UWB定位技術(shù)在電磁波實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

楊德強(qiáng)，潘 錦，陳 波，王志敏

(電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 611731)

不斷改革工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)課的開設(shè)方式，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)更貼近工程實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，一直是教學(xué)工作者努力的方向[1-8]。近年來，隨著GPS定位的普及，利用無線定位技術(shù)開展實(shí)驗(yàn)受到重視[9-11]。為彌補(bǔ)GPS不能用于室內(nèi)定位的缺點(diǎn)，許多無線定位技術(shù)(如RFID、WIFI等)得到發(fā)展，這些技術(shù)解決了室內(nèi)定位的盲區(qū)問題，但定位精度(約2 m)仍不能滿足需求[12-13]。直到超寬帶(UWB)定位技術(shù)的出現(xiàn)，其定位精度可達(dá)0.1m以內(nèi)，使室內(nèi)定位技術(shù)發(fā)生了質(zhì)的飛躍[14-15]，也使高校的無線定位實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，而且實(shí)驗(yàn)可以分成多個(gè)小組同時(shí)展開。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括一個(gè)UWB無線定位系統(tǒng)，其中包括至少3個(gè)位置固定的參考節(jié)點(diǎn)，以及數(shù)個(gè)可移動(dòng)的被測(cè)節(jié)點(diǎn)。被測(cè)節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)的控制下輪流發(fā)出UWB信號(hào)，由參考節(jié)點(diǎn)接收。系統(tǒng)通過到達(dá)時(shí)間差(time difference of arrival，TDOA)定位算法獲得被測(cè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。

1.1 TDOA定位原理

TDOA定位算法是通過測(cè)量同一UWB信號(hào)到達(dá)不同參考節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差，并利用時(shí)間差決定的雙曲線交點(diǎn)來定位。TDOA算法對(duì)參考節(jié)點(diǎn)與被測(cè)節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間同步要求并不嚴(yán)格，只需要保持參考節(jié)點(diǎn)之間同步，這就使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，直接降低了UWB定位系統(tǒng)的成本。

當(dāng)參考節(jié)點(diǎn)通過共同的高精度時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)同步，就可以通過直接測(cè)量和估計(jì)節(jié)點(diǎn)間的電磁波傳播時(shí)間實(shí)現(xiàn)測(cè)距的目的(見圖1)。當(dāng)被測(cè)節(jié)點(diǎn)處于某一位置并發(fā)射脈沖信號(hào)時(shí)，由于與各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的距離不同，脈沖信號(hào)到達(dá)不同參考節(jié)點(diǎn)的脈沖波形在時(shí)間軸上就會(huì)產(chǎn)生差異，用公式可計(jì)算出這個(gè)距離差：

d=(t0-t1)×c

式中，d為距離差，c為光速。

圖1 到達(dá)時(shí)間差測(cè)距原理示意圖

如果有3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，則平面上2個(gè)TDOA決定2條雙曲線，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位于雙曲線的交點(diǎn)。如圖2所示，參考節(jié)點(diǎn)Reader1和Reader2決定的雙曲線為1，Reader1和Reader3決定的雙曲線為2，則移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置Tag(x，y)位于2條雙曲線的交點(diǎn)，即用3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的二維平面定位。

圖2 TDOA平面定位原理

根據(jù)到達(dá)時(shí)間差獲得的TDOA方程為：

(1)

(2)

式(1)和式(2)聯(lián)立求解，可獲得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。理論上講，采用TDOA方式，3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)可以確定二維平面內(nèi)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置，4個(gè)參考節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)三維立體定位，更多的參考節(jié)點(diǎn)則可通過算法進(jìn)一步提高定位精度。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室布置一個(gè)最小的UWB定位系統(tǒng)，如圖3所示。系統(tǒng)包含1個(gè)同步控制器和3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)(Reader)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室大小，建設(shè)一個(gè)多臺(tái)計(jì)算機(jī)構(gòu)成的局域網(wǎng)，其中教師電腦與定位服務(wù)器可以共用。每組學(xué)生配備一臺(tái)電腦和一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(Tag)。定位系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)對(duì)各實(shí)驗(yàn)組的Tag進(jìn)行定位(如1次/s)，并將各組Tag的定位數(shù)據(jù)單獨(dú)發(fā)送到該組的學(xué)生電腦。

圖3 實(shí)驗(yàn)室布局設(shè)計(jì)框圖

對(duì)于每組學(xué)生而言，定位系統(tǒng)都在單獨(dú)為本組工作，該組的Tag在實(shí)驗(yàn)桌上的移動(dòng)，借助軟件算法，就可以在這一組的每個(gè)學(xué)生電腦中以數(shù)據(jù)和圖像表現(xiàn)出來。UWB無線定位系統(tǒng)可以開展以下幾類學(xué)生實(shí)驗(yàn)：

(1) 通過編程實(shí)踐定位算法，驗(yàn)證算法的定位精度，實(shí)現(xiàn)類似GPS定位的工程應(yīng)用實(shí)驗(yàn)；

(2) 通過接收的基站數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)測(cè)角測(cè)距等實(shí)驗(yàn)；

(3) 通過改變電磁波到達(dá)基站的路徑和方式，開展電磁波傳播特性實(shí)驗(yàn)，例如電磁波透射實(shí)驗(yàn)。

2 電磁波透射實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

利用UWB信號(hào)進(jìn)行定位實(shí)驗(yàn)，離不開電磁波的收發(fā)與傳播，在電磁波傳播路徑上，設(shè)置一些實(shí)驗(yàn)裝置，可以進(jìn)行電磁波透射實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的目的是模擬UWB無線定位系統(tǒng)在室內(nèi)工作時(shí)，電磁波穿透墻壁產(chǎn)生衰減和時(shí)間延遲的情況，了解電磁波在媒質(zhì)中的傳播特性，分析這一現(xiàn)象對(duì)定位精度產(chǎn)生的影響，通過算法彌補(bǔ)和改進(jìn)電磁波穿墻定位的精度。

為了實(shí)驗(yàn)電磁波在媒質(zhì)中的傳播特性，專門設(shè)計(jì)了一些厚度為10～20cm的媒質(zhì)材料板(如聚四氟乙烯板、聚丙烯板、厚紙板、木質(zhì)層板等)，用來阻擋電磁波從Tag向某一個(gè)方向Reader的傳播。這些媒質(zhì)材料板的形狀為半圓弧形或立方體形均可，寬度和高度均為20cm(見圖4)。

圖4 電磁波透射實(shí)驗(yàn)原理

在圖4中，實(shí)驗(yàn)時(shí)用圓弧形的媒質(zhì)1阻擋電磁波傳到Reader1方向，電磁波將穿過媒質(zhì)1。由于媒質(zhì)的介電常數(shù)大于空氣，電磁波傳播速度將變慢，傳輸時(shí)間延長(zhǎng)，則按照原來的公式計(jì)算的目標(biāo)位置與實(shí)際位置出現(xiàn)偏差。電磁波在媒質(zhì)中的傳播速度[16]為

式中，εr為媒質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，μr為相對(duì)磁導(dǎo)率。

電磁波穿過有一定厚度的媒質(zhì)1時(shí)，由于波速變慢，增加了電磁波傳播時(shí)間；用立方體形的媒質(zhì)2阻擋電磁波時(shí)，還必須考慮入射角度的影響因素。

電磁波透射實(shí)驗(yàn)的步驟如下：

(1) 對(duì)定位服務(wù)器送來的3個(gè)時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，獲得Tag的坐標(biāo)；

(2) 用媒質(zhì)阻擋1路或2路信號(hào)，觀察并記錄坐標(biāo)偏移情況；

(3) 根據(jù)媒質(zhì)的厚度以及時(shí)間差變化，計(jì)算媒質(zhì)延遲時(shí)間，反推出媒質(zhì)的介電常數(shù)；

(4) 根據(jù)媒質(zhì)參數(shù)重新修正定位算法，改進(jìn)電磁波穿墻定位的精度。

3 結(jié)束語

利用UWB定位技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)建立的小型、完整的無線定位系統(tǒng)，具有占用場(chǎng)地小、實(shí)驗(yàn)綜合費(fèi)效比高的優(yōu)點(diǎn)。電磁波的透射實(shí)驗(yàn)表明，所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精度較高，并且完全是在實(shí)際的電磁波應(yīng)用環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，教學(xué)效果遠(yuǎn)超一般驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)方法也可以推廣到通信、電子信息工程、地理信息等專業(yè)的實(shí)驗(yàn)中。

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