【技术】室内定位——UWB室内测距及定位原理

时间： 2021-06-03 来源：天工测控

技术问答

我们都知道卫星信号在室内会被严重的影响，从而导致GPS或是北斗无法发定位。所以在室内定位主要采用无线通讯、基站定位、惯导定位等多种技术集成形成一套室内位置定位体系，从而实现人员、物体等在室内空间中的位置监控。除通讯网络的蜂窝定位技术外，常见的室内无线定位技术还有：Wi-Fi、蓝牙、红外线、超宽带、RFID、ZigBee和超声波，今天我们来谈谈UWB-Ultra Wideband(超宽带)室内测距及定位原理。

UWB是什么？
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。

UWB与传统的窄带系统相比有什么区别？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。

UWB的测距原理
TWR（Phase-Difference-of-Arrival）为双向测距，简言之就是测距模块来回发送超宽带脉冲信号，利用接受到的时间差减去模块自身延时即可得到飞行时间。 TWR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Tsp发射请求性质的脉冲信号，模块B在TSR时刻发射一个响应性质的信号，被模块A在自己的时间戳TRR时刻接收,再发送一个信号被模块B在TRF接收。这两次数据可以计算出脉冲信号在两个模块之间的飞行时间T，从而确定飞行距离S。

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。我们将发送端发出的数据包和接收回应的时间间记为TTOT,接收端收到数据包和发出回应的时间间隔记为TTAT,那么数据包在空中单向飞行的时间TTOF可以计算为：

TTOF=(TTOT-TTAT)/2

然后根据TTOF与电磁波传播速度的成绩便可计算出两点间的距离D=CxTTOF
TOF测距方法和两个关键侧约束：
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

为了实现始终同步，TOF测距方法采用了始终偏移量啦解决始终同步问题，单由于TOF测距方法的时间以来与本地的远程几点，侧距精度容易受两端节点中的始终偏移量的影响。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。通过平均正向和反向多次测量的平均值，减少对任何始终偏移量的影响，从而减少测距误差。

UWB的定位原理
知道了UWB的测距原理，再来了解UWB的室内定位原理就很容易了。UWB的室内定位功能和卫星原理很相似，就是通过室内布置4个已知坐标的定位基站，需要定位的人员胡总恶化时设备携带定位标签，标签按照一定的频率发射脉冲，不断和4个已知位置的基站进行测距，通过一定的精确算法定出标签的位置！

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火锅工程师 Lv7. 资深专家 2022-11-10

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han Lv4. 资深工程师 2021-06-08

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KoFaCh Lv8. 研究员 2021-06-04

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