室内UWB通信高精度定位系统设计

顾慧东 焦良葆 周健

摘要：面对生活中对高精度室内定位需求，采用DecaWave公司的DWMIOOO芯片，设计一种基于UWB的测距与定位系统。该软件系统利用双边测距（TWR）机制避免了基站之间的时钟同步，精确计算出标签和基站间的距离，同时根据飞行时间（TOF）定位算法解超限定方程组求得标签的坐标位置。实测结果表明，利用该系统静止標签的测距误差不超过15cm，移动标签测距误差不超过30cm，同时在信号非视距传播情况下的表现也较稳定，能够满足大部分场景下的室内定位需求。

关键词：室内定位;超宽带;双边测距;实时定位系统

DOI：10. 11907/rjdk.191704

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

中图分类号：TP319

文献标识码：A

文章编号：1672-7800（2020）004-0159-05

Indoor High-precision Positioning System Design Based on UWB

GU Hui-dong， JIAO Liang-ba02. ZHOU Jian

（I.College of Telecommunication Engineering ， Nanjing Univer.sity of Posts and Telecomm unications ， lVanjing 2 1 0003 ， China ;

2. College of Telecomm unication Engineering ， lVanjing In.stitute of Technology ， lVanjing 211100 . China ）

Abstract： This paper adopts DWMlOOO chip of DecaWave company to design a UWB-based ranging and positioning systeru forhigh-precision indoor positioning in daily life. In this sy stem， the clock synchronization between the base stations is eff'ectively avoidedby u sing the bilateral ranging （ TWR ） mechanism . and the distance between the tag and the base station is accurately calculated. Mean-while. the coordinate position of the tag is obtained hy solving the over-limit equations according to the time of flight （TOF） position-ing algorithm. Through the field measurement. it can be found that the ranging error of the static tag of the systeru does not exceed15cm. and the ranging error of' the mohile tag does not exceed 30cm. At the same time， the performance of the signal in the case ofnon-line-of：sight propagation is also relatively stable . which can meet the requirements of' most scenes for indoor positioning system.Key Words ： indoor positioning; ultra-wideband; TWR; real-time positioning system

O 引言

在无线通讯技术极速发展和打造智慧城市的大背景下，人们对于小范围区域内基于位置的服务也越来越关注。医院、隧道、变电站等GPS信号弱的环境中都需要一种精确的位置服务代替GPS，以满足各种位置需求，如人员定位、车辆精准停车以及危险区域提前预警等…。目前，国内外室内定位需求普遍要求精度达到厘米级。相较于空旷的室外环境，室内环境更为复杂，干扰因素也更多，因此要求定位技术方案的鲁棒性要强[2]。

现在小区域内定位方式主要为RSSI（ Received SignalStrength Indication）和TOF（ Time Of Flight），它们都需要在区域内固定一些通讯节点，超声波、射频信号、红外线、蓝牙、UWB（ ultra-wideband）等无线讯号是节点间主要通讯手段[3]。其中，红外与超声波受视距通讯的影响，其应用场景有限，蓝牙与WiFi等通讯单位时间内功率损耗高，且定位误差较大[4]。而UWB技术相较于其它传统通讯方式，所有优点基本都有，如穿透性强、功耗低、抗噪声能力强[5]。同时，UWB拥有较好的时间分辨率且对抵抗多路径有较强能力[6]

为了更好地加以描述，定义室内无线定位中存在的两类节点：①参考节点（基站），在定位区域中已知白己坐标位置的节点;②非参考节点（标签），在定位区域中未知，但可以获得与区域内参考节点的相对距离，通过定位算法获得同参考节点的相对位置坐标。

现阶段，国内外对基于UWB的室内定位技术研究主要集中在测距定位等算法的研究与改良上，而系统设计及软件具体实现则鲜有涉及。

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（责任编辑：孙娟）

收稿日期：2019-05-26

作者简介：顾慧东（1994-），男，南京邮电大学通信工程学院硕士研究生，研究方向为室内定位;焦良葆（1972-），男，博士，南京工程学

院通信工程学院教授、硕士生导师，研究方向为室内定位;周健（1963-），男，硕士，南京邮电大学通信工程学院副研究员、硕

士生导师，研究方向为信号处理。本文通讯作者：顾慧东。