǎn)位置的坐標(biāo),t0代表需定位的目標(biāo)位置發(fā)送信號(hào)的時(shí)間,ti代表基站參考點(diǎn)位置的信號(hào)到達(dá)時(shí)間。生成的時(shí)間差Δtij=ti-tj,經(jīng)多次代換后,可減小目標(biāo)位置和參考點(diǎn)位置由于不同步而導(dǎo)致的誤差,以此實(shí)現(xiàn)定位的效果。由于該方法布置便捷且算法高效可靠,成為目前UWB定位算法的主流。但傳統(tǒng)TDOA算法存在一定的發(fā)散現(xiàn)象,該現(xiàn)象在高噪聲環(huán)境下相對(duì)明顯,導(dǎo)致定位精度受到影響。何成文等提出一種利用簡(jiǎn)單迭代最小二乘算法[5],該算法先將TDOA方程由勾股定理化為非標(biāo)準(zhǔn)的最小二乘形式,再結(jié)合未知量間的等式約束關(guān)系,根據(jù)迭代思想計(jì)算出定位坐標(biāo),該方法經(jīng)蒙特卡洛仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證出具備更加收斂的定位效果。

2.3 AOA算法

與基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間定位算法不同的是,到達(dá)角度定位(Angle of Arrival,AOA)是一種特別的算法。該算法又稱為方向角定位測(cè)量,其原理為利用標(biāo)簽到基站間的徑向線來(lái)確定二者的角度關(guān)系。該算法又可以細(xì)分為質(zhì)心定位算法、貝葉斯推理定位算法、基于卡爾曼濾波定位算法和重構(gòu)思想定位算法。傳統(tǒng)AOA定位算法中,天線陣列的位置會(huì)影響定位精度,使之出現(xiàn)不同程度的偏差。而且該定位方法的角度測(cè)量環(huán)節(jié)中,非視距誤差和背景噪聲也成為了不可忽視的問(wèn)題。馬婧提出一種基于重構(gòu)思想的AOA定位算法[6],該算法假設(shè)被測(cè)點(diǎn)的發(fā)射波均勻分布在以被測(cè)點(diǎn)為圓心半徑為D的圓盤(pán)上,發(fā)射波的散射波均要經(jīng)過(guò)一個(gè)均勻分布的散射體(S)才能到達(dá)基站。選取最強(qiáng)路徑為重構(gòu)思想的波形路徑,因?yàn)樽顝?qiáng)路徑攜帶的波形具備最多的有效信息,且該路徑在非視距環(huán)境下特性最佳。經(jīng)由幾何推導(dǎo),能夠得到被測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)。該算法在圓盤(pán)半徑較大時(shí),多徑數(shù)越大,定位精度越高,相比于AOA傳統(tǒng)算法,該算法得到的定位精度有所提升。但是該算法適合簡(jiǎn)單場(chǎng)景,復(fù)雜場(chǎng)景的定位精度不夠理想。

2.4 UWB融合算法

UWB各算法均能實(shí)現(xiàn)定位,但都存在不同程度的局限性:TOA算法對(duì)時(shí)鐘同步要求較高,且誤差大;TDOA算法的場(chǎng)景布置難度較小,但信號(hào)發(fā)散會(huì)導(dǎo)致定位精度降低;AOA算法布局復(fù)雜,且成本較高。因此將不同UWB算法配合使用或者與其他定位方式相結(jié)合,成為提升定位精度和規(guī)避算法缺點(diǎn)的新嘗試。

射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification,RFID)作為一款誕生較早的無(wú)線通信技術(shù),早已在定位領(lǐng)域被應(yīng)用多年,其通過(guò)無(wú)線信號(hào)自動(dòng)識(shí)別并感知貼附在被測(cè)物體上的射頻標(biāo)簽,并讀寫(xiě)相關(guān)數(shù)據(jù)[7],由此實(shí)現(xiàn)定位功能,且成本更低,但定位精度低于UWB技術(shù)。徐哲超和馮曄針對(duì)UWB非視距(Non-line of Sight,NLOS)環(huán)境下定位效果欠佳的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種基于TOA和AOA融合的定位方法[8],該方法能將獲取到的非視距信號(hào)識(shí)別出并過(guò)濾掉,識(shí)別正確率達(dá)到98%,從而處理更加準(zhǔn)確的視距信號(hào)以獲得被測(cè)點(diǎn)坐標(biāo),提高UWB定位精度。經(jīng)過(guò)仿真結(jié)果對(duì)比,發(fā)現(xiàn)該算法在NLOS信號(hào)較多時(shí),定位精度優(yōu)于最小二乘算法、加權(quán)最小二乘算法和基于特征矢量的FINE算法。但該算法著重針對(duì)NLOS信號(hào)的辨識(shí)與過(guò)濾功能,沒(méi)有根本解決非視距環(huán)境下的全局定位問(wèn)題。

3 結(jié)論

室內(nèi)定位技術(shù)已經(jīng)成為社會(huì)生產(chǎn)生活中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),提升定位精確度和定位方法普適性,成了無(wú)法避開(kāi)的技術(shù)問(wèn)題。本文從UWB的概念、基本原理和特征性能,到幾種主流的UWB定位算法和融合算法,以及各技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)都做了介紹與分析。結(jié)合所列舉的算法與應(yīng)用實(shí)例,不難看出UWB定位技術(shù)作為定位領(lǐng)域的主流技術(shù)之一,既有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì),也存在著動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)性差、成本高和非視距場(chǎng)景性能有待提高等短板。根據(jù)當(dāng)前該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展情況,隨著硬件技術(shù)不斷更新,融合其他定位方法將成為提高UWB的定位精度和普適性的重點(diǎn)方向,且隨著設(shè)備終端算力的穩(wěn)步提高,深度學(xué)習(xí)等技術(shù)將會(huì)在UWB定位上大行其道,反之,定位技術(shù)的不斷改進(jìn)與突破,也必將使其他眾多領(lǐng)域深受影響。

引用

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[8] 徐哲超,馮曄.基于TOA/AOA的UWB室內(nèi)定位NLOS識(shí)別研究[A].中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室學(xué)術(shù)交流中心.第十一屆中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航年會(huì)論文集:S02導(dǎo)航與位置服務(wù)[C].中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室學(xué)術(shù)交流中心:中科北斗匯(北京)科技有限公司,2020.