[分享] 关于UWB(超宽带)

Jacktang 2018-12-28 08:53 楼主

超宽带技术的定位原理：
通过布设基站在室内(外)，携带标签在定位目标上；标签发射超宽带信号，基站接收信息并通过网线或WIFI网传输到交换机与服务器，在服务器软件中运用TODA和AOA定位算法进行位置解算，实时显示全局标签位置。定位标签可以在各个单元自由行走，通过定位平台软件分析，将定位目标真实地以虚拟动态三维效果显示出来。UWB信号带宽很大，接收多径容易分离，抗衰落性能好，能够实现很高的定位精度，比较适合室内定位场景。Ubisense公司研发了基于超宽带信号的发射、接收模块。室内定位面临复杂的传播环境,房间结构设计各异、建筑材料不同都会导致信号的传播损耗随着环境的变化而产生较大的起伏。通常情况下室内障碍物众多，信号传播会经历发射、绕射、折射和散射,导致密集多径接收，信号幅度、相位和到达变化较大。UWB接收器接收标签发射的UWB信号后过滤电磁波传输过程中夹杂的各种噪声干扰，得到含有效信息的信号，再通过中央处理单元进行测距定位计算分析。

Ubisense超宽带技术的算法：

Ubisense 7000定位系统运用TODA（信号到达时间差）和AOA（信号到达时间角度）混合定位算法，通过信号到达的时间差、角度，利用双曲线交叉来定位。AOA法：AOA算法能测量未知点和参考点之间的角度并计算目标的位置。超宽带定位系统通过多个基站测量从定位目标最先到达接收机的信号的到达角度，从而估计出定位目标的位置。如果区域内的障碍物比较少，则可以利用AOA算法获得较高的定位精度，但是如果定位区域内的障碍物比较多，那么就要考虑多径效应的影响。TDOA法：当超宽带定位使用AOA方法来计算时，由于多路径效应和接收机天线的限制，往往需要较多的传感器同时工作，这样会增加系统的应用成本。而利用TOA/TDOA联合定位算法，可以减少同时工作的传感器数量，并且获得待定位目标的三维坐标。

Ubisense超宽带系统的组成：

   Ubisense超宽带室内定位系统包括三个组成部分：电池供电的活动标签（Ubisense tag），能够发射UWB信号来确定位置；位置固定的传感器（Ubisense Sensor），能够接受并估算从标签发送过来的信号；软件平台（UbisenseiLocateTM），能够获取、分析并传输信息给用户和其它相关信息系统。

1）定位传感器：Series 7000系列传感器是一种精密测量仪器。它包含一个天线阵列，以及UWB信号接收器；可以通过检测定位标签发出的UWB信号，来计算该标签的实际位置。在工作过程中，每个传感器独立测定UWB信号的方向角和仰角(AOA)；而到达时间差信息(TDOA)则必须由一对传感器来测定，而且这两个传感器均部署了时间同步线；这种独特的AOA、TDOA相结合的测量技术，可以构建灵活而强大的定位系统。
   目前Ubisense 单个传感器能测得较为准确的标签位置；而通过两个传感器的接收信号能测定更为精密的3D 信息；传感器的这种特性大大降低了系统部署的硬件开销，显著改善了系统的稳定性与可靠性。

2）定位标签： Ubisense 7000定位系统提供两种定位标签，即紧凑型标签（Ubisense Compact Tag）和细长型标签（Ubisense SlimTag）。它们应用于实时交互定位系统中，针对不同的应用而设计，并有不同的性能。紧凑型标签针对工业应用环境设计，可置于资产设备、交通工具上；细长型标签设计用于人员的携带或者固定于物体上。这两种标签均能够达到15cm的3D定位精度，并且提供达每秒20次的位置数据刷新率。标签带有数据存储器，能够用来存储诸如识别码的数据。所有的标签均有UWB 信号发射器，以及一个2.4GHz ISM频段的双工射频传输设备。双向射频设备用来传输传感器与标签之间的控制信息。
   传感器可以控制标签只发射UWB 信号，而UWB信号的发射以及标签数据的刷新率均由传感器来驱动。这种动态的数据刷新方式，使得标签可根据其速度和应用的要求，仅在需要时发射信号节省了电池的能量。如果标签是固定的，它将以较低的速率进行数据刷新，直到传感器检测到标签的移动，并立即激活标签进行信号的发射。标签以低于1mW 的极低功率发射UWB 脉冲，这降低了UWB系统对其他RF 系统的干扰，并能够延长电池的使用寿命。在以5秒每次的持续数据刷新状态下，电池能够使用5年。

3）定位平台：定位平台能够支持多种硬件底层如UWB、WSN、RFID、WIFI等，与上层场景、业务软件相结合，用户可以很方便地对监控场所进行部署，并将定位网络协同在一个实时、高精度的状态下获取定位的性能，能将场景实时动态地虚拟出来。平台具有系统稳定可靠，定位功能完整，实时性能好，管理功能健全，系统安装方便，集成方式简单，使用简单，易于二次开发等扩展特点。