什么是UWB室内定位技术

今天我们讲讲什么是UWB室内定位技术超宽带：英文翻译(Ultra Wideband, UWB)技术的历史可以追溯到上个世纪50年代超宽带技术是一种全新的、与传统通信技术有极大差异的通信新技术。它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有GHz量级的带宽。超宽带系统与传统的窄带系统相比，具有穿透力强、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。因此，超宽带技术可以应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航，且能提供十分精确的定位精度。2002年4月，美国联邦通信委员会(FCC)发布了民用UWB设备使用频谱和功率的初步规定。规定中将相对带宽大于0.2或在传输的任何时刻带宽大于500MHz的通信系统称为UWB系统。FCC对UWB系统所使用的频谱范围规定为3.1-10.6GHz，发射机的有效各向同性发射功率不得高于-41.3dBm/MHz。超宽带无线电中的信息载体为脉冲无线电（IR，Impulse Radio）。脉冲无线电是指采用冲激脉冲（超短脉冲）作为信息载体的无线电技术。这种技术的特点是，通过对非常窄（往往小于1ns）的脉冲信号进行调制，以获得非常宽的带宽来传输数据。
UWB技术原理：1、说道UWB定位原理必须先从UWB的测距原理说起双向飞行时间法(TW-TOF，two way-time of flight )每个模块从启动开始即会生成一条独立的时间戳。模块A的发射机在其时间戳上的Ta1发射请求性质的脉冲信号，模块B接收机在其时间戳上的Tb1接收到该信号。对信号加以一定的处理手段后，模块B在Tb2时刻发射一个响应性质的信号，被模块A在自己的时间戳Ta2时刻接收。由此可以计算出脉冲信号在两个模块之间的飞行时间，从而确定飞行距离。


2、再来接着更详细的把测距原理说清楚TOF测距方法属于双向测距技术，它主要利用信号在两个异步收发机(Transceiver)之间往返的飞行时间来测量节点间的距离。因为在视距视线环境下，基于TOF测距方法是随距离呈线性关系，所以结果会更加精准。我们将发送端发出数据包和接收回应的时间间隔记为TTOT，接收端收到数据包和发出回应的时间间隔记为TTAT。那么数据包在空中的单向飞行时间TTOF可以计算为：


3、然后根据TTOF与电磁波传播速度的乘积便可算出两点间距离。d = c × TTOFTOF 测距方法有两个关键的约束：1、发送设备和接收设备必须始终同步；2、接收设备提供信号的传输时间的长短。为了实现时钟同步，TOF 测距方法采用了时钟偏移量来解决时钟同步问题。但由于TOF测距方法的时间依赖于本地和远程节点，测距精度容易受两端节点中时钟偏移量的影响。为了减少此类错误的影响，这里采用反向测量方法，即远程节点发送数据包，本地节点接收数据包，并自动响应，通过平均在正向和反向多次测量的平均值，减少对任何时钟偏移量的影响，从而减少测距误差。


UWB测距技术的主要误差来源：非视距传播视距传播是得到准确的信号特征测量值的必要条件，当两个点之间不存在直接传播路径时，只有信号的反射和衍射成分能够到达接收端，此时第一个到达的脉冲的时间不能代表真实值，存在非视距误差。


UWB定位技术原理前面详细介绍了UWB的测距原理，掌握了测距原理之后再来说定位原理就简单了。其实UWB的定位原理和卫星导航定位原理很相似。如下图1，天上的卫星坐标为已知，地上的接收设备同时接收到四个卫星的信号就能确定自己的位置坐标（平面和高程坐标）。UWB的定位原理就是通过在室内布置4个已知坐标的定位基站，需要定位的人员或者设备携带定位标签，标签按照一定的频率发射脉冲，不断和四个已知位置的基站进行测距，通过一定的算法精确的计算出定位标签的位置。


UWB定位精度和标签容量1：定位精度我们的UWB超宽带实测99.73% 静态20厘米。2：标签容量每个UWB系统的定位标签反复发出脉冲数据包，这个数据包是由一串超宽频脉冲组成的。由于这些标签是不同时发送和每个标签发送的时间极短,持续不断的数据包碰撞概率是很小的，所以，在同一地区可以处理几百个到几千个定位标签。UWB定位基站布置原则一：精确的三维定位每隔50-100米步骤一个定位基站，使得任意时刻都有四个基站能接收到标签发出的脉冲。


二：一维定位就是测距应用，适合用于隧道，矿井对定位精度不高场景，精度在0.3米左右。


三、通过使用UWB的测距功能，可以扩展如下的一些应用，测距精度在10厘米左右


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