超宽带室内定位关键技术_张令文
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)。
基于UWB和IMU的复杂室内环境下定位研究

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基于超宽带通信技术的室内定位系统研究及应用

基于超宽带通信技术的室内定位系统研究及应用第一章:绪论伴随着信息化、智能化的不断发展,室内定位系统在商业、生活等领域得到了广泛的应用。
目前,卫星导航系统定位因信号受限而无法覆盖室内环境,导致室内定位成为了研究的热点之一。
超宽带通信技术(Ultra-wideband, UWB)作为一种新型的室内定位技术因其具有大带宽、高定位准确度、强抗干扰能力而备受关注。
本论文主要介绍基于超宽带通信技术的室内定位系统研究及应用。
具体内容分为四个部分:第一部分为超宽带通信技术的基本原理以及在室内定位系统中的应用;第二部分为相关的室内定位算法;第三部分为超宽带定位系统实验,并进行分析和评估;最后一部分为总结和展望。
第二章:超宽带通信技术在定位系统中的应用2.1 超宽带通信技术的基本原理超宽带通信技术是一种传输带宽极宽的无线通信技术。
与其他无线通信技术相比,超宽带通信技术具有以下优势:(1)大带宽超宽带通信技术频谱利用率高,频率带宽达到500MHz或以上,传输速率可以达到Gbps级别。
(2)高定位精度超宽带通信技术利用的是无线波在空中传播中的信号的时间差、相位差等信息,具有较高的定位精度。
(3)抗干扰能力强超宽带通信技术在传输时使用的是UWB脉冲信号,具有独特的时间域特性,可以有效的抵抗多径衰落、多途干扰等问题。
2.2 超宽带通信技术在室内定位系统中的应用超宽带通信技术在室内定位系统中的应用主要是利用其高精度的定位功能来实现室内位置识别、物品跟踪等功能。
目前,超宽带室内定位系统主要分为两种类型:(1)基于TOA(Time of Arrival)的超宽带定位系统基于TOA的超宽带定位系统主要利用超宽带信号在移动物体和室内各个基站之间传输的到达时间差来确定移动物体的位置。
(2)基于TDOA(Time Difference of Arrival)的超宽带定位系统基于TDOA的超宽带定位系统是将接收到的信号的到达时间差转化为物体位置距离和方位角信息,并进一步确定物体位置。
基于超宽带通信的高精度定位系统设计

基于超宽带通信的高精度定位系统设计李园园;李勇【摘要】针对目前流行的室内定位技术定位精度差的问题,提出了基于STM32F103RBT6和DecaWave的单片收发一体射频芯片DW1000的超宽带(UWB)通信定位方案,设计了系统的软硬件,讨论了相关定位算法.系统中被测节点(Tag)与锚节点(Anchor)通过双向TDOA算法得到两者之间的距离,Tag与多个Anchor的距离通过UWB通信被汇总至定位服务器,由定位服务器三角质心定位算法测算出Tag的三维空间坐标.实验结果表明,系统在LOS环境下具有较高的精度,在NLOS环境下也具有良好表现.【期刊名称】《单片机与嵌入式系统应用》【年(卷),期】2016(016)009【总页数】4页(P23-26)【关键词】室内定位;UWB;TDOA;三角质心算法【作者】李园园;李勇【作者单位】中山职业技术学院,中山528404;中山职业技术学院,中山528404【正文语种】中文【中图分类】TN98无线定位技术是利用射频信号和几种常用定位算法,实现定位、追踪和监测特定目标位置的技术。
常见的定位技术有:①WiFi定位技术,该技术前期在室外定位上应用较多,但随着GPS的普及,关于WiFi定位技术的研究转移到室内定位,主要特点是应用成本低、定位空间广,但定位精度不高,能达到以米为单位的定位精度[1];②蓝牙定位技术,主要适用于室内定位,定位精度高于WiFi定位技术,室内环境对定位精度影响较大[2];③ZigBee定位技术,该技术基于IEEE802.15.4标准,ZigBee定位随着物联网技术的发展越来越受到关注,定位精度适中,可以实现以米为单位的定位精度[3];④UWB定位技术,在理论上可获得厘米级甚至更高的定位精度,在精确定位应用中极具潜力,是当前无线定位技术的研究热点[4]。
通过检测各移动节点(Tag)到锚节点(Anchor)的距离和角度,使用三边测量法、三角测量法或最大似然估计法计算标签节点位置。
基于UWB的室内定位技术综述

基于UWB的室内定位技术综述本文旨在综述基于UWB(超宽带)技术的室内定位技术,介绍其现状、发展趋势、原理、算法和精度评估方法,并探讨其应用前景和研究方向。
UWB技术是一种利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据的无线通信技术,具有高带宽、低功耗、抗干扰能力强等优点。
在室内定位中,UWB技术通过测量信号传输时间差来实现位置定位。
室内定位技术是指通过无线信号、传感器、图像识别等技术,在室内环境中实现目标物体的位置定位。
根据定位原理,室内定位技术可分为基于测距的定位技术和基于非测距的定位技术。
其中,基于测距的定位技术包括TOA、TDOA、AOA等,基于非测距的定位技术包括指纹库定位、基于场景分析的定位等。
在室内环境中,UWB技术具有较高的定位精度和稳定性,是一种有效的室内定位技术。
UWB技术在室内定位中具有以下应用场景和优势:室内精确定位:UWB技术通过测量信号传输时间差,可以实现厘米级的室内定位精度,适用于工厂、仓库、医院等需要高精度定位的场所。
人员跟踪与定位:UWB技术可以用于人员跟踪与定位,实现智能监控、紧急救援等功能。
例如,在医院病房中,可以通过UWB技术对医护人员进行实时跟踪和定位,以便在紧急情况下快速找到医生。
物联网应用:UWB技术可以与其他无线通信技术相结合,实现物联网应用中的定位功能。
例如,在智能家居中,可以通过UWB技术对智能设备进行精确的定位和控制。
然而,UWB技术在室内定位中也存在一些挑战和限制。
UWB信号容易受到多径效应和噪声干扰,这可能导致定位精度的下降。
UWB技术在室内的覆盖范围相对较小,这限制了其应用场景。
UWB技术的硬件成本较高,这也限制了其广泛应用。
为了提高UWB室内定位技术的精度和稳定性,可以采取以下措施:引入多天线技术:通过在发射端和接收端使用多个天线,可以有效地减小多径效应和噪声干扰,提高信号的接收质量。
优化信号处理算法:针对UWB信号的特点,可以开发针对性的信号处理算法,以减小多径效应和噪声干扰对定位精度的影响。
一种改进的超宽带室内定位方法

c ie s w t D e v r i T OA sp o o e sn ih t e o u in o B s as a d c a a tro i a f c h wa r p s d u i g h g i r s l t f me o UW i l n h r ce fb gf t e l — n g l r e t e s r c si h n io me t o e t t h o i o . h sme h d c n p st n a p yn f h n o - i u f e n t e e vr n n s mae t e3 p s i n T i v a t i D t t o a o i o p li g o e i fr i t
A s atA m n t h i ai a fu r oerci r o law db n ( WB oio igt h o- b t c : i iga tesu t nt to r r eev s f t - ie ad U )p s i n c n l r t o h om e ur tn e
第2 7卷
第 3期
郑 州 轻 工 业 学 院 学 报 (自 然 科 学 版 )
JU N L F H N Z O NV R IYO H D SR ( a rlc ne O R A E G H UU IE S F OZ T UG TI U T Y N taSi c) N u e
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Ke o d :lawd b n ; d o oio i ;m iee c f r v ( D A) yw r s ut iea d i or si n t edf rn eo r a T O r n p tn g i a il
。
超宽带室内定位关键技术

t h e p r o b l e m o f UW B s i g n a l s a mp l i n g a n d t h e p r o b l e m o f t i me o f a r r i v a l( TOA ) e s t i ma t i o n
Ab s t r a c t :Th e h i g h t i me r e s o l u t i o n o f u l t r a — wi d e — h a n d( UW B) s i g n a l s f a c i l i t a t e s p r e c i s e p o s i
第2 8 卷第6 期
2 01 3年 1 1月 Leabharlann 数 据 采
集
与
处
理
Vo 1 . 2 8 NO . 6
No v. 20 13
J o u r n a l o f Da t a Ac q u i s i t i o n& P r o c e s s i n g
文章编号 : 1 0 0 4 — 9 0 3 7 ( 2 0 1 3 ) 0 6 — 0 7 0 6 — 0 8
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Two ke y c h a l l e ng e s a r e i s s ue d,i .e .
Com p r e s s i v e s e ns i ng t h e o r y i s a pp l i e d t o t h e p r o bl e m s ol v i n g a nd r e s e a r c h r e s ul t s a r e gi ve n
基于UWB的室内定位关键技术研究

基于UWB的室内定位关键技术研究摘要:超宽带(UWB)技术由于其具有高精度、低功耗、对多径干扰抑制能力强等优点,在室内定位领域具有广泛的应用前景。
本文主要研究基于UWB的室内定位关键技术,首先概述了UWB技术的基本原理及在室内定位中的应用优势,然后重点研究了基于UWB的室内定位系统的硬件设计和软件实现、UWB室内定位系统设计方案,最后通过实验验证了该技术的准确性和可靠性。
关键词:超宽带;室内定位;硬件;软件引言超宽带(UWB)技术是一种新型的无线通信技术,具有高精度、低功耗、抗干扰能力强等优点,被广泛应用于无线通信、雷达、室内定位等领域。
在室内定位方面,UWB技术通过发送和接收超宽带信号,利用信号到达时间差(Time Difference of Arrival, TDOA)或到达角度(Angle of Arrival, AOA)等参数来确定目标的位置。
与传统的定位技术相比,UWB技术具有更高的定位精度和更低的功耗,能够在复杂的多径干扰环境下进行高精度定位。
因此,本文主要研究基于UWB的室内定位关键技术,旨在提高定位精度和稳定性。
1. UWB技术简介超宽带(UWB)技术是一种新兴的无线载波通信技术,它利用纳秒至微秒级的宽脉冲进行通信,以较低功耗实现高速数据传输,在无线通信、室内定位等领域具有广泛的应用前景[1]。
UWB技术具有带宽宽、传输速率高、抗干扰能力强、功耗低等特点,使其在室内定位中具有明显的优势。
尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入。
在室内定位中,UWB技术通过测量信号的传输时间差或相位差,实现位置信息的精确测量[2]。
2. UWB室内定位技术原理UWB室内定位技术主要基于到达时间差(Time Difference of Arrival,TDOA)和到达角度差(Angle Difference of Arrival,ADOA)两种方法。
TDOA方法通过测量信号到达时间差来确定目标位置,而ADOA方法通过测量信号到达角度差来确定目标位置。
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s
) ) Tc)( 1 -( j-1
式中 : Tc 为 码 片 速 率 ; Ts 为 符 号 速 率 , Ts = N · } 是第i 个发送符号 ; 是给不 Tc; b 0, 1 c 0, 1} i∈ { j∈ { 同用户分配的扩频码字 , 用于多址接入 。 当信号经 过信道 , 接收到的信号可以表达为 )=s ( ; ) ( ) r( t t t 2 τ) + w( ( ; ) 式中 : 表 示 传 播 时 延 的 函 数; 表示加性 s t w( t τ) 高斯噪声 。 ) 对式( 中的信号进行采样 , 得到离散数学模型 2
N 1 2 -2 ( l n n 2 - 2 π σ) p =l 2 σ
T
2 0
) ( ; ) r( t t d t -s τ) ∫( ( ) 6
) 两次求导 6 对式 (
2 n 1 T (;) l p ) ( ; ) 'tτ ( r( t t d t+ = 2( s -s τ) 2 τ σ 0
超宽带室内定位关键技术
张令文1 杨 刚2
( ) 北京交通大学宽带无线移动通信研究所 , 北京 , 中国传媒大学信息工程学院 , 北京 , 1. 1 0 0 0 4 4; 2. 1 0 0 0 2 4 摘要 : 超宽带信号的高时间分辨率特性非常适合用于室内场景下的精确定位 。 本文回顾了超宽带 系 统 位 置 估 计 ,UWB) 问题 , 首先介绍了超宽带 ( 定位系统的 特 点 , 然后给出了定位基本原理, 指出了超宽带定 U l t r a w i d e b a n d 分别是超宽带信号 采 样 问 题 和 到 达 时 间 参 数 估 计 问 题 , 应用压缩感知理论 位系统设计中面临的两个重要挑战 , 解决问题并给出了最新研究成果 , 最后描述了一种精密实时的 UWB 商用定位系统 。 关键词 : 超宽带 ; 室内定位 ; 测距 ; 到达时间 中图分类号 : TN 9 2 9. 5 3 文献标志码 : A
引 言
近年来 , 室内定位技术和基于位置的应用成为 了研究热点 , 室内 定 位 在 商 业 、 公共安全和军事上 都有 广 泛 应 用 。 虽 然 G P S和 E 9 1 1也可以提供定 位服务 , 但是由于 G P S 定位信号无法穿透建筑物 , 它们不能提供精确的室内定位 , 要寻找一种新的定 位技术来弥补其不足 , 实现两种定位方法相结合的 无缝精确定位 。UWB 技 术 由 于 功 耗 低 、 抗多径效 果好 、 安全性高 、 系统复杂度低 、 能提供精确定位精 度等优点 , 在众多 无 线 定 位 技 术 中 脱 颖 而 出 , 成为 候选技术之一
N 1 2 -2 2 e x ( π σ) p- 2 2 σ ) 取对数 5 对式 (
) ( ; ) ) r( t t d t -s τ) 5 ( ∫( )(
2 0
T
图 1 F C C 针对室内频率资源分配图
机理还是技术实现都有极大的区别 。 实际上 , 超宽 带系统是产生 、 发射 、 接收 、 处理极窄脉冲信号的无 线电系统 。 超宽带 系 统 中 发 射 的 脉 冲 一 般 是 脉 宽 这种窄脉冲具有非常宽的频 小于l n s的高斯脉冲 , 谱 。 随着相 关 电 子 技 术 的 发 展 , 宽 度 在 0. 2n s以 下的窄脉冲产生器已经研究成功 , 这种窄脉冲的相 对带宽接 近 甚 至 大 于 2 0 0% 。 与 传 统 的 无 线 电 探 在 超 宽 带 探 测 系 统 中 不 需 要 载 频, 测系统相比较 , 能够直接用产生的窄脉冲去激励天线 、 辐射电磁波 来进行目标的探测 。
∫
T
( ; ) ) s ' t d t τ) ∫- (
2 0
( )7
) 取平均 7 对式 (
2 n l 1 T (;) p 2 ( ) s ′tτ ) d t 8 =- 2 ( 2 τ σ 0 OA 的 最 小 均 方 估 计 误 差 的 下 界 最终得 到 T
E
( ) ∫
T
1 . 1 UWB 定位系统的特点
U l t r a i d e B a n d B a s e d I n d o o r P o s i t i o n i n T e c h n o l o i e s -W - g g
1 2 , Z h a n L i n w e n Y a n G a n g g g g
第2 8卷第6期 2 0 1 3年1 1月
数 据 采 集 与 处 理 J o u r n a l o f D a t a A c u i s i t i o n &P r o c e s s i n q g
V o l . 2 8N o . 6 N o v . 2 0 1 3
( ) 1 0 0 4 9 0 3 7 2 0 1 3 0 6 0 7 0 6 0 8 文章编号 : - - -
。
) 国家自然科学基金 ( 资助项目 。 6 1 1 0 1 2 3 7 基金项目 : ; 修订日期 : 2 0 1 3 0 3 1 8 2 0 1 3 0 4 1 8 收稿日期 : - - - -
第 6 期
张令文 , 等: 超宽带室内定位关键技术
7 0 7 ( ) 3
r + wn τ) n =s n( r n 在时延τ 条件下的联合概率密度为
[ ] 3 5 - , 拉美罗 ( 下界推导如 C r a m e r a o b o u n d C R B) -R 下。
( ) 9 其中
T
2 0 2 ( ; s t d t τ) 2 +∞
D S -UWB 系统下的发射信号可表达为
N
( )= s t
b∑ cp( t-i T ∑
i i j j=1
( , , , ; 1. I n s t i t u t e o f B r o a d b a n d W i r e l e s s M o b i l e C o mm u n i c a t i o n B e i i n J i a o t o n U n i v e r s i t B e i i n 1 0 0 0 4 4, C h i n a j g g y j g , , , ) 2. S c h o o l o f I n f o r m a t i o n E n i n e e r i n C o mm u n i c a t i o n U n i v e r s i t o f C h i n a B e i i n 1 0 0 0 2 4, C h i n a g g y j g
[ ] 1 2 -
1 UWB 定位技术
,UWB) 超宽带 ( 技术是一项 U l t r a w i d e b a n d - 短距离大带宽的 无 线 电 技 术 , 最 早 应 用 在 军 事 上, 由于其突出的性能 优 势 也 非 常 适 合 于 民 用 的 各 领 域, 因 此 近 年 来 各 国 对 UWB 技 术 格 外 重 视 。 UWB 系统的定义是1 0d B 衰减带宽大于中心频率 。 美国联 的2 0% 或 1 0d B 衰减带宽大于 5 0 0 MH z 邦通 讯 委 员 会 ( F e d e r a l c o mm u n i c a t i o n s c o mm i s - , 把 无 线 资 源 中 无 牌 照 的 3. s i o n F C C) 1 GH z至 1 0. 6GH z分配给 室 内 UWB 无 线 通 信 系 统 使 用 , 如图 1 所示 。 超宽带 技 术 是 基 于 极 窄 脉 冲 的 无 线 电 技 术 。 超宽带探测与传统的探测系统相比较 , 无论是工作
探测设备对目标的识别能力取决于其距离分 , 辨率和角度分辨率 ( 方位角和仰角 ) 而距离分辨率 又正比于 发 射 脉 冲 的 时 域 有 效 宽 度 。 UWB 信 号 具有上吉赫兹的带宽 、 亚纳秒级极窄脉冲的时间宽
] 1 2 - 。 度, 因此距离分 辨 率 极 高 , 可 以 达 到 厘 米 量 级[
N
N
1 2 2 -2 r s τ)) r 2 e x n- n( τ)= ( π σ) p - 2∑( p( n| 2 σ n=1
(
)
( ) 4 式中 : N 为采样点数 ; σ 为r n 的方差 。 ) 为了获得式 ( 连续的概率密度 4
2
r| i m p( r = τ)= l p( n τ)
N →+∞
是
σ t =-
2
1 = 2 n l p E 2 τ
σ
0
2
( )∫
T
=
2 ( ; ) s ′( t d t τ)
; s( t d t τ) E ·∫ = N ( ) ·β ; ( ; ) s( t d t s ′( t d t τ) τ) ∫ ∫
2
σ
2
0
1 -
2
T
T
2
2
0
0
实际 系 统 中 , 通 过 测 量 得 到 UWB 信 号 到 达 时 间 ( , 与已知信号传播速度( 光 T i m e o f a r r i v a l T OA) 速) 相乘 , 从而得到距离测量值 。T OA 估计值的克
: A b s t r a c t T h e h i h t i m e r e s o l u t i o n o f u l t r a i d e b a n d( UWB) s i n a l s f a c i l i t a t e s r e c i s e o s i -w - - g g p p t i o n e s t i m a t i o n i n i n d o o r s c e n a r i o s . T h e o f e s t i m a t i o n i n UWB s s t e m s i s r e r o b l e m o s i t i o n - y p p , v i e w e d b e i n n i n w i t h a n o v e r v i e w o f t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f UWB o s i t i o n i n s s t e m. T h i s o - g g p g y , o s i t i o n i n .T w o v e r v i e w i s f o l l o w e d b t h e f u n d a m e n t a l s o f k e c h a l l e n e s a r e i s s u e d i . e . p g y y g o f UWB s i n a l s a m l i n a n d t h e o f t i m e o f a r r i v a l( T OA) e s t i m a t i o n. r o b l e m r o b l e m t h e g p g p p C o m r e s s i v e s e n s i n t h e o r i s a l i e d t o t h e r o b l e m s o l v i n a n d r e s e a r c h r e s u l t s a r e i v e n. F i - p g y p p p g g , r e c i s e n a l l r e a l t i m e l o c a t i o n s s t e m f o r b u s i n e s s i s d e s c r i b e d . - p y a y : ; ; ; K e w o r d s u l t r a i d e b a n d( UWB) i n d o o r l o c a l i z a t i o n r a n i n t i m e o f a r r i v a l( T OA) -w - - - g g y