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摘 要：为了有效地提高超宽带技术的定位精度的同时降低系统实现的复杂度，通过对比各种无线定位技术，提出了基于Decawave的射频芯片DWM1000的UWB定位方案。使用TDOA定位算法能够很好地采用UWB测距技术中基于接收信号时间法的双边测距，在获得信号的传输时间之后，便可根据参考节点的坐标和接收信号时间来联立方程组，以计算目标节点的具体坐标，提高了定位精度。经实验研究表明，在100m范围内，TOF 也只有3.35×10-5s秒，所以误差为6.7×10-10s秒，误差范围大约 20cm。
关键词：超宽带 无线定位 TDOA 双边测距
中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）09（b）-0115-03
Abstract：In order to effectively improve the positioning accuracy of ultra-wideband technology and reduce the complexity of system implementation， a UWB positioning scheme based on DWM1000 RF chip is proposed by comparing various wireless positioning technologies. Using TDOA location algorithm can well use the two-sided distance measurement based on the time method of receiving signal in UWB distance measurement technology. After obtaining the transmission time of the signal， the equations can be set up according to the coordinates of the reference node and the time of receiving signal， so as to calculate the specific coordinates of the target node and improve the positioning accuracy. The experimental results show that within 100 meters， TOF is only 3.35×10-5s seconds， so the error is 6.7×10-10s seconds， and the error range is about 20cm.
Key Words：Ultra-wide band;Wireless positioning; Time difference of arrival; Two-way ranging
无线定位技术是利用常见的定位算法，实现定位、跟踪和监测特定目标的位置的技术。分为室外定位和室内定位[1]。常见的室内定位技术有：UWB，WiFi，蓝牙，ZigBee等。其中UWB（Ultra-Wide Band）超宽带技术是一种带宽为1GHz以上且不需要载波的无线通信技术。工作频段为3.1～10.6GHZ，可直接脉冲调制，不受载波干扰。
1 UWB定位技术
基于 TDOA 定位的原理是，当所有基站之间时钟同步时，标签发出一个测距信号，不同基站在不同时刻接收到这个测距信号，选取某基站接收到该测距信号的时刻作为基准，其他基站收到信号的时刻减去该基准，便能得到测距信号到达时间差，即 TDOA[2]值。我们根据两个基站之间测量的到达时间差，便可以得到一个双曲线。三个基站就可得到一组双曲线方程，双曲线的交点即为标签的位置。
TDOA 原理如图 1所示。
图中BS1为基准基站[3]，假设电磁波信号到达三个参考基站的时间分别为t1，t2，t3，ri表示目标点到第i个参考基站的距离，那么ri=cti，Ri1表示目标点到第i个参考基站与到基准基站间的距离差，则Ri1=c（ti-t1）。建立双曲线方程组就可以解算出待定位节点坐标（x，y）值。
2 基于DWM1000的UWB定位系统设计
DWM1000 是一款符合IEEE802.15.4-2011UWB 规范，基于DecaWave DW1000IC 的无线收发器模块。该器件集成了必要的射频设计所需的一切。芯片，天线，电源芯片，晶振和电压转换芯片都安装一块 23mm×13mm×2.9mm 的24 针类似邮票的 PCB 中，如圖2。
本文定位系统采用的硬件系统是基于UWB的无线传感器网络[4]，包含标签和基站，首先当标签上电开启后会周期性地不断广播自身信息，各基站解析标签信息后会得到标签的信息和一个时钟同步到达时间TOA。然后再从各基站再将这些数据信息打包发送到主基站。主基站通过虚拟串口将所有数据传输给上位机，上位机根据不同基站的TDOA 值，利用双曲线算法计算得到标签的估计坐标。
3 测距精度的提高
TWR 是一个基本的概念，通过确定两个物体之间传输信号的飞行时间TOF来计算两个物体之间的距离d。DW1000使用数学和电子技术来实现非常精确的时钟记录。当在DW1000无线电波信号的发送和接收期间发生某些事件时，通过记录该时钟的状态，DW1000能够“时间戳”这些事件。 现在使用时间戳t1和t2，发起者可以计算往返时间Troundtrip，并且知道标记Treply中的应答时间，TOF[5]可以由下式确定，
如果我们假设无线电波通过空气的速度与光速c相同，那么两者之间的距离d通过计算得到，
在Decawave的双向测距演示中，两个单元成对工作。一个单元充当启动测距交换的“标签”，另一个单元充当监听标签消息并与其执行双向测距交换的“基站”。 在双向测距过程中，使用了5条消息交换[5]：（1）未配对基站处于侦听模式，正在侦听标签的闪烁消息;（2）未配对的标签发送周期性闪烁和侦听响应;（3）基站决定与这个标签配对进行测距并发送测距初始化消息;（4）标签看到测距初始化响应并与基站配对;（5）基站计算范围，并立即或在下一条响应消息中将范围报告发送回标签。两条在发现阶段（闪烁Blink和測距初始化Ranging Init），3条在测距阶段（Poll、Response和Final）。
（1）发现阶段。
最初标签处于发现阶段，它周期性地发送Blink消息，并侦听来自基站的Ranging Init响应。当收到Blink消息时，基站会向标签发送初始化消息，标签将完成发现阶段并进入测距阶段。
（2）测距阶段。
在测距阶段，标签周期性地与基站进行双向测距信息交换。每个双向测距交换由发送轮询消息、接收响应消息和发送最终消息的标记组成，如图3。
在标签到基站双向测距的情况下，由于时钟漂移和频率漂移，存在许多误差源[6]。采用非对称双边测距方法实现了减少误差。图4显示了一个进行TWR的最终轮询响应方法。
Rmarker是数据帧的第一个脉冲离开发射天线的时刻，最后一条消息将发起方的Tround和Treply时间传递给响应方，响应方计算到发起方的范围：
如果设备 A 和 B 的时钟在 20 ppm与标准时钟的误差相加并等于 40ppm 的方向上，那么 ka 和 kb 可能都是 0.99998 或 1.00002。
4 结语
本文提出采用UWB测距技术中基于接收信号时间法的双边测距，在获得信号的传输时间之后，便可根据参考节点的坐标和接收信号时间来联立方程组，以计算目标节点的具体坐标，提高了定位精度。即使在比较大的 UWB 工作范围（比如 100 m）下，TOF 也只有3.35×10-5s秒，即误差时间为6.7×10-10s秒或 67ns，误差范围大约20cm。
参考文献
[1] 王洋洋.UWB技术在煤矿精确定位中的应用[J].煤炭技术，2020，39（5）：186-188.
[2] 高健，陆阳，李庆巧，等.采用三次通信的TOF与TDOA联合定位算法[J].电子测量与仪器学报，2020，34（3）：66-73.
[3] 周爱国，杨思静，沈勇，等.融合UWB测距信息的室外高精度定位算法[J].导航定位学报，2020，8（1）：26-31.
[4] 李晨辉，甄杰，祝会忠，等.复杂环境下的超宽带高精度定位算法[J].测绘科学，2020，45（1）：4-10.
[5] KonstantinMikhaylov.ImpactofIEEE802.15.4 Communication Settings on Performance in Asynchronous Two Way UWB Ranging[J].International Journal of Wireless Information Networks， 2017，24 （2）：124-139.
[6] Kevin Bouchard，Julien Maitre. Activity Recognition in Smart Homes using UWB Radars[J].Procedia Computer Science， 2020： 10-17.
关键词：超宽带 无线定位 TDOA 双边测距
中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）09（b）-0115-03
Abstract：In order to effectively improve the positioning accuracy of ultra-wideband technology and reduce the complexity of system implementation， a UWB positioning scheme based on DWM1000 RF chip is proposed by comparing various wireless positioning technologies. Using TDOA location algorithm can well use the two-sided distance measurement based on the time method of receiving signal in UWB distance measurement technology. After obtaining the transmission time of the signal， the equations can be set up according to the coordinates of the reference node and the time of receiving signal， so as to calculate the specific coordinates of the target node and improve the positioning accuracy. The experimental results show that within 100 meters， TOF is only 3.35×10-5s seconds， so the error is 6.7×10-10s seconds， and the error range is about 20cm.
Key Words：Ultra-wide band;Wireless positioning; Time difference of arrival; Two-way ranging
无线定位技术是利用常见的定位算法，实现定位、跟踪和监测特定目标的位置的技术。分为室外定位和室内定位[1]。常见的室内定位技术有：UWB，WiFi，蓝牙，ZigBee等。其中UWB（Ultra-Wide Band）超宽带技术是一种带宽为1GHz以上且不需要载波的无线通信技术。工作频段为3.1～10.6GHZ，可直接脉冲调制，不受载波干扰。
1 UWB定位技术
基于 TDOA 定位的原理是，当所有基站之间时钟同步时，标签发出一个测距信号，不同基站在不同时刻接收到这个测距信号，选取某基站接收到该测距信号的时刻作为基准，其他基站收到信号的时刻减去该基准，便能得到测距信号到达时间差，即 TDOA[2]值。我们根据两个基站之间测量的到达时间差，便可以得到一个双曲线。三个基站就可得到一组双曲线方程，双曲线的交点即为标签的位置。
TDOA 原理如图 1所示。
图中BS1为基准基站[3]，假设电磁波信号到达三个参考基站的时间分别为t1，t2，t3，ri表示目标点到第i个参考基站的距离，那么ri=cti，Ri1表示目标点到第i个参考基站与到基准基站间的距离差，则Ri1=c（ti-t1）。建立双曲线方程组就可以解算出待定位节点坐标（x，y）值。
2 基于DWM1000的UWB定位系统设计
DWM1000 是一款符合IEEE802.15.4-2011UWB 规范，基于DecaWave DW1000IC 的无线收发器模块。该器件集成了必要的射频设计所需的一切。芯片，天线，电源芯片，晶振和电压转换芯片都安装一块 23mm×13mm×2.9mm 的24 针类似邮票的 PCB 中，如圖2。
本文定位系统采用的硬件系统是基于UWB的无线传感器网络[4]，包含标签和基站，首先当标签上电开启后会周期性地不断广播自身信息，各基站解析标签信息后会得到标签的信息和一个时钟同步到达时间TOA。然后再从各基站再将这些数据信息打包发送到主基站。主基站通过虚拟串口将所有数据传输给上位机，上位机根据不同基站的TDOA 值，利用双曲线算法计算得到标签的估计坐标。
3 测距精度的提高
TWR 是一个基本的概念，通过确定两个物体之间传输信号的飞行时间TOF来计算两个物体之间的距离d。DW1000使用数学和电子技术来实现非常精确的时钟记录。当在DW1000无线电波信号的发送和接收期间发生某些事件时，通过记录该时钟的状态，DW1000能够“时间戳”这些事件。 现在使用时间戳t1和t2，发起者可以计算往返时间Troundtrip，并且知道标记Treply中的应答时间，TOF[5]可以由下式确定，
如果我们假设无线电波通过空气的速度与光速c相同，那么两者之间的距离d通过计算得到，
在Decawave的双向测距演示中，两个单元成对工作。一个单元充当启动测距交换的“标签”，另一个单元充当监听标签消息并与其执行双向测距交换的“基站”。 在双向测距过程中，使用了5条消息交换[5]：（1）未配对基站处于侦听模式，正在侦听标签的闪烁消息;（2）未配对的标签发送周期性闪烁和侦听响应;（3）基站决定与这个标签配对进行测距并发送测距初始化消息;（4）标签看到测距初始化响应并与基站配对;（5）基站计算范围，并立即或在下一条响应消息中将范围报告发送回标签。两条在发现阶段（闪烁Blink和測距初始化Ranging Init），3条在测距阶段（Poll、Response和Final）。
（1）发现阶段。
最初标签处于发现阶段，它周期性地发送Blink消息，并侦听来自基站的Ranging Init响应。当收到Blink消息时，基站会向标签发送初始化消息，标签将完成发现阶段并进入测距阶段。
（2）测距阶段。
在测距阶段，标签周期性地与基站进行双向测距信息交换。每个双向测距交换由发送轮询消息、接收响应消息和发送最终消息的标记组成，如图3。
在标签到基站双向测距的情况下，由于时钟漂移和频率漂移，存在许多误差源[6]。采用非对称双边测距方法实现了减少误差。图4显示了一个进行TWR的最终轮询响应方法。
Rmarker是数据帧的第一个脉冲离开发射天线的时刻，最后一条消息将发起方的Tround和Treply时间传递给响应方，响应方计算到发起方的范围：
如果设备 A 和 B 的时钟在 20 ppm与标准时钟的误差相加并等于 40ppm 的方向上，那么 ka 和 kb 可能都是 0.99998 或 1.00002。
4 结语
本文提出采用UWB测距技术中基于接收信号时间法的双边测距，在获得信号的传输时间之后，便可根据参考节点的坐标和接收信号时间来联立方程组，以计算目标节点的具体坐标，提高了定位精度。即使在比较大的 UWB 工作范围（比如 100 m）下，TOF 也只有3.35×10-5s秒，即误差时间为6.7×10-10s秒或 67ns，误差范围大约20cm。
参考文献
[1] 王洋洋.UWB技术在煤矿精确定位中的应用[J].煤炭技术，2020，39（5）：186-188.
[2] 高健，陆阳，李庆巧，等.采用三次通信的TOF与TDOA联合定位算法[J].电子测量与仪器学报，2020，34（3）：66-73.
[3] 周爱国，杨思静，沈勇，等.融合UWB测距信息的室外高精度定位算法[J].导航定位学报，2020，8（1）：26-31.
[4] 李晨辉，甄杰，祝会忠，等.复杂环境下的超宽带高精度定位算法[J].测绘科学，2020，45（1）：4-10.
[5] KonstantinMikhaylov.ImpactofIEEE802.15.4 Communication Settings on Performance in Asynchronous Two Way UWB Ranging[J].International Journal of Wireless Information Networks， 2017，24 （2）：124-139.
[6] Kevin Bouchard，Julien Maitre. Activity Recognition in Smart Homes using UWB Radars[J].Procedia Computer Science， 2020： 10-17.