UWB室内定位技术研究

黄鹤

摘要：本文以超宽带（UWB）技术进行室内定位的研究，介绍了室内定位的几种技术，及利用UWB室内定位的方法，并进行了实验。

关键词：室内定位；UWB无线通信系统；基于到达时间差的双曲线定位算法；指纹法

中图分类号：TN925 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）07-0125-02

随着当今社会经济的发展，除了在室外能过获得自己或他人的位置外，获取在室内的精确位置信息也成了人们追求的目标。在室外定位中，GPS定位已趋向成熟，但室内定位仍处于尚未成熟阶段。室内定位技术在矿井中定位井下人员位置、火灾中确定被困人员方位、室内商场中定位老人儿童位置、仓库中定位商品等场合中均有重要作用。

1 无线室内定位技术分析与比较

目前的室内定位技术主要有：红外线室内定位技术、超声波室内定位技术、蓝牙室内定位技术、射频指纹技术、超宽带技术、Wi-Fi技术和ZigBee技术。

红外线室内定位因光线不能穿透障碍物，当障碍物遮挡时，定位效果便很差，只能短距离定位。超声波室内定位技术是由一个主测距器和几个应答器组成，定位精度较高，但易受多径效应和障碍物的干扰，且设备成本高。蓝牙定位的优点是其设备的体积小，易于集成，定位时不受视距的影响，缺点是设备造价昂贵，抗噪能力差，稳定性不高。射频指纹定位技术是利用射频的方式来进行传输数据达到定位的目的。其可以速获得定位精度信息，且成本低、体积小。但是因为它的作用距离近，不具有通信能力，而且难以与其他系统相融。Wi-Fi室内定位技术可以实现大范围的复杂的室内定位，易于安装，需要基站的数量少，系统的总精度高，但容易受到别的信号的干扰，且定位器的能耗较高。本文利用超宽带技术进行室内定位。

2 UWB室內定位装置

本课题使用的UWB定位系统包括了交换机、基站接收机和标签三部分硬件。

基站采用的是工作频段为5-6GH的UWB室内型微基站，其解算频率、扫描频率均可控，扫描半径约为30米。UWB设备采用短脉冲监听器测量短脉冲到达时间，可以精确至ns。

标签采用的是普通型卡片式标签，其工作频段由基站决定，可自定义每秒发送的UWB脉冲数据包次数，范围是10～100次/秒。每个标签发送UWB脉冲数据包所需的时间极短，各标签的数据包几乎不会发生碰撞，当一个范围内存在多个标签时不会影响各自的定位。

3 UWB室内定位算法

本文采用了双向测距的方法来获取标签与基站之间的距离。由于标签与基站之间时间不同步，因此利用标签发出信号与收到反馈信号之间的时间差，加之发送的速度为电磁波的转播速度，可以获得基站与标签之间的距离。主要采用的是TDOA双曲线定位算法。假设为标签的坐标，为基站的坐标，为标签和基站之间的距离，则、、之间满足如下关系：

在确定基站的分组后，每次定位至少需要三个及以上的不在同一直线的基站来确定标签坐标。

实验地点为华东师范大学信息学院一楼大厅，共安装8个基站，并分为前后左右共四组，每组四个基站。通过多次先验实验可知，应用双曲定位算法解算的标签坐标在前厅和左通道定位效果好，发现右通道和后厅存在较多的跳跃点，误差大，因此考虑在右通道和后厅利用指纹法消除误差。将右通道和后厅划分成若干细密的网格，每个网络的边长小于1米，通过多次实验采集每个网格点实际定位出的坐标取平均，贮存于数据库中，在后续定位过程中将判定为跳跃点的坐标在数据库中查找对应坐标，作为模糊定位坐标，可以有效的消除误差。

4 UWB组合定位与实验

本文采用了UWB室内定位装置，利用TDOA双曲定位算法进行标签坐标的解算，并在实验场地的后厅和右通道利用了指纹法消除误差。其中，双曲定位算法是利用了三个以上基站到标签的距离，通过双曲线方程来解算出标签坐标，并根据时间判断与前几个解算出的坐标点之间的距离，判断是否为跳跃点，若是跳跃点，则判断为哪个区域的跳跃点，并调用相应的指纹库与此坐标比对，进行误差的校正。首先判断是否有三个以上的基站获取到标签数据，若只有两个以下的标签获得这个时刻的标签数据，则放弃这组的数据，重新进行读取。读取数据成功后，利用双曲定位算法进行标签坐标的解算，之后判定是否为跳跃点，若不为跳跃点则直接显示，若为跳跃点则利用指纹库进行比对，再进行坐标的显示。多次实验室据可得，前厅的定位的精度为0.71米，左通道的定位精度为0.65米，右通道的定位精度为1.24米，后厅的定位精度为0.86米，总精度为0.83米。

图1基站分布图、右通道指纹法、后厅指纹法示意图指纹法消除误差和基于UWB的定位实现实例。

5 结语

超宽带（UWB）室内定位技术因其具有功耗低、隐蔽性好、精确度高、系统简单、截获率小等优点在国内引起重视，具有很好的发展前景。本文以超宽带（UWB）技术进行室内定位的研究，介绍了室内定位的几种技术，及利用UWB室内定位的方法，并在华东师范大学信息学院一楼大厅进行了实验，平均定位精度为0.83米。

参考文献

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