馬銘辰 王洪源

摘? 要：為了有效地提高超寬帶技術(shù)的定位精度的同時降低系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，通過對比各種無線定位技術(shù)，提出了基于Decawave的射頻芯片DWM1000的UWB定位方案。使用TDOA定位算法能夠很好地采用UWB測距技術(shù)中基于接收信號時間法的雙邊測距，在獲得信號的傳輸時間之后，便可根據(jù)參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)和接收信號時間來聯(lián)立方程組，以計算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的具體坐標(biāo)，提高了定位精度。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究表明，在100m范圍內(nèi)，TOF 也只有3.35×10-5s秒，所以誤差為6.7×10-10s秒，誤差范圍大約 20cm。

關(guān)鍵詞：超寬帶? 無線定位? TDOA? 雙邊測距

中圖分類號：TP242? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：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

無線定位技術(shù)是利用常見的定位算法，實(shí)現(xiàn)定位、跟蹤和監(jiān)測特定目標(biāo)的位置的技術(shù)。分為室外定位和室內(nèi)定位[1]。常見的室內(nèi)定位技術(shù)有：UWB，WiFi，藍(lán)牙，ZigBee等。其中UWB（Ultra-Wide Band）超寬帶技術(shù)是一種帶寬為1GHz以上且不需要載波的無線通信技術(shù)。工作頻段為3.1～10.6GHZ，可直接脈沖調(diào)制，不受載波干擾。

1? UWB定位技術(shù)

基于 TDOA 定位的原理是，當(dāng)所有基站之間時鐘同步時，標(biāo)簽發(fā)出一個測距信號，不同基站在不同時刻接收到這個測距信號，選取某基站接收到該測距信號的時刻作為基準(zhǔn)，其他基站收到信號的時刻減去該基準(zhǔn)，便能得到測距信號到達(dá)時間差，即 TDOA[2]值。我們根據(jù)兩個基站之間測量的到達(dá)時間差，便可以得到一個雙曲線。三個基站就可得到一組雙曲線方程，雙曲線的交點(diǎn)即為標(biāo)簽的位置。

TDOA 原理如圖 1所示。

圖中BS1為基準(zhǔn)基站[3]，假設(shè)電磁波信號到達(dá)三個參考基站的時間分別為t1，t2，t3，ri表示目標(biāo)點(diǎn)到第i個參考基站的距離，那么ri=cti，Ri1表示目標(biāo)點(diǎn)到第i個參考基站與到基準(zhǔn)基站間的距離差，則Ri1=c（ti-t1）。建立雙曲線方程組就可以解算出待定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)（x，y）值。

2? 基于DWM1000的UWB定位系統(tǒng)設(shè)計

DWM1000 是一款符合IEEE802.15.4-2011UWB 規(guī)范，基于DecaWave? DW1000IC 的無線收發(fā)器模塊。該器件集成了必要的射頻設(shè)計所需的一切。芯片，天線，電源芯片，晶振和電壓轉(zhuǎn)換芯片都安裝一塊 23mm×13mm×2.9mm 的24 針類似郵票的 PCB 中，如圖2。

本文定位系統(tǒng)采用的硬件系統(tǒng)是基于UWB的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[4]，包含標(biāo)簽和基站，首先當(dāng)標(biāo)簽上電開啟后會周期性地不斷廣播自身信息，各基站解析標(biāo)簽信息后會得到標(biāo)簽的信息和一個時鐘同步到達(dá)時間TOA。然后再從各基站再將這些數(shù)據(jù)信息打包發(fā)送到主基站。主基站通過虛擬串口將所有數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)不同基站的TDOA 值，利用雙曲線算法計算得到標(biāo)簽的估計坐標(biāo)。

3? 測距精度的提高

TWR 是一個基本的概念，通過確定兩個物體之間傳輸信號的飛行時間TOF來計算兩個物體之間的距離d。DW1000使用數(shù)學(xué)和電子技術(shù)來實(shí)現(xiàn)非常精確的時鐘記錄。當(dāng)在DW1000無線電波信號的發(fā)送和接收期間發(fā)生某些事件時，通過記錄該時鐘的狀態(tài)，DW1000能夠“時間戳”這些事件。

現(xiàn)在使用時間戳t1和t2，發(fā)起者可以計算往返時間Troundtrip，并且知道標(biāo)記Treply中的應(yīng)答時間，TOF[5]可以由下式確定，

如果我們假設(shè)無線電波通過空氣的速度與光速c相同，那么兩者之間的距離d通過計算得到，

在Decawave的雙向測距演示中，兩個單元成對工作。一個單元充當(dāng)啟動測距交換的“標(biāo)簽”，另一個單元充當(dāng)監(jiān)聽標(biāo)簽消息并與其執(zhí)行雙向測距交換的“基站”。 在雙向測距過程中，使用了5條消息交換[5]：（1）未配對基站處于偵聽模式，正在偵聽標(biāo)簽的閃爍消息;（2）未配對的標(biāo)簽發(fā)送周期性閃爍和偵聽響應(yīng);（3）基站決定與這個標(biāo)簽配對進(jìn)行測距并發(fā)送測距初始化消息;（4）標(biāo)簽看到測距初始化響應(yīng)并與基站配對;（5）基站計算范圍，并立即或在下一條響應(yīng)消息中將范圍報告發(fā)送回標(biāo)簽。兩條在發(fā)現(xiàn)階段（閃爍Blink和測距初始化Ranging Init），3條在測距階段（Poll、Response和Final）。

（1）發(fā)現(xiàn)階段。

最初標(biāo)簽處于發(fā)現(xiàn)階段，它周期性地發(fā)送Blink消息，并偵聽來自基站的Ranging Init響應(yīng)。當(dāng)收到Blink消息時，基站會向標(biāo)簽發(fā)送初始化消息，標(biāo)簽將完成發(fā)現(xiàn)階段并進(jìn)入測距階段。

（2）測距階段。

在測距階段，標(biāo)簽周期性地與基站進(jìn)行雙向測距信息交換。每個雙向測距交換由發(fā)送輪詢消息、接收響應(yīng)消息和發(fā)送最終消息的標(biāo)記組成，如圖3。

在標(biāo)簽到基站雙向測距的情況下，由于時鐘漂移和頻率漂移，存在許多誤差源[6]。采用非對稱雙邊測距方法實(shí)現(xiàn)了減少誤差。圖4顯示了一個進(jìn)行TWR的最終輪詢響應(yīng)方法。

Rmarker是數(shù)據(jù)幀的第一個脈沖離開發(fā)射天線的時刻，最后一條消息將發(fā)起方的Tround和Treply時間傳遞給響應(yīng)方，響應(yīng)方計算到發(fā)起方的范圍：

如果設(shè)備 A 和 B 的時鐘在 20 ppm與標(biāo)準(zhǔn)時鐘的誤差相加并等于 40ppm 的方向上，那么 ka 和 kb 可能都是 0.99998 或 1.00002。

4? 結(jié)語

本文提出采用UWB測距技術(shù)中基于接收信號時間法的雙邊測距，在獲得信號的傳輸時間之后，便可根據(jù)參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)和接收信號時間來聯(lián)立方程組，以計算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的具體坐標(biāo)，提高了定位精度。即使在比較大的 UWB 工作范圍（比如 100 m）下，TOF 也只有3.35×10-5s秒，即誤差時間為6.7×10-10s秒或 67ns，誤差范圍大約20cm。

參考文獻(xiàn)

[1] 王洋洋.UWB技術(shù)在煤礦精確定位中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2020，39（5）：186-188.

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[3] 周愛國，楊思靜，沈勇，等.融合UWB測距信息的室外高精度定位算法[J].導(dǎo)航定位學(xué)報，2020，8（1）：26-31.

[4] 李晨輝，甄杰，祝會忠，等.復(fù)雜環(huán)境下的超寬帶高精度定位算法[J].測繪科學(xué)，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.