顧慧東 焦良葆 周健

摘要：面對生活中對高精度室內(nèi)定位需求，采用DecaWave公司的DWMIOOO芯片，設(shè)計一種基于UWB的測距與定位系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)利用雙邊測距（TWR）機制避免了基站之間的時鐘同步，精確計算出標簽和基站間的距離，同時根據(jù)飛行時間（TOF）定位算法解超限定方程組求得標簽的坐標位置。實測結(jié)果表明，利用該系統(tǒng)靜止標簽的測距誤差不超過15cm，移動標簽測距誤差不超過30cm，同時在信號非視距傳播情況下的表現(xiàn)也較穩(wěn)定，能夠滿足大部分場景下的室內(nèi)定位需求。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)定位;超寬帶;雙邊測距;實時定位系統(tǒng)

DOI：10. 11907/rjdk.191704

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7800（2020）004-0159-05

Indoor High-precision Positioning System Design Based on UWB

GU Hui-dong， JIAO Liang-ba02. ZHOU Jian

（I.College of Telecommunication Engineering ， Nanjing Univer.sity of Posts and Telecomm unications ， lVanjing 2 1 0003 ， China ;

2. College of Telecomm unication Engineering ， lVanjing In.stitute of Technology ， lVanjing 211100 . China ）

Abstract： This paper adopts DWMlOOO chip of DecaWave company to design a UWB-based ranging and positioning systeru forhigh-precision indoor positioning in daily life. In this sy stem， the clock synchronization between the base stations is eff'ectively avoidedby u sing the bilateral ranging （ TWR ） mechanism . and the distance between the tag and the base station is accurately calculated. Mean-while. the coordinate position of the tag is obtained hy solving the over-limit equations according to the time of flight （TOF） position-ing algorithm. Through the field measurement. it can be found that the ranging error of the static tag of the systeru does not exceed15cm. and the ranging error of' the mohile tag does not exceed 30cm. At the same time， the performance of the signal in the case ofnon-line-of：sight propagation is also relatively stable . which can meet the requirements of' most scenes for indoor positioning system.Key Words ： indoor positioning; ultra-wideband; TWR; real-time positioning system

O 引言

在無線通訊技術(shù)極速發(fā)展和打造智慧城市的大背景下，人們對于小范圍區(qū)域內(nèi)基于位置的服務(wù)也越來越關(guān)注。醫(yī)院、隧道、變電站等GPS信號弱的環(huán)境中都需要一種精確的位置服務(wù)代替GPS，以滿足各種位置需求，如人員定位、車輛精準停車以及危險區(qū)域提前預(yù)警等…。目前，國內(nèi)外室內(nèi)定位需求普遍要求精度達到厘米級。相較于空曠的室外環(huán)境，室內(nèi)環(huán)境更為復(fù)雜，干擾因素也更多，因此要求定位技術(shù)方案的魯棒性要強[2]。

現(xiàn)在小區(qū)域內(nèi)定位方式主要為RSSI（ Received SignalStrength Indication）和TOF（ Time Of Flight），它們都需要在區(qū)域內(nèi)固定一些通訊節(jié)點，超聲波、射頻信號、紅外線、藍牙、UWB（ ultra-wideband）等無線訊號是節(jié)點間主要通訊手段[3]。其中，紅外與超聲波受視距通訊的影響，其應(yīng)用場景有限，藍牙與WiFi等通訊單位時間內(nèi)功率損耗高，且定位誤差較大[4]。而UWB技術(shù)相較于其它傳統(tǒng)通訊方式，所有優(yōu)點基本都有，如穿透性強、功耗低、抗噪聲能力強[5]。同時，UWB擁有較好的時間分辨率且對抵抗多路徑有較強能力[6]

為了更好地加以描述，定義室內(nèi)無線定位中存在的兩類節(jié)點：①參考節(jié)點（基站），在定位區(qū)域中已知白己坐標位置的節(jié)點;②非參考節(jié)點（標簽），在定位區(qū)域中未知，但可以獲得與區(qū)域內(nèi)參考節(jié)點的相對距離，通過定位算法獲得同參考節(jié)點的相對位置坐標。

現(xiàn)階段，國內(nèi)外對基于UWB的室內(nèi)定位技術(shù)研究主要集中在測距定位等算法的研究與改良上，而系統(tǒng)設(shè)計及軟件具體實現(xiàn)則鮮有涉及。

[12]彭笑，張丹紅，熊斌宇，等.基于DWIOOO的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計與穩(wěn)定性優(yōu)化[J].廣西大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2018，43（5）：1803-1810.

[13]CAO S， ZHANG F. WANG G.NLOS error mitigation for TOA-basedsnurce localization with unknoWn transmission time[J]. IEEE Sen-sors Journal. 2017， 17（12）： 3605-3606.

[14]初曉宇，高守瑋Angular JS和Ot在室內(nèi)定位系統(tǒng)中的混合開發(fā)

應(yīng)用[J].工業(yè)控制計算機，2019，32（3）：32-33.

[15]楊斌.基于RFID的室內(nèi)無線定位技術(shù)研究[D].太原：太原理工

大學(xué)，2018

[16]周群.基于GPS/UWB/MARG協(xié)同定位導(dǎo)航系統(tǒng)研究[D].海口：海南大學(xué)，2018.

[17]楊軼卓基于WLAN與慣性導(dǎo)航的室內(nèi)定位關(guān)鍵技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2018.

[18]張潔，付素芳基于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計研究[J]. 山東工業(yè)技術(shù)，2017（23）：117.

[19]楊軼卓基于WLAN與慣性導(dǎo)航的室內(nèi)定位關(guān)鍵技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2018.

[20]CHEHRI A. FORTIER P. TARDIF P M. Time delav estimation for

LWB non coherent receiver in indoor environment. from theorv to

practice[J]EL： RASIP Journal on Wireless Communications andNet-

working， 2018（12）： 284.

（責任編輯：孫娟）

收稿日期：2019-05-26

作者簡介：顧慧東（1994-），男，南京郵電大學(xué)通信工程學(xué)院碩士研究生，研究方向為室內(nèi)定位;焦良葆（1972-），男，博士，南京工程學(xué)

院通信工程學(xué)院教授、碩士生導(dǎo)師，研究方向為室內(nèi)定位;周健（1963-），男，碩士，南京郵電大學(xué)通信工程學(xué)院副研究員、碩

士生導(dǎo)師，研究方向為信號處理。本文通訊作者：顧慧東。