【UWB】UWB基本定位原理

【UWB】UWB基本定位原理
⼀、
  UWB定位技术主要以dw1000芯⽚为基础实现室内外⾼精度定位⼯作,之所以能够实现定位的关键性因素有如下⼀个⽅⾯:
    1.dw1000提供数据帧收发时纪录时间戳,这是能够进⾏两点间测距的基本条件,简单来说,
通过计算数据在空中飞⾏时间*光速=数据飞⾏距离,从⽽测出两节点间的距离。
    2.有了数据帧收发时间戳,那么就必须提供⾜够⾼的时钟精度,因为1ns的时间电磁波就传输了30cm,
dw1000提供了LDE的微代码,通过PLL使得时钟达到了64G的频率,当然,这个时钟仅提供给LDE使⽤,
使得dw1000具备了超⾼精度的时间戳,64G的时钟可以使得dw1000时钟分辨率为15.65ps。
    3.在以上基础上,可以实现两点间测距的功能,那么如果需要实现定位呢,则需要⼀个终端分别和多个通信,
分别得到终端与各个的距离,且,之间的位置与距离在部署前期通过测绘⼿段可以得到这些数据。
从⽽得到了终端在这个定位系统中的位置,⼀般使⽤球⾯相交法,通过输⼊终端离的距离,计算出精确的位置信息。⼆、TOF测距⽅式
  TOF即 time of flight飞⾏时间,直译为飞⾏时间测距法。
  这个⽅法最⼤的特点就是实现起来简单,最⼤的缺点就是精度低,既然是⾼精度定位,那么使⽤这种⽅法就不太合适了。
  以上测距⽅式理论上是说得过去的,但是其中存在⼏个影响测距精度的因素:
    1.当设备B在T2时刻收到POLL后需要等待⼀个固定的时间Tdelay然后在T3时刻发出RESPONSE数据包,那么,
问题出现了,我们在此处讲的Tdelay是⼀个绝对时间单位,⽐如3000us,但是A,B设备都有⾃⼰的时钟源,
并且要命的是时钟源的存在⾃我偏差,俗称PPM,⽐如:我们想Tdelay=3000us但是由于时钟源的偏差问题,
      导致真实时间过去了3000.5us,可是在设备A端进⾏计算的时候还是按照3000us的Tdelay进⾏计算,那么,
因为时钟源的偏差引⼊的0.5us的时间就被错误的当成是数据飞⾏的时间了。这样导致的结果就是,
两设备A,B的真实距离为1m,结果测试得到的距离为2.5m。
    2.再⼀个,Tdelay必须要事先双⽅约定好。不能有丝毫的差异,这对于设备B来说有些苛刻,
因为有时候设备B可能在Tdelay时间内⽆法将数据从芯⽚取出分析然后将要返回的RESPONSE数据包送⼊芯⽚内,
并让芯⽚在T3时刻发送出去。出现这样的情况将会导致测试失败。
三、TW_TOF测距⽅式
  基于上述TOF的缺陷,引⼊了TW_TOF这种测距⽅式,⽤于消除TOF的不良影响。
三种⽆线局域⽹定位技术:Wi-Fi、蓝⽛和UWB
在万物互联的⼤背景下,位置信息的获取和应⽤在项⽬落地中越来越重要。相对于室外定位,室内定位的⼯作环境更为复杂、精细,其技术更是多种多样。
⼀般情况下,我们根据技术原理和使⽤信号源的不同,可以将室内定位技术分为以下这些:
按定位原理划分:ID 定位、区间定位、三边定位、信号到达⾓定位、指纹定位、惯性推算等;按定位所使⽤的信号源划分:Wi-Fi定位、ZigBee定位、蓝⽛定位、UWB定位、RFID定位、卫星定位、低频触发定位、定位、声波定位、光定位、地磁定位等。未来,室内定位技术将席卷我们⽣产、⽣活的⽅⽅⾯⾯,例如:智慧⼯⼚⼈员及货物管理与调度、 ⽣产安全管理、地下停车场寻车导航、智慧⼤楼⼈员/访客定位管理、 会展位置导航等。
下⾯我们就来探讨⼀下,⽬前的⾏业应⽤中⽐较常见的、基于⽆线局域⽹的三种室内定位技术。
Wi-Fi
Wi-Fi定位,2010年前后,开始在基于定位标签的⼈员监控⾏业领域应⽤起来,2013年,基于⼿机的Wi-Fi探测等应⽤也随之崭露头⾓。
⽬前,Wi-Fi定位是⽐较流⾏的⼀种室内定位技术,其定位⽅法是基于信号强度的传播模型法和指纹识别法。
信号强度的传播模型法,是指使⽤当前环境下假设的某种信道衰落模型,根据其数学关系估计终端与已知位置AP间的距离,如果⽤户听到多个AP信号,就可以通过三边定位算法来获得⽤户的位置信息;指纹识别法,则是基于Wi-Fi信号的传播特点,将多个AP的检测数据组合成指纹信息,通过与参考数据对⽐来估计移动物体可能的位置。
在定位精度为⽶级的⼀些场景,可利⽤Wi-Fi进⾏覆盖,该技术适⽤于对⼈/车的定位导航,医疗机构、商场、主题公园等场景。
蓝⽛
2014年左右,基于蓝⽛的定位技术开始在监控定位领域被应⽤。
2017年7⽉,蓝⽛mesh正式推出,在⼀年半的时间⾥,已经有超过105种具有蓝⽛mesh⽹络功能的产品获得认证,其中包含芯⽚、协议栈、模组及终端产品供应商等。
为了满⾜位置服务市场不断增长的需求,全新蓝⽛5.1标准新增了寻向功能,可帮助设备明确蓝⽛信号的⽅向,进⽽帮助开发者解读设备⽅向的蓝⽛接近(proximity)解决⽅案,实现厘⽶级位置精度的蓝
⽛定位系统。
基于位置的蓝⽛服务解决⽅案通常分为两类:接近类解决⽅案和定位系统。⽆论是实时定位,还是室内定位,原理都是类似的,即在数据包传输中加⼊RSSI(接收信号强度)机制,通过RSSI来虚拟出产品的⼤致范围,再通过三边测量法,实现相互交集的测量算法,最终完成室内定位。
蓝⽛定位,只要设备的蓝⽛功能开启,就能够对其进⾏定位。蓝⽛传输不受视距的影响,但对于复杂的空间环境,蓝⽛系统的稳定性稍差,受噪声信号⼲扰⼤,且蓝⽛器件和设备的价格⽐较贵。
根据《2019蓝⽛市场最新资讯》显⽰,位置服务已成为增长最快的蓝⽛解决⽅案,预计未来五年其年复合增长率将达到43%。
蓝⽛定位主要⽤于对⼈的⼩范围定位,例如单层⼤厅或商店,现在已经被某些⼚商开始⽤于LBS推⼴。
UWB
近年来,随着UWB芯⽚⽅案的成熟和成本的下降,国内研究UWB定位技术的公司不断涌现。UWB是⼀种传输速率⾼(最⾼可达1000Mbps 以上),发射功率较低,穿透能⼒较强的⽆线定位技术。
UWB定位是由多个传感器采⽤TDOA(Time Difference of Arrival,到达时间差)和AOA定位算法对标签位置进⾏分析,具有多径分辨能⼒、精度⾼、定位精度可达厘⽶级等特点。
TDOA是⼀种利⽤到达时间差进⾏定位的⽅法⼜称为双曲线定位。标签卡对外发送⼀次UWB信号,在标签⽆线覆盖范围内的所有都会收到⽆线信号。如果有两个已知坐标点的收到信号,标签距离两个的间隔不同,那么这两个收到信号的时间点是不⼀样的。
基于信号时间的定位系统,例如UWB,⼀旦遇到墙体遮挡的情况就需要重新部署。同等⾯积,房间数量增加⼀倍,⽤量也将增加⼀倍,其在空旷场景更易部署。
⽬前使⽤UWB定位技术的⾏业是隧道、化⼯⼚、监狱、医院、养⽼院、矿井等⾏业。
局域⽹定位技术的⽐较
上述⼏种基于⽆线局域⽹的定位技术,其中,超宽带的定位系统,定位精度⼀般可达厘⽶级,但这样的定位应⽤范围较⼩,需对⽹络重新进⾏部署,并且使⽤者需要使⽤专⽤的信号测量设备,实现成本较⾼;其他定位⽅式的精度虽然稍差,同时成本也较低,⼀般使⽤信号强度作为参考。
这⼏种⽆线局域⽹⼀般应⽤于室内场景,受到室内环境的复杂影响,信号接收强度会容易波动,仅使⽤信号强度很难实现精确定位。
因此,根据测量参数的不同,还可以使⽤基于接收信号到达时间法和基于接收信号到达⾓度的⽅法实现定位。
Wi-Fi、蓝⽛和UWB这三种技术,就定位精度来讲,UWB可达厘⽶级的定位,蓝⽛为厘⽶到⽶级,⽽Wi-Fi仅为⽶级的精度;就抗多径和抗⼲扰⽅⾯,UWB明显好于其他两者;就传输距离来看,Wi-Fi是最远的,UWB次之,蓝⽛传输距离最近;此外,在建设成本⽅⾯,UWB的成本要远远⾼于Wi-Fi和蓝⽛。
⽆线局域⽹定位主要应⽤于室内定位,根据信号的特点以及⽹络架构不同,其定位精度可从厘⽶级到⽶级。不同的场景,我们在选择具体的定位技术时,不光要考虑精度性能,还得考虑成本和功耗。因此,尽管UWB精度最⾼,但是其他的定位技术也各有⾃⼰的市场。
UWB和其他定位技术的优劣:
zigbee 带宽⼩,不适合⼤量数据通信,⼀个节点也很难与⼤量其他节点通信。

本文发布于:2024-09-21 02:46:10,感谢您对本站的认可!

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