基于UWB的起點距定位方法

摘 要：在水文測驗過程中，起點距定位的準確性對流量測驗精度至關重要。目前，常用的起點距定位方法在水文測驗中存在諸多問題，如纜道計數器滑輪磨損影響精度、標志索人工讀數誤差大等問題?；诖耍芯刻岢龌赨WB技術的起點距定位方法；UWB是使用超寬帶頻率帶寬的無線通信，主要特征是能夠實現高精度定位，所開發的測驗模塊具有厘米級定位精度和幾百米的測距范圍。該項目研究成果在山路平、山里泉等水文站測試，測距精度符合水文測驗規范要求；在豐收渠、引丹渠等農村河渠流量測驗中試用，有效地提高了工作效率和測驗精度。

關鍵詞：UWB；起點距；水文測驗

中圖分類號：S271；S29 文獻標志碼：A 文章編號：1674-7909（2025）3-155-4

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2025.03.032

0 引言

目前，在較多水利工程中，水文站使用無人吊箱進行流量測驗，然而在影響河流流量測驗精度的諸多因素中，起點距誤差是水文測驗的主要誤差來源之一。起點距定位不準，測速垂線無法準確定位，過水斷面面積達不能準確計算，其將直接影響測流過程的精度。因此，準確定位水文纜道起點距在水文測驗中尤為重要。

水文測驗起點距測量常用的方法是纜道起點距法，即在水文絞車處放置一個定滑輪，給定滑輪安裝一個同軸光電編碼器，用光電編碼器采集滑輪轉動的圈數，反推循環索在滑輪上走過的距離，從而計算出起點距。該方法為間接的起點距計算方法，滑輪的磨損、編碼器的采集精度及主索、循環索的垂度變化等均會影響到測驗最終的計算結果。另外，部分水文測驗站使用的起點距標志索、標志牌位置難以調整，人工讀數存在誤差較大的問題。研究開發一種簡單實用且可以直接測量起點距的方法，將在水文測驗工作中有著更為廣泛的應用意義和推廣價值。

1 技術路線

目前，在水文測驗中，除纜道起點距法外，其他應用于水文纜道起點距定位的常見方法有全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）、激光測距法、超聲波測距法等。將上述技術方案的優缺點進行對比，具體見表1所示。

表1 不同起點距定位技術對比

[技術名稱 精度特征 測驗局限性 GNSS 定位精度可達厘米級 接收機需接收到衛星信號才可以準確解算用戶位置，山區等復雜地形衛星信號不佳無法使用。 激光測距法 測距精度可達毫米級 吊箱晃動時無法瞄準定位。 超聲波測距法 測距精度可達厘米級 信號衰減大，一般測距不超過200 m ]

由表1可知，GNSS、激光測距法、超聲波測距法的定位精度很高，但是水文站通常位置偏僻、測驗工況復雜，各項技術方案在應用的時候難以滿足全部的使用需求。經項目組實地考察，提出了一種新的解決方法，即基于超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）的起點距定位技術。UWB技術是一種新型的無線通信技術，其具有厘米級的定位精度和幾百米的測距范圍，可以實現實時測距，能有效解決目前水文纜道起點距定位中存在的問題，提高測距效率和精度［1］。

2 系統開發

2.1 UWB概述

UWB無線通信是使用超寬帶頻率帶寬的無線通信技術，其主要特征是能夠實現高精度定位。近年來，UWB已普及至智能手機、高階汽車智能鑰匙等民用設備，預計其未來將在多個領域普及應用。在UWB無線通信中，將寬度為2×10-9 s左右的脈沖信號作為數據進行傳輸，這種短持續時間脈沖具有高分辨率測距和定位的特性。

飛行時差測距（Time of Flight，TOF）/（Time of Arrival， TOA）通過記錄測距消息的收發時間戳來計算無線信號從發送設備到接收設備的傳播時間，乘以光速，然后得到設備間的距離。根據測距消息的傳輸方式不同，可分為單向測距和雙向測距。其中，單向測距的測距消息僅單向傳播，為獲得設備間的飛行時間需要雙方設備保持精確的時鐘同步，系統實現復雜度和成本較高；而雙向測距對雙方設備的時鐘同步沒有要求，系統實現復雜度和成本很低，因而在本項目中采用雙向測距技術方案。

雙向測距技術（Two-Way Ranging，TWR）方法需要設備間支持雙向通信，通過UWB信號收發時間戳計算UWB信號的往返時間然后乘光速從而獲得兩個設備間的實際距離信息［2］，具體詳見圖1所示。

其測距計算式如式（1）所示：

[D=C*（Tt-Tr）/2]" " " " （1）

式（1）中，D為兩設備間的距離，C為光速，Tt為發射端發射信號和接收信號時間差，Tr為接收端接收信號和發射信號時間差。

雙面雙向測距（DS-TWR）是基本單面雙向測距的擴展，其中使用兩個往返時間測量并結合給出飛行時間結果，即使在相當長的響應延遲情況下也能減少誤差，而且減少了因不同設備不同晶振振蕩偏移誤差造成的影響［3］，詳見圖2所示。

[Tporp=Tround1×Tround2-Treply11×Treply1Tround1+Tround2+Treply11+Treply1]" " "（2）

計算得出飛行時間Tprop（TOF）后，乘以光速常量，得到距離值結果，完成整個TWR測距過程。

2.2 芯片特性

UWB定位芯片采用DecaWave公司的DW1000，用23 mm×13 mm×2.9 mm規格的24針側邊城堡形（side castellation package）封裝，是一款符合IEEE 802.15.4-2011超寬帶（UWB）標準的完全集成的低功耗單芯片CMOS無線電收發器IC［4］。DW1000由一個包含接收器、發送器的模擬前端（包括RF和基帶）和一個連接到主處理器的數字后端組成，控制模擬前端，從主處理器接收數據進行傳輸，并提供通過工業標準的SPI接口接收數據到主機處理器，實施各種控制方案維持和優化收發器性能。

2.3 主程序工作流程

主程序位于Src/application/dw_main.c，主要完成設備參數初始化和按撥碼開關狀態進行基站或標簽狀態機運行，最后進行串口數據打包發送。嵌入式軟件將基站和標簽維護在同一套工程內，通過上電讀取撥碼開關來判斷執行相應的角色，大大減小了系統維護的復雜度，僅需一套程序可以適配所有的基站和標簽模塊。主程序工作流程詳見圖3所示。

2.4 開發模塊性能

項目組完成模塊開發封裝后命名為LD-600，模塊尺寸60 mm×60 mm×20 mm（不含天線長度），天線長度為80 mm，可以通過撥碼開關選擇作為Anchor（基站）或者作為Tag（移動站）使用，每一次測距周期約28×10-6 s。該設備在不使用外接電源的情況下，續航時長超過7 h，重25 g，其尺寸詳見圖4所示。

其模塊外部接口如圖5所示，模塊內部接口如圖6所示。

3 使用情況

3.1 在水文站的測試

系統開發完成后，項目組在山路平、山里泉等水文站進行了測試。測試以全站儀測距為基準值，Anchor（基站）放置在全站儀對中點，移動站（Tag）固定在吊箱上，吊箱前進或后退時運行。

依據表2中數據，在山路平水文站進行數據比測。其中，100 m以下數據在吊箱上進行比測；由于山路平水文站吊箱跨度為108 m，故100 m以上數據在空曠道路上比測。從數據分析可知，UWB測距技術精度極高，所測數據與全站儀相比最大誤差為0.12 m，大部分數據誤差在0.1 m以內，且不會因為距離的增加使誤差累積增大。根據《河流流量測驗規范》（GB 50179—2015）中規定，起點距比測應不少于30個數據，并均勻分布于河流流量全斷面，垂線的定位誤差不得超過河寬的0.5%，絕對誤差不得超過1 m；本項目開發的LD-600型UWB測距模塊測距精度符合規范要求［5］。

3.2 在農村河渠測流中的應用

項目開發完成后，在山路平水文站附近豐收渠、引丹渠進行了試用。豐收渠位于河南省沁陽市北部，東起常平鄉丹河峽谷中，西到西萬鎮和西向鎮的交界處，全長約30 km。該渠修建于20世紀70年代初，為解決沁北沿太行山一線缺水少地問題而建設的大型水利工程，承擔著當時沿豐收渠三個鄉的土地灌溉、人畜引水等重任。引丹渠為丹河左岸的引水工程，為博愛縣谷洞峪附近的村莊提供土地灌溉用水。山路平水文站使用本項目開發的LD-600型UWB測距模塊在豐收渠、引丹渠流量測驗時能夠準確測量起點距，減小了項目開發前人工拉卷尺測量所引起的起點距誤差。在實際測驗中，渠道流量計算為斷面寬、水深之積求得的部分過水斷面面積乘以垂線流速，各部分流量之和求得渠道總流量，該技術的運用使起點距誤差減小，提高了渠道流量計算的精度。

豐收渠、引丹渠等農村灌溉渠道使用LD-600型UWB測距模塊，不僅提高了河渠流量測量的準確性，而且加強了沁陽、博愛兩市縣丹河沿岸農村引水地區水資源的管理能力，為沿線鄉鎮合理分配水資源提供了依據，確保各地區用水需求得到合理滿足，避免因水資源分配不均引發的矛盾，達到了助力精準灌溉、保障用水安全的目的。

4 結束語

基于UWB技術開發新型水文測驗起點距定位設備，測試發現該方法具有精度高、實時性好、抗干擾能力強等優點，測距范圍高達600 m，且不會隨著距離增加誤差累積增大，能夠滿足水文測驗起點距定位的需求。在基于纜道的MRV自行走雷達測流系統起點距定位、水文吊船起點距定位、測橋SVR電波流速儀起點距定位等水文站測驗工作中，將LD-600 Tag（移動站）固定在測驗儀器上或由測驗員攜帶進行定位，均能減少人工讀數誤差和纜索伸縮、垂度改變等因素造成的影響；其在水文調查、應急監測、農村河渠流量測驗中能發揮較好的作用。

參考文獻：

［1］褚杰輝，張丹，姚遠.UWB定位技術在水文測驗中的應用［J］.陜西水利，2022（5）：39-41.

［2］韓劍.基于UWB技術的綜采工作面定位系統應用研究［J］.山東煤炭科技，2024，42（11）：101-105.

［3］張超，黃曉燁，湯湛杰.基于UWB的多基站高效DS-TWR測距算法在智能購物車中的應用［J］.電子技術，2024，53（7）：50-52.

［4］蔡圣杰，周成全，孫大偉，等.軌道式精準投飼機器人設計與試驗［J/OL］.農機化研究，1-10［2025-1-2］.http：//kns.cnki.net/kcms/detail/23.1233.s.20241216.2015.029.html.

［5］住房和城鄉建設部.河流流量測驗規范：GB 50179—2015［S］.北京：中國計劃出版社，2015.

Starting Distance Location Method Based on UWB

DU Minggang DUAN Ziheng

Hydrology and Water Resources Survey Bureau， Xiaolangdi Reservoir Area， Yellow River Conservancy Commission， Jiyuan" 459000， China

Abstract： In hydrology tests， the accuracy of starting distance location is crucial to the accuracy of flow test. At present， there are many problems in the common starting distance positioning methods， such as the fact that wear of the cable counter pulley affects the accuracy， and the manual reading error of the marker cable is large. In this paper， a starting distance positioning method based on UWB technology is proposed. UWB is a wireless communication using ultra-wideband frequency bandwidth， and its main feature is that it can realize high-precision positioning. The developed module has centimeter-level positioning accuracy and a range of several hundred meters. The results of the project have been tested in the hydrographic stations such as Shandaoping and Shanchun， and the ranging accuracy is in line with the standard requirements. The experiment was conducted in the flow measurement of Fengshou Canal and Yindan Canal in rural areas， and the work efficiency and test accuracy were effectively improved.

Key words： UWB; starting distance; hydrology tests

（欄目編輯：胡海峰）