学技术 | 一文读懂 UWB 定位原理

 

UWB 测距原理
 

无线定位基本概念

无线定位：通过对无线电波的一些参数进行测量，根据特定的算法来判断被测物体的位置。测量参数一般包括无线电波的传输时间、幅度、相位和到达角等。

基于三角关系定位技术：先要测量已知位置的参考点（A， B， C 三点）与被测物体之间的距离(R1， R2， R3)，然后利用三角知识计算被测物体的位置。
l ToF：基于电磁波到达时间，换算出距离采样的定位模式
l TDoA:固定基站在精确同步的条件下，基于电磁波达到时间差，换算出距离差的定位模式
l 地图服务器：在统一的坐标体系中，将（空间对象元素，位置信息）保存在后台地图数据库中，并按照一定比例尺通过地图界面统一展现。

定位精度：地图上显示的位置，与终端实际物理位置的偏差值。

定位时延：在地图上显示终端位置的实际刷新周期。                                  

 

UWB技术

超宽带（Ultra Wide Band，UWB）技术是一种无线载波通信技术，它不采用正弦载波，而是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。

UWB技术具有系统复杂度低，发射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏感，截获能力低，定位精度高等优点，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入。

                                                                                                          

 

UWB 特点

首先是超宽频，其频率覆盖从3G~5G，6G~10G 共7G 的频段，单信道带宽超过500MHz。

其次是功率低，按FCC 等法规，其输出功率被限制在-41dBm/MHz，按单个信道500MHz计算，其信道功率为-14.3dBm。

 

UWB频域图

再其次，超短脉冲，维持时间为零点几纳秒

UWB时域图

工作频段：

全球可用的频段分布表如下
                                                 

各国UWB工作频段

 

UWB信道划分：

信道划分中，有两种信道，一种是500MHz 信道，另外一种为1GHz 信道，目前主要采用500MHz 信道。即信道1、2、3、5 这四个信道。

输出功率和法规

FCC 的规定，最高不超过-41dBm/MHz.

FCC规范

 

中国的功率规定：

工作速率和灵敏度

DW1000 提供三种不同的工作速率，为110Kbps，850Kbps，6.8Mbps，在不同频率和不同速率下，对应的灵敏度不同。

测试条件：25℃

丢包率：1%

频率偏差: ±10%

UWB 的发展

 

 

UWB 测距原理

TOF

ToF传感器使用微小的发射器发射红外光或者激光，其中产生的光会从任何物体反弹并返回到传感器。根据光的发射与被物体反射后返回传感器之间的时间差，传感器可以测量物体与传感器之间的距离。

 

上图所示为双向测距过程：设备A作为测量距离的发起者发起测距请求，设备B作为响应者响应和侦听设备A发起的无线电消息。A给B发送一个无线电消息并记录它的发送时间戳t1，B收到信息后并在一个特定时时延treplyB 后发送一个回复给A，当A收到回复并记录一个接受时间戳t2后，再经过一个特定的时延treplyA 发送一个无线电消息给B并记录发送时间戳t3，最后B接收到信息并记录时间戳t4。   由于往返时间皆已知，则可以得到：troundA= treplyB + 2TOF = t2 - t1         troundB = treplyA + 2TOF = t4 - t0                                                                         

则信号的飞行时间为：TOF = (troundA - treplyA + troundB-treplyB）/4

注：radio message2 在troundA和troundB的计算中引入了两次，所以最终计算飞行时间需要除以4 不是3.，有人会疑惑为什么要计算多次取平均值，首先任何定位都只能精确不能准确，都存在误差的，且UWB 在传播中也存在多路径效应，反射和吸收，这些都会对精度产生一定影响，通过以上方法取平均值能使精度最大化。

 

UWB 定位原理

ToF

AP1~AP3，分别指的是3个Anchor。

当Tag与3个Anchor完成测距后，就会有3个对应的距离值d1~d3。以Anchor为圆心，3个圆相交与1点即为Tag所在位置，这是一种理想模型。实际情况是，3个基站的距离在三维中实际是3个球相交。大多数情况，由于测距本身有误差，所以3个球相交的是一个区域。算法要做的就是在这个区域范围内取一个最接近标签真实位置的解。

三点定位原理

TDoA

Master（主）基站发送sync（同步）报文，Slaver（从）基站接收并做同步处理。

Tag（标签）发送poll报文，基站接收并记录时间戳。

 

TDoA基站无线同步

 

AP1：记录的poll到达时间为T1

AP2：记录的poll到达时间为T2

AP3：记录的poll到达时间为T3

 

由于AP1、AP2、AP3时间是同步的，所以

DT1=T1-T2，AP1与AP3之间的时间差DR1=C*（T1-T2），画双曲线1

DT2=T1-T3，AP1与AP2之间的时间差DR1=C*（T1-T3），画双曲线2

TDoA定位原理

 

【参考资料】
1、UWB 通信原理
2、无线测距定位原理
3、电子发烧友