超寬帶室內(nèi)動態(tài)定位精度影響探究

李浩博，王 堅(jiān)，王川陽

(中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)現(xiàn)代人每天平均有超過80 %的時間在室內(nèi)度過，獲取高精度的室內(nèi)位置信息也變得愈發(fā)重要[1]。近年來，超寬帶(ultra-wide band，UWB)系統(tǒng)以其高帶寬、高分辨能力、高傳輸速率、強(qiáng)魯棒性、低功耗以及低成本等諸多優(yōu)勢已成為無線定位的研究熱點(diǎn)以及室內(nèi)定位中最有前景的技術(shù)方案之一，廣泛應(yīng)用于位置檢測、高速率通信等領(lǐng)域[2-5]。

超寬帶技術(shù)作為一種無載波通信技術(shù)最早應(yīng)用在軍用領(lǐng)域，1989年美國國防部高級研究計(jì)劃署首次采用了UWB這一專用術(shù)語[6]，隨后，基于超寬帶極寬頻譜的特點(diǎn)，美國聯(lián)邦通信委員會(Federal Communications Commission，F(xiàn)CC)在2002年宣布UWB技術(shù)可用于精確測距、無線通信等民用領(lǐng)域，并為UWB分配了3.1～10.6 GHz共7.5 GHz的帶寬[1-2，7-8]。根據(jù)香農(nóng)理論，信道帶寬越寬，就有著越強(qiáng)的抗干擾能力，所需要的發(fā)射功率就越小，傳輸速率也越快[9]。UWB技術(shù)通過在吉赫量級的帶寬上利用極窄脈沖傳輸?shù)凸β实臒o線信號，在10 m左右的范圍實(shí)現(xiàn)最快達(dá)數(shù)Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率[10]。此外，超寬帶定位系統(tǒng)也具有優(yōu)于其他系統(tǒng)上百倍的距離分辨率，這些特性均保證了UWB系統(tǒng)能夠較好地滿足室內(nèi)定位的需要[11]。

本文研究不同因素對UWB室內(nèi)多基站環(huán)境下動態(tài)定位的影響特性，并通過動態(tài)定位實(shí)驗(yàn)對標(biāo)簽位置、行進(jìn)速度、行人干擾、標(biāo)簽與基站間距離等4種因素進(jìn)行分析。

1 UWB定位系統(tǒng)及方法

1.1 UWB定位系統(tǒng)

典型的UWB定位系統(tǒng)由定位基站、定位標(biāo)簽、位置計(jì)算引擎及圖形呈現(xiàn)系統(tǒng)構(gòu)成。其中：定位基站一般設(shè)于場景的幾何邊緣，對區(qū)域進(jìn)行信號覆蓋，探測其與標(biāo)簽間的距離，并通過有線或無線局域網(wǎng)(wireless local area network，WLAN)方式回傳給位置計(jì)算引擎；定位標(biāo)簽則通過與被定位的對象進(jìn)行關(guān)聯(lián)，自動同基站通訊建立聯(lián)系并廣播自己的位置；位置計(jì)算引擎及圖形呈現(xiàn)系統(tǒng)接受回傳的數(shù)據(jù)，通過解算基站和標(biāo)簽間的距離得到定位標(biāo)簽的具體位置，并以圖形化的方式呈現(xiàn)出來。

1.2 UWB定位方法

UWB定位技術(shù)屬于無線定位系統(tǒng)，在獲取與位置有關(guān)的變量的同時，建立超寬帶系統(tǒng)定位模型。隨后，通過利用獲取的變量及相關(guān)定位模型來完成對目標(biāo)物體定位坐標(biāo)的計(jì)算。按獲取變量的不同，可以將UWB定位方法分為3類：基于信號接收強(qiáng)度(received signal strength，RSS)法、基于到達(dá)角度(angle of arrival，AOA)法和基于接收信號時間/時間差(time/time difference of arrival，TOA/TDOA)法[12-13]。

基于信號接收強(qiáng)度法是通過信號強(qiáng)度和已知信號衰弱模型來估計(jì)基站與標(biāo)簽的距離，根據(jù)多個基站距離待測點(diǎn)的距離值畫出圓，多個圓重疊部分就是定位標(biāo)簽的位置；RSS法常用接收信號強(qiáng)度指標(biāo)RSSI來表示，在理想環(huán)境中，這種方式可以獲得較為精確的定位結(jié)果，但是RSSI易受信號反射折射等多路徑干擾，實(shí)際應(yīng)用中常存在較大誤差。基于到達(dá)角度法是利用定向天線測出信號來源方向，多個基站同時按照接收角度畫出直線，交點(diǎn)就是目標(biāo)位置。該方法的誤差來源是角度解析的誤差，誤差隨距離的增加而逐漸增大。基于接收信號時間法和基于接收信號強(qiáng)度法類似，但是是通過采用無線信號傳播時間乘以無線信號傳輸速度來計(jì)算接收點(diǎn)和測量點(diǎn)間的距離。在基于接收信號強(qiáng)度法和基于到達(dá)角度法中，多徑效應(yīng)是引起各種信號測量誤差的主要原因之一[14]。相較于前2種方法，TOA/TDOA法有著較為明顯的優(yōu)勢：它有最高的定位精度，可以充分利用UWB超寬帶寬，并且最能體現(xiàn)出UWB信號時間分辨率高的特點(diǎn)[15]。

本文所建立的UWB定位系統(tǒng)均采用TOA法來測量定位基站同標(biāo)簽間的距離，其定位算法中的位置估計(jì)過程即為求解定位方程組以獲得目標(biāo)所在位置坐標(biāo)的過程。在獲得信號的傳輸時間后，可以根據(jù)球形定位模型建立方程組。實(shí)驗(yàn)中共設(shè)置4個定位基站，能夠建立4個方程。在笛卡爾坐標(biāo)系中若設(shè)定位基站k(k=0，1，2，3)的坐標(biāo)為(Xk,Yk,Zk)，定位標(biāo)簽的坐標(biāo)位置為(X,Y,Z)，則根據(jù)每個定位標(biāo)簽到基站的距離可以列出k分別取值的4個方程為

(1)

式中：c為光速；tk為信號傳輸?shù)降趉個定位基站的傳輸時間。求解方程組可以得到定位標(biāo)簽在不同時刻的坐標(biāo)位置，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本文實(shí)驗(yàn)采用基于DecaWave公司生產(chǎn)的DW1000芯片開發(fā)的測距設(shè)備，該設(shè)備具有較好的通信距離，有助于降低系統(tǒng)成本及對額外基礎(chǔ)設(shè)施的需求，采樣時間為0.281 s。以下實(shí)驗(yàn)中均采用基于飛行時間(time of flight，TOF)雙向測距的定位方法，并采用Zigbee技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸，最終基于最小二乘法對量測結(jié)果進(jìn)行平滑，得到所需的定位坐標(biāo)信息。該定位方法在視距(line of sight，LOS)環(huán)境下結(jié)果隨視距呈線性關(guān)系，定位結(jié)果較為理想。

實(shí)驗(yàn)場地設(shè)在煤炭安全綠色開采協(xié)同創(chuàng)新中心九樓大廳，測試環(huán)境為一個大小為7.2 m×7.2 m的正方形區(qū)域，分別在正方形的4個角布置4個超寬帶定位基站，調(diào)整合適的角度，并設(shè)置基站高度為85 cm。為了便于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作及數(shù)據(jù)分析，將實(shí)驗(yàn)場地分割成長寬均為80 cm的正方形格網(wǎng)，并建立定位空間坐標(biāo)系。令主基站所在位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，則4個超寬帶定位基站的坐標(biāo)分別為0號主基站(0，0，0.85)、1號基站(7.2，0，0.85)、2號基站(7.2，7.2，0.85)、3號基站(0，7.2，0.85)。

由于定位基站均位于同一高度，因此實(shí)驗(yàn)中主要針對定位標(biāo)簽的水平坐標(biāo)精度進(jìn)行分析，探討不同影響因素對室內(nèi)動態(tài)定位精度的影響特性。此外，為了更清晰地對比定位影響因素的特性，預(yù)先在實(shí)驗(yàn)場地中設(shè)定2條規(guī)劃好的軌跡路線，其中：軌跡1為實(shí)驗(yàn)場地中一個4 m×4 m的正方形路線，總長度為16 m；軌跡2為在軌跡1內(nèi)的一個2.4 m×2.4 m的正方形路線，總長度為9.6 m。實(shí)驗(yàn)環(huán)境的空間坐標(biāo)系及軌跡路線如圖1所示。

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 定位標(biāo)簽位置的影響

本次實(shí)驗(yàn)通過對比由定位標(biāo)簽處于不同的位置時所獲得的定位結(jié)果，分析定位標(biāo)簽位置對動態(tài)定位精度的影響特性。

實(shí)驗(yàn)中，行人分別將定位標(biāo)簽置于頭部及腰部佩戴，按照軌跡1以正常步速行進(jìn)一圈，行進(jìn)過程中基站不斷接收到定位標(biāo)簽發(fā)射的超寬帶信號，并將測距信息傳輸至定位平臺進(jìn)行解算，生成位置坐標(biāo)。利用MATLAB處理軟件對標(biāo)簽在實(shí)驗(yàn)中采集的測距信息進(jìn)行處理分析，得到定位標(biāo)簽分別位于頭頂及腰部的定位軌跡，如圖2所示。

由圖2可知，2種情況下的定位軌跡都能基本形成一個完整回路，然而定位標(biāo)簽佩戴于腰部時存在40 cm左右的定位誤差，而當(dāng)定位標(biāo)簽置于頭部時誤差小于20 cm，精度提高了超過50 %，較好地完成了超寬帶動態(tài)定位過程。

2.2.2 行進(jìn)速度的影響

本次實(shí)驗(yàn)通過對比由行人行進(jìn)速度不同時所獲得的定位結(jié)果，分析行進(jìn)速度對動態(tài)定位精度的影響特性。

實(shí)驗(yàn)中，行人分別以正常步速以及小跑(速度約為正常步速的2倍)行進(jìn)，將定位標(biāo)簽固定于頭頂按照軌跡1行進(jìn)一圈。數(shù)據(jù)處理及分析步驟與上節(jié)相同，可以得到2種情況下的定位軌跡，如圖3所示。

在按照軌跡1以正常步速行進(jìn)的時候，采樣時間為21 s，共獲取坐標(biāo)點(diǎn)76個；而當(dāng)小跑行進(jìn)時，采樣時間為12.5 s，獲取坐標(biāo)點(diǎn)45個。由于在相同的行進(jìn)距離中，跑步行進(jìn)的速度快于正常步速，因而采樣時間及采樣點(diǎn)數(shù)明顯小于正常行進(jìn)時。因此在基于TOF雙向測距定位方法中，速度越大、時間越短，受到多路徑影響也就越小，能夠有效提高定位精度。由圖3可知，正常步速行進(jìn)的平均定位誤差約為25 cm，而小跑行進(jìn)的平均誤差約為18 cm。由此可見，小跑行進(jìn)不但能夠大幅縮短整體采樣時間，還能提高定位精度30 %以上。

2.2.3 行人干擾的影響

本次實(shí)驗(yàn)通過對比在是否存在行人干擾的情況下所獲得的定位結(jié)果，分析行人干擾對動態(tài)定位精度的影響特性。

實(shí)驗(yàn)中，行人將定位標(biāo)簽置于頭部并按照軌跡1以正常步速行進(jìn)一圈。在行走過程中存在行人干擾的情況下，安排3人輔助在測試場地內(nèi)隨機(jī)行走干擾信號傳遞。隨后按照2.2.1節(jié)中的步驟進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析，并同無干擾環(huán)境中的測試數(shù)據(jù)對比分析，得到2種情況下移動標(biāo)簽的定位軌跡，如圖4所示。

由圖4可知：在大部分時間內(nèi)2種情況下的定位軌跡是接近重合的，定位誤差基本相當(dāng)；而在存在行人干擾的定位軌跡圖中出現(xiàn)了部分軌跡突變的現(xiàn)象，對應(yīng)時刻的定位誤差也大幅增加。由此可見，在存在行人干擾的環(huán)境中，定位軌跡會因定位結(jié)果的跳變而出現(xiàn)突變，誤差迅速增大，在某些時刻甚至?xí)霈F(xiàn)無法定位的情況。

2.2.4 標(biāo)簽與基站間距離的影響

本次實(shí)驗(yàn)通過對比定位標(biāo)簽在不同軌跡上行進(jìn)所獲得的定位結(jié)果，分析標(biāo)簽與定位基站間距離對動態(tài)定位精度的影響特性。

實(shí)驗(yàn)中，行人將定位標(biāo)簽置于頭頂并以正常步速分別按照軌跡1和軌跡2行進(jìn)一圈，將獲取的定位信息按照2.2.1節(jié)中的步驟進(jìn)行處理并分析，得到移動標(biāo)簽分別按照軌跡1及軌跡2行走所獲取的定位軌跡，如圖5所示。

由圖5可以較明顯地看出，按照軌跡2行進(jìn)的定位軌跡偏差明顯小于按照軌跡1所得到的軌跡，

其中按照軌跡2行進(jìn)的平均定位誤差約為15 cm，而按照軌跡1行進(jìn)的平均定位誤差約為25 cm。由此可見，定位標(biāo)簽所在行進(jìn)軌跡距離超寬帶定位基站所確定的覆蓋范圍中心越近，定位精度越高。

3 結(jié)束語

超寬帶技術(shù)作為室內(nèi)定位中最有前景的方案之一，因其超寬的頻帶特性而具有極高的距離分辨度和定位精度。本文測試并分析了不同因素對超寬帶室內(nèi)定位精度的影響特性，結(jié)果表明，超寬帶室內(nèi)定位精度受定位標(biāo)簽位置、行進(jìn)速度、行人干擾及標(biāo)簽與基站間距離的影響，其中：當(dāng)定位標(biāo)簽置于頭頂時精度明顯高于置于腰間；跑步行進(jìn)的定位精度略高于正常步速行走；而如果存在行人干擾則會出現(xiàn)定位軌跡突變、誤差大幅增加的現(xiàn)象；此外，行進(jìn)路徑越靠近由基站所確定的覆蓋范圍中心，精度就會越高。

[1] 楊洲，汪云甲，陳國良，等.超寬帶室內(nèi)高精度定位技術(shù)研究[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2014,2(4)：31-35.

[2] 伍德.超寬帶基礎(chǔ)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2012.

[3] 葛利嘉，曾凡鑫，劉郁林，等.超寬帶無線通信[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.

[4] 孫小紅.車聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究[J].通信技術(shù)，2013(4)：47-50.

[5] WIN M Z，SCHOLTZ R A.On the robustness of ultra-wide bandwidth signals in dense multipath environments[J].IEEE Communications Letters，1998，2(2)：51-53.

[6] FOWLER C，ENTZMINGER J，CORUM J.Assessment of ultra-wideband(UWB)technology[J].IEEE Aerospace & Electronic Systems Magazine，1990，5(11)：45-49.

[7] 王金龍.無線超寬帶(UWB)通信原理與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[8] FCC.Ultra-wideband operation FCC report and order[EB/OL].(2010-07-29)[2017-03-18].https://transition.fcc.gov/Bureaus/Engineering_Technology/Orders/2002/fcc02048.pdf.

[9] 張濤，徐亞明.UWB測距與室內(nèi)定位精度研究[J].全球定位系統(tǒng)，2016，41(5)：56-60.

[10] 王波.淺談UWB定位技術(shù)[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011(23)：47.

[11] 孫錦中.基于UWB技術(shù)的無線定位系統(tǒng)的研究與測試[J].上海電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，27(4)：333-336.

[12] 張中兆.超寬帶通信系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[13] 李真真，曾連蓀.基于UWB的室內(nèi)定位關(guān)鍵技術(shù)研究[J].信息技術(shù)，2011(11)：96-98.

[14] 李正榮，黃曉濤.超寬帶定位技術(shù)的分析與思考[J].電信快報(bào)，2008(4)：29-32.

[15] 劉剛，張淑娥，邱巍巍.超寬帶無線通信技術(shù)及其應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)通信，2005，26(12)：40-42.