基于UWB技術(shù)的無線定位系統(tǒng)的研究與測試

孫錦中

（上海電力學(xué)院計算機(jī)與信息工程學(xué)院，上海 200090）

近年來無線定位技術(shù)在軍事和民用領(lǐng)域已獲得了廣泛的應(yīng)用，如雷達(dá)和GPS等.超寬帶（Ultra W ide Band，UWB）技術(shù)因其具有豐富的帶寬在定位方面具有很大的優(yōu)勢，在理論上超寬帶的定位精度可以達(dá)到厘米級，因此UWB技術(shù)在精確定位方面具有實(shí)際的應(yīng)用前景.

1 UWB的定位方法

UWB技術(shù)是一種高速、低成本和低功耗的無線通信技術(shù).它不用載波，而采用時間間隔極短（納秒或納秒級以下）的非正弦波窄脈沖進(jìn)行通信，也稱作脈沖無線電（Impulse Radio）、時域（Time Domain）或無載波（Carrier Free）通信.由于UWB系統(tǒng)的脈沖持續(xù)時間極短，具有較強(qiáng)的時間和空間分辨率，因此可以有效地對抗多徑衰落，可以在測距、定位和跟蹤方面實(shí)現(xiàn)很高的精度，在無線定位中具有突出的特點(diǎn)和優(yōu)勢［1］.

UWB定位技術(shù)屬于無線定位技術(shù)的一種，其定位原理按其測量參數(shù)的不同，可分為基于接收信號強(qiáng)度法、基于接收信號角度法和基于接收信號時間法3種.基于接收信號強(qiáng)度的定位方法是利用接收信號強(qiáng)度與待測目標(biāo)至接收基站距離成反比的關(guān)系，通過測出接收信號的場強(qiáng)值、已知的信道衰落模型和發(fā)射信號的場強(qiáng)值估算出收發(fā)信號機(jī)之間的距離，根據(jù)多個距離值即能估計出待測目標(biāo)的位置.基于接收信號角度的定位方法就是通過信號到達(dá)的方向來確定信號的位置.這種定位技術(shù)一般利用兩個或多個參考結(jié)點(diǎn)，通過測量接收信號的到達(dá)方向來估計目標(biāo)結(jié)點(diǎn)的位置.基于接收信號時間的定位技術(shù)依賴節(jié)點(diǎn)間信號傳輸時間的測量，如果兩個節(jié)點(diǎn)共用一個時鐘，則接收信號的結(jié)點(diǎn)可以通過參考節(jié)點(diǎn)的時間信息來確定接收信號的到達(dá)時間.對于一個單路徑的加性高斯白噪聲（AWGN）信道來說，基于接收信號時間的技術(shù)是非常適合于UWB無線定位系統(tǒng)的，這主要?dú)w功于其非常寬的帶寬［2］.

2 UWB定位系統(tǒng)的構(gòu)建

一個典型的UWB定位系統(tǒng)主要包含3個部分，即：電池供電的活動標(biāo)簽（Tag），能夠發(fā)射UWB信號來確定位置;位置固定的傳感器（Sensor），能夠接收并估算從標(biāo)簽發(fā)送過來的信號;綜合所有位置信息的軟件平臺（Software Platform），能夠獲取、分析并傳輸信息給用戶和其他相關(guān)信息系統(tǒng).

在該系統(tǒng)中，標(biāo)簽發(fā)射極短的UWB脈沖信號，傳感器接收此信號，并根據(jù)脈沖到達(dá)的時間差分和脈沖到達(dá)的角度計算出標(biāo)簽的精確位置.由于采用了UWB技術(shù)，加上傳感器內(nèi)部有一個UWB接收器陣列，從而在定位計算時可以得到高精度的角度坐標(biāo)，以確保較高的定位精度和室內(nèi)應(yīng)用的可靠性.傳感器通常按照蜂窩單元的形式進(jìn)行組織，附加的傳感器可以根據(jù)其幾何覆蓋區(qū)域進(jìn)行增加.在每個定位單元中，主傳感器配合其他傳感器工作，并與單元內(nèi)所有檢測到位置的標(biāo)簽進(jìn)行通訊.通過類似于移動通訊網(wǎng)絡(luò)的蜂窩單元組合，能夠做到較大面積區(qū)域的覆蓋.同時，傳感器也支持雙向的標(biāo)準(zhǔn)射頻通訊，允許動態(tài)改變標(biāo)簽的更新率，使交互式應(yīng)用成為可能.通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)線或無線局域網(wǎng)，可以將標(biāo)簽位置發(fā)送到定位引擎軟件.定位引擎軟件將數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，并通過API接口傳輸?shù)酵獠砍绦蚧蚨ㄎ黄脚_軟件，實(shí)現(xiàn)空間信息的可視化處理［3，4］.

3 UWB定位系統(tǒng)實(shí)例測試及分析

為了驗(yàn)證UWB定位系統(tǒng)的可靠性與精確度，筆者建立了實(shí)際的UWB無線定位系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與測試.

實(shí)驗(yàn)中的UWB無線定位系統(tǒng)采用了英國Ubisense公司提供的標(biāo)簽（Ubisense Tag）和傳感器（Ubisense Sensor），在實(shí)驗(yàn)室中建立實(shí)際的測試環(huán)境.該測試房間為14.71 m×8.72 m×4 m，為了便于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和處理，我們將房間分隔成長寬各為1 m的方格，并對房間建立坐標(biāo)系.

定位場景的空間坐標(biāo)系如圖1所示.

圖1 定位場景的空間坐標(biāo)系

位于4個角落的4個Sensor的坐標(biāo)分別為：主Sensor為0.10，0.12，2.14;Sensor 1為6.21，0，2.14;Sensor 2為0.16，13.28，2.12;Sensor 3為5.93，13.29，2.12.

3.1 靜態(tài)定位測試

在靜態(tài)定位測試中，將移動標(biāo)簽依次放在房間內(nèi)預(yù)先劃定的各方格的頂點(diǎn)，然后分別對每個點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)測出各點(diǎn)的位置坐標(biāo)，畫出測試點(diǎn)在房間內(nèi)的分布圖，再用測得的各點(diǎn)坐標(biāo)與真實(shí)坐標(biāo)相比較，計算出誤差，以此評估定位系統(tǒng)的精確度和可靠性.

實(shí)驗(yàn)中，對每個點(diǎn)采集50個數(shù)據(jù)，根據(jù)測試數(shù)據(jù)繪出各點(diǎn)的分布圖如圖2所示.

觀察4個Sensor情況下點(diǎn)的分布情況可以發(fā)現(xiàn)，最邊緣的Y=1區(qū)域與Y=13區(qū)域的點(diǎn)呈現(xiàn)無規(guī)律的發(fā)散狀態(tài)，此時點(diǎn)的精度已經(jīng)不能保證，因此在分析數(shù)據(jù)時，取有代表性的Y=6這一區(qū)域來進(jìn)行分析，其靜態(tài)測試數(shù)據(jù)如表1所示.

圖2 靜態(tài)測試點(diǎn)分布

表1 靜態(tài)測試數(shù)據(jù)記錄（Y=6）/m

由表1可知：

（1）除了邊緣區(qū)域外，所有的Y坐標(biāo)的精度都在0.05 m以內(nèi);

（2）除了邊緣區(qū)域外，所有的X坐標(biāo)的精度都在0.1 m以內(nèi);

（3）用4個Sensor并不能提高靜止點(diǎn)的X和Y坐標(biāo)值，但是對于Z的提高有幫助;

（4）在使用4個Sensor的情況下，定位精度是最理想的，同時也能很好地保證信號的覆蓋效果，但是從圖2也可以看出，在測試區(qū)域的邊緣仍然會出現(xiàn)采集到的測試數(shù)據(jù)精度太差以至于無法準(zhǔn)確繪出測試點(diǎn)位置的情況，因此需要舍棄邊緣區(qū)域的測試數(shù)據(jù)，選用靠近中心區(qū)域的測試數(shù)據(jù)，以獲得理想的測試結(jié)果.

3.2 動態(tài)定位測試

在動態(tài)測試中，先設(shè)定好移動標(biāo)簽的運(yùn)動軌跡，如圖3所示，讓移動標(biāo)簽沿此軌跡運(yùn)動，然后再根據(jù)傳感器測得的定位數(shù)據(jù)畫出標(biāo)簽的運(yùn)動軌跡，將兩個軌跡相比較，分析動態(tài)定位的可靠性與精確度.

圖3 動態(tài)測試運(yùn)動軌跡設(shè)定

對移動標(biāo)簽的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得到移動標(biāo)簽的定位軌跡，如圖4所示.

圖4 動態(tài)測試運(yùn)動點(diǎn)分布

由圖4可知，中間折線的交點(diǎn)基本在（3，7）點(diǎn)處，而且很明顯的上半三角形比下半三角形要大，同時兩條橫向直線段的縱坐標(biāo)基本在4與10處，這與預(yù)先設(shè)定的運(yùn)動軌跡吻合.如果應(yīng)用一些異常規(guī)則將異常點(diǎn)去除后，可以得到更精確的運(yùn)動軌跡圖.此外，當(dāng)物體運(yùn)行到X=6處轉(zhuǎn)彎時，點(diǎn)的分布呈現(xiàn)集體異常情況.這是因?yàn)闇y試時將標(biāo)簽放在人的外面口袋，轉(zhuǎn)彎時有一個較大的幅度，所以會出現(xiàn)這樣的結(jié)果.

4 結(jié)語

信號的距離分辨力與信號的帶寬成正比.由于超寬帶信號的超寬頻帶特性，使得UWB系統(tǒng)的距離分辨精度是其他系統(tǒng)的幾百甚至上千倍.UWB信號脈沖寬度為納秒級，其對應(yīng)的距離分辨率可達(dá)到厘米級，這是其他窄帶系統(tǒng)無法比擬的.較高的距離分辨精度也使得超寬帶系統(tǒng)在完成通信的同時，還能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定位和跟蹤，定位與通信功能的融合也擴(kuò)展了超寬帶系統(tǒng)的應(yīng)用范圍.通過對UWB定位系統(tǒng)進(jìn)行室內(nèi)靜態(tài)定位和動態(tài)定位測試可以看出，采用超寬帶無線電很容易實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的精確定位，又因?yàn)槠渚哂械凸摹⒖垢蓴_強(qiáng)的特點(diǎn)，所以在無線定位方面，UWB技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景.