基于UWB的高精度定位

基于UWB的室内高精度定位系统

1. UWB定位简介

超宽带（Ultra Wide-Band，UWB）是一种新型的无线通信技术，根据美国联邦通信委员会的规范，UWB的工作频带为3.1~10.6GHz，系统-10dB带宽与系统中心频率之比大于20%或系统带宽至少为500MHz。UWB信号的发生可通过发射时间极短（如2ns）的窄脉冲（如二次高斯脉冲）通过微分或混频等上变频方式调制到UWB工作频段实现。目前，包括美国，日本，加拿大等在内的国家都在研究这项技术，在无线室内定位领域具有良好的前景。

UWB 技术是一种传输速率高（最高可达 1000Mbps 以上），収射功率较低，穿透能力较强并且是基于极窄脉冲的无线技术，无载波。正是这些优点，使它在室内定位领域得到了较为精确的结果。超宽带室内定位技术常采用 TOF或TDOA 等测距定位算法。

超宽带可用于室内精确定位，可用于工厂、家居、司法监狱等场景。超宽带系统与传统的窄带系统相比，具有穿透力强、功耗低、 抗干扰效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。因此，超宽带技术可以应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航，且能提供十分精确的定位精度，精度一般可达0.3m左右。

1. UWB定位系统组成及定位原理
   1. 定位系统
      1. 定位系统组成

定位系统组成示意图见上图。

典型的定位系统构成成：基站、标签、定位引擎、显示终端

基站：基站通过UWB信号和定位标签进行通信，实现标签的定位功能

标签：待定位的人员、资产上须佩戴室内定位标签。标签发射UWB信号，与基站相互通信，使标签自身被定位。

定位引擎：环境中的基站实时通过网络原始数据发送给定位引擎 (可能位于本地服务器或云端)。定位引擎运行定位算法，实时计算出带定位标签的坐标位置。

显示终端：定位引擎计算出的标签坐标，要在显示终端上呈现。终端可能是PC、平板电脑、手机等任意有浏览器的屏幕。

授时设备：多区域混合定位情况下，无线同步设备的引入，可以从全局规划标签时隙分配，避免冲撞，提高测距稳定性、保障定位可用性和精度。

定位算法：支持TDOA\TOF\TDOA及TOF混合定位,支持融合GNSS及惯导技术。

定位精度：优于0.3m

1. 1. 1. 设备规格
         1. 定位基站

  

室内型                                                                                                    室外/工业型

产品名称	室内型、室外防水型定位基站
产品型号	IWS-TNC-NGR-01; IWS-TNC-NGR-02
工作频段	3.1GHz—7.0GHz
供电方式	POE或DC9-17V
安全性能	防浪涌，抗电磁干扰，室外防水IP67
工作温度	-40℃~85℃
存储温度	-45℃~85℃
工作湿度	小于85%
功耗	≤5W
作用范围	单基站覆盖范围为30~150m
尺寸	室外型：224mm×224mm×107mm 室内型：200*200*50mm

1. 1. 1. 1. 定位标签

   

人员胸卡型                                       车载警灯型                                      资产标签型

产品名称	UWB定位标签
型号	胸卡型：UWB_TagCard_01 车载型：UWB_TagVehicle_01 资产型：UWB_Asset_01
工作频段	超宽带3.1GHz—7.0GHz
供电方式	可充电锂电池
工作温度	-20℃~55℃
存储温度	-20℃~60℃
工作湿度	小于85%
覆盖范围	胸卡型：＞50m 车载型：＞100m 资产型：＞100m
续航能力	1个月(1Hz刷新频率)
固定方式	胸卡型：悬挂式 车载型：吸盘式
尺寸	胸卡型：57mm×37mm×14mm 车载型：φ13*11cm 资产型：80mm×75mm×45mm

1. 1. 1. 1. 无线授时设备

产品名称	无线授时设备
产品型号	IWS-OTH-CLK-01
工作频段	GPS(1575MHz±1.023MHz)     BD(1561.098±2.046MHz)；     LoRa：470-510MHz（可定制）
供电方式	POE或DC9-17V
安全性能	防浪涌，抗电磁干扰
工作温度	-40℃~85℃
存储温度	-45℃~85℃
工作湿度	小于85%
功耗	≤5W
授时精度	优于1us
覆盖范围	＞2Km
防护等级	防护等级 IP67
尺寸	224mm×224mm×107mm

1. 1. 定位原理

无线定位测量方法是指分析接收到的无线电波信号的特征参数，然后根据特定算法计算被测对象的位置（二维/三维坐标： 经度，纬度，高度）。

常用的室内无线定位测量方法如下：

基于AOA（Angle of Arriva, 到达角度定位）的定位算法基于TOA（Time of Arriva, 到达时间定位）的定位算法基于TDOA（Time Difference of Arriva, 到达时间差定位）的定位算法基于RSS（Received Signal Strength, 接收信号强度定位）的定位算法混合定位不同的算法，定位的精度也不同。为了提高定位的精度，也可以采用多种技术的组合。

基于AOA的定位算法

AOA定位是通过基站天线或天线阵列测出终端发射电波的入射角（入射角是光源与法线的夹角），从而构成一根从接收机到终端的径向连线，即方位线。利用两个或两个以上AP接入点提供的AOA测量值，按AOA定位算法确定多条方位线的交点，即，为待定终端的估计位置。

AOA定位测量方法

基于TOA的定位算法

TOA技术是指由基站向移动站发出特定的测距命令或指令信号，并要求终端对该指令进行响应。基站会纪录下由发出测距指令到收到终端确认信号所花费的时间，该时间主要由射频信号在环路上的传播时延、终端的响应时延和处理时延、基站的处理时延组成。如果能够准确地得到终端和基站的响应和处理时延，就可以算出射频信号的环路传播时延。因为无线电波在空气中以光速传播，所以基站与终端之间的距离可以估算出来。当有三个基站参与测量时，就可以根据三角定位法来确定终端所在的区域。

TOA定位测量方法

基于TDOA的定位算法

TDOA定位算法是一种利用时间差进行定位的方法，通过测量信号达到基站的时间，可以确定信号源的距离，利用信号源到多个无线电监测站的距离（以无线电基站为中心，距离为半径作园），就能确定信号的位置。通过比较信号到达多个基站的时间差，就能做出以检测站为焦点、距离差为长轴的双曲线的交点，该交点即为信号的位置。

TDOA定位测量方法

TDOA是基于多站点的定位算法，因此要对信号进行定位必须有至少3个以上的监测站进行同时测量。而每个监测站的组成则相对比较简单，主要包括接收机、天线和时间同步模块。理论上现有的监测站只要具有时间同步模块就能升级为TDOA监测站，而不需要复杂的技术改造。

目前，混合定位技术是UWB定位研究领域中的新趋势，具有广大的发展前景。我司在工厂改造中使用的定位算法为TOA+TDOA混合定位算法，兼顾标签容量和定位精度。

1. UWB定位特点及优势
   1. 不同定位方式对比

无线定位技术领域可分为广域定位和短距离无线定位，广域定位可分为卫星定位和移动定位；短距离定位主要包括WLAN、RFID、UWB、蓝牙、超声波等。当前应用的主要无线定位技术与无线定位测量方法的关联状况如下图：

与室外环境相比，在室内环境中感测位置信息并且需要非常可观的精度是极具挑战性的，部分原因是各种物体反射和信号的分散导致。而UWB（Ultra WideBand）是室内定位领域的一项新兴技术，与其他定位技术相比，它具有更好的性能，更高精度，更适用于室内定位。

下图是UWB与其他常用室内定位技术之间的比较。

常用室内定位技术之间比较

1. 1. UWB定位优势

（1）抗多径能力强，定位精度高：带宽决定了信号在多径环境下的距离分辨能力（成正比关系）。UWB的带宽很宽，多径分辨能力强，能够分辨并剔除大部分多径干扰信号的影响，得到精度很高的定位结果。UWB可以在距离分辨能力上高于其他传统系统，复杂环境下其精度甚至可以达到Wi-Fi、蓝牙等传统系统的百倍以上。

（2）定位精度高：超宽带脉冲信号的带宽在纳秒级，时间戳精度高，由定时来计算位置时，引入的误差通常小于几厘米。

（3）电磁兼容性强：UWB 的发射功率低，信号带宽宽，能够很好地隐蔽在其它类型信号和环境噪声之中，传统的接收机无法识别和接收，必须采用与发射端一致的扩频码脉冲序列才能进行解调，所以不会对其他通信业务造成干扰，同时也能够避免其他通信设备对其造成干扰。

（4）能效较高：UWB具有500MHz以上的射频带宽，能够提供极大的扩频增益，使得UWB通信系统能效较高。这意味着对于电池供电设备，系统的工作时间可以大大延长，或是同样发射功率限制下，覆盖范围比传统技术大得多。云酷科技的定位标签一次充电理论可达将近三个月的使用时间，根据现场实际情况，定位基站的部署在35米至70米左右部署一个，远低于蓝牙等定位技术对基站部署的要求。

1. UWB定位应用

1.智慧工厂领域

  

在信息化技术和自动化技术迅速发展的今天，大型工厂企业的信息化统一管理、自动化生产的持续进行以及利用物联网技术预知、防范、杜绝安全事故的发生是趋势所向。同时，通过对各类安全事故案例分析，大多存在人为因素。因此，管控住人的“不安全行为”是一切安全管理工作的基础，尤其是化工、电力等安全隐患较大的行业，对于人员的精准定位和管理是重中之重。UWB技术可以很好的为工厂生产提供高精度的、智能的、可靠的技术支持。对人员和物资的精准定位将是智慧工厂的首要前提。目前工厂人员定位系统在国外的一些先进制造业、化工、炼化等领域都得到了很好的应用，大大提高了现场作业的安全环境，并且极大程度地降低管理成本，对于中国的工业4.0而言，UWB技术将无疑发挥中流砥柱的作用。

2.智能家居

  

现在社会，智能家居的概念已经深入人心。相较于通过移动终端对家里的冰箱、洗衣机、空调、热水器进行远程控制的初级智能家居，UWB技术可以对室内的所有家居进行定位，从而可以形成室内家居布局图，这样的话，主人可以更加精准的对家居位置进行实时掌握，并且做出合理的调整，使得室内更加有序、条理、居住舒适。而且在寻找物品位置时更为便利。

3.司法监狱

  

监狱本身的作用就是约束犯人，但是即便是有众多的监狱管理人员，也是无法做到对监狱中每一个罪犯的位置做到实时掌握，这很容易发生监狱系统的管理疏漏。而UWB很容易解决人员定位的问题，在监狱中只需要对必要的位置安装一定量的基站设备，在给每一个人员配发用于定位的标签，这样管理人员就可以通过终端的定位管理系统轻松实时掌握每个人员的位置，从而提高了司法监狱的管理效力。

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