安寶強+張浩+崔學榮

摘 要： 相比于其他定位系統(tǒng)通常至少需要3個參考基站的開銷來說，UWB單基站定位只需要一個基站，系統(tǒng)配置簡單，可以很快的被應用和發(fā)展。為了提高UWB單基站定位系統(tǒng)中對于距離的測定精度，提出了一種應用于該系統(tǒng)的通信定位協(xié)議。該定位通信協(xié)議用于更加精確地進行基站與標簽之間的時鐘同步。同時將最大概率數(shù)據(jù)處理方法應用于距離數(shù)據(jù)處理。通過對UWB單基站定位系統(tǒng)的整體仿真得到的距離測量誤差小于5 cm。該仿真結果說明了此種定位協(xié)議和最大概率數(shù)據(jù)處理方法可以應用于室內高精度無線定位。

關鍵詞： 定位協(xié)議； UWB； 最大概率； 單基站

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）07?0015?03

Acquisition and processing method of UWB positioning distance in single base station

AN Bao?qiang， ZHANG Hao， CUI Xue?rong

（School of Information Science and Engineering， Ocean University of China， Qingdao 266100， China）

Abstract： Compared to other positioning systems which requires at least 3 reference stations， Ultra?Wideband （UWB） single base station positioning only need one base station， and the system configuration is very simple， so it can be applied and developed. In order to improve the distance measurement accuracy of UWB single base station positioning system， a communication positioning protocol is proposed， which is used for more accurate clock synchronization between the base station and label. At the same time， the maximum probability data processing method is applied to distance data processing. Through the whole simulation of UWB single base station positioning system， distance measurement error can be reduced to less than 5cm. The simulation result shows the positioning data processing method and positioning communication protocol can be used in the precision indoor wireless positioning.

Kewords： positioning protocol； UWB； maximum probability； single base station

0 引 言

UWB（Ultra?Wideband）信號使用的是寬度為納秒級別的窄脈沖，具有非常高的時間分辨率[1]，脈沖的持續(xù)時間遠小于多徑簇的到達延遲時間，因此具有很高的多徑分辨率[2]。使用UWB信號能得到高精度的時間延遲信息，而這個測量值是無線定位獲得距離的重要信息。

傳統(tǒng)的無線定位方式多是基于多基站的幾何定位，比如基于到達時間（TOA）[3]和基于到達時間差（TDOA）[4]的方式。這兩種方式是通過解曲線的方程得到多條曲線之間的交點，交點就是標簽的位置。另外還有到達角度（AOA）的方式[5]，這種定位方式最少需要一個參考基站，獲得標簽相對于基站的角度信息和距離信息就可以確定標簽的位置。

在基于UWB 的定位方法中，無論是基站還是移動標簽都存在處理時間、時鐘偏移等延遲時間[6]，所以導致雖然通過TOA方式得到了到達時間，但是從到達時間中計算出信號實際的飛行時間TOF（Time of Flight）也存在一定的誤差。

為解決該誤差，提出了應用于單基站定位的定位協(xié)議，并對通過定位協(xié)議解析出來的信號實際的飛行時間測得的距離進行最大概率的處理，進一步提高定位精度。

1 定位協(xié)議

在基于單機站的UWB的無線定位方法中，參考基站和標簽測距之前還要進行時間的同步，這樣才能確定基站（或者標簽）發(fā)送的信號何時被標簽（或者基站）檢測到并且決定何時開始監(jiān)聽和接收。 精確的時間同步能提高測量的精度，而制定一個合適的定位協(xié)議對于提高基站和標簽的時間同步程度十分重要。

設計參考基站和標簽之間的定位通信幀可以根據(jù)IEEE 802.15.4a標準[7]，如下：

[同步頭（SHR）＼&物理層協(xié)議頭（PHR）＼&物理層負載（MPDU）＼&前導序列＼&幀起始符＼&]

為適用單基站UWB定位，將通信幀設計如下：

[同步頭＼&時間標簽＼&標簽序號＼&測距序列＼&擴充序列＼&通信數(shù)據(jù)信息＼&]

同步頭：用于標簽和基站定位之前的時間同步?；緩V播同步頭，在基站工作范圍內的所有標簽響應同步頭。

時間標簽：標示定位通信幀的發(fā)射時刻。

標簽序號：記錄標簽的序號，區(qū)分基站工作區(qū)之內的其他定位標簽。

測距序列：真正用于測距的脈沖序列。

擴充序列：用于其他定位方式的序列，例如AOA定位序列。

通信數(shù)據(jù)信息：其他的信息，例如負載信息。

測距序列這里沿用了IEEE 802.15.4a標準中物理層協(xié)議頭的方案，一共19位，具體作用如下[8]：

[0＼&1＼&2＼&3＼&4＼&5＼&6＼&7＼&8＼&傳輸速率＼&幀長度＼&9＼&10＼&11＼&12＼&13＼&14＼&15＼&16＼&17＼&18＼&RNG＼&EXT＼&前導碼長度＼&校驗和＼&]

其中RNG表示此通信幀是否為測距通信幀，1表示該幀是測距幀，0表示該幀不是測距幀，表示該幀可能是用于擴展序列或者僅僅是用于廣播同步頭。

圖1 測距原理示意圖

測距原理示意圖如圖1所示，其步驟如下：

（1） 基站廣播同步頭，間隔1 ms，工作范圍內的標簽的每個接收窗之間間隔1 ms加一個小的偏移，該偏移應該小于接收窗的寬度。收到一個同步頭的標簽仍然不斷監(jiān)聽直到收到另一個同步頭。由標簽測得的同步頭之間的時間和參考基站產生的兩個同步頭之間的時間之比可以得到標簽基站之間大致的時鐘頻率f。

（2） 所有工作范圍內的標簽都將捕獲同步頭，預定義每個標簽的序號都不相同，與接收到的標簽序號相同的標簽將繼續(xù)接收測距脈沖序列，測距序列的測距標志位決定該幀是否為測距幀。若是測距幀，本文采用的是雙向TOA測距方式（TW?TOA），因此參考基站收到的信號的功率將是[1r2]的倍數(shù)而不是[1r4]的倍數(shù)，這里[r]是參考基站和標簽之間的距離。

（3） 參考基站處，在同步頭數(shù)據(jù)域的最后一個UWB脈沖發(fā)送完畢之后，開始發(fā)送測距脈沖序列的第一個脈沖，此時刻作為脈沖的發(fā)送時刻[T1b，]根據(jù)標簽與參考基站之間的同步，標簽的可能接收時間為[T′1t。]

標簽天線經(jīng)過一段很小的延遲之后立刻生成一個回復幀，記回復幀的第一個測距UWB脈沖結束時的時刻為[T2t，]根據(jù)標簽與參考基站之間的同步，標簽的可能接收時間為[T′2b。]當參考基站接收到測距序列的第一個UWB脈沖時，基站開始進行數(shù)據(jù)的精確計算得到實際的接收時間為[T2b。]

標簽接收到信號并且產生回復幀后，其天線內部會進行數(shù)據(jù)精確化處理，得到[T′1t]對應的實際接收時間[T1t，]這一段天線內部的延遲定義為[ΔTt。]

每次測距之后，都會由標簽經(jīng)過一定的延時后都會向參考基站發(fā)射一系列的校驗位，基站經(jīng)過處理后得到該次測距的[T1t]和[T2t]信息。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)就可以得到TOA信息中的信號飛行時間[TTOF：]

[TTOF=12[（T2b-T1b）-f?（T2t-T1t）]]

信號傳播的速度為[c，]那么標簽與參考基站的距離為[r=c?TTOF。]

（4） 通過第（3）步，得到距離原始信息，再使用最大概率處理算法處理數(shù)據(jù)，得到最終可用于定位的距離信息。

2 最大概率數(shù)據(jù)處理方法

對通過實驗獲得的數(shù)據(jù)取平均是為了消除個別不合理數(shù)據(jù)，但是這一系列不合理的數(shù)據(jù)造成的誤差需要其他合理的數(shù)據(jù)來彌補。對一個穩(wěn)定系統(tǒng)來說，測距時以最大概率出現(xiàn)的數(shù)據(jù)是更加接近真實距離的數(shù)據(jù)[9]。

根據(jù)IEEE 802.15.4a提供的信道模型，對室內信道模型的測距情況進行了仿真，結果發(fā)現(xiàn)多次測量后最接近真實值的估計值不是所有測量值的平均值，而是在一個出現(xiàn)概率最大的范圍區(qū)間內的平均值。表1所示的是發(fā)射信號功率為-40 dB，采樣頻率為10 GHz的信號在CM3室內視距信道下對7.3 m，5.4 m，8.6 m，13.6 m，17.6 m，20.4 m的100次仿真結果，表中[R]表示真實值，[M]表示最大概率處理方法，[A]表示取平均處理方法。

表1 測量結果 m

[R＼&7.3＼&5.4＼&8.6＼&13.6＼&17.6＼&20.4＼&M＼&7.299 9＼&5.400 7＼&8.599 1＼&13.599 0＼&17.599 9＼&20.401 2＼&A＼&7.324 9＼&5.421 1＼&8.622 0＼&13.618 8＼&17.622 0＼&20.431 8＼&]

通過表1可以看出最大概率估計的數(shù)據(jù)處理方法比單純的平均值法要精確地多。

最大概率數(shù)據(jù)處理算法的實現(xiàn)步驟如下：

（1） 獲得多次測量的結果，存放到數(shù)組Measured_d_ matrix中。

（2） 室內UWB定位誤差為厘米級別，分米級別的數(shù)字是準確的。因此，將四舍五入后的小數(shù)位設置為一位（單位為米，小數(shù)點后一位為分米）。將結果存放到另一個數(shù)組Rounded_measured_d_ matrix中。此時數(shù)組中每個元素相當于一個長度為10 cm的區(qū)間，比如是9.6，表示（9.6±0.1） m的區(qū)間。

（3） 統(tǒng)計Measured_d_matrix中落在Rounded_measured_d_matrix元素表示的各個區(qū)間的概率，找到最大的概率，如果其大于25%，返回此概率以及其對應的區(qū)間值。

（4） 返回Measured_d_matrix中四舍五入后的值為步驟（3）中找到的區(qū)間值的元素下標。

（5） 將步驟（4）中找到的下標所對應的元素值取平均就得到了最大概率下的距離信息。

圖2表示的是在真實距離為8.6 m時仿真結果概率分布圖，在100次仿真結果中測量值在（8.6±0.1） m區(qū)間內的次數(shù)超過45次，概率大于45%。當環(huán)境更加復雜的情況之下，特別是沒有直達路徑的情況之下，此概率可能會更小。

圖2 測量結果的分布圖

3 仿真驗證

仿真環(huán)境為室內視距環(huán)境。 IEEE 802.15.4a提供了9種信道模型中，本次仿真使用了CM3信道[10]：室內環(huán)境，3～28 m，2～8 GHz，視距條件。仿真示意圖如圖3所示，其中A，B，C為樣本點。

圖3 仿真環(huán)境示意圖

仿真結果見表2。表中R表示真實值，M表示最大概率處理方法，A表示取平均處理方法，AE表示平均值誤差，ME表示最大概率誤差。

表2 仿真結果 m

[＼&R＼&A＼&M＼&AE＼&ME＼&A＼&7.43＼&7.453 6 ＼&7.429 8＼&0.023 6 ＼&0.000 2＼&B＼&14.21＼&14.230 0＼&14.208 3＼&0.020 0 ＼&0.001 7＼&C＼&23.76＼&23.778 5＼&23.758 7＼&0.018 5＼&0.001 3＼&]

從表2看出，測距離的誤差在1 cm之內，明顯比使用平均的方法處理數(shù)據(jù)的精度高很多。

距離的精度能達到厘米級別，因此，對于該信道范圍（3～28 m）來說，厘米級別的誤差可以忽略，對于標簽的定位精度主要取決于角度。

例如，對于28 m處的標簽角度偏差1°的話，那么與實際標簽之間的偏差就能達到：

[2rsinθ2=56?sin0.5°≈0.49 m]

該值為[θ]對應的弦長，如圖4所示。

圖4 誤差計算示意圖

在信道的距離范圍（3～28 m）之內，對于標簽的定位誤差位于：[2rsin （θ2）=6?sin0.5°≈0.05 m]和[2rsin （θ2）=][56?sin0.5°≈0.49 m。]因此，測量標簽位置與實際標簽的位置誤差范圍在0.05～0.49 m之間。

4 結 論

本文詳細論述了適用于單基站UWB定位的通信定位幀的定義方式以及各個段的具體含義，同時給出了基站和標簽時間同步情況之下的距離信息的獲得方法。同時提出將最大概率的數(shù)據(jù)處理方法應用于距離測量值的數(shù)據(jù)處理，進一步提高了定位精度。利用系統(tǒng)仿真獲得的距離能達到厘米級別的精度（5 cm）。在根據(jù)IEEE 802.15.4a提供的信道模型，采用了CM3信道下，定位精度的范圍在0.05～0.49 m之間，實現(xiàn)了很高的定位精度。如果在室內距離不是很遠的定位中，精度完全能夠達到厘米級別。

參考文獻

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[8] 崔學榮.超寬帶無線定位算法及協(xié)議的研究[D].青島：中國海洋大學，2012.

[9] 王彥波.IR_UWB同步捕獲技術研究[D].杭州：浙江大學，2008.

[10] SUN Xiao?bing， MA Yu?gang， XU Jin， et al. A high accuracy mono?station UWB positioning system [C]// Proceedings of The 2008 IEEE International Conference on Ultra?Wideband. Hannover， Germany： ICUWB， 2008： 201?204.

圖2 測量結果的分布圖

3 仿真驗證

仿真環(huán)境為室內視距環(huán)境。 IEEE 802.15.4a提供了9種信道模型中，本次仿真使用了CM3信道[10]：室內環(huán)境，3～28 m，2～8 GHz，視距條件。仿真示意圖如圖3所示，其中A，B，C為樣本點。

圖3 仿真環(huán)境示意圖

仿真結果見表2。表中R表示真實值，M表示最大概率處理方法，A表示取平均處理方法，AE表示平均值誤差，ME表示最大概率誤差。

表2 仿真結果 m

[＼&R＼&A＼&M＼&AE＼&ME＼&A＼&7.43＼&7.453 6 ＼&7.429 8＼&0.023 6 ＼&0.000 2＼&B＼&14.21＼&14.230 0＼&14.208 3＼&0.020 0 ＼&0.001 7＼&C＼&23.76＼&23.778 5＼&23.758 7＼&0.018 5＼&0.001 3＼&]

從表2看出，測距離的誤差在1 cm之內，明顯比使用平均的方法處理數(shù)據(jù)的精度高很多。

距離的精度能達到厘米級別，因此，對于該信道范圍（3～28 m）來說，厘米級別的誤差可以忽略，對于標簽的定位精度主要取決于角度。

例如，對于28 m處的標簽角度偏差1°的話，那么與實際標簽之間的偏差就能達到：

[2rsinθ2=56?sin0.5°≈0.49 m]

該值為[θ]對應的弦長，如圖4所示。

圖4 誤差計算示意圖

在信道的距離范圍（3～28 m）之內，對于標簽的定位誤差位于：[2rsin （θ2）=6?sin0.5°≈0.05 m]和[2rsin （θ2）=][56?sin0.5°≈0.49 m。]因此，測量標簽位置與實際標簽的位置誤差范圍在0.05～0.49 m之間。

4 結 論

本文詳細論述了適用于單基站UWB定位的通信定位幀的定義方式以及各個段的具體含義，同時給出了基站和標簽時間同步情況之下的距離信息的獲得方法。同時提出將最大概率的數(shù)據(jù)處理方法應用于距離測量值的數(shù)據(jù)處理，進一步提高了定位精度。利用系統(tǒng)仿真獲得的距離能達到厘米級別的精度（5 cm）。在根據(jù)IEEE 802.15.4a提供的信道模型，采用了CM3信道下，定位精度的范圍在0.05～0.49 m之間，實現(xiàn)了很高的定位精度。如果在室內距離不是很遠的定位中，精度完全能夠達到厘米級別。

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圖2 測量結果的分布圖

3 仿真驗證

仿真環(huán)境為室內視距環(huán)境。 IEEE 802.15.4a提供了9種信道模型中，本次仿真使用了CM3信道[10]：室內環(huán)境，3～28 m，2～8 GHz，視距條件。仿真示意圖如圖3所示，其中A，B，C為樣本點。

圖3 仿真環(huán)境示意圖

仿真結果見表2。表中R表示真實值，M表示最大概率處理方法，A表示取平均處理方法，AE表示平均值誤差，ME表示最大概率誤差。

表2 仿真結果 m

[＼&R＼&A＼&M＼&AE＼&ME＼&A＼&7.43＼&7.453 6 ＼&7.429 8＼&0.023 6 ＼&0.000 2＼&B＼&14.21＼&14.230 0＼&14.208 3＼&0.020 0 ＼&0.001 7＼&C＼&23.76＼&23.778 5＼&23.758 7＼&0.018 5＼&0.001 3＼&]

從表2看出，測距離的誤差在1 cm之內，明顯比使用平均的方法處理數(shù)據(jù)的精度高很多。

距離的精度能達到厘米級別，因此，對于該信道范圍（3～28 m）來說，厘米級別的誤差可以忽略，對于標簽的定位精度主要取決于角度。

例如，對于28 m處的標簽角度偏差1°的話，那么與實際標簽之間的偏差就能達到：

[2rsinθ2=56?sin0.5°≈0.49 m]

該值為[θ]對應的弦長，如圖4所示。

圖4 誤差計算示意圖

在信道的距離范圍（3～28 m）之內，對于標簽的定位誤差位于：[2rsin （θ2）=6?sin0.5°≈0.05 m]和[2rsin （θ2）=][56?sin0.5°≈0.49 m。]因此，測量標簽位置與實際標簽的位置誤差范圍在0.05～0.49 m之間。

4 結 論

本文詳細論述了適用于單基站UWB定位的通信定位幀的定義方式以及各個段的具體含義，同時給出了基站和標簽時間同步情況之下的距離信息的獲得方法。同時提出將最大概率的數(shù)據(jù)處理方法應用于距離測量值的數(shù)據(jù)處理，進一步提高了定位精度。利用系統(tǒng)仿真獲得的距離能達到厘米級別的精度（5 cm）。在根據(jù)IEEE 802.15.4a提供的信道模型，采用了CM3信道下，定位精度的范圍在0.05～0.49 m之間，實現(xiàn)了很高的定位精度。如果在室內距離不是很遠的定位中，精度完全能夠達到厘米級別。

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