超宽带室内定位关键技术_张令文

2020年第08期86UWB 超宽带无线定位系统研究与设计陶　凯华北电力大学，北京 102206摘要：文章以高精度定位需求为出发点，结合泛在电力物联网建设思想，采用 DecaWave 公司的 DW1000作为UWB（ Ultra -Wide Band，超宽带） 无线收发器，ST 公司的 STM32单片机作为定位系统的核心控制器，设计了UWB 定位系统基站标签一体化的硬件平台。

该平台可应用于电厂连续堆取料的斗轮机等高效装卸机械作业中，实现电厂堆取料作业的自动化。

在软件算法实现上，采用双向测距的机制准确估计基站（anchor）与标签（tag）之间的距离，通过下位机的硬件模块将测距信息发送给上位机进行处理。

上位机软件根据飞行时间（TOA -Time of Flight）定位算法计算标签与基站的距离，利用多个距离数据可计算出目标标签在三维空间中的坐标值。

此外，在坐标运算过程中采用改进的泰勒算法进行误差消除，从而完成高精度室内定位系统的设计与实现。

关键词：无线定位；UWB；飞行时间；定位系统；双向测距中图分类号：TN925.930 引言在巨大的市场需求的驱动作用下，建立室内实时定位系统（Real Time Location Systems，RTLS）［1］成为目前研究的焦点。

在定位系统的研究与设计中，UWB（Ultra -wideband，超宽带）技术已经在无线通信领域应用得极为广泛［2］。

相比于其他的传统无线信号，超宽带技术信号拥有更大的带宽，其频率范围在3.1 GHz~10.6 GHz ［3］。

同时，超宽带技术信号具有非常低的功率谱密度、高的时间分辨率［4］和良好的抗多径能力［5］。

因此，采用 UWB 技术的室内定位系统具有很高的实用价值。

在UWB 定位系统中，无线收发数据的芯片主要使用的是来自著名公司DecaWave 的产品——DW1000（超宽带无线收发芯片），该芯片根据基站与标签之间无线信号在空气中传播的时间（即飞行时间）来计算出该组物体之间的间隔距离，使用的测距算法为双边双向测距算法（dual -Sided Two -wayrange，DS -TWR）。

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基于超宽带通信技术的室内定位系统研究及应用第一章：绪论伴随着信息化、智能化的不断发展，室内定位系统在商业、生活等领域得到了广泛的应用。

目前，卫星导航系统定位因信号受限而无法覆盖室内环境，导致室内定位成为了研究的热点之一。

超宽带通信技术（Ultra-wideband, UWB）作为一种新型的室内定位技术因其具有大带宽、高定位准确度、强抗干扰能力而备受关注。

本论文主要介绍基于超宽带通信技术的室内定位系统研究及应用。

具体内容分为四个部分：第一部分为超宽带通信技术的基本原理以及在室内定位系统中的应用；第二部分为相关的室内定位算法；第三部分为超宽带定位系统实验，并进行分析和评估；最后一部分为总结和展望。

第二章：超宽带通信技术在定位系统中的应用2.1 超宽带通信技术的基本原理超宽带通信技术是一种传输带宽极宽的无线通信技术。

与其他无线通信技术相比，超宽带通信技术具有以下优势：（1）大带宽超宽带通信技术频谱利用率高，频率带宽达到500MHz或以上，传输速率可以达到Gbps级别。

（2）高定位精度超宽带通信技术利用的是无线波在空中传播中的信号的时间差、相位差等信息，具有较高的定位精度。

（3）抗干扰能力强超宽带通信技术在传输时使用的是UWB脉冲信号，具有独特的时间域特性，可以有效的抵抗多径衰落、多途干扰等问题。

2.2 超宽带通信技术在室内定位系统中的应用超宽带通信技术在室内定位系统中的应用主要是利用其高精度的定位功能来实现室内位置识别、物品跟踪等功能。

目前，超宽带室内定位系统主要分为两种类型：（1）基于TOA（Time of Arrival）的超宽带定位系统基于TOA的超宽带定位系统主要利用超宽带信号在移动物体和室内各个基站之间传输的到达时间差来确定移动物体的位置。

（2）基于TDOA（Time Difference of Arrival）的超宽带定位系统基于TDOA的超宽带定位系统是将接收到的信号的到达时间差转化为物体位置距离和方位角信息，并进一步确定物体位置。

基于超宽带通信的高精度定位系统设计李园园;李勇【摘要】针对目前流行的室内定位技术定位精度差的问题,提出了基于STM32F103RBT6和DecaWave的单片收发一体射频芯片DW1000的超宽带(UWB)通信定位方案,设计了系统的软硬件,讨论了相关定位算法.系统中被测节点(Tag)与锚节点(Anchor)通过双向TDOA算法得到两者之间的距离,Tag与多个Anchor的距离通过UWB通信被汇总至定位服务器,由定位服务器三角质心定位算法测算出Tag的三维空间坐标.实验结果表明,系统在LOS环境下具有较高的精度,在NLOS环境下也具有良好表现.【期刊名称】《单片机与嵌入式系统应用》【年(卷),期】2016(016)009【总页数】4页(P23-26)【关键词】室内定位;UWB;TDOA;三角质心算法【作者】李园园;李勇【作者单位】中山职业技术学院,中山528404;中山职业技术学院,中山528404【正文语种】中文【中图分类】TN98无线定位技术是利用射频信号和几种常用定位算法，实现定位、追踪和监测特定目标位置的技术。

常见的定位技术有：①WiFi定位技术，该技术前期在室外定位上应用较多，但随着GPS的普及，关于WiFi定位技术的研究转移到室内定位，主要特点是应用成本低、定位空间广，但定位精度不高，能达到以米为单位的定位精度［1］；②蓝牙定位技术，主要适用于室内定位，定位精度高于WiFi定位技术，室内环境对定位精度影响较大［2］；③ZigBee定位技术，该技术基于IEEE802.15.4标准，ZigBee定位随着物联网技术的发展越来越受到关注，定位精度适中，可以实现以米为单位的定位精度［3］；④UWB定位技术，在理论上可获得厘米级甚至更高的定位精度，在精确定位应用中极具潜力，是当前无线定位技术的研究热点［4］。

通过检测各移动节点（Tag）到锚节点（Anchor）的距离和角度，使用三边测量法、三角测量法或最大似然估计法计算标签节点位置。

基于UWB的室内定位技术综述本文旨在综述基于UWB（超宽带）技术的室内定位技术，介绍其现状、发展趋势、原理、算法和精度评估方法，并探讨其应用前景和研究方向。

UWB技术是一种利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据的无线通信技术，具有高带宽、低功耗、抗干扰能力强等优点。

在室内定位中，UWB技术通过测量信号传输时间差来实现位置定位。

室内定位技术是指通过无线信号、传感器、图像识别等技术，在室内环境中实现目标物体的位置定位。

根据定位原理，室内定位技术可分为基于测距的定位技术和基于非测距的定位技术。

其中，基于测距的定位技术包括TOA、TDOA、AOA等，基于非测距的定位技术包括指纹库定位、基于场景分析的定位等。

在室内环境中，UWB技术具有较高的定位精度和稳定性，是一种有效的室内定位技术。

UWB技术在室内定位中具有以下应用场景和优势：室内精确定位：UWB技术通过测量信号传输时间差，可以实现厘米级的室内定位精度，适用于工厂、仓库、医院等需要高精度定位的场所。

人员跟踪与定位：UWB技术可以用于人员跟踪与定位，实现智能监控、紧急救援等功能。

例如，在医院病房中，可以通过UWB技术对医护人员进行实时跟踪和定位，以便在紧急情况下快速找到医生。

物联网应用：UWB技术可以与其他无线通信技术相结合，实现物联网应用中的定位功能。

例如，在智能家居中，可以通过UWB技术对智能设备进行精确的定位和控制。

然而，UWB技术在室内定位中也存在一些挑战和限制。

UWB信号容易受到多径效应和噪声干扰，这可能导致定位精度的下降。

UWB技术在室内的覆盖范围相对较小，这限制了其应用场景。

UWB技术的硬件成本较高，这也限制了其广泛应用。

为了提高UWB室内定位技术的精度和稳定性，可以采取以下措施：引入多天线技术：通过在发射端和接收端使用多个天线，可以有效地减小多径效应和噪声干扰，提高信号的接收质量。

优化信号处理算法：针对UWB信号的特点，可以开发针对性的信号处理算法，以减小多径效应和噪声干扰对定位精度的影响。

基于UWB的室内定位关键技术研究摘要：超宽带（UWB）技术由于其具有高精度、低功耗、对多径干扰抑制能力强等优点，在室内定位领域具有广泛的应用前景。

本文主要研究基于UWB的室内定位关键技术，首先概述了UWB技术的基本原理及在室内定位中的应用优势，然后重点研究了基于UWB的室内定位系统的硬件设计和软件实现、UWB室内定位系统设计方案，最后通过实验验证了该技术的准确性和可靠性。

关键词：超宽带；室内定位；硬件；软件引言超宽带（UWB）技术是一种新型的无线通信技术，具有高精度、低功耗、抗干扰能力强等优点，被广泛应用于无线通信、雷达、室内定位等领域。

在室内定位方面，UWB技术通过发送和接收超宽带信号，利用信号到达时间差（Time Difference of Arrival, TDOA）或到达角度（Angle of Arrival, AOA）等参数来确定目标的位置。

与传统的定位技术相比，UWB技术具有更高的定位精度和更低的功耗，能够在复杂的多径干扰环境下进行高精度定位。

因此，本文主要研究基于UWB的室内定位关键技术，旨在提高定位精度和稳定性。

1. UWB技术简介超宽带（UWB）技术是一种新兴的无线载波通信技术，它利用纳秒至微秒级的宽脉冲进行通信，以较低功耗实现高速数据传输，在无线通信、室内定位等领域具有广泛的应用前景[1]。

UWB技术具有带宽宽、传输速率高、抗干扰能力强、功耗低等特点，使其在室内定位中具有明显的优势。

尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入。

在室内定位中，UWB技术通过测量信号的传输时间差或相位差，实现位置信息的精确测量[2]。

2. UWB室内定位技术原理UWB室内定位技术主要基于到达时间差（Time Difference of Arrival，TDOA）和到达角度差（Angle Difference of Arrival，ADOA）两种方法。

TDOA方法通过测量信号到达时间差来确定目标位置，而ADOA方法通过测量信号到达角度差来确定目标位置。

5G NR高精度室内定位系统设计作者：刘铭李听听陈刘伟程博来源：《中国新通信》2021年第15期【摘要】卫星定位受限于卫星信号室内覆盖能力弱，一般在室内环境下无法工作。

而基于运营商移动通信网络基站的定位技术以及基于WiFi的无线定位技术精度一般较低，通常为3-10米。

这样的定位精度对于一些室内应用如5G赋能工业物联网等应用场景还远不够，需将室内无线定位精准度提升至分米级、厘米级。

本文分析和对比了现有室内定位方案，提出5G NR高精度定位系统设计方案。

基于人工智能实现室内复杂时变环境下实时无线信道估计，为实时定位提供基础支撑，利用5G NR OFDM波形特征降低室内多径对定位精度的干扰，最后，采用时间反演理论完成时空聚焦，可支持室内多目标厘米级高精度室内实时定位。

【关键词】室内定位 5G NR 高精度人工智能时间反演Design of the 5G NR high precision indoor positioning systemLiu Ming，Li Tingting， Chen Liuwei*（The 7th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， GuangZhou 510310， China）Abstract：Subjected to the weak coverage ability， Satellite positioning is not available indoors. The positioning technology based on base station of operators and WiFi has low accuracy， which is 3-10m. Such positioning accuracy is not enough for some indoor applications such as 5G enabled industrial Internet of things and other application scenarios， and it needs to be further improved to centimeter level. This paper analyzes and compares the existing indoor positioning schemes， and puts forward the design scheme of the 5G NR high-precision positioning system. Based on artificial intelligence， real-time wireless channel estimation in indoor complex time-varying environment is realized to provide basic support for real-time positioning. The characteristics of the 5G NR OFDM waveform is used to reduce the interference of indoor multipath on positioning accuracy. Finally，time inversion theory is used to complete space-time focusing， which can support indoor multi-target centimeter level high-precision real-time indoor positioning.Key words：Indoor positioning; 5G NR; high-precision; artificial intelligence; time reversal.引言：5G時代带来的万物互联需求对室内定位的市场需求将起到极大的推动作用，5G时代将是以室内定位技术为基础的位置服务物联网在市场挑战下取得突破的重要机遇。

室内超宽带无线定位技术研究王子冉;李环【摘要】超宽带技术由于功耗低、抗多径干扰能力强、系统复杂度低、定位精度高等优点,已经成为室内无线定位技术中极具潜力的技术.基于到达时间差(TDOA)定位技术,提出了一种基于Taylor算法和Chan算法的定位方法,并对三种不同算法进行了比较,完成了室内超宽带无线定位算法的仿真.在FPGA开发平台上完成了对室内超宽带无线定位系统的设计.着重介绍了基带信号的帧结构、扩频码的选择、脉冲的生成和扩频码的同步捕获.对各个模块的功能和设计原理进行了描述,通过Verilog语言对室内超宽带无线定位系统的各部分模块进行设计与仿真.【期刊名称】《微型机与应用》【年(卷),期】2015(034)008【总页数】4页(P60-62,66)【关键词】室内定位;超宽带;FPGA;TDOA【作者】王子冉;李环【作者单位】沈阳理工大学信息科学与工程学院,辽宁沈阳110159;沈阳理工大学信息科学与工程学院,辽宁沈阳110159【正文语种】中文【中图分类】TN914定位是一种对未知物体的位置进行预判的技术。

超宽带定位系统可以提供的定位精度较高，尤其适用于室内定位系统中［1］。

TDOA定位技术只要求接收机时间精确同步，不要求测量接收机与发射机之间的绝对时间同步，所以，其时钟的精准度相对于基于到达时间定位方法更易于实现。

与基于达到强度和基于到达角度定位方法相比，这种方法可以更好地适应复杂的室内环境，定位精度高［2］。

本文针对TDOA定位算法，提出一种Taylor算法和 Chan算法相结合的定位算法，以提高定位精度。

而在超宽带通信系统中，窄带脉冲持续时间极短，带宽很宽，时间分辨率良好，抗多径能力强。

本文的室内超宽带定位系统在FPGA平台下完成，将基带信号扩频后采用脉冲无线电方式发射，在接收端解扩、解调后得出TDOA测量值，再将其带入到解算算法中，实现定位。

这种方式无需载波调制，系统复杂度低，实现简单。

uwb超宽带⽆线通信技术（⾼精度定位）UWB(定位技术)超宽带⽆线通信技术⼀、UWB调制技术超宽带⽆线通信技术（UWB）是⼀种⽆载波通信技术，UWB不使⽤载波，⽽是使⽤短的能量脉冲序列，并通过正交频分调制或直接排序将脉冲扩展到⼀个频率范围内。

它源于20世纪60年代兴起的脉冲通信技术。

传统通信⽅式使⽤的是连续波信号，即本地振荡器产⽣连续的⾼频载波，需要传送信息通过例如调幅，调频等⽅式加载于载波之上，通过天线进⾏发送。

现在的⽆线⼴播，4G通信，WIFI等都是采⽤该⽅式进⾏⽆线通信。

下图是⼀个使⽤调幅⽅式传递语⾳信号的的连续波信号产⽣⽰意图。

图1 连续波调幅信号⽽脉冲超宽带IR-UWB(Impluse Radio Ultra Wideband)信号，不需要产⽣连续的⾼频载波，仅仅需要产⽣⼀个时间短⾄nS级以下的脉冲，便可通过天线进⾏发送。

需要传送信息可以通过改变脉冲的幅度，时间，相位进⾏加载，进⽽实现信息传输。

下图是使⽤相位调制⽅式传输⼆进制归零码的IR-UWB信号产⽣⽰意图。

图2 IR-UWB调相信号从频域上看，连续波信号将能量集中于⼀个窄频率内，⽽UWB信号带宽很⼤，同时在每个频点上功率很低，如图3所⽰。

图3 IR-UWB信号频谱在⽆线定位中，使⽤IR-UWB信号相对于窄带信号的主要优势为，IR-UWB信号能准确分⽴⽆线传输中的⾸达信号和多径反射信号，⽽窄带信号不具备该能⼒。

主要有三种应⽤：成像、通信与测量和车载雷达系统，再宏观⼀点，可以分为定位、通信和成像三种场景。

·通信：因为⼤带宽，所以UWB⼀度被认为是USB数据传输的⽆线替代⽅案，蓝⽛的问题是传输速度太慢。

UWB还常⽤于军⽤保密通信，这主要也是因为UWB脉冲的能量很低，很容易低于噪声门限，不容易被其它⽆线电系统监听到。

UWB通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，能实现数百Mbit/s⾄2Gbit/s 的数据传输速率。

⽽且具有穿透⼒强、功耗低、抗⼲扰效果好、安全性⾼、空间容量⼤、能精确定位等诸多优点，可以说是个超级“潜⼒股”，很有可能在将来成为家庭主⽤的⽆线传输技术。

1超宽带室内定位原理及相关算法1.1超宽带室内定位原理超宽带（Ultra Wide Band ，UWB ）技术是频率带宽为1GHz 以上的一种无线载波通信技术，超宽带技术的频谱范围很宽，可通过纳秒级非正弦波窄脉冲传输数据。

因超宽带技术利用频谱极宽的优点对超宽基带脉冲进行通信，故又称为基带通信技术或无线载波通信技术。

超宽带技术有以下特点：1.1.1数据传输速率高在人们日常使用的民用商品中，会要求超宽带的信号传输范围在10m 以内，而由香农公式（1）我们可以计算出民用商品的数据传输速率可以达到500Mbit/s 。

C=B log2（1+S/N ）（1）其中，C 为信道容量（网速），B 为信道带宽（占用频率范围），S 为信号功率，N 为噪声功率，S/N 为信噪比。

可通过此公式实现从百Mbit/s 到数Gbit/s ，具有极高的数据传输速率。

超宽带技术是实现个人通信和无线局域网的一种理想调制技术，超宽带技术以超宽频率的带宽来换取高速的数据传输，不单独占用已经拥挤不堪的频率资源，而是采用共享其他无线技术使用的频带。

1.1.2抗多径干扰能力强在受到如墙壁、窗户等障碍物时，信号在传播过程中会因反射或折射等情况产生多径效应，从而限制其数据的传输速率，降低信号通信的质量。

使用超宽带技术通信时，可以在一定程度上降低多径效应。

因为超宽带信号是一种间断性发送、持续时间短、占空比低的脉冲信号，所以在多径下和时间上是不重复的。

因此超宽带信号可以较为容易地将多径分量分离，从而减少不同分量间的相互干扰。

超宽带技术采用的冲击脉冲调制和跳时码调制技术，为定位提供了更高的抗干扰能力。

1.1.3定位精度高超宽带是一种基于IEEE.15.4a/z 标准的无线电技术，可以非常精准地测量无线电信号的飞行时间，实现厘米级精度的位置测量。

目前超宽带定位技术的定位精度已成为业界内精度最高的商用无线定位系统。

在我们的日常生活中，经常会使用到定位系统，如常用的GPS 定位（全球定位系统）。