UWB定位系统

随着智能制造工业4.0的到来，传统工厂也在向智能化和信息化迈进。对于人物以及资产的管理也逐步走向智能化。但由于卫星信号在室内会被严重影响，GPS、北斗等定位系统无法在室内使用，因此在室内需要采用其他定位技术。本文的UWB定位技术属于现今前沿的室内定位技术，UWB通过搭建基站来构成一套室内位置定位系统，该技术可监控人员、物体等在室内的实时位置。

一、什么是UWB定位系统

UWB(Ultra Wideband),超宽带技术，它源于20世纪60年代兴起的脉冲通信技术。

UWB不同于传统的通信技术，需要使用传统通信体系中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或微妙级以下的极窄脉冲来实现无线传输的。由于脉冲时间宽度极短，因此可以实现频谱上的超宽带，使用的带宽在50MHz以上。并且它不选用正弦载波，因而其所占的频谱区域很大，尽管使用无线通信，但其数据传输速率能够达到几百兆比特每秒以上。

UWB与传统通信技术相比的优势

UWB精准定位的关键优点有，低功耗、对信道衰落（如多径、非视距等信道）不敏感、抗干扰能力强、不会对同一环境下的别的设备造成干扰、穿透性较强（能在穿透一堵砖墙的环境进行精准定位），具有很高的精准定位准确度和精确度。

二、UWB的测距原理

TWR测距算法结合三边定位算法进行定位，所以大体上实现定位需要两个步骤：1、标签与基站进行测距得到距离值；2、利用这些距离值进行标签坐标的解算。下面讲解TWR测距有关的内容。
DS-TWR的测距原理如下：

由原理图，我们可以得到：

将式子2-1和2-2左右两边相乘并移项整理可得：

联立2-3和2-4可得到信号飞行时间TOF：

将TOF这个飞行时间和电磁波传输速率相乘即为节点A、B之间的距离。

下面分析一下这种测距方式的误差，假设节点A的钟差为l_A，节点B的钟差为l_B，
且l_A=l_B实际的T1、T2、T4、T5分别表示为Tt1、Tt2、Tt4、Tt5 ，实际的TOF为Tf，则有：

将2-6、2-7、2-8、2-9、2-10代入2-11可得：

所以实际会造成的信号飞行时间误差为：

此时误差来源为TOF以及节点A/B的钟差，假设设备A和设备B的时钟精度是20ppm（很差），1ppm为百万分之一，那么Ka和Kb分别是0.99998或者1.00002。节点A、B相距100m，电磁波的飞行时间是333ns。则因为时钟引入的误差为2033310-9秒，导致测距误差为2.2mm，可以忽略不计了。因此双边测距是最常采用的测距方式。

三、UWB的定位原理

了解了UWB的测距原理之后，对于UWB的定位原理就更好理解了。UWB室内定位是通过在室内布置四个（或很多，具体看区域大小）已知坐标的基站，让需要定位的人员或物体携带上定位标签，标签根据设定按照一定的频率发送脉冲，不断和已知坐标的基站进行测距，再通过算法得出标签的位置，精度可达到厘米级。想了解更多可咨询：020-82011771

四、基站的布置规则

1、零维定位，主要应用于空间较小，仅作测距和人员或物品出入的判断。
2、一维定位，主要应用于长宽不协调的空间内，典型的有走廊，隧道和有些工厂也会存在一维场景，在一维场景定位下，被定位的目标会被拉到一条直线上。
3、二维定位，主要应用于长宽比例较协调的区域内，例如办公室、工厂、医院等，在二维定位下，上位机会显示被定位的目标的xy坐标。注意：定位基站的安装高度需要一致且无阻挡物，否则可能影响到标签定位的坐标精度。
根据具体应用场景的不同，可以实现零维、一维、二维融合定位。

五、系统组成、参数及应用

1、系统组成
主要包含三方面：UWB定位标签，发射UWB信号给基站进行交互通讯；UWB定位基站，布置时位置坐标固定，与标签通讯，将测距数据回传解算引擎；上位机，含解算引擎及软件界面，进行系统配置，解算标签坐标，将定位结果进行界面显示。
2、系统参数
系统定位精度在15cm左右
标签刷新率为0.05Hz~20Hz可调，可根据具体要求调整
标签内置有蜂鸣器，如遇危险情况可长按进入SOS报警模式
3、应用场景
工厂：实时追踪作业人员以及货物的情况，提高工作效率
医疗保健：实时观测到病人的位置信息，有利于时刻掌握病人的具体情况
重点安保区域：实时观测人员的动态，设置电子围栏，对现场环境进行优化管理，做到安全可靠

六、实际应用

在了解了有关UWB定位的知识之后，为了检验其效果实用性以及了解更多的信息，我上网采购了一套设备。
下图就是我购买的室内基站的测试结果
在6*6m无干扰区域的二维定位测试及数据分析，出来的效果还不错，有兴趣或有需求的朋友可以了解一下。

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