室內UWB通信高精度定位系統設計

2020-06-19 08:45:58顧慧東焦良葆周健

軟件導刊 2020年4期

顧慧東焦良葆周健

摘要：面對生活中對高精度室內定位需求，采用DecaWave公司的DWMIOOO芯片，設計一種基于UWB的測距與定位系統。該軟件系統利用雙邊測距（TWR）機制避免了基站之間的時鐘同步，精確計算出標簽和基站間的距離，同時根據飛行時間（TOF）定位算法解超限定方程組求得標簽的坐標位置。實測結果表明，利用該系統靜止標簽的測距誤差不超過15cm，移動標簽測距誤差不超過30cm，同時在信號非視距傳播情況下的表現也較穩定，能夠滿足大部分場景下的室內定位需求。

關鍵詞：室內定位;超寬帶;雙邊測距;實時定位系統

DOI：10. 11907/rjdk.191704

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A

文章編號：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

在無線通訊技術極速發展和打造智慧城市的大背景下，人們對于小范圍區域內基于位置的服務也越來越關注。醫院、隧道、變電站等GPS信號弱的環境中都需要一種精確的位置服務代替GPS，以滿足各種位置需求，如人員定位、車輛精準停車以及危險區域提前預警等…。目前，國內外室內定位需求普遍要求精度達到厘米級。相較于空曠的室外環境，室內環境更為復雜，干擾因素也更多，因此要求定位技術方案的魯棒性要強[2]。

現在小區域內定位方式主要為RSSI（ Received SignalStrength Indication）和TOF（ Time Of Flight），它們都需要在區域內固定一些通訊節點，超聲波、射頻信號、紅外線、藍牙、UWB（ ultra-wideband）等無線訊號是節點間主要通訊手段[3]。其中，紅外與超聲波受視距通訊的影響，其應用場景有限，藍牙與WiFi等通訊單位時間內功率損耗高，且定位誤差較大[4]。而UWB技術相較于其它傳統通訊方式，所有優點基本都有，如穿透性強、功耗低、抗噪聲能力強[5]。同時，UWB擁有較好的時間分辨率且對抵抗多路徑有較強能力[6]

為了更好地加以描述，定義室內無線定位中存在的兩類節點：①參考節點（基站），在定位區域中已知白己坐標位置的節點;②非參考節點（標簽），在定位區域中未知，但可以獲得與區域內參考節點的相對距離，通過定位算法獲得同參考節點的相對位置坐標。

現階段，國內外對基于UWB的室內定位技術研究主要集中在測距定位等算法的研究與改良上，而系統設計及軟件具體實現則鮮有涉及。

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