長廊場景下UWB測距和定位精度分析

王 騰，李永輝，畢京學(xué)，尹欣然，曹景春，李世卿

長廊場景下UWB測距和定位精度分析

王 騰，李永輝，畢京學(xué)，尹欣然，曹景春，李世卿

（山東建筑大學(xué)，濟南 250101）

針對現(xiàn)有研究多利用基于飛行時間（TOF）的超寬帶（UWB）定位技術(shù)在空曠或無遮擋的室內(nèi)場景下進行高精度的距離測量和定位評估，對物體遮擋及長廊場景下的研究較少的現(xiàn)狀，在不同障礙物遮擋及復(fù)雜長廊場景下利用雙向雙邊TOF測距UWB進行距離量測，并基于最小二乘的三邊定位算法開展定位實驗，分析多種場景下的測距和定位誤差。實驗結(jié)果表明：不同遮擋物對UWB信號的影響程度不一，金屬、墻體對測距的影響遠大于薄布、紙板；無障礙長廊兩側(cè)空間界面、墻體材質(zhì)、行人走動、房門的啟閉狀態(tài)等，均會對測距結(jié)果產(chǎn)生不同程度的影響；基站附近的外界環(huán)境會對定位產(chǎn)生持續(xù)干擾；標(biāo)簽的移動速度也會影響定位精度。可為探究在物體遮擋和長廊場景下UWB測距和定位精度的影響因素提供參考。

超寬帶；室內(nèi)定位；多場景；飛行時間（TOF）；測距精度；定位精度

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)蓬勃發(fā)展與智慧城市的提出，工業(yè)[1]、商業(yè)[2]、倉儲[3]、醫(yī)療[4]等領(lǐng)域?qū)κ覂?nèi)人員或設(shè)備的定位需求強烈，尤其是近年來高危行業(yè)中人員實時定位[5]以及疫情中確診人員和密接者出行軌跡反演[6]等應(yīng)用。目前，室內(nèi)定位技術(shù)主要借助超寬帶（ultra wide band, UWB）、射頻識別（radio frequency identification, RFID）、無線局域網(wǎng)（wireless fidelity, Wi-Fi）、低功耗藍牙（bluetooth low energy, BLE）等實現(xiàn)。與其余技術(shù)相比，UWB定位具有多徑識別能力強、抗干擾性強、定位和測距精度能夠達到分米甚至厘米級等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于室內(nèi)高精度位置服務(wù)。UWB定位技術(shù)分為到達時間（time of arrival, TOA）、到達時間差（time difference of arrival, TDOA）和到達角（angle of arrival, AOA）。在TOA中，基于飛行時間（time of flight, TOF）的UWB因為沒有時鐘偏差的優(yōu)勢應(yīng)用更加廣泛。文獻[7]在平整場地上按照正六邊形的方式部署UWB基站，靜態(tài)定位的點位誤差不大于10 cm。文獻[8]在教學(xué)樓內(nèi)會議室進行UWB動態(tài)定位測試。文獻[9]在較為空曠的電廠房間開展定位實驗。文獻[10]在理想環(huán)境進行仿真模擬。文獻[11]在無障礙的實驗室機房開展實驗。這些研究大都在相對理想的場景下開展，并取得了很高的定位精度；但沒有對室內(nèi)多種復(fù)雜場景下的測距和定位精度進行分析，尤其是室內(nèi)狹長的走廊、巷道等區(qū)域。

由于室內(nèi)環(huán)境遮擋物多，且環(huán)境多變，因此在室內(nèi)環(huán)境中易受非視距傳播、多徑效應(yīng)、多址干擾等因素的影響，使得UWB信號出現(xiàn)失真，在一些區(qū)域容易出現(xiàn)較大測距和定位誤差，進而無法進行精確的位置評估，影響室內(nèi)定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可用性。研究室內(nèi)多場景下不同遮擋物對測距精度的影響以及復(fù)雜環(huán)境對定位精度的干擾情況，可以為探究UWB測距和定位精度的影響因素提供參考和支持，對于提高室內(nèi)定位的精度以及推動室內(nèi)定位系統(tǒng)的發(fā)展具有重要的研究意義和應(yīng)用價值。

1 UWB雙邊雙向測距原理及測距誤差源

1.1 雙邊雙向測距原理

雙邊雙向測距（double-sided two-way ranging, DS-TWR）是單邊雙向測距的一種擴展測距方法，記錄了2個往返的時間戳，最后得到反應(yīng)時間，雖然響應(yīng)時間增加，但是可以顯著降低測距誤差。

圖1 雙邊雙向測距原理

1.2 UWB測量誤差源

UWB的理論測距精度為厘米級甚至毫米級，理論定位精度為厘米級，但在實際應(yīng)用中精度為亞米級。明晰UWB測量誤差來源，有助于根據(jù)實際情況采取一定程度的措施，以提高測距和定位精度。

1.2.1 非視距傳播

理想環(huán)境下無線信號傳播過程中沒有遇到障礙物的直線傳播，稱為視距（line of sight, LOS）傳播[13]。非視距傳播是相對于視距傳播而言（如圖2所示）。如圖2(a)所示，在非視距傳播中通常有障礙物遮擋，信號從發(fā)射端出發(fā)通過衍射或者反射到達接收端，得到的數(shù)據(jù)與LOS有較大區(qū)別。

圖2 測距誤差來源

1.2.2 多徑效應(yīng)

信號發(fā)射后由于受到反射和散射等影響，信號到達接收端的相位和時間不一，這些信號相互疊加造成干擾，導(dǎo)致信號失真[14]。如圖2（b）所示，當(dāng)從發(fā)射信號后，產(chǎn)生了多徑效應(yīng)，信號從多個方向到達，導(dǎo)致信號失真。

1.2.3 傳感器布設(shè)方式

傳感器的布設(shè)方式是影響精度的重要因素，合理的布設(shè)方式會提高測量精度。在實驗前應(yīng)考慮基站與標(biāo)簽的高度、天線的朝向、基站與標(biāo)簽間是否有障礙物等，如圖2（c）所示2種布設(shè)方式，右側(cè)的布設(shè)方式要優(yōu)于左側(cè)。

1.2.4 信號衰減

信號在介質(zhì)中傳播時，會有一部分能量被傳輸介質(zhì)吸收，導(dǎo)致信號強度不斷減弱，這種現(xiàn)象稱為信號衰減[15]，如圖2（d）所示。不同的物體對信號的影響不同，下面列舉幾種較為常見的障礙物。

1）金屬：金屬本身的電磁效應(yīng)會對UWB信號產(chǎn)生強烈干擾，嚴(yán)重影響測距精度和定位精度。

2）房間實體墻：實體墻是室內(nèi)定位時最常見的遮擋物之一，單堵實體墻即可使信號衰減30%～40%，且定位精度下降30 cm左右。

3）玻璃：玻璃本身對信號的遮蔽作用不大，但容易導(dǎo)致多徑效應(yīng)。

4）木板或者紙板：木板密度低，紙板通常較薄，一般情況下對信號的影響較小。

UWB測量誤差源還包括多址干擾、時鐘漂移等，但在室內(nèi)環(huán)境中對測距及定位的影響均小于上述4種誤差。

2 基于最小二乘的三邊定位算法

三邊定位算法是使用坐標(biāo)已知的基站與每一個基站到確定位置的標(biāo)簽的近似距離進行定位，根據(jù)三圓交匯原理求得交點處的標(biāo)簽的坐標(biāo)，如圖3所示。

在實際室內(nèi)定位應(yīng)用中，由于易受非視距傳播、多徑效應(yīng)等因素的影響，標(biāo)簽和基站間不可避免會有測距誤差，3個圓通常不會交于一點，而是交于一個區(qū)域。在這種情況下，可通過增加多余觀測，即增加基站的個數(shù)，來縮小圓相交的區(qū)域范圍，以提高定位精度[16]。

圖3 三邊定位法原理

聯(lián)立多個距離后，以矩陣方程形式進行表示，如式（3）所示。

3 實驗與結(jié)果分析

在有障礙物遮擋測距實驗時，通過固定基站與標(biāo)簽間的距離，更換不同遮擋物，探究不同障礙物對測距精度的影響。無障礙長廊測距時為了進一步總結(jié)出復(fù)雜環(huán)境對測距的影響，每次測距時記錄基站與標(biāo)簽之間區(qū)域的環(huán)境。進行動態(tài)定位實驗時將基站范圍布設(shè)為矩形，固定矩形的寬度，改變矩形的長度，探究不同距離及不同環(huán)境走廊對于定位精度影響。

實驗開始前將標(biāo)簽和基站靜置不少于2 min，等待信號穩(wěn)定后進行實驗；將標(biāo)簽通過數(shù)據(jù)線與電腦相連，設(shè)置采樣頻率為5 Hz；為減弱行人對信號的干擾，在測距、定位實驗中將基站高度固定為1.7 m。

3.1 多場景下UWB測距精度分析

3.1.1 不同遮擋物對UWB測距的影響

實驗場景如圖4所示，在支架上分別安置基站和標(biāo)簽，且2個支架高度相等，均為1.7 m。然后在有/無障礙物條件下將標(biāo)簽通過數(shù)據(jù)傳輸線與電腦相連，通過電腦連接的串口工具開始測距。

圖4 遮擋物測距實驗環(huán)境

實驗結(jié)果如圖5所示。不同材料對測距結(jié)果的影響有很大差異。在鐵門遮擋情況下，測距誤差要遠遠大于其他遮擋物引起的誤差，測距誤差約81 cm。墻體導(dǎo)致的測距誤差約為28 cm。而紙板、薄布對信號幾乎沒有阻擋作用，可忽略不計。由此可見，不同的遮擋物對測距誤差的影響不一。

圖5 不同遮擋物下UWB測距誤差

3.1.2 無障礙長廊場景下的UWB測距分析

選取60 m×2.4 m的一號無障礙長廊為實驗地點，如圖6所示。實驗區(qū)域與均質(zhì)化的實墻長廊不同，自東向西大致為：開敞電梯廳—實墻—小通高中庭—實墻—大通高中庭—會議室玻璃墻—消防樓梯間前廳—實墻，二側(cè)的空間界面存在豐富的變化。

圖6 長廊實驗環(huán)境

在長廊的一端對中整平支架，在支架上安置基站，此基站保持固定。另一支架上安置標(biāo)簽，依次安置在相距基站1.2、2.4、……、60 m距離處，每個位置測距3 min，記錄得到49組數(shù)據(jù)。

長廊測距實驗中測距誤差如圖7所示。其中，如圖7(a)所示，總體上，隨著距離的增加，測距誤差也逐漸增大。測距誤差波動較大處18和32.4 m分別對應(yīng)長廊中的2個通高中庭，并且由于32.4 m處中庭為玻璃構(gòu)造，導(dǎo)致測距誤差標(biāo)準(zhǔn)差較大。根據(jù)測量過程中的觀察及對數(shù)據(jù)的處理發(fā)現(xiàn)，長廊二側(cè)空間界面、墻體材質(zhì)、行人走動、房門的啟閉狀態(tài)等均會對測距結(jié)果產(chǎn)生不同程度的影響。

圖7 長廊測距誤差

選取距離為1.2、18、40.8、60 m的數(shù)據(jù)進行誤差分析，測距誤差標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.009、0.010、0.042、0.164，測距誤差波動如圖7（b）所示。隨著距離由近及遠，測距誤差波動變化逐漸變大，主要原因是長廊所導(dǎo)致的多徑效應(yīng)。

在無障礙長廊環(huán)境中，信號傳遞會受到由長廊二側(cè)界面空間形態(tài)引起的多徑效應(yīng)的影響。不同尺度的長廊二側(cè)空間界面變化所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)誤差區(qū)間不同，寬深比較小的空間變化所產(chǎn)生的誤差數(shù)值區(qū)間大于寬深比較大的空間變化所產(chǎn)生的誤差數(shù)值區(qū)間。

3.2 UWB動態(tài)定位實驗

3.2.1 在空曠位置處的定位實驗及分析

以11.4 m×6.2 m的空曠大廳作為實驗區(qū)域，選擇T1、T2、T3、T4四點架設(shè)基站形成矩形實驗區(qū)域進行動態(tài)定位實驗。為保證實驗效果，基站高度設(shè)置為1.7m，將標(biāo)簽高度設(shè)置為0.86 m。

將標(biāo)簽高度保持不變沿著T1→T2→T3→T4→T1方向移動進行定位實驗，采集2次數(shù)據(jù)，定位結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯觯瑒討B(tài)定位路線平滑且與真實路徑匹配度高，在無外界影響的情況下能達到厘米級定位。

圖8 動態(tài)定位結(jié)果

3.2.2 不同基站布設(shè)方式的動態(tài)定位實驗及分析

選取二號長廊作為實驗區(qū)域，將基站布設(shè)成矩形，寬度固定為1.2 m，長度布設(shè)為2.4、3.6、4.8、…、20.4 m，在基站范圍內(nèi)部沿直線=0.5 m勻速行走進行動態(tài)定位實驗，分析復(fù)雜構(gòu)造的走廊環(huán)境對定位精度的影響。為減弱基站布設(shè)邊界信號衰減對定位的影響，行走路徑起始與結(jié)束位置各距離基站邊界0.6m。

實驗結(jié)果如圖9所示，當(dāng)基站范圍覆蓋矩形寬度保持固定，長度逐漸增加至4.8 m時，動態(tài)軌跡逐漸偏離真實路徑，定位精度明顯下降。并且隨著長度的增加，基站覆蓋范圍附近出現(xiàn)門、窗物體，通過分析定位誤差數(shù)值發(fā)現(xiàn)，動態(tài)軌跡明顯向有門或窗的一側(cè)偏離，并且會對信號產(chǎn)生不同程度較為穩(wěn)定的干擾。在長度為19.2、20.4m的2次實驗中，加快了標(biāo)簽移動的速度，可以發(fā)現(xiàn)動態(tài)移動軌跡變得平緩；因此移動速度與定位精度也有一定的關(guān)聯(lián)。

圖9 動態(tài)定位軌跡

4 結(jié)束語

UWB技術(shù)具有功耗低、穿透性強、抗干擾能力強等特點，研究與應(yīng)用前景十分廣闊。通過多組實驗驗證了不同遮擋物會對UWB測距產(chǎn)生不同的影響，分析對比走廊測距誤差，得出了影響測距精度的若干因素。同時，還進行了復(fù)雜構(gòu)造環(huán)境下的走廊動態(tài)定位實驗。實驗數(shù)據(jù)表明，窗戶、鐵門等信號干擾物會對UWB信號產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的干擾，不同的移動速度也會產(chǎn)生不同的影響。在后續(xù)研究中，可將超寬帶技術(shù)與慣性導(dǎo)航進行結(jié)合優(yōu)化，通過建立測距的誤差傳遞模型對導(dǎo)航信息進行誤差校正，以進一步提高室內(nèi)測距及定位精度。

[1] 史雷冰, 郝建樓. UWB人員定位系統(tǒng)在火力發(fā)電廠的應(yīng)用[J]. 機電信息, 2020(36): 41-43, 45.

[2] 歐其勝, 楊桂華. 基于機器視覺的一種智能購物車[J]. 大眾科技, 2022, 24(2): 9-12.

[3] WANG Z, LI S, ZHANG Z, et al. Research on UWB positioning accuracy in warehouse environment[J]. Procedia Computer Science, 2018, 131: 946-951.

[4] LIANG X, LV T, ZHANG H, et al. Through-wall human being detection using UWB impulse radar[J]. EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, 2018, 2018(1): 1-17.

[5] 張琨, 王旭航, 周立群, 等. 超寬帶定位技術(shù)在火電廠輸煤系統(tǒng)應(yīng)用的試驗研究[J]. 電力科技與環(huán)保, 2020, 36(5): 54-58.

[6] 佚名. 超寬帶技術(shù)與接觸者追蹤應(yīng)用入門[J]. 中國集成電路, 2021, 30(3): 88-89.

[7] 肖曉晴. 基于UWB的移動物體室內(nèi)定位技術(shù)研究[D]. 蘇州大學(xué), 2019.

[8] 徐愛功, 閆可新, 高嵩, 等. 一種單目視覺里程計/UWB組合室內(nèi)定位方法[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報, 2021, 9(5): 82-88.

[9] 高思琪. 基于高精度定位的電廠主動安全系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 華北電力大學(xué), 2019.

[10] 李真真, 曾連蓀. 基于UWB的室內(nèi)定位關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 信息技術(shù), 2011, 35(11): 96-98.

[11] 薛塬. 面向復(fù)雜工業(yè)環(huán)境的室內(nèi)定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 北京交通大學(xué), 2019.

[12] 袁楓, 焦良葆, 陳楠, 等. 室內(nèi)定位中DS-TWR測距算法的優(yōu)化[J]. 計算機與現(xiàn)代化, 2021(10): 100-106.

[13] YE X, MA C, LIU W, et al. Robust real-time kinematic positioning method based on NLOS detection and multipath elimination in GNSS challenged environments[J]. Electronics Letters, 2020, 56(24): 1332-1335.

[14] 仰勝, 胡志剛, 趙齊樂, 等. 基于TOF模式的UWB定位原理與精度驗證[J]. 大地測量與地球動力學(xué), 2020, 40(3): 247-251.

[15] 呂鵬博, 張岳魁. 基于UWB的三維定位分析與算法研究[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù), 2022, 12(4): 4-8.

[16] 高莉, 楊雪苗. 一種改進的三邊定位算法[J]. 工礦自動化, 2020, 46(2): 78-81.

UWB ranging and positioning accuracy analysis in corridor scenario

WANG Teng, LI Yonghui, BI Jingxue, YIN Xinran, CAO Jingchun, LI Shiqing

（Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China）

In view of the current situation that the ultra wide band (UWB) positioning technology based on time of flight (TOF) is mostly used to conduct high-precision distance measurement and positioning evaluation in open or unshielded indoor scenes, there are few studies on object occlusion and corridor scenes. Double-sided two-way TOF ranging UWB was used to measure the distance in different obstacle occlusion and complex corridor scenes, and positioning experiments were carried out based on the least square three-side positioning algorithm to analyze the ranging and positioning errors in various scenes. The experimental results show that the influence degree of different shielding on UWB signal is different, and the influence of metal and wall on ranging is far greater than that of thin cloth and cardboard; the spatial interface on both sides of the barrier-free corridor, the wall material, the walking of pedestrians, the opening and closing state of the door, etc., will have different degrees of influence on the ranging results; the external environment near the base station will cause continuous interference to the positioning; the moving speed of the label also affects the positioning accuracy. It can provide reference for exploring the influencing factors of UWB ranging and positioning accuracy in object occlusion and corridor scenario.

UWB; indoor positioning; multi-scenario; time of flight (TOF); ranging accuracy; positioning accuracy

P228

A

2095-4999(2022)06-0173-06

王騰，李永輝，畢京學(xué)，等. 長廊場景下UWB測距和定位精度分析[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報, 2022, 10(6): 173-178.（WANG Teng, LI Yonghui, BI Jingxue, et al. UWB ranging and positioning accuracy analysis in corridor scenario[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2022, 10(6): 173-178.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20220623.

2022-07-05

國家自然科學(xué)基金項目（42001397）；國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（S202110430036）；山東建筑大學(xué)大學(xué)生開放實驗項目（2021yzkf161，2021wzkf229）。

王騰（2001—），男，山東泰安人，本科生，研究方向為室內(nèi)定位系統(tǒng)。

畢京學(xué)（1991—），男，山東濟南人，博士，講師，研究方向為室內(nèi)多源混合智能定位。