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      [技術]UWB定位技術之定位算法:RSS、AOA、TOA、TDOA

      發(fā)布時間:2020-10-20

      瀏覽次數(shù):3252

      目前的UWB定位技術之定位算法有RSS、AOA、TOA、TDOA四種,各有優(yōu)勢,在實際使用中的側重點卻不太一樣。


        目前的UWB定位技術之定位算法有RSS、AOA、TOA、TDOA四種,各有優(yōu)勢,在實際使用中的側重點卻不太一樣。

        無線定位方法是指分析接收到的無線電波信號的特征參數(shù),然后根據(jù)特定算法計算被測對象的位置(二維/三維坐標:經(jīng)度、緯度、高度)。UWB定位技術常用的無線定位方法有如下幾種:信號強度分析法(RSS)、到達角度定位法(AOA)、到達時間定位法(TOA)、到達時間差定位法(TDOA)。

        信號強度分析法(RSS)和到達角度定位(AOA)

        AOA通過獲取被測點到兩個接收機的信號到達角度進行定位,需要配置復雜的天線系統(tǒng),且角度誤差對定位精度的影響遠比測距誤差大。RSS則根據(jù)信號的傳播模型,利用接收信號的強度與信號傳播距離的關系,對目標進行定位。這種方法的定位覆蓋距離較近,且對信道傳輸模型的依賴性非常大,多徑以及環(huán)境條件的變化都會使其精度嚴重惡化,特別是距離估計的精度與信號的帶寬無關,不能發(fā)揮 UWB 帶寬大的優(yōu)勢。

        所以,RSS和AOA方法一般不單獨用于UWB定位,只能作為輔助手段進行初級粗定位,UWB定位技術實現(xiàn)精確定位主要依靠精密測距完成。

        到達時間定位(TOA)

        被測點(UWB定位標簽)發(fā)射信號到達 3 個以上的參考節(jié)點接收機(UWB定位基站),通過測量到達不同接收機所用的時間,得到發(fā)射點與接收點之間的距離,然后以接收機為圓心,所測得的距離為半徑做圓,3 個圓的交點即為被測點所在的位置。但是TOA要求參考節(jié)點與被測點保持嚴格的時間同步,多數(shù)應用場合無法滿足這一要求。

        該方法實現(xiàn)過程中,需要測得UWB定位標簽與每個基站的距離信息,從而定位標簽需要與每個基站進行來回通信,因此定位標簽功耗較高。該定位方法的優(yōu)勢在于在定位區(qū)域內(nèi)外(基站圍成區(qū)域的內(nèi)外),都能保持很高的定位精度。

        到達時間差定位(TDOA)

        TDOA定位即雙曲線定位,二維定位中需要使用4個定位基站?;緯r間同步之后,標簽發(fā)送一個廣播報文,基站收到之后,標記接收到此報文的時間戳,并將內(nèi)容發(fā)送到計算服務器,計算服務器根據(jù)其他基站的定位報文的時間戳,計算出被定位目標的位置。

        通過測量標簽到每兩個基站之間的距離差,距離差等于常量即可繪制出雙曲線,而曲線交點即可確定標簽坐標。該方法實現(xiàn)過程中,標簽只需要廣播一次UWB信號即可,因此有利于標簽的功耗及標簽并發(fā)數(shù)量。

        TDOA 是基于到達時間差定位,系統(tǒng)中需要有精確時間同步功能。時間同步有兩種:

        一種是通過有線做時間同步,有線時間同步可以控制在0.1ns 以內(nèi),同步精度非常高,但由于采用有線,所有設備要么采用中心網(wǎng)絡的方式,要么采用級聯(lián)的方式,但增加了網(wǎng)絡維護的復雜度,也增加了施工的復雜度,成本升高。并且,系統(tǒng)中還有一個專用的有線時間同步器,價格昂貴;

        另一種是通過無線做時間同步,采用無線同步一般可以達到0.25ns,精度稍遜于有線時間同步,但其UWB定位系統(tǒng)相對來說更為簡單,定位基站只需要供電,數(shù)據(jù)回傳可以采用WiFi 的方式,有效降低了成本。

        TDOA定位不必要進行基站和移動終端之間的同步,而只需要基站之間進行同步。因為基站的位置是固定的,基站之間進行同步與基站和移動終端之間進行同步要容易實現(xiàn)得多。這使得TDOA定位比TOA定位要更加容易實現(xiàn),所以TDOA定位的應用非常廣泛。

        EHIGH恒高UWB定位系統(tǒng)采用了TOA和TDOA兩種定位方法,保證高精度定位效果的同時,降低了定位標簽的功耗。



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