非暴露空间超宽带安全应急定位系统
UWB超宽带无线定位系统研究与设计
2020年第08期86UWB 超宽带无线定位系统研究与设计陶 凯华北电力大学，北京 102206摘要：文章以高精度定位需求为出发点，结合泛在电力物联网建设思想，采用 DecaWave 公司的 DW1000作为UWB（ Ultra -Wide Band，超宽带） 无线收发器，ST 公司的 STM32单片机作为定位系统的核心控制器，设计了UWB 定位系统基站标签一体化的硬件平台。
该平台可应用于电厂连续堆取料的斗轮机等高效装卸机械作业中，实现电厂堆取料作业的自动化。
在软件算法实现上，采用双向测距的机制准确估计基站（anchor）与标签（tag）之间的距离，通过下位机的硬件模块将测距信息发送给上位机进行处理。
上位机软件根据飞行时间（TOA -Time of Flight）定位算法计算标签与基站的距离，利用多个距离数据可计算出目标标签在三维空间中的坐标值。
此外，在坐标运算过程中采用改进的泰勒算法进行误差消除，从而完成高精度室内定位系统的设计与实现。
关键词：无线定位；UWB；飞行时间；定位系统；双向测距中图分类号：TN925.930 引言在巨大的市场需求的驱动作用下，建立室内实时定位系统（Real Time Location Systems，RTLS）［1］成为目前研究的焦点。
在定位系统的研究与设计中，UWB（Ultra -wideband，超宽带）技术已经在无线通信领域应用得极为广泛［2］。
相比于其他的传统无线信号，超宽带技术信号拥有更大的带宽，其频率范围在3.1 GHz~10.6 GHz ［3］。
同时，超宽带技术信号具有非常低的功率谱密度、高的时间分辨率［4］和良好的抗多径能力［5］。
因此，采用 UWB 技术的室内定位系统具有很高的实用价值。
在UWB 定位系统中，无线收发数据的芯片主要使用的是来自著名公司DecaWave 的产品——DW1000（超宽带无线收发芯片），该芯片根据基站与标签之间无线信号在空气中传播的时间（即飞行时间）来计算出该组物体之间的间隔距离，使用的测距算法为双边双向测距算法（dual -Sided Two -wayrange，DS -TWR）。
超宽带定位原理
超宽带定位原理
超宽带定位是一种通过利用超宽带信号来确定物体位置的技术。
超宽带技术是指信号带宽非常大的一种通信技术，其带宽可以覆盖几百兆赫兹至几千兆赫兹范围。
这种宽带信号在空间中传播时，会受到物体的反射、散射和衰减等影响，从而形成一组复杂的信号特征。
超宽带定位系统通常由至少三个超宽带发射器和一个接收器组成。
发射器会发射一系列的超宽带信号，而接收器则用于接收并分析这些信号。
在定位过程中，发射器会依次发射信号，并记录下每个信号的发射时间。
接收器会接收到这些信号，并测量信号的到达时间。
通过测量不同发射器的信号到达时间差，可以计算出物体与各个发射器之间的距离。
当物体的位置发生变化时，传播路径上的信号会经历相应的改变。
根据接收到的信号特征，可以进行信号解调和定位算法的处理，从而确定物体的当前位置。
超宽带定位技术在室内和室外等多种环境中都可以使用。
由于它能够提供高精度的定位效果，并具有抗干扰性强、穿透障碍物能力强等优点，因此在无人驾驶、智能家居、定位导航等领域有着广泛的应用前景。
超宽带室内定位技术的原理及应用
超宽带室内定位技术的原理及应用作者：魏昕冯锋来源：《电脑知识与技术》2020年第22期摘要：卫星定位技术（GPS）在日常生活中的普遍使用，使人们对室内定位的要求提高了。
超宽带（UWB）是一种定位技术，穿透力强的特点能实现稳定的室内定位，而且根据UWB不同的定位算法来得到精确的定位精度。
本文结合UWB使用场景和最新应用讨论UWB 发展面临困难和研究热点，任何一个场景的物联网化解决方案都要基于物体的位置而实现。
关键词：超宽带;TOF;定位技术中图分类号：TN925文献标码：A文章编号：1009-3044（2020）22-0033-02开放科学（资源服务）标识码（OSID）：随着科技的发展与进步，卫星定位技术（CPS）在日常生活中的普遍使用，现在已经不满足于室外定位，在室内或有遮挡物的情况下，GPS因其特点而无法实现精准的室内定位服务。
在现有的无线定位技术中，UWB技术在测距过程中载波信号具有高传输率、低功耗、抗干扰性强等优点且定位精度能够精确到厘米级别，使得UWB相对于Wi-Fi、蓝牙、RFID等无线射频定位有着不可比拟的优势，因此选取UWB作为室内定位的通信信号[1]。
1 UWB超宽带（UWB）技术是一种无线载波通信技术，它在超宽的带宽上传输信号，产生极短脉冲的信号源来传输数据，所以频谱范围在3.5Ghz至4.5GHz的范围内才符合UWB信号，UWB实质上是很高的射频频率来达到高带宽的无线技术，对上升时间和下降时间都很短暂的脉冲进行调制。
2 UWB定位原理目前，UWB定位一般采用基于距离的定位算法[2]。
主要的算法是TOF测距、TDOA测距、AOA测距三种定位算法。
2.1 TOF定位算法TOF（飞行时间）定位算法的核心为：在收到数据后开始测量收发设备间的信号传播时间，再用信号的传播速度和时间相乘，就可以得到两个设备之间的距离。
保证TOF准确性的要点是精确计算信号的飞行时间，用单边双向测距可以得到设备间距离。
uwb无线定位原理
uwb无线定位原理小伙伴，今天咱们来唠唠一个超有趣的东西——UWB无线定位原理。
你知道吗？这就像是给东西装上了超级精确的小眼睛，能准确地知道它在哪里呢。
UWB呢，全名超宽带（Ultra - Wideband）。
想象一下，它就像一个超级敏锐的小侦探，在空间里到处找线索，确定目标的位置。
UWB发射的信号很特别哦，它的带宽超级宽，就像一个大网撒出去，能覆盖到很多地方。
那它是怎么实现定位的呢？这就像是一场捉迷藏游戏。
UWB设备会发出一种超短脉冲信号，这个信号就像小蝙蝠发出的超声波一样，只不过是无线电波啦。
这个信号在空间里传播，碰到周围的物体就会反射回来。
比如说，我们在一个房间里要定位一个小物件，这个小物件上如果有UWB定位标签，它发出的信号就会在房间里的墙壁、家具上弹来弹去。
然后呢，有接收装置在等着这些反射回来的信号。
接收装置就像是一个耐心的听众，仔细地捕捉这些信号。
这里面有个很关键的东西叫飞行时间（TOF）。
啥是飞行时间呢？就像你扔出一个小石子，然后看着它飞出去再弹回来，计算这个过程用了多少时间。
UWB也是这样，从发射信号到接收反射回来的信号，这段时间就是飞行时间。
根据这个时间，就能算出信号走了多远的路程。
不过呢，这里面还有点小复杂的情况。
因为信号可能会经过多次反射，就像在一个迷宫里走了好几圈才出来。
所以呢，UWB系统得很聪明地分辨出哪些是直接反射回来的有用信号，哪些是经过多次折腾的干扰信号。
这就好比在一群叽叽喳喳的小鸟里，找出你要找的那只特别的小鸟一样。
而且哦，UWB定位不是只靠一个接收装置就能搞定的。
通常会有好几个接收装置分布在不同的地方。
这就像是好几个小伙伴一起找东西，每个小伙伴都从自己的角度看到这个信号，然后把自己看到的情况汇总起来。
比如说，一个接收装置说信号从这个方向来，走了这么远的距离，另一个接收装置又说从另一个方向来，走了另一段距离。
通过这些不同的信息，就可以用一些超级厉害的算法，就像魔法公式一样，算出这个被定位的东西到底在什么地方。
超宽带(UWB)定位
UWB的简介
Emitted Signal Power
Bluetooth, 802.11b Cordless Phones Microwave Ovens
GPS
PCS
802.11a
-41 dBm/MHz
“Part 15 Limit”
UWB Spectrum
1.6 1.9 2.4 3.1 5 10.6
（2）UWB生命探测雷达
UWB的简介
（3）军事通信
单兵作战示意图 战术通信网络
UWB的简介
民用方面（1）地质勘探及生命探测
UWB的简介
（2）汽车防冲撞
UWB的简介
（3）家庭设备及便携设备之间的无线通信
三星C27A750 无线显 示器
UWB的简介
（4）精确定位
UWB定位系统视频演示
工业 / 自动化 实时追踪资产及库存 -改进流程 - 提高搜索效率 -减少资源浪费
© Ubisense
标签
22
UWB定位技术概述
TDOA 和 AOA 都会被使用到，以加强三维定位效果的健壮性。
AOA 矢量即来自各个传感器的绿线 TDOA 曲线则以蓝色表示
交叉位置即定位出的位置 （红色圆点）
标签位置能被任意两个信息计算 出来，比如TDOA和一个AOA; 或者两个AOA。
医疗保健 实时追踪病人，监护者， 护理者 - 过程分析与改进 - 人力资源管理 -病人安全保证/状态监控
FOCUS
定位系统如何工作？
UWB定位技术概述
从传感器
时间同步线
主传感器 传统的2.4 GHz RF 信道， 指示标签发出脉冲信号， 提供标签与传感器之间 的双向通路。注意: 2.4 G信道是私有的，并且 不会与标准的wifi起冲突。
超宽带定位的原理
超宽带定位的原理
超宽带定位是一种通过超宽带技术来实现定位的方法。
超宽带技术是指在较宽的频率范围内传输数据的技术，其原理是通过发射非常短脉冲的电磁信号，并利用这些信号在空间中的传播特性来实现定位。
超宽带信号具有较宽的带宽，可以传输很多频率成分的信号。
在进行定位时，首先需要在定位设备上安装至少三个超宽带发射器（或接收器）。
这些发射器可以在不同的位置同时向周围发射非常短脉冲的超宽带信号。
当信号传播到目标物体上时，会发生一系列的反射、散射和绕射。
接收器可以接收到这些信号，并通过分析信号的时延、幅度和相位信息来确定目标物体的位置。
在进行定位时，计算机通常会使用超宽带信号的到达时间差（Time Difference of Arrival，简称TDOA）或到达角度差（Angle of Arrival，简称AOA）来计算目标的位置。
TDOA
方法是通过对接收到的信号进行时间差测量来确定目标的位置，而AOA方法是通过比较接收到的信号的到达角度来计算目标
的位置。
超宽带定位具有高精度、高抗干扰性和强健性的特点，适用于室内和室外的各种环境。
它可以用于定位人员、车辆和物品等各种目标，被广泛应用于无线通信、智能家居和物联网等领域。
SKYLAB厘米级UWB超宽带定位系统架构及功能
SKYLAB 厘米级UWB 超宽带定位系统架构及功能
SKYLAB 参展的2018 慕尼黑上海电子展已经圆满闭幕，有不少工程师
在E4 馆的SKYLAB 展位上体验了一把厘米级UWB 室内定位，不但能够实时了解关键物体（携带定位标签的人员、设备）的位置，准确的记录关键物体移动的行为轨迹，对设备点的定期巡检，实时监控还能够对危险区域进行告警，提醒访客和其他非相关人员不要靠近危险区域。
本篇SKYLAB 君就来详细为大家介绍一下SKYLAB 厘米级UWB 超宽带定位方案的系统架构及功能。
展会现场演示UWB 超宽带定位
UWB 超宽带定位概述
UWB（Ultra Wide Band ）即超宽带技术，它是一种无载波通信技术，利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。
传统的定位技术是根据信号强弱来判别物体位置，信号强弱受外界影响较大，因此定位出的物体位置与实际位置的误差也较大，定位精度不高，而UWB 定位
采用了宽带脉冲通讯技术，具备极强的抗干扰能力，使定位误差减小。
UWB 超宽带定位主要设备和组件
UWB 定位系统框图
UWB 定位系统大致分为位置感知层、网络传输层和定位应用层，主要包括：UWB 定位基站、UWB 定位标签、UWB 模块、软件接口等。
UWB 定位基站。
非视距环境下的超宽带室内定位算法
非视距环境下的超宽带室内定位算法
江歌;李志华
【期刊名称】《计算机测量与控制》
【年(卷),期】2018(026)011
【摘要】为了进一步提高超宽带技术在非视距室内环境中的定位精度,研究了抑制非视距误差的定位算法;首先,对非视距环境下的TDOA定位模型中的参数进行重构;其次,推导出非视距情况下均方根延迟拓展的统计模型,由该统计模型计算得到延迟拓展参数的估计值,对TDOA测量误差参数补偿;最后,通过最小二乘法初步估计出目标节点位置,将其作为粒子群算法的初始值进行智能粒子群算法求最优解,惯性权重在迭代中按照高斯函数的策略变化;仿真结果表明文章提出的优化算法可有效减弱非视距误差在复杂室内环境中定位的影响,进一步提高定位精度和算法的收敛速度.
【总页数】5页(P203-207)
【作者】江歌;李志华
【作者单位】河海大学能源与电气学院,南京 211100;河海大学能源与电气学院,南京 211100
【正文语种】中文
【中图分类】TP929
【相关文献】
1.面向非视距环境的室内定位算法 [J], 毛科技;邬锦彬;金洪波;苗春雨;夏明;陈庆章
2.非视距环境下基于粒子群的超宽带定位算法 [J], 张然;宋来亮;冉龙俊
3.基于非视距鉴别的超宽带室内定位算法 [J], 曾玲;彭程;刘恒
4.非视距环境下基于二阶锥规划的RSS定位算法 [J], 金小萍;梁俊;谢少枫
5.一种非视距环境下的目标定位算法 [J], 齐小刚;张海洋;魏倩
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非暴露空间超宽带安全应急定位系统
技术规范
1范围
本标准规定了非暴露空间超宽带安全应急定位系统的基本架构及对相关设备的功能、性能、测试、网络传输、数据协议和信息安全等方面的要求。
本标准适用于非暴露空间超宽带安全应急定位系统的设计、施工、测试和验收。
2规范性引用文件
下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。
凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单或者修订版均不适用于本标准。
凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。
GB50116-2013 火灾自动报警系统设计规范；
GB 9254-2016 信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法；
GB31241-2014 便携式电子产品用锂电池和电池组安全要求；
GB/T14436-1993 工业产品保证文件总则；
GB 5296.1-1997 消费品使用说明总则。
GB 17859-1999 计算机信息系统安全保护等级划分准则
YD/T2237-2011超宽带（UWB）设备技术要求和测试方法
3术语和定义
下列术语和定义适用于本标准
3.1标签Tag
安装或佩戴在被监测的固定或移动设备（人）上，用于精确定位被监测体的实时位置的设备。
3.2基站BS(base station)
固定安装在指定的位置，用于和标签沟通，进行标签的精确定位数据收集；同时监测火情，若发现火情，发出火警疏散鸣叫，并实时将信息通过专网传给后台服务器。
3.3后台服务器Server
安装在指定机房，用于接收处理基站发送过来的数据。
并将信息和地图进行融合的大数据处理系统。
3.4火警显示系统FRS(Fire report system)
标签和基站采集的信息，经后台服务器处理后，以直观的方式直接显示在指挥/监控室。
4缩略语
下列缩略语适用于本文件。
UWB Ultra WideBand 无线超宽带
OTA Over-the-Air Technology 空间下载技术
5总则
5.1系统组成
非暴露空间超宽带安全应急定位系统组成见图1。
图 1非暴露空间超宽带安全应急定位系统组成
5.1.1非暴露空间超宽带安全应急定位系统是由标签、基站、后台服
务器、火情定位显示系统和传输网络组成。
5.1.2火情探测系统通过标签进行火情探测
5.1.3标签和基站以无线射频技术进行精确定位。
5.1.4基站可通过有线或无线网络将火情信息发送给后台服务器5.1.5火情定位系统依据后台服务器资料结合测绘地图完成三维定
位显示。
5.2系统总体要求
5.2.1可实现暴露空间和非暴露空间之间的无缝定位切换。
5.2.2具有可靠性冗余。
设备出现故障时，有备用方案可保证系统正
常工作，并上报故障设备的具体信息。
5.2.3可及时、准确的探测出火情，并能在第一时间将发生险情的精
确位置及信息上报；可以直观、立体的显示险情所在的位置。
5.2.4移动设备（标签）具有火情探测和报警功能。
5.2.5所有基站须满足IP67防尘防水标准。
6技术要求
6.1标签
6.1.1标签技术架构
图 2标签系统架构示意图
6.1.1.1标签的辐射发射
标签的辐射发射应满足YD/T2237-2011中关于等效全向辐射功率谱密度的要求。
发射信号带宽为-10Db带宽,并应不小于500MHz.SRRC 认证要求功能要求
6.1.1.2定位
非暴露空间精确定位功能：通过标签和基站间的沟通及数据运算处理，实现标签的精确定位。
暴露空间多维定位功能：应定位需求，可以实现和北斗对接，实现多维场景定位显示，直视现场状况。
移动解析定位：佩戴标签的物体（人）处理运动状况下，结合数据解析可以实现移动定位，并保证定位精确。
6.1.1.3求救
触发标签求救按钮，可实现求救功能；结合定位功能，可以实时确定求救具体位置信息。
6.1.1.4OTA 升级
可现实标签OTA全面软件版本升级。
6.1.1.5休眠和唤醒
可以依据设备条件自动进入休眠状态和自动唤醒功能。
6.1.1.6充电
标签配有移动电池，在电池低电压时会有电量过低告警以提示充电，经充电后，电池可恢复电量以保证标签持续工作。
6.1.2性能要求
6.1.2.1定位精度
可实现空旷空间±30mm的精确定位
6.1.2.2电池续航
无北斗工作，充满一次电可以连续工作40小时；
有北斗工作，充满一次电可以连续工作3小时。
6.1.2.3休眠
充满一次电可以连续休眠12个月。
6.2基站
6.2.1基站技术架构
图 3基站系统架构示意图
6.2.1.1辐射发射应满足YD/T2237-2011中关于等效全向辐射功率谱
密度的要求。
发射信号带宽为-10Db带宽,并应不小于500MHz 6.2.1.2满足烟感GB50116-2013火灾自动报警系统设计规范要求6.2.2功能要求
6.2.2.1精确定位
与标签配合，实现高精度定位
6.2.2.2火情感测
火情探测系统和报警应满足GB50116-2013火灾自动报警系统设计规范的要求。
6.2.2.3可靠性冗余
在整个组网系统中，当设备出现故障后，有备份方案使整个网络还能正常工作；同时上报服务器故障设备的具体信息。
6.2.2.4警报
当发生火情后，可以发出火警以告知人员疏散。
6.2.2.5安装
配有安装支架，支持吸顶，挂壁，抱杆多方式安装。
6.2.2.6可调角度
因安装位置的复杂性，为确保天线的效能最大化，设需要支持方向可调。
6.2.3性能要求
6.2.3.1和标签配合，使之满足定位精度要求。
6.2.3.2所有基站的时间同步满足±1.5us.
6.2.3.3满足IP67防尘防水标准
6.3后台服务器
6.3.1功能要求
满足大数据处理能力在服务器的集中式处理情况下，并发处理能力不低于5000标签同时定位解算和调度。
具备对0维、1维、2维定位数据的自动处理，具有对定位结果和高精度数字地图进行匹配修正的能力。
被监测物移动轨迹追溯功能要求在5000标签下，对每个标签定位数据的存储、显示、查询和轨迹追溯功能。
标签历史数据记录时间30天。
6.3.2性能要求
（1）支持7*24小时连续在线服务；
（2）系统响应时间≤3秒；
（3）平台可扩展性强，配置步骤少；
（4）终端并发支持不少于1000；
（5）在稳定性上，支持服务器分布式集群技术和负载均衡技术。
6.4火情显示系统
6.4.1功能要求
6.4.1.1直观显示整体地图
1. 电子地图需体现空间各功能分区，并渲染不同颜色；
2. 保正矢量数据在内容与空间上的完整性；
3. 电子地图应显示各个已安装的烟雾报警器的准确位置
6.4.1.2直观显示火情精确位置
在地图上应能明确显示触发火情的传感器的位置，并对传感器进行闪烁处理，以充分对人员进行提醒。
必要时可通过发出声音警报，向值班人员发送提醒短信等多手段提示火情的发生和精确位置。
6.4.1.3可实现整体缩小、局部放大、旋转多视角功能
应可以通过操作界面实现地图的整体放大，缩小；局部放大，缩小；并实现地图的多视角旋转，以显示不同视角下非暴露空间不同角度环境的细节。
6.4.2性能要求
报警精度要求，误差≤30厘米；
报警系统时延≤30s；
6.5网络传输
6.5.1标签和基站间网络传输
标签和基站无线网络进行数据传输，采用的无线网应具足够的带宽、稳定性和安全性，能够满足数据实时传输要求。
6.5.2基站和基站间网络传输
基站和基站间通过有线或无线进行数据传输，所有组网基站的时间同步精确性和稳定性，能够满足所有基站的数据处理都处于一定精度要求内。
6.5.3基站和后台服务器间网络传输
基站和后台服务器通过有线或无线进行数据传输，应满足后台服务器能实时、精确的完成数据处理，并将处理结果由火情定位系统完成显示，并实现报警功能。
6.5.4信息安全网络信息
系统需要满足GB 17859计算机信息系统安全保护等级划分准则中规定的安全标记保护级，要求服务器和通信网络具有系统审计保护级所有功能。
此外，还提供有关安全策略模型、数据标记以及主体对客体强制访问控制的非形式化描述；具有准确地标记输出信息的能力；能够消除通过测试发现的任何错误。
7测试方法7.1系统测试
7.2标签测试
7.3基站测试
8电磁兼容性要求
独立无线设备的电磁兼容性要求应符YD/T2237-2011超宽带（UWB）设备技术要求和测试方法中关于全向辐射发射的要求。
含有插入式无线设备的主设备或者组合设备的电磁兼容性要求应符合主设备或组合设备的电磁兼容性要求。