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UWB无线定位系统的原理技术介绍

来源:admin发布日期2021-11-12 07:46浏览:

一.界定UWB。
      UWB,即UltraWide-Band,超宽带技术。这一技术起源于60年代兴起的脉冲通信技术。UWB与传统通信技术不同,UWB是以纳秒或微秒级以下的极窄脉冲进行无线传输的方式,它占据了宽广的频谱,且具有较高的时间分辨率。
UWB具有3.1~10.6GHz和系统10dB带宽的比值,按照美国联邦通讯委员会的标准,UWB的工作频带范围超过20%,或者至少有500MHz的系统带宽。UWB信号的产生可以通过极短(例如2ns)的窄脉冲(如二次高斯脉冲)以微分或混频等上变频方式调制到UWB工作频段实现。
二.UWB定位。
     如何将UWB定位到这个位置,就需要有个被称为TOF(TimeOfFlight)的翻译,即光飞的时间。
 
超宽带测距原则。
     先定义重新定位所需的内容,众所周知,GPS定位时需要三颗卫星来完成移动设备的定位,UWB的定位与此相同,必须固定三块UWB板卡,我们称之为“Anchor”,然后将其称为“移动UWB板卡”,并将其移动状态下的UWB板卡称为Tag。
     在Anchor和Tag之间,光的飞行时间就能被测量出来,给出一个最简单的例子,Anchor到Tag的距离,使用Tag可以直接发送包含时间戳的包,Anchor在收到包后,如果Anchor和Tag已经进行了时间同步,Anchor根据本地时间和Tag发送时间包的时间戳来区分,从而判断出光飞了多久,从而计算出距离,自然地,这将产生巨大的干扰,导致无法进行测出,因此Decawave的工程师使用另一种方法:Decawave测量TOF的TOF通过二次握手来测量TOF时间。
TOF测距方法属于双向测距技术,主要是利用信号在两台异步接收机(Transceiver)之间的飞行时间来测量节点之间的距离。由于在视距视线环境中,基于TOF的测距方法与距离呈线性关系,因此计算结果更准确。在发送端接收到的数据包和接收响应的时间之间的值为TTOT,接收端接收信息包并记录响应的时间间隔为TTAT,则分组在空中单程飞行的时间TTOF可以计算为:TTOF=(TTOT-TTAT)/2。
      再由TTOF和电磁波传播速度的成绩,计算出两点之间的距离D=CxTTOF。
一种TOF测距方法及两个侧约束
1.传送装置和接收装置必须是同步的;
2.接收装置传送信号所需的时间。
     TOF测距方法采用始终偏移量拉法解决时间同步问题,单因TOF测距方法的时差多点,侧距精度易受到两端节点中总偏移的影响。为减小这种误差的影响,在本文中采用了逆向测量法,即远程节点发送数据包,本地节点接收数据包,并自动响应。为了减小测距误差,采用平均正、反向多次测量的平均值,减小了对任何总偏移的影响。
超宽带室内定位原理。
     了解UWB测距原理后,对UWB室内定位原理有了更深入的了解。UWB的室内定位功能与卫星原理非常类似,即在室内设置4个已知坐标的定位基站,需要定位人员携带定位标签,标记点按一定频率发脉冲,不间断地与4个已知位置的基站进行测距,并用某种精确算法确定标签的位置!
以下是EHIGH恒高室内定位系统的例子:
    UWB室内定位系统是以UWB定位技术为基础,通过对上位机、移动端接入的室内定位系统,主要应用于隧道.监狱.化工.工厂.煤矿.电厂.电厂.电厂...
UWB定位系统由应用层、服务层、传送层和感知层(定位基站和定位标签)组成,而传输层主要的干式网通讯方式为有线或无线。这个系统体系结构显示在下面:
 
     知觉层:主要包括基台定位和标签定位。基台和标签是定位系统的核心设备,标签将按时隙广播携带带有自己ID号的无线电信号,定位基站收到标签发送的信号后,通过主干网络向服务层发送接收信号的时间戳和标签ID卡号,完成标签卡的定位,基站还能收到应用层发出的指令,完成相关设置。
传送层:又称骨干通信网络(即“主干网”),是基站和业务层.应用层之间的数据传输通道,将应用层相关指令向下传送,在系统中将原始数据(标签到基站之间的距离)发送到业务层,并用光纤传输数据。
服务层:采用TDOA算法和TOA算法进行定位,顶层根据每个基站的位置和标签距离,用TDOA算法或TOA算法求解标签坐标。此外,业务层提供灵活的设备管理和网络管理功能,以及各种前台和应用界面。
应用层:通过服务层获取定位标签的具体位置,以.2D或3D图的形式实时显示标签的位置,并提供轨迹回放、人员信息管理、呼叫求救等功能。
     另外,应用层还提供了websocket接口和http接口,通过websocket接口可以获得标签卡的实时位置数据,通过http接口可以获得系统相关数据,从而便于进行二次开发与集成。
UWB定位系统硬件支持:
在UWB定位系统中,定位标签是UWB定位系统的硬件组成部分。
将定位基台分布在场景区域的几何边缘上,对场景区域进行信号覆盖。内部定位基站主要功能是检测标签的数据信息,并上载到服务器进行汇总分析。
 
    将标签贴在定位物体表面,当标签进入基站信号覆盖范围内时,将自动与基站建立联系。根据应用需要,可以制定不同的附图方案,例如挂式、粘贴式等形式,其大小、形状随所放物体的不同而变化。
 
超宽带定位系统优点:
1.高精度:在室内定位领域,能做到厘米级高精度定位的技术不属于UWB定位。UWB采用TDOA(到达时间)算法,测量电磁波从发送端到达接收端所需的时间,多个接收端在室内同时接收到发送端发送的电磁波信号;通过电磁波的传播速度即精确计算出发射端在室内的位置,最大可以达到10cm的定位精度,基本满足绝大多数室内定位场景对高精度定位的需求!
2.扩展性:EHIGH恒高UWB定位系统不仅具有定位功能,还可以在定位的基础上,对历史轨迹回放、人员考勤、电子栅栏、行为分析、智能巡检等综合定位功能进行扩展。通过这些位置数据提供的服务功能,帮助管理者对企业进行安全管理,可以有效地减少安全事故的发生。
3.低功率:UWB无线通信系统接收机无本振.功放.锁相环(PLL).压控振荡器(VCO).混频器等,因此结构简单,设备成本较低。UWB信号不需载波,而是采用间歇脉冲进行数据传输,其脉冲宽度非常短,一般在0.20~1.5ns之间,具有较小的空因数,因此对电源功率要求较低。普通UWB定位系统只需要50~70mW的电源,是蓝牙技术的十分之一。
摘要:UWB定位系统的主要技术特征是低功耗.对信道衰落(如多径、非视距等信道)不敏感.抗干扰能力强.对同一环境中的其它设备不会产生干扰.高渗透性(可在一堵砖墙的环境中定位)定位精度和定位精度都很高。

【本文标签】: UWB定位系统 UWB定位

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