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基于UWB超寬帶定位技術(shù)的室內(nèi)定位方法
1.UWB室內(nèi)定位概述：
UWB室內(nèi)定位技術(shù)與傳統(tǒng)通信技術(shù)有很大的不同。它不需要使用傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中的載波，而是通過發(fā)送和接收納秒級(jí)或納秒級(jí)以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，從而具有GHz級(jí)帶寬。超寬帶室內(nèi)定位可用于各個(gè)領(lǐng)域的室內(nèi)定位和導(dǎo)航，包括貴重物品倉儲(chǔ)、礦山人員定位、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)跟蹤、汽車地下室停車等。
與傳統(tǒng)窄帶系統(tǒng)相比，UWB超寬帶定位技術(shù)室內(nèi)定位系統(tǒng)具有穿透力強(qiáng)、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低、定位精度準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。因此，UWB室內(nèi)定位技術(shù)可應(yīng)用于室內(nèi)靜態(tài)或移動(dòng)物體和人的定位跟蹤和導(dǎo)航，并可提供非常準(zhǔn)確的定位精度。例如，作為UWB定位廠，我公司自主開發(fā)生產(chǎn)的UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)可達(dá)到10cm以上的定位精度。
2.UWB室內(nèi)定位原理：
與藍(lán)牙和WIFI定位方法不同，UWB室內(nèi)定位技術(shù)的位置信息不是基于信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）計(jì)算，但通過準(zhǔn)確的無線信號(hào)發(fā)送時(shí)間、接收時(shí)間和算法計(jì)算。為了實(shí)現(xiàn)UWB超寬帶定位技術(shù)無線定位系統(tǒng)的準(zhǔn)確定位，首先獲取與位置相關(guān)的變量信息，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)這些變量、參數(shù)和數(shù)學(xué)模型計(jì)算目標(biāo)坐標(biāo)。
UWB室內(nèi)定位技術(shù)具有超高的時(shí)間分辨率，保證了UWB能夠準(zhǔn)確獲取待定位目標(biāo)的時(shí)間和角度信息。信號(hào)飛行速度為光速（固定值），因此只要知道飛行時(shí)間，就可以計(jì)算出兩臺(tái)設(shè)備之間的距離，并結(jié)合角度信息，利用三角定位等幾何定位方法獲取待定位目標(biāo)的位置信息。
在UWB超寬帶定位技術(shù)室內(nèi)定位技術(shù)中應(yīng)用廣泛的是飛行時(shí)間測(cè)距法（TOF）和到達(dá)時(shí)間差法（TDOA）。從定位方式來看，它們都屬于多點(diǎn)定位，即確定標(biāo)簽與多個(gè)已知坐標(biāo)點(diǎn)之間的相對(duì)位置關(guān)系定位。
3.TOFFB室內(nèi)定位
飛行時(shí)間法（Timeofflight，TOF）它是一種雙向測(cè)距技術(shù)，通過測(cè)量UWB信號(hào)在基站和標(biāo)簽之間的飛行時(shí)間來計(jì)算距離。根據(jù)數(shù)學(xué)關(guān)系，一點(diǎn)到已知點(diǎn)的距離是常數(shù)，所以這必須在已知點(diǎn)的中心和常數(shù)的半徑上。有兩個(gè)已知點(diǎn)，有兩個(gè)交點(diǎn)。三個(gè)已知點(diǎn)和距離作為三個(gè)圓，它們交給同一點(diǎn)，即標(biāo)簽的位置。
移動(dòng)標(biāo)簽首先向定位基站發(fā)送測(cè)距請(qǐng)求。基站收到測(cè)距請(qǐng)求進(jìn)行處理。經(jīng)過一段時(shí)間的處理，它回復(fù)移動(dòng)標(biāo)簽確認(rèn)信息，記錄UWB信號(hào)發(fā)送和接收的時(shí)間間隔。例如，我們將發(fā)送端發(fā)送信號(hào)和接收回應(yīng)的時(shí)間間隔記錄為TTOT，UWB超寬帶定位技術(shù)接收端收到數(shù)據(jù)包和發(fā)送回應(yīng)的時(shí)間間隔記錄為TTAT。計(jì)算空中信號(hào)的單向飛行時(shí)間TTOF，然后根據(jù)TTOF與電磁波傳播速度的乘積計(jì)算標(biāo)簽與基站之間的距離d=c×TTOF根據(jù)每個(gè)基站的測(cè)距信息，以每個(gè)基站為中心畫一個(gè)圓，可以得到一個(gè)交點(diǎn)，交點(diǎn)就是標(biāo)簽的位置。
4.UWB超寬帶定位技術(shù)TDOA室內(nèi)定位
到達(dá)時(shí)間差（Time Difference of Arrival，TDOA）它是一種利用到達(dá)時(shí)間差進(jìn)行定位的方法，也被稱為雙曲線定位。標(biāo)簽卡發(fā)送UWB信號(hào)，UWB超寬帶定位技術(shù)標(biāo)簽定位距離內(nèi)的所有基站都會(huì)收到無線信號(hào)。如果兩個(gè)已知坐標(biāo)點(diǎn)的基站收到信號(hào)，則標(biāo)簽與基站之間的距離間隔不同。因此，這兩個(gè)接收信號(hào)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)是不同的。根據(jù)數(shù)學(xué)關(guān)系，以已知兩點(diǎn)為常數(shù)的點(diǎn)必須在以這兩點(diǎn)為重點(diǎn)的雙曲線上。然后有四個(gè)已知點(diǎn)（四個(gè)定位基站），就會(huì)有四條雙曲線，四條雙曲線的位置就是標(biāo)簽的位置。
5.UWB室內(nèi)定位之下行TDOA技術(shù)
簡(jiǎn)單來說，定位基站發(fā)送定位信號(hào)，定位標(biāo)簽接收定位信號(hào)。這種工作方式類似于GPS，所以也叫室內(nèi)GPS。下行TDOA是在終端上計(jì)算位置坐標(biāo)，UWB超寬帶定位技術(shù)定位系統(tǒng)可以通過標(biāo)簽將這些數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，實(shí)時(shí)結(jié)算標(biāo)簽位置，這得益于室內(nèi)定位系統(tǒng)自身的高實(shí)時(shí)物聯(lián)網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)。
下行TDOA的優(yōu)點(diǎn)是基站決定了信號(hào)發(fā)送的時(shí)間，因此基站的功耗較低，與GPS具有相同的優(yōu)勢(shì)，即系統(tǒng)容量無限，獲取位置信息的延遲也很小，這種模式適用于目標(biāo)的獨(dú)立導(dǎo)航。
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