UWB室內(nèi)定位技術研究

黃鶴

摘要：本文以超寬帶（UWB）技術進行室內(nèi)定位的研究，介紹了室內(nèi)定位的幾種技術，及利用UWB室內(nèi)定位的方法，并進行了實驗。

關鍵詞：室內(nèi)定位；UWB無線通信系統(tǒng)；基于到達時間差的雙曲線定位算法；指紋法

中圖分類號：TN925 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）07-0125-02

隨著當今社會經(jīng)濟的發(fā)展，除了在室外能過獲得自己或他人的位置外，獲取在室內(nèi)的精確位置信息也成了人們追求的目標。在室外定位中，GPS定位已趨向成熟，但室內(nèi)定位仍處于尚未成熟階段。室內(nèi)定位技術在礦井中定位井下人員位置、火災中確定被困人員方位、室內(nèi)商場中定位老人兒童位置、倉庫中定位商品等場合中均有重要作用。

1 無線室內(nèi)定位技術分析與比較

目前的室內(nèi)定位技術主要有：紅外線室內(nèi)定位技術、超聲波室內(nèi)定位技術、藍牙室內(nèi)定位技術、射頻指紋技術、超寬帶技術、Wi-Fi技術和ZigBee技術。

紅外線室內(nèi)定位因光線不能穿透障礙物，當障礙物遮擋時，定位效果便很差，只能短距離定位。超聲波室內(nèi)定位技術是由一個主測距器和幾個應答器組成，定位精度較高，但易受多徑效應和障礙物的干擾，且設備成本高。藍牙定位的優(yōu)點是其設備的體積小，易于集成，定位時不受視距的影響，缺點是設備造價昂貴，抗噪能力差，穩(wěn)定性不高。射頻指紋定位技術是利用射頻的方式來進行傳輸數(shù)據(jù)達到定位的目的。其可以速獲得定位精度信息，且成本低、體積小。但是因為它的作用距離近，不具有通信能力，而且難以與其他系統(tǒng)相融。Wi-Fi室內(nèi)定位技術可以實現(xiàn)大范圍的復雜的室內(nèi)定位，易于安裝，需要基站的數(shù)量少，系統(tǒng)的總精度高，但容易受到別的信號的干擾，且定位器的能耗較高。本文利用超寬帶技術進行室內(nèi)定位。

2 UWB室內(nèi)定位裝置

本課題使用的UWB定位系統(tǒng)包括了交換機、基站接收機和標簽三部分硬件。

基站采用的是工作頻段為5-6GH的UWB室內(nèi)型微基站，其解算頻率、掃描頻率均可控，掃描半徑約為30米。UWB設備采用短脈沖監(jiān)聽器測量短脈沖到達時間，可以精確至ns。

標簽采用的是普通型卡片式標簽，其工作頻段由基站決定，可自定義每秒發(fā)送的UWB脈沖數(shù)據(jù)包次數(shù)，范圍是10～100次/秒。每個標簽發(fā)送UWB脈沖數(shù)據(jù)包所需的時間極短，各標簽的數(shù)據(jù)包幾乎不會發(fā)生碰撞，當一個范圍內(nèi)存在多個標簽時不會影響各自的定位。

3 UWB室內(nèi)定位算法

本文采用了雙向測距的方法來獲取標簽與基站之間的距離。由于標簽與基站之間時間不同步，因此利用標簽發(fā)出信號與收到反饋信號之間的時間差，加之發(fā)送的速度為電磁波的轉播速度，可以獲得基站與標簽之間的距離。主要采用的是TDOA雙曲線定位算法。假設為標簽的坐標，為基站的坐標，為標簽和基站之間的距離，則、、之間滿足如下關系：

在確定基站的分組后，每次定位至少需要三個及以上的不在同一直線的基站來確定標簽坐標。

實驗地點為華東師范大學信息學院一樓大廳，共安裝8個基站，并分為前后左右共四組，每組四個基站。通過多次先驗實驗可知，應用雙曲定位算法解算的標簽坐標在前廳和左通道定位效果好，發(fā)現(xiàn)右通道和后廳存在較多的跳躍點，誤差大，因此考慮在右通道和后廳利用指紋法消除誤差。將右通道和后廳劃分成若干細密的網(wǎng)格，每個網(wǎng)絡的邊長小于1米，通過多次實驗采集每個網(wǎng)格點實際定位出的坐標取平均，貯存于數(shù)據(jù)庫中，在后續(xù)定位過程中將判定為跳躍點的坐標在數(shù)據(jù)庫中查找對應坐標，作為模糊定位坐標，可以有效的消除誤差。

4 UWB組合定位與實驗

本文采用了UWB室內(nèi)定位裝置，利用TDOA雙曲定位算法進行標簽坐標的解算，并在實驗場地的后廳和右通道利用了指紋法消除誤差。其中，雙曲定位算法是利用了三個以上基站到標簽的距離，通過雙曲線方程來解算出標簽坐標，并根據(jù)時間判斷與前幾個解算出的坐標點之間的距離，判斷是否為跳躍點，若是跳躍點，則判斷為哪個區(qū)域的跳躍點，并調(diào)用相應的指紋庫與此坐標比對，進行誤差的校正。首先判斷是否有三個以上的基站獲取到標簽數(shù)據(jù)，若只有兩個以下的標簽獲得這個時刻的標簽數(shù)據(jù)，則放棄這組的數(shù)據(jù)，重新進行讀取。讀取數(shù)據(jù)成功后，利用雙曲定位算法進行標簽坐標的解算，之后判定是否為跳躍點，若不為跳躍點則直接顯示，若為跳躍點則利用指紋庫進行比對，再進行坐標的顯示。多次實驗室據(jù)可得，前廳的定位的精度為0.71米，左通道的定位精度為0.65米，右通道的定位精度為1.24米，后廳的定位精度為0.86米，總精度為0.83米。

圖1基站分布圖、右通道指紋法、后廳指紋法示意圖指紋法消除誤差和基于UWB的定位實現(xiàn)實例。

5 結語

超寬帶（UWB）室內(nèi)定位技術因其具有功耗低、隱蔽性好、精確度高、系統(tǒng)簡單、截獲率小等優(yōu)點在國內(nèi)引起重視，具有很好的發(fā)展前景。本文以超寬帶（UWB）技術進行室內(nèi)定位的研究，介紹了室內(nèi)定位的幾種技術，及利用UWB室內(nèi)定位的方法，并在華東師范大學信息學院一樓大廳進行了實驗，平均定位精度為0.83米。

參考文獻

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