WE-UG230是海南世電科技有限公司基于UWB定位技術(shù)研究開(kāi)發(fā)的一款車(chē)載定位標(biāo)簽，支持IEEE802.15.4aUWB物理層，支持433MHz和BLE技術(shù)，主要用于各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，比較典型的是車(chē)載標(biāo)簽人車(chē)防撞等應(yīng)用。同時(shí)在短距離上增加了短距離低功耗輔助定位技術(shù)。
應(yīng)用領(lǐng)域
比較典型的應(yīng)用可以是車(chē)載標(biāo)簽，人車(chē)防撞等應(yīng)用
室內(nèi)定位概述
當(dāng)今社會(huì)中，信息化，數(shù)字化無(wú)處不在，無(wú)線通信技術(shù)和導(dǎo)航測(cè)距技術(shù)已經(jīng)非常成功的應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域之中，我們生活的各個(gè)方面都離不開(kāi)這些技術(shù)的應(yīng)用，例如我們到一個(gè)地方掃描附近的商場(chǎng)、餐廳，都會(huì)與我們所處在的位置形成交叉檢測(cè)，還比如最近疫情期間如果要到公共場(chǎng)所，不僅僅做好個(gè)人防護(hù)，戴好口罩外，還需要去掃描要去的場(chǎng)所的二維碼，如此我們的相關(guān)核算檢疫信息及行程信息被提煉出來(lái)并與我們所取場(chǎng)所的位置形成綁定關(guān)系，相當(dāng)于我們到過(guò)這個(gè)地方。因此位置服務(wù)已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊粋€(gè)很重要的部分
隨著無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的日益發(fā)展，關(guān)于室內(nèi)定位的技術(shù)手段也都取得了突飛猛進(jìn)的成果，尤其是ZIGBEE定位、WIFI定位、BLUETOOTH定位、RFID定位、UWB定位在室內(nèi)定位領(lǐng)域的運(yùn)用已經(jīng)非常廣泛
室外定位技術(shù)，定位系統(tǒng)（GPS)已經(jīng)應(yīng)用到我們生活的方方面面，尤其是我們駕駛汽車(chē)已經(jīng)離不開(kāi)導(dǎo)航，20幾年前剛到上海的時(shí)候我開(kāi)車(chē)往往在副駕駛會(huì)有一個(gè)人幫我拿著地圖做指揮，以避免走錯(cuò)道路，現(xiàn)在這樣的導(dǎo)航方式是當(dāng)時(shí)幾乎無(wú)法想象的方式，我們公司代理的瑞士品牌UBLOX是這個(gè)產(chǎn)業(yè)模塊市場(chǎng)的，我們每年都會(huì)銷(xiāo)售數(shù)百萬(wàn)個(gè)模塊產(chǎn)品以應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，尤其自2019年其推出F9P這個(gè)劃時(shí)代的產(chǎn)品；由于這個(gè)產(chǎn)品的精度可以到達(dá)米級(jí)，價(jià)格可以到1000元人民幣以內(nèi)，自問(wèn)世之初就獲得了大量客戶的追捧和響應(yīng)，應(yīng)用的領(lǐng)域從汽車(chē)、工程機(jī)械、除草機(jī)、無(wú)人機(jī)，每年就我們一家代理的出貨數(shù)量都非常可觀，我們感受到定位市場(chǎng)的巨大潛能。但是人們還有很大一部分時(shí)間需要在室內(nèi)處理定位的信息，而GPS運(yùn)用到室內(nèi)環(huán)境會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題，室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜度遠(yuǎn)遠(yuǎn)的高于室外，衛(wèi)星信號(hào)在室內(nèi)會(huì)面臨到各種干擾，導(dǎo)致信號(hào)反射、折射或被吸收掉，因此無(wú)法用GPS在室內(nèi)進(jìn)行準(zhǔn)確的定位。而對(duì)室內(nèi)定位的需求越來(lái)越多，需求精度越來(lái)越高；由于大型商場(chǎng)越來(lái)越多，停車(chē)場(chǎng)也越來(lái)越大，而人們期望可以找到所需的商場(chǎng)或自己的車(chē)輛就需要室內(nèi)定位技術(shù)的支持；大型倉(cāng)庫(kù)往往與ERP配套進(jìn)行，但有時(shí)候貨物的尋找往往需要精確定位；還有一些危險(xiǎn)場(chǎng)所，需要設(shè)備精確的位置進(jìn)行處理，尤其是一些安全事故的救援活動(dòng)，需要精確的位置來(lái)規(guī)劃路線來(lái)找出被困的人員或設(shè)備；還有一些智能化的車(chē)間需要檢測(cè)各個(gè)設(shè)備的位置，以便于快快速的做一些處理；還有一些保密單位，不期望某一類(lèi)人進(jìn)入，會(huì)設(shè)置一些警戒區(qū)域，一旦某類(lèi)人靠近或穿越則會(huì)報(bào)警；大型幼兒園或中小學(xué)對(duì)兒童的安全管控，不安全的地方都需要做一些措施來(lái)保障安全可控。所以室內(nèi)定位技術(shù)的應(yīng)用將勢(shì)在必行
位置信息應(yīng)用泛的幾種方法
基于信號(hào)強(qiáng)度，RSSI(signal strength indicator)
無(wú)線信號(hào)在特定信道傳播時(shí)，其信號(hào)強(qiáng)度遵從一定的衰減模型，因此RSSI的定位算法就是通過(guò)測(cè)量無(wú)線信號(hào)的脈沖信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)，依靠信道衰減模型，計(jì)算移動(dòng)標(biāo)簽和基站之間的距離。由于發(fā)送節(jié)點(diǎn)具備通信能力，因此RSSI是一種低功率，低成本的測(cè)距技術(shù)，理想環(huán)境下，RSSI表現(xiàn)非常好的特性；但是室內(nèi)環(huán)境下，陰影衰落（來(lái)自信號(hào)傳輸途徑上的障礙物）和多徑效應(yīng)（電磁波經(jīng)不同路徑傳播后，各分量場(chǎng)到達(dá)接收端時(shí)間不同，按各自相位相互疊加而造成干擾，使得原來(lái)的信號(hào)失真）等影響，將會(huì)產(chǎn)生較大誤差
基于到達(dá)時(shí)間,TOA(time of arriaal)
(1) 一種基于測(cè)量電磁波傳播時(shí)間的定位方案，其精度主要依賴于兩點(diǎn)：1、
基站和標(biāo)簽之間的時(shí)間同步程度；2、時(shí)間分辨率。時(shí)間同步程度越高、
時(shí)間分辨率越高，定位精度越高。
基于到達(dá)時(shí)間差,TDOA(time difference of arrival)
又稱“雙曲線定位方案”，是TOA 定位方案的改進(jìn)型。標(biāo)簽發(fā)出電磁波
信號(hào)，根據(jù)這個(gè)信號(hào)到不同基站的時(shí)間差來(lái)確定標(biāo)簽的位置。該方案只
需要對(duì)基站的時(shí)間進(jìn)行同步，提高了可行性，是目前市場(chǎng)上運(yùn)用較多的
方案。
基于到達(dá)方向,DOA(direction of arriavl),也可以稱之為：AOA(angle of arrival)
基于角度的AOA定位方式是基站通過(guò)天線陣列測(cè)出無(wú)線信號(hào)的入射位置，以此來(lái)計(jì)算標(biāo)簽與基站之間的角度，最后用三角測(cè)量法得出標(biāo)簽的坐標(biāo)。但此方法對(duì)無(wú)線射頻信號(hào)的方向和角度計(jì)算要求非常之高，尤其是需要采取較強(qiáng)的指向性天線或天線陣列
飛行時(shí)間方法，TOF(time of flight)
是一種雙向測(cè)距技術(shù)，通過(guò)測(cè)量信號(hào)在發(fā)送方和接收方之間的飛行時(shí)間
來(lái)計(jì)算距離。其定位方法本質(zhì)上與TOA 是一樣的，只是TOF 定位方法不
需要設(shè)備之間進(jìn)行時(shí)間同步，但設(shè)備本身的時(shí)鐘精度會(huì)對(duì)最終的結(jié)果產(chǎn)
生影響
UWB定位技術(shù)
UWB技術(shù)是一種利用納秒或微納秒的正弦窄脈沖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o(wú)線載波通信技術(shù)，起源于20世紀(jì)60年代，利用超短基帶脈沖進(jìn)行通訊，用于的雷達(dá)探測(cè)；20世紀(jì)90年代，根據(jù)FCC對(duì)UWB的定義主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：帶寬大于500MHZ或相對(duì)帶寬大于20%，信號(hào)帶寬在3.1-10.6GHZ,且中心頻率大于2.5GHZ。發(fā)射功率不超過(guò)-41.3dBm/MHz.
從頻譜來(lái)看，超寬帶與窄帶和寬帶的區(qū)別在于它的頻帶更寬。
| 信號(hào)類(lèi)型 | 信號(hào)帶寬/中心頻率 |
|---|---|
| 窄帶 | 相對(duì)帶寬≤1% |
| 寬帶 | 1%≤相對(duì)帶寬≤25% |
| 超寬帶(UWB) | 相對(duì)帶寬>25% 或者 中心頻率>2.5GHZ |
| 定位技術(shù) | 抗干擾性 | 定位精度 | 有效距離 | 穿透性 | 問(wèn)題及局限 |
|---|---|---|---|---|---|
| WIFI | 弱 | 3-5米 | 30米 | 弱 | 信號(hào)穩(wěn)定性差 |
| Bluetooth | 弱 | 2-3米 | 10米 | 中 | 通信距離，需要大量部署基站 |
| Zigbee | 強(qiáng) | 1米 | 30米 | 強(qiáng) | 通信距離短，精度低 |
| RFID | 弱 | 10厘米 | 30米 | 弱 | 容易被干擾，隱私性差 |
| UWB | 強(qiáng) | 10厘米 | 200米 | 強(qiáng) | 硬件成本高 |
| 紅外線 | 弱 | 5-10米 | 10米 | 弱 | 直線視距，易干擾 |
UWB的信號(hào)特點(diǎn)主要是：納秒級(jí)時(shí)間精度、較寬頻段、低發(fā)射功率、無(wú)載波基帶傳輸。由于UWB的發(fā)射功率受限，因此其傳輸距離也受到很多限制，在民用的短距離無(wú)線技術(shù)有IEEE802.11a,藍(lán)牙，HomeRF,比較如下
常見(jiàn)的TDOA算法
- Fang算法：針對(duì)定位來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)單的就是解算雙曲線方程，將非線性的方程進(jìn)行線性化處理，然后通過(guò)使方程的誤差最小來(lái)得出待定位置目標(biāo)的估計(jì)位置，此方式只適用于室內(nèi)2D定位
- 最小二乘（Least square,LS)定位算法：簡(jiǎn)單快速，求出的不是解
- 加權(quán)最少二乘法（WLS）定位算法
- 查恩（Chan氏）定位算法：測(cè)量精度高的時(shí)候定位精度較好，但anchor位置出現(xiàn)偏差或測(cè)量精度一般的時(shí)候，定位性能下降較快
- CTK（Chan-Taylor-Kalman)定位算法;利用Chan算法獲得定位標(biāo)簽的初始坐標(biāo)，并以此作為T(mén)aylor的算法迭代的初始點(diǎn)，得到更準(zhǔn)確的定位結(jié)果，最后利用改進(jìn)卡爾曼剔除實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的非視距，多徑等環(huán)境造成的異常數(shù)據(jù)，使得定位更加準(zhǔn)確
- 泰勒（Taylor）級(jí)數(shù)展開(kāi)的定位算法，需要使用接近實(shí)際位置的初始值迭代運(yùn)算，否則收斂緩慢，甚至由于初始值選擇不當(dāng)，無(wú)法定位
UWB定位系統(tǒng)誤差因素
- 天線延遲誤差：來(lái)源于芯片內(nèi)部的發(fā)射和接收延遲
- 時(shí)鐘誤差：由于工藝、工作環(huán)境等問(wèn)題，不同的設(shè)備存在一定的時(shí)鐘頻率不
- 一致問(wèn)題：對(duì)于TOA、TDOA 等定位方法，時(shí)鐘同步過(guò)程也會(huì)存在一定的誤差
- 多徑誤差：接收端除接收正常信號(hào)外，還包含信號(hào)經(jīng)過(guò)反射、折射帶來(lái)的誤差
