今天我們講講什么是UWB室內(nèi)定位技術(shù)
超寬帶：英文翻譯(Ultra Wideband, UWB)技術(shù)的歷史可以追溯到上個(gè)世紀(jì)50年代
超寬帶技術(shù)是一種全新的、與傳統(tǒng)通信技術(shù)有極大差異的通信新技術(shù)。它不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波，而是通過(guò)發(fā)送和接收具有納秒或納秒級(jí)以下的極窄脈沖來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，從而具有GHz量級(jí)的帶寬。
超寬帶系統(tǒng)與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)相比，具有穿透力強(qiáng)、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供精確定位精度等優(yōu)點(diǎn)。因此，超寬帶技術(shù)可以應(yīng)用于室內(nèi)靜止或者移動(dòng)物體以及人的定位跟蹤與導(dǎo)航，且能提供十分精確的定位精度。
2002年4月，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)發(fā)布了民用UWB設(shè)備使用頻譜和功率的初步規(guī)定。規(guī)定中將相對(duì)帶寬大于0.2或在傳輸?shù)娜魏螘r(shí)刻帶寬大于500MHz的通信系統(tǒng)稱為UWB系統(tǒng)。
FCC對(duì)UWB系統(tǒng)所使用的頻譜范圍規(guī)定為3.1-10.6GHz，發(fā)射機(jī)的有效各向同性發(fā)射功率不得高于-41.3dBm/MHz。
超寬帶無(wú)線電中的信息載體為脈沖無(wú)線電（IR，Impulse Radio）。脈沖無(wú)線電是指采用沖激脈沖（超短脈沖）作為信息載體的無(wú)線電技術(shù)。這種技術(shù)的特點(diǎn)是，通過(guò)對(duì)非常窄（往往小于1ns）的脈沖信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，以獲得非常寬的帶寬來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。
UWB技術(shù)原理：
1、說(shuō)道UWB定位原理必須先從UWB的測(cè)距原理說(shuō)起
雙向飛行時(shí)間法(TW-TOF，two way-time of flight )每個(gè)模塊從啟動(dòng)開(kāi)始即會(huì)生成一條獨(dú)立的時(shí)間戳。模塊A的發(fā)射機(jī)在其時(shí)間戳上的Ta1發(fā)射請(qǐng)求性質(zhì)的脈沖信號(hào)，模塊B接收機(jī)在其時(shí)間戳上的Tb1接收到該信號(hào)。對(duì)信號(hào)加以一定的處理手段后，模塊B在Tb2時(shí)刻發(fā)射一個(gè)響應(yīng)性質(zhì)的信號(hào)，被模塊A在自己的時(shí)間戳Ta2時(shí)刻接收。由此可以計(jì)算出脈沖信號(hào)在兩個(gè)模塊之間的飛行時(shí)間，從而確定飛行距離。
2、再來(lái)接著更詳細(xì)的把測(cè)距原理說(shuō)清楚
TOF測(cè)距方法屬于雙向測(cè)距技術(shù)，它主要利用信號(hào)在兩個(gè)異步收發(fā)機(jī)(Transceiver)之間往返的飛行時(shí)間來(lái)測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離。因?yàn)樵谝暰嘁暰€環(huán)境下，基于TOF測(cè)距方法是隨距離呈線性關(guān)系，所以結(jié)果會(huì)更加精準(zhǔn)。
我們將發(fā)送端發(fā)出數(shù)據(jù)包和接收回應(yīng)的時(shí)間間隔記為T(mén)TOT，接收端收到數(shù)據(jù)包和發(fā)出回應(yīng)的時(shí)間間隔記為T(mén)TAT。那么數(shù)據(jù)包在空中的單向飛行時(shí)間TTOF可以計(jì)算為：
3、然后根據(jù)TTOF與電磁波傳播速度的乘積便可算出兩點(diǎn)間距離。d = c × TTOF
TOF 測(cè)距方法有兩個(gè)關(guān)鍵的約束：
1、發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備必須始終同步；
2、接收設(shè)備提供信號(hào)的傳輸時(shí)間的長(zhǎng)短。為了實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步，TOF 測(cè)距方法采用了時(shí)鐘偏移量來(lái)解決時(shí)鐘同步問(wèn)題。但由于TOF測(cè)距方法的時(shí)間依賴于本地和遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)，測(cè)距精度容易受兩端節(jié)點(diǎn)中時(shí)鐘偏移量的影響。為了減少此類錯(cuò)誤的影響，這里采用反向測(cè)量方法，即遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包，本地節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包，并自動(dòng)響應(yīng)，通過(guò)平均在正向和反向多次測(cè)量的平均值，減少對(duì)任何時(shí)鐘偏移量的影響，從而減少測(cè)距誤差。
UWB測(cè)距技術(shù)的主要誤差來(lái)源：
非視距傳播
視距傳播是得到準(zhǔn)確的信號(hào)特征測(cè)量值的必要條件，當(dāng)兩個(gè)點(diǎn)之間不存在直接傳播路徑時(shí)，只有信號(hào)的反射和衍射成分能夠到達(dá)接收端，此時(shí)第一個(gè)到達(dá)的脈沖的時(shí)間不能代表真實(shí)值，存在非視距誤差。
UWB定位技術(shù)原理
前面詳細(xì)介紹了UWB的測(cè)距原理，掌握了測(cè)距原理之后再來(lái)說(shuō)定位原理就簡(jiǎn)單了。其實(shí)UWB的定位原理和衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理很相似。如下圖1，天上的衛(wèi)星坐標(biāo)為已知，地上的接收設(shè)備同時(shí)接收到四個(gè)衛(wèi)星的信號(hào)就能確定自己的位置坐標(biāo)（平面和高程坐標(biāo)）。UWB的定位原理就是通過(guò)在室內(nèi)布置4個(gè)已知坐標(biāo)的定位基站，需要定位的人員或者設(shè)備攜帶定位標(biāo)簽，標(biāo)簽按照一定的頻率發(fā)射脈沖，不斷和四個(gè)已知位置的基站進(jìn)行測(cè)距，通過(guò)一定的算法精確的計(jì)算出定位標(biāo)簽的位置。
UWB定位精度和標(biāo)簽容量
1：定位精度
我們的UWB超寬帶與IMU相互校準(zhǔn)（10Hz） 有效減少多徑效應(yīng)帶來(lái)的衰減 ，加入 了機(jī)器學(xué)習(xí)算法 ，定位精度：實(shí)測(cè)99.73% 復(fù)雜環(huán)境靜態(tài)1厘米； 動(dòng)態(tài)高達(dá)2厘米，一般10厘米 。
2：標(biāo)簽容量
每個(gè)UWB系統(tǒng)的定位標(biāo)簽反復(fù)發(fā)出脈沖數(shù)據(jù)包，這個(gè)數(shù)據(jù)包是由一串超寬頻脈沖組成的。由于這些標(biāo)簽是不同時(shí)發(fā)送和每個(gè)標(biāo)簽發(fā)送的時(shí)間極短,持續(xù)不斷的數(shù)據(jù)包碰撞概率是很小的，所以，在同一地區(qū)可以處理幾百個(gè)到幾千個(gè)定位標(biāo)簽。
UWB定位基站布置原則
一：精確的三維定位每隔50-100米步驟一個(gè)定位基站，使得任意時(shí)刻都有四個(gè)基站能接收到標(biāo)簽發(fā)出的脈沖。
二：一維定位就是測(cè)距應(yīng)用，適合用于隧道，礦井對(duì)定位精度不高場(chǎng)景，精度在0.3米左右。
三、通過(guò)使用UWB的測(cè)距功能，可以擴(kuò)展如下的一些應(yīng)用，測(cè)距精度在10厘米左右
遮擋對(duì)UWB影響的幾點(diǎn)說(shuō)明
遮擋主要指UWB定位基站和定位標(biāo)簽之間存在障礙物，阻礙了信號(hào)直接被互相接收，從而影響定位。
遮擋對(duì)UWB定位的影響主要分以下幾種情形
1：實(shí)體墻；一睹實(shí)體墻的這種遮擋將使得UWB信號(hào)衰減60-70%定位精度誤差上升30厘米左右，兩睹或者兩睹以上的實(shí)體墻遮擋，將使得UWB無(wú)法定位。
2：鋼板；鋼鐵對(duì)UWB脈沖信號(hào)吸收很嚴(yán)重，將使得UWB無(wú)法定位。
3：玻璃；玻璃遮擋對(duì)UWB定位精度沒(méi)太大影響。
4：木板或紙板，一般厚度10厘米左右的木板或紙板對(duì)UWB定位精度沒(méi)太大影響。
5：電線桿或數(shù)目，電線桿或者書(shū)面遮擋時(shí)需要看他們之間距離基站或者標(biāo)簽的距離，和基站和標(biāo)簽的相對(duì)距離比較是否很小，比如，基站和定位標(biāo)簽距離50米，電線桿或者樹(shù)木正好在兩者中間，25米
處，這種遮擋就無(wú)大的影響，如離基站或者標(biāo)簽距離很近小于1米，影響就很大。
