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摘 要:和传统的技术相比起来,超宽带技术的传输速率更高,同时具有更高的时域分辨度,同时穿透性较强,优势非常明显。近年来其应用也开始为人们所重视,尤其是在于短距离传输、复杂环境下的数据传输上的优势更加明显,所以现在已经成为室内无线定位的重要实现途径。这项技术最早应用于上个世纪六十年代,其初期主要用于军事领域的监听,近年来才开始逐步推广为民用和商用。本文针对其定位和追踪技术的实现进行了简要分析,希望可以给相关工作的开展提供一些参考。
关键词:超宽带;无线网络;定位技术
GPS定位技术现在得到了很大程度的推广,可以说给人们的日常生活带来了很大的便利。但是这其实也面临着很多问题,例如卫星信号并不能随时覆盖,在室内、森林等环境下经常导航失灵,而室内环境复杂的情况下也会导致信号衰减,这些问题的存在都會造成定位上的误差。而超宽带(UWB)信号的穿透能力较强,时域分辨率上也存在明显的优势,所以这项技术用于定位的优势非常明显。UWB信号的绝对贷款超过500MHZ,其本质也是通过的莱昂占用带宽来实现的穿透能力的。
1 超宽带技术简介
超宽带技术简称UWB,其是一种新的频谱方式,在很多通信系统都可以得到应用,不仅成本低廉、功耗较低,同时也有着很强的抗干扰能力和穿透力,在无线通信空间的容量上也远远高于其他通信系统,但是其缺点也非常明显,不仅会占用很大的带宽,更会给其他无线电设备造成影响,所以现在对于UWB的应用,各国都提出了一些限制,但是现在国际上都已经提高了对这项技术的研究力度,例如很多笔记本电脑当中都已经具备了超宽带传输模块。
UWB定位精确度很高、具备很好的安全性,所以在未来,无线定位技术当中,UWB的应用也将越来越广泛。由于其具备低功耗和强抗干扰能力的特点,所以在军事方面的应用价值非常明显,与此同时,在医护和办公自动化以及未来的机器人追踪等领域,所以应用领域也会迅速扩展。
2 UWB定位技术
2.1 典型定位算法
现阶段所应用的无线定位算法可以分为两类,分别是以距离为基础和以定位为基础的算法,相比之下和距离无关的算法并不会对硬件有过高的要求,但是精度也受到了一定的限制,所以现阶段,基于距离的算法最为常用。
(1)角度定位和强度分析
到达角度定位简称为AOA、信号强度分析简称为RSS,AOA通过针对被检测到的两个接收机信号进行检测,之后实现定位,这个过程需要天线系统的支持,并且一旦出现角度误差,就会直接给定位精度造成很大的影响。而RSS则是结合信号传输模型来对比接收信号和距离之间的关联,实现定位。但是这种算法对于信号传输模型的依赖性非常明显,如果环境条件出现了改变,也会直接影响定位,所以UWB的优势无从发挥。这样看来,无论是到达角度定位还是信号强度都不能很好地完成距离测定,只能进行粗定位,作为辅助手段来使用,如果想要实现精确定位,仍然需要精密测距。
(2)到达时间分析(TOA)
如果被侧点有三个以上的参考节点来进行测量,经由其到达各接收机所需的时间的不同来进行三角定位,算出距离,就可以直接测定出被测点的位置来。如果带宽为1GHz,那么其精度非常高,误差仅为数cm,但这需要时间定位上具备严格时间同步,这也是较为难以实现的。
(3)到达时间差定位(TDOA)
与TOA类似,一般文献不区别讨论,只是测量得到的是时间差而非绝对时间,利用双曲线交叉进行定位。应用此法只需参考节点之间保持同步,不要求参考节点与被测点之间严格的时间同步,使系统相对简化,所以在定位系统中应用最广。
(4)混合处理法(Hybrid)
综合运用RSS与TOA/TDOA方法,当被测点与参考节点间距离较近时,采用RSS辅助方法可以减小数据处理复杂度,大幅提升定位精度,适用于ZigBee等短距离定位场合。
2.2 精确测距与定位
UWB定位系统多采用极窄的高斯脉冲信号,脉冲宽度通常低于0.5ns,定位精度非常高。通常,UWB定位系统设定几个定位参考节点,接收数量众多的被测点发出的高斯脉冲信号,各被测点由PN码序列区分,处理接收到的脉冲序列可得到接收时间,即得到被测点与参考点之间的距离。
要定位一个三维坐标,至少需要4个参考点,建立4个方程进行直接计算,求解此四元二次方程组,可得被测点坐标。将各方程相减,则可消去未知参量to,同时减少一个有效方程,实现TDOA算法。测量误差及参考节点的位置对方程组有较大影响,可能出现无解或迭代溢出的情况。为了提高有解的概率,可设定5个参考点,根据不同组合得到5组解,从中选取最优解。也可选择4个接收信号功率最高的参考节点联立方程组。实验表明,5选4算法可将定位精度提高27%,若进一步增加参考基站,定位精度提高不明显,反而会使系统更复杂。因此,要获得更高的定位精度,不能只依靠增加参考基站。实际应用中,参考基站一般采用5选4算法为宜。
2.3 定位网络协议
定位节点(设备)可分为完整功能节点(FFD)和简化功能节点(RFD)。FFD能与多个RFD以及相邻的FFD进行会话,RFD定制非常简单,仅能与一个FFD会话。定位协议也可分为两类[5]:基于锚(anchor-based)的协议和无锚(anchor-free)协议。基于锚的协议假定网络中的一个节点集(参考节点或锚节点)在网络初始化时已知相对或绝对位置,需要外在的定位系统(一般使用GPS)提供每个锚节点的位置。GPS终端可测定锚节点的位置,并提供一个全球坐标系,与定位协议相关的信令流量较低,但存在稀疏锚节点问题和测距误差问题,GPS本身的定位精度有限,以致产生较大定位误差。
基于锚的TDOA定位模式主要有两种:a.由参考节点发射信号,被测节点负责接收并进行数据处理,这种方式与GPS定位类似,增加了被测节点的电池能耗,大大减少了使用寿命。b.由被测节点发射信号,各基站(参考节点)负责接收,传送到中心节点进行计算,得到被测点的精确坐标,适合节点小型化、简单化的要求,目前讨论最多且已投入运行。它又有两类网络结构:其一是被测点为RFD,参考节点为FFD,预先在定位现场选择适当的位置建设基站,并测定好坐标,基站可测量范围即网络工作区域,多数实验模型采用此模式。
3 结束语
经过前文总结,我们不难发现,超宽带技术在诸多无限定位技术当中的优势非常明显,可以用于无线定位需求的满足,在未来有着广阔的应用前景。除此之外,和常规的wlan技术相比起来,UWB也可以很好地将通信技术融合到定位当中,在短距离范围内,UWB技术也可以在定位领域实现更长远的发展。现在无限定位技术虽然已经得到了一定的探索,但其应用水平的不足仍然是不争的事实,这就需要我们进一步探索,来拓宽其应用领域。本文针对这些问题进行了简要分析,希望可以给相关工作的开展提供一些参考。
参考文献
[1]戴明宏,吕蒙.基于UWB实时定位铁路大型养路机械施工人员防碰撞技术研究[J].产业创新研究,2018(2).
[2]于洋,侯娟.基于DWM1000的改进型超宽带无线通信室内定位系统设计[J].信息技术与信息化,2018(z1).
[3]杨海,李威,张禾,等.复杂环境下基于SINS/UWB的容错组合定位技术研究[J].仪器仪表学报,2017(9):2177-2185.
[4]冯高昂.UWB室内定位多标签防碰撞算法研究[D].海南大学,2017.
关键词:超宽带;无线网络;定位技术
GPS定位技术现在得到了很大程度的推广,可以说给人们的日常生活带来了很大的便利。但是这其实也面临着很多问题,例如卫星信号并不能随时覆盖,在室内、森林等环境下经常导航失灵,而室内环境复杂的情况下也会导致信号衰减,这些问题的存在都會造成定位上的误差。而超宽带(UWB)信号的穿透能力较强,时域分辨率上也存在明显的优势,所以这项技术用于定位的优势非常明显。UWB信号的绝对贷款超过500MHZ,其本质也是通过的莱昂占用带宽来实现的穿透能力的。
1 超宽带技术简介
超宽带技术简称UWB,其是一种新的频谱方式,在很多通信系统都可以得到应用,不仅成本低廉、功耗较低,同时也有着很强的抗干扰能力和穿透力,在无线通信空间的容量上也远远高于其他通信系统,但是其缺点也非常明显,不仅会占用很大的带宽,更会给其他无线电设备造成影响,所以现在对于UWB的应用,各国都提出了一些限制,但是现在国际上都已经提高了对这项技术的研究力度,例如很多笔记本电脑当中都已经具备了超宽带传输模块。
UWB定位精确度很高、具备很好的安全性,所以在未来,无线定位技术当中,UWB的应用也将越来越广泛。由于其具备低功耗和强抗干扰能力的特点,所以在军事方面的应用价值非常明显,与此同时,在医护和办公自动化以及未来的机器人追踪等领域,所以应用领域也会迅速扩展。
2 UWB定位技术
2.1 典型定位算法
现阶段所应用的无线定位算法可以分为两类,分别是以距离为基础和以定位为基础的算法,相比之下和距离无关的算法并不会对硬件有过高的要求,但是精度也受到了一定的限制,所以现阶段,基于距离的算法最为常用。
(1)角度定位和强度分析
到达角度定位简称为AOA、信号强度分析简称为RSS,AOA通过针对被检测到的两个接收机信号进行检测,之后实现定位,这个过程需要天线系统的支持,并且一旦出现角度误差,就会直接给定位精度造成很大的影响。而RSS则是结合信号传输模型来对比接收信号和距离之间的关联,实现定位。但是这种算法对于信号传输模型的依赖性非常明显,如果环境条件出现了改变,也会直接影响定位,所以UWB的优势无从发挥。这样看来,无论是到达角度定位还是信号强度都不能很好地完成距离测定,只能进行粗定位,作为辅助手段来使用,如果想要实现精确定位,仍然需要精密测距。
(2)到达时间分析(TOA)
如果被侧点有三个以上的参考节点来进行测量,经由其到达各接收机所需的时间的不同来进行三角定位,算出距离,就可以直接测定出被测点的位置来。如果带宽为1GHz,那么其精度非常高,误差仅为数cm,但这需要时间定位上具备严格时间同步,这也是较为难以实现的。
(3)到达时间差定位(TDOA)
与TOA类似,一般文献不区别讨论,只是测量得到的是时间差而非绝对时间,利用双曲线交叉进行定位。应用此法只需参考节点之间保持同步,不要求参考节点与被测点之间严格的时间同步,使系统相对简化,所以在定位系统中应用最广。
(4)混合处理法(Hybrid)
综合运用RSS与TOA/TDOA方法,当被测点与参考节点间距离较近时,采用RSS辅助方法可以减小数据处理复杂度,大幅提升定位精度,适用于ZigBee等短距离定位场合。
2.2 精确测距与定位
UWB定位系统多采用极窄的高斯脉冲信号,脉冲宽度通常低于0.5ns,定位精度非常高。通常,UWB定位系统设定几个定位参考节点,接收数量众多的被测点发出的高斯脉冲信号,各被测点由PN码序列区分,处理接收到的脉冲序列可得到接收时间,即得到被测点与参考点之间的距离。
要定位一个三维坐标,至少需要4个参考点,建立4个方程进行直接计算,求解此四元二次方程组,可得被测点坐标。将各方程相减,则可消去未知参量to,同时减少一个有效方程,实现TDOA算法。测量误差及参考节点的位置对方程组有较大影响,可能出现无解或迭代溢出的情况。为了提高有解的概率,可设定5个参考点,根据不同组合得到5组解,从中选取最优解。也可选择4个接收信号功率最高的参考节点联立方程组。实验表明,5选4算法可将定位精度提高27%,若进一步增加参考基站,定位精度提高不明显,反而会使系统更复杂。因此,要获得更高的定位精度,不能只依靠增加参考基站。实际应用中,参考基站一般采用5选4算法为宜。
2.3 定位网络协议
定位节点(设备)可分为完整功能节点(FFD)和简化功能节点(RFD)。FFD能与多个RFD以及相邻的FFD进行会话,RFD定制非常简单,仅能与一个FFD会话。定位协议也可分为两类[5]:基于锚(anchor-based)的协议和无锚(anchor-free)协议。基于锚的协议假定网络中的一个节点集(参考节点或锚节点)在网络初始化时已知相对或绝对位置,需要外在的定位系统(一般使用GPS)提供每个锚节点的位置。GPS终端可测定锚节点的位置,并提供一个全球坐标系,与定位协议相关的信令流量较低,但存在稀疏锚节点问题和测距误差问题,GPS本身的定位精度有限,以致产生较大定位误差。
基于锚的TDOA定位模式主要有两种:a.由参考节点发射信号,被测节点负责接收并进行数据处理,这种方式与GPS定位类似,增加了被测节点的电池能耗,大大减少了使用寿命。b.由被测节点发射信号,各基站(参考节点)负责接收,传送到中心节点进行计算,得到被测点的精确坐标,适合节点小型化、简单化的要求,目前讨论最多且已投入运行。它又有两类网络结构:其一是被测点为RFD,参考节点为FFD,预先在定位现场选择适当的位置建设基站,并测定好坐标,基站可测量范围即网络工作区域,多数实验模型采用此模式。
3 结束语
经过前文总结,我们不难发现,超宽带技术在诸多无限定位技术当中的优势非常明显,可以用于无线定位需求的满足,在未来有着广阔的应用前景。除此之外,和常规的wlan技术相比起来,UWB也可以很好地将通信技术融合到定位当中,在短距离范围内,UWB技术也可以在定位领域实现更长远的发展。现在无限定位技术虽然已经得到了一定的探索,但其应用水平的不足仍然是不争的事实,这就需要我们进一步探索,来拓宽其应用领域。本文针对这些问题进行了简要分析,希望可以给相关工作的开展提供一些参考。
参考文献
[1]戴明宏,吕蒙.基于UWB实时定位铁路大型养路机械施工人员防碰撞技术研究[J].产业创新研究,2018(2).
[2]于洋,侯娟.基于DWM1000的改进型超宽带无线通信室内定位系统设计[J].信息技术与信息化,2018(z1).
[3]杨海,李威,张禾,等.复杂环境下基于SINS/UWB的容错组合定位技术研究[J].仪器仪表学报,2017(9):2177-2185.
[4]冯高昂.UWB室内定位多标签防碰撞算法研究[D].海南大学,2017.