學(xué)技術(shù) | 一文讀懂 UWB 定位原理

UWB測(cè)距原理

無(wú)線定位基本概念

無(wú)線定位：通過(guò)對(duì)無(wú)線電波的一些參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)特定的算法來(lái)判斷被測(cè)物體的位置。測(cè)量參數(shù)一般包括無(wú)線電波的傳輸時(shí)間、幅度、相位和到達(dá)角等。

基于三角關(guān)系定位技術(shù)：先要測(cè)量已知位置的參考點(diǎn)（A， B， C 三點(diǎn)）與被測(cè)物體之間的距離(R1， R2， R3)，然后利用三角知識(shí)計(jì)算被測(cè)物體的位置。
l ToF：基于電磁波到達(dá)時(shí)間，換算出距離采樣的定位模式
l TDoA:固定基站在精確同步的條件下，基于電磁波達(dá)到時(shí)間差，換算出距離差的定位模式
l 地圖服務(wù)器：在統(tǒng)一的坐標(biāo)體系中，將（空間對(duì)象元素，位置信息）保存在后臺(tái)地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中，并按照一定比例尺通過(guò)地圖界面統(tǒng)一展現(xiàn)。

定位精度：地圖上顯示的位置，與終端實(shí)際物理位置的偏差值。

定位時(shí)延：在地圖上顯示終端位置的實(shí)際刷新周期。

UWB技術(shù)

超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術(shù)是一種無(wú)線載波通信技術(shù)，它不采用正弦載波，而是利用納秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，因此其所占的頻譜范圍很寬。

UWB技術(shù)具有系統(tǒng)復(fù)雜度低，發(fā)射信號(hào)功率譜密度低，對(duì)信道衰落不敏感，截獲能力低，定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于室內(nèi)等密集多徑場(chǎng)所的高速無(wú)線接入。

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UWB特點(diǎn)

首先是超寬頻，其頻率覆蓋從3G~5G，6G~10G 共7G 的頻段，單信道帶寬超過(guò)500MHz。

其次是功率低，按FCC 等法規(guī)，其輸出功率被限制在-41dBm/MHz，按單個(gè)信道500MHz計(jì)算，其信道功率為-14.3dBm。

UWB頻域圖

再其次，超短脈沖，維持時(shí)間為零點(diǎn)幾納秒

UWB時(shí)域圖

工作頻段：

全球可用的頻段分布表如下
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各國(guó)UWB工作頻段

UWB信道劃分：

信道劃分中，有兩種信道，一種是500MHz 信道，另外一種為1GHz 信道，目前主要采用500MHz 信道。即信道1、2、3、5 這四個(gè)信道。

輸出功率和法規(guī)

FCC 的規(guī)定，最高不超過(guò)-41dBm/MHz.

FCC規(guī)范

中國(guó)的功率規(guī)定：

工作速率和靈敏度

DW1000 提供三種不同的工作速率，為110Kbps，850Kbps，6.8Mbps，在不同頻率和不同速率下，對(duì)應(yīng)的靈敏度不同。

測(cè)試條件：25℃

丟包率：1%

頻率偏差: ±10%

UWB的發(fā)展

UWB測(cè)距原理

TOF

ToF傳感器使用微小的發(fā)射器發(fā)射紅外光或者激光，其中產(chǎn)生的光會(huì)從任何物體反彈并返回到傳感器。根據(jù)光的發(fā)射與被物體反射后返回傳感器之間的時(shí)間差，傳感器可以測(cè)量物體與傳感器之間的距離。

上圖所示為雙向測(cè)距過(guò)程：設(shè)備A作為測(cè)量距離的發(fā)起者發(fā)起測(cè)距請(qǐng)求，設(shè)備B作為響應(yīng)者響應(yīng)和偵聽(tīng)設(shè)備A發(fā)起的無(wú)線電消息。A給B發(fā)送一個(gè)無(wú)線電消息并記錄它的發(fā)送時(shí)間戳t1，B收到信息后并在一個(gè)特定時(shí)時(shí)延treplyB 后發(fā)送一個(gè)回復(fù)給A，當(dāng)A收到回復(fù)并記錄一個(gè)接受時(shí)間戳t2后，再經(jīng)過(guò)一個(gè)特定的時(shí)延treplyA 發(fā)送一個(gè)無(wú)線電消息給B并記錄發(fā)送時(shí)間戳t3，最后B接收到信息并記錄時(shí)間戳t4。 由于往返時(shí)間皆已知，則可以得到：troundA= treplyB + 2TOF = t2 - t1 troundB = treplyA + 2TOF = t4 - t0

則信號(hào)的飛行時(shí)間為：TOF = (troundA - treplyA + troundB-treplyB）/4

注：radio message2 在troundA和troundB的計(jì)算中引入了兩次，所以最終計(jì)算飛行時(shí)間需要除以4 不是3.，有人會(huì)疑惑為什么要計(jì)算多次取平均值，首先任何定位都只能精確不能準(zhǔn)確，都存在誤差的，且UWB 在傳播中也存在多路徑效應(yīng)，反射和吸收，這些都會(huì)對(duì)精度產(chǎn)生一定影響，通過(guò)以上方法取平均值能使精度最大化。

UWB定位原理

ToF

AP1~AP3，分別指的是3個(gè)Anchor。

當(dāng)Tag與3個(gè)Anchor完成測(cè)距后，就會(huì)有3個(gè)對(duì)應(yīng)的距離值d1~d3。以Anchor為圓心，3個(gè)圓相交與1點(diǎn)即為T(mén)ag所在位置，這是一種理想模型。實(shí)際情況是，3個(gè)基站的距離在三維中實(shí)際是3個(gè)球相交。大多數(shù)情況，由于測(cè)距本身有誤差，所以3個(gè)球相交的是一個(gè)區(qū)域。算法要做的就是在這個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)取一個(gè)最接近標(biāo)簽真實(shí)位置的解。

三點(diǎn)定位原理

TDoA

Master（主）基站發(fā)送sync（同步）報(bào)文，Slaver（從）基站接收并做同步處理。

Tag（標(biāo)簽）發(fā)送poll報(bào)文，基站接收并記錄時(shí)間戳。

TDoA基站無(wú)線同步

AP1：記錄的poll到達(dá)時(shí)間為T(mén)1

AP2：記錄的poll到達(dá)時(shí)間為T(mén)2

AP3：記錄的poll到達(dá)時(shí)間為T(mén)3

由于AP1、AP2、AP3時(shí)間是同步的，所以

DT1=T1-T2，AP1與AP3之間的時(shí)間差DR1=C*（T1-T2），畫(huà)雙曲線1

DT2=T1-T3，AP1與AP2之間的時(shí)間差DR1=C*（T1-T3），畫(huà)雙曲線2

TDoA定位原理

【參考資料】
1、UWB 通信原理
2、無(wú)線測(cè)距定位原理
3、電子發(fā)燒友