基于UWB的起點(diǎn)距定位方法

摘 要：在水文測(cè)驗(yàn)過程中，起點(diǎn)距定位的準(zhǔn)確性對(duì)流量測(cè)驗(yàn)精度至關(guān)重要。目前，常用的起點(diǎn)距定位方法在水文測(cè)驗(yàn)中存在諸多問題，如纜道計(jì)數(shù)器滑輪磨損影響精度、標(biāo)志索人工讀數(shù)誤差大等問題?；诖耍芯刻岢龌赨WB技術(shù)的起點(diǎn)距定位方法；UWB是使用超寬帶頻率帶寬的無(wú)線通信，主要特征是能夠?qū)崿F(xiàn)高精度定位，所開發(fā)的測(cè)驗(yàn)?zāi)K具有厘米級(jí)定位精度和幾百米的測(cè)距范圍。該項(xiàng)目研究成果在山路平、山里泉等水文站測(cè)試，測(cè)距精度符合水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范要求；在豐收渠、引丹渠等農(nóng)村河渠流量測(cè)驗(yàn)中試用，有效地提高了工作效率和測(cè)驗(yàn)精度。

關(guān)鍵詞：UWB；起點(diǎn)距；水文測(cè)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：S271；S29 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-7909（2025）3-155-4

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2025.03.032

0 引言

目前，在較多水利工程中，水文站使用無(wú)人吊箱進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)，然而在影響河流流量測(cè)驗(yàn)精度的諸多因素中，起點(diǎn)距誤差是水文測(cè)驗(yàn)的主要誤差來源之一。起點(diǎn)距定位不準(zhǔn)，測(cè)速垂線無(wú)法準(zhǔn)確定位，過水?dāng)嗝婷娣e達(dá)不能準(zhǔn)確計(jì)算，其將直接影響測(cè)流過程的精度。因此，準(zhǔn)確定位水文纜道起點(diǎn)距在水文測(cè)驗(yàn)中尤為重要。

水文測(cè)驗(yàn)起點(diǎn)距測(cè)量常用的方法是纜道起點(diǎn)距法，即在水文絞車處放置一個(gè)定滑輪，給定滑輪安裝一個(gè)同軸光電編碼器，用光電編碼器采集滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，反推循環(huán)索在滑輪上走過的距離，從而計(jì)算出起點(diǎn)距。該方法為間接的起點(diǎn)距計(jì)算方法，滑輪的磨損、編碼器的采集精度及主索、循環(huán)索的垂度變化等均會(huì)影響到測(cè)驗(yàn)最終的計(jì)算結(jié)果。另外，部分水文測(cè)驗(yàn)站使用的起點(diǎn)距標(biāo)志索、標(biāo)志牌位置難以調(diào)整，人工讀數(shù)存在誤差較大的問題。研究開發(fā)一種簡(jiǎn)單實(shí)用且可以直接測(cè)量起點(diǎn)距的方法，將在水文測(cè)驗(yàn)工作中有著更為廣泛的應(yīng)用意義和推廣價(jià)值。

1 技術(shù)路線

目前，在水文測(cè)驗(yàn)中，除纜道起點(diǎn)距法外，其他應(yīng)用于水文纜道起點(diǎn)距定位的常見方法有全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）、激光測(cè)距法、超聲波測(cè)距法等。將上述技術(shù)方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，具體見表1所示。

表1 不同起點(diǎn)距定位技術(shù)對(duì)比

[技術(shù)名稱 精度特征 測(cè)驗(yàn)局限性 GNSS 定位精度可達(dá)厘米級(jí) 接收機(jī)需接收到衛(wèi)星信號(hào)才可以準(zhǔn)確解算用戶位置，山區(qū)等復(fù)雜地形衛(wèi)星信號(hào)不佳無(wú)法使用。 激光測(cè)距法 測(cè)距精度可達(dá)毫米級(jí) 吊箱晃動(dòng)時(shí)無(wú)法瞄準(zhǔn)定位。 超聲波測(cè)距法 測(cè)距精度可達(dá)厘米級(jí) 信號(hào)衰減大，一般測(cè)距不超過200 m ]

由表1可知，GNSS、激光測(cè)距法、超聲波測(cè)距法的定位精度很高，但是水文站通常位置偏僻、測(cè)驗(yàn)工況復(fù)雜，各項(xiàng)技術(shù)方案在應(yīng)用的時(shí)候難以滿足全部的使用需求。經(jīng)項(xiàng)目組實(shí)地考察，提出了一種新的解決方法，即基于超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）的起點(diǎn)距定位技術(shù)。UWB技術(shù)是一種新型的無(wú)線通信技術(shù)，其具有厘米級(jí)的定位精度和幾百米的測(cè)距范圍，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)距，能有效解決目前水文纜道起點(diǎn)距定位中存在的問題，提高測(cè)距效率和精度［1］。

2 系統(tǒng)開發(fā)

2.1 UWB概述

UWB無(wú)線通信是使用超寬帶頻率帶寬的無(wú)線通信技術(shù)，其主要特征是能夠?qū)崿F(xiàn)高精度定位。近年來，UWB已普及至智能手機(jī)、高階汽車智能鑰匙等民用設(shè)備，預(yù)計(jì)其未來將在多個(gè)領(lǐng)域普及應(yīng)用。在UWB無(wú)線通信中，將寬度為2×10-9 s左右的脈沖信號(hào)作為數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，這種短持續(xù)時(shí)間脈沖具有高分辨率測(cè)距和定位的特性。

飛行時(shí)差測(cè)距（Time of Flight，TOF）/（Time of Arrival， TOA）通過記錄測(cè)距消息的收發(fā)時(shí)間戳來計(jì)算無(wú)線信號(hào)從發(fā)送設(shè)備到接收設(shè)備的傳播時(shí)間，乘以光速，然后得到設(shè)備間的距離。根據(jù)測(cè)距消息的傳輸方式不同，可分為單向測(cè)距和雙向測(cè)距。其中，單向測(cè)距的測(cè)距消息僅單向傳播，為獲得設(shè)備間的飛行時(shí)間需要雙方設(shè)備保持精確的時(shí)鐘同步，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和成本較高；而雙向測(cè)距對(duì)雙方設(shè)備的時(shí)鐘同步?jīng)]有要求，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和成本很低，因而在本項(xiàng)目中采用雙向測(cè)距技術(shù)方案。

雙向測(cè)距技術(shù)（Two-Way Ranging，TWR）方法需要設(shè)備間支持雙向通信，通過UWB信號(hào)收發(fā)時(shí)間戳計(jì)算UWB信號(hào)的往返時(shí)間然后乘光速?gòu)亩@得兩個(gè)設(shè)備間的實(shí)際距離信息［2］，具體詳見圖1所示。

其測(cè)距計(jì)算式如式（1）所示：

[D=C*（Tt-Tr）/2]" " " " （1）

式（1）中，D為兩設(shè)備間的距離，C為光速，Tt為發(fā)射端發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)時(shí)間差，Tr為接收端接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)時(shí)間差。

雙面雙向測(cè)距（DS-TWR）是基本單面雙向測(cè)距的擴(kuò)展，其中使用兩個(gè)往返時(shí)間測(cè)量并結(jié)合給出飛行時(shí)間結(jié)果，即使在相當(dāng)長(zhǎng)的響應(yīng)延遲情況下也能減少誤差，而且減少了因不同設(shè)備不同晶振振蕩偏移誤差造成的影響［3］，詳見圖2所示。

[Tporp=Tround1×Tround2-Treply11×Treply1Tround1+Tround2+Treply11+Treply1]" " "（2）

計(jì)算得出飛行時(shí)間Tprop（TOF）后，乘以光速常量，得到距離值結(jié)果，完成整個(gè)TWR測(cè)距過程。

2.2 芯片特性

UWB定位芯片采用DecaWave公司的DW1000，用23 mm×13 mm×2.9 mm規(guī)格的24針側(cè)邊城堡形（side castellation package）封裝，是一款符合IEEE 802.15.4-2011超寬帶（UWB）標(biāo)準(zhǔn)的完全集成的低功耗單芯片CMOS無(wú)線電收發(fā)器IC［4］。DW1000由一個(gè)包含接收器、發(fā)送器的模擬前端（包括RF和基帶）和一個(gè)連接到主處理器的數(shù)字后端組成，控制模擬前端，從主處理器接收數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，并提供通過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口接收數(shù)據(jù)到主機(jī)處理器，實(shí)施各種控制方案維持和優(yōu)化收發(fā)器性能。

2.3 主程序工作流程

主程序位于Src/application/dw_main.c，主要完成設(shè)備參數(shù)初始化和按撥碼開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行基站或標(biāo)簽狀態(tài)機(jī)運(yùn)行，最后進(jìn)行串口數(shù)據(jù)打包發(fā)送。嵌入式軟件將基站和標(biāo)簽維護(hù)在同一套工程內(nèi)，通過上電讀取撥碼開關(guān)來判斷執(zhí)行相應(yīng)的角色，大大減小了系統(tǒng)維護(hù)的復(fù)雜度，僅需一套程序可以適配所有的基站和標(biāo)簽?zāi)K。主程序工作流程詳見圖3所示。

2.4 開發(fā)模塊性能

項(xiàng)目組完成模塊開發(fā)封裝后命名為L(zhǎng)D-600，模塊尺寸60 mm×60 mm×20 mm（不含天線長(zhǎng)度），天線長(zhǎng)度為80 mm，可以通過撥碼開關(guān)選擇作為Anchor（基站）或者作為Tag（移動(dòng)站）使用，每一次測(cè)距周期約28×10-6 s。該設(shè)備在不使用外接電源的情況下，續(xù)航時(shí)長(zhǎng)超過7 h，重25 g，其尺寸詳見圖4所示。

其模塊外部接口如圖5所示，模塊內(nèi)部接口如圖6所示。

3 使用情況

3.1 在水文站的測(cè)試

系統(tǒng)開發(fā)完成后，項(xiàng)目組在山路平、山里泉等水文站進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試以全站儀測(cè)距為基準(zhǔn)值，Anchor（基站）放置在全站儀對(duì)中點(diǎn)，移動(dòng)站（Tag）固定在吊箱上，吊箱前進(jìn)或后退時(shí)運(yùn)行。

依據(jù)表2中數(shù)據(jù)，在山路平水文站進(jìn)行數(shù)據(jù)比測(cè)。其中，100 m以下數(shù)據(jù)在吊箱上進(jìn)行比測(cè)；由于山路平水文站吊箱跨度為108 m，故100 m以上數(shù)據(jù)在空曠道路上比測(cè)。從數(shù)據(jù)分析可知，UWB測(cè)距技術(shù)精度極高，所測(cè)數(shù)據(jù)與全站儀相比最大誤差為0.12 m，大部分?jǐn)?shù)據(jù)誤差在0.1 m以內(nèi)，且不會(huì)因?yàn)榫嚯x的增加使誤差累積增大。根據(jù)《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179—2015）中規(guī)定，起點(diǎn)距比測(cè)應(yīng)不少于30個(gè)數(shù)據(jù)，并均勻分布于河流流量全斷面，垂線的定位誤差不得超過河寬的0.5%，絕對(duì)誤差不得超過1 m；本項(xiàng)目開發(fā)的LD-600型UWB測(cè)距模塊測(cè)距精度符合規(guī)范要求［5］。

3.2 在農(nóng)村河渠測(cè)流中的應(yīng)用

項(xiàng)目開發(fā)完成后，在山路平水文站附近豐收渠、引丹渠進(jìn)行了試用。豐收渠位于河南省沁陽(yáng)市北部，東起常平鄉(xiāng)丹河峽谷中，西到西萬(wàn)鎮(zhèn)和西向鎮(zhèn)的交界處，全長(zhǎng)約30 km。該渠修建于20世紀(jì)70年代初，為解決沁北沿太行山一線缺水少地問題而建設(shè)的大型水利工程，承擔(dān)著當(dāng)時(shí)沿豐收渠三個(gè)鄉(xiāng)的土地灌溉、人畜引水等重任。引丹渠為丹河左岸的引水工程，為博愛縣谷洞峪附近的村莊提供土地灌溉用水。山路平水文站使用本項(xiàng)目開發(fā)的LD-600型UWB測(cè)距模塊在豐收渠、引丹渠流量測(cè)驗(yàn)時(shí)能夠準(zhǔn)確測(cè)量起點(diǎn)距，減小了項(xiàng)目開發(fā)前人工拉卷尺測(cè)量所引起的起點(diǎn)距誤差。在實(shí)際測(cè)驗(yàn)中，渠道流量計(jì)算為斷面寬、水深之積求得的部分過水?dāng)嗝婷娣e乘以垂線流速，各部分流量之和求得渠道總流量，該技術(shù)的運(yùn)用使起點(diǎn)距誤差減小，提高了渠道流量計(jì)算的精度。

豐收渠、引丹渠等農(nóng)村灌溉渠道使用LD-600型UWB測(cè)距模塊，不僅提高了河渠流量測(cè)量的準(zhǔn)確性，而且加強(qiáng)了沁陽(yáng)、博愛兩市縣丹河沿岸農(nóng)村引水地區(qū)水資源的管理能力，為沿線鄉(xiāng)鎮(zhèn)合理分配水資源提供了依據(jù)，確保各地區(qū)用水需求得到合理滿足，避免因水資源分配不均引發(fā)的矛盾，達(dá)到了助力精準(zhǔn)灌溉、保障用水安全的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于UWB技術(shù)開發(fā)新型水文測(cè)驗(yàn)起點(diǎn)距定位設(shè)備，測(cè)試發(fā)現(xiàn)該方法具有精度高、實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，測(cè)距范圍高達(dá)600 m，且不會(huì)隨著距離增加誤差累積增大，能夠滿足水文測(cè)驗(yàn)起點(diǎn)距定位的需求。在基于纜道的MRV自行走雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)起點(diǎn)距定位、水文吊船起點(diǎn)距定位、測(cè)橋SVR電波流速儀起點(diǎn)距定位等水文站測(cè)驗(yàn)工作中，將LD-600 Tag（移動(dòng)站）固定在測(cè)驗(yàn)儀器上或由測(cè)驗(yàn)員攜帶進(jìn)行定位，均能減少人工讀數(shù)誤差和纜索伸縮、垂度改變等因素造成的影響；其在水文調(diào)查、應(yīng)急監(jiān)測(cè)、農(nóng)村河渠流量測(cè)驗(yàn)中能發(fā)揮較好的作用。

參考文獻(xiàn)：

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Starting Distance Location Method Based on UWB

DU Minggang DUAN Ziheng

Hydrology and Water Resources Survey Bureau， Xiaolangdi Reservoir Area， Yellow River Conservancy Commission， Jiyuan" 459000， China

Abstract： In hydrology tests， the accuracy of starting distance location is crucial to the accuracy of flow test. At present， there are many problems in the common starting distance positioning methods， such as the fact that wear of the cable counter pulley affects the accuracy， and the manual reading error of the marker cable is large. In this paper， a starting distance positioning method based on UWB technology is proposed. UWB is a wireless communication using ultra-wideband frequency bandwidth， and its main feature is that it can realize high-precision positioning. The developed module has centimeter-level positioning accuracy and a range of several hundred meters. The results of the project have been tested in the hydrographic stations such as Shandaoping and Shanchun， and the ranging accuracy is in line with the standard requirements. The experiment was conducted in the flow measurement of Fengshou Canal and Yindan Canal in rural areas， and the work efficiency and test accuracy were effectively improved.

Key words： UWB; starting distance; hydrology tests

（欄目編輯：胡海峰）