基于TDOA的UWB定位系统精度验证.pdf

第 14 期2023 年 7 月无线互联科技Wireless Internet TechnologyNo.14July,2023作者简介:陈妍妍(1984),女,河南信阳人,学士;研究方向:uwb 系统定位。基于 TDOA 的 UWB 定位系统精度验证陈妍妍(郑州联睿电子科技有限公司,河南 郑州 450000)摘要:随着移动物联时代的发展,无线网络的位置服务越来越重要。相对于传统的 WiFi 定位、手机定位、蓝牙定位等几种常见的定位技术。以 UWB 作为传输技术的定位系统,定位精度高,系统结构简单,传输距离远,抗多径干扰能力强,功耗低。因此基于 UWB 的定位具有传统定位方式无法比拟的优势。文章在介绍 UWB 的 TDOA 定位算法和误差分析的基础上,重点测试验证了空旷环境下 TDOA 算法的系统定位精度,定位区域内和定位区域外的精度差异。对实际定位场景应用有一定的参考价值。关键词:超宽带;无线通信;室内定位;定位精度中图分类号:TP311 文献标志码:A0 引言 随着无线通信技术的发展,社会进入移动物联时代,基 于 无 线 网 络 的 位 置 服 务(Location-Based Service,LBS)已经在人类生活的各方面扮演着不可或缺的重要角色1。自 2021 年苹果公司发布基于UWB 技术的 AirTag,UWB 室内定位技术越来越被大众熟悉。UWB 定位技术成为无线定位技术的热点。1 基于 TDOA 的双曲线定位算法 双曲线定位也称为到达时间差(TDOA)定位,根据 K 个参考节点到第 Ai 个参考节点的到达时间差来决定 Ai 的位置2。本研究假定 K 个参考点分享一个共同的参考时钟,与参考时钟相比节点 Ai 处的时间被延时了 。这里关键是来自不同参考节点的时间通过相减后去掉了时延 。观察参考节点中的一对(An,A(n-1),有:Rni-R(n-1)i=c(ni+)-c(n-1)i+)=c(ni-(n-1)i)(1)一个 TDOA 值可以定义为一条以接收机为焦点的竖曲线,目标辐射源就位于双曲线上3。由于一组双曲线无法确定标签的位置,因此至少需要 3 个基站才能够对标签进行定位,双曲线的交点即为标签的位置。TDOA 算法的位置计算公式如下:(x-x2)2+(y-y2)2-(x-x1)2+(y-y1)2=R21(2)(x-x3)2+(y-y3)2-(x-x1)2+(y-y1)2=R31(3)R21=c(2-1)(4)R31=c(3-1)(5)式(4)、式(5)中:c 为光速,i为第 i 个基站收到定位信息的时间。各基站的位置信息是已知的,利用上述公式即可得到标签的位置信息,双曲线定位需要在参考节点间有一个精确的共同参考时钟,但并不要求基站和标签间准确同步。因为电磁波的传感速率很高,微小的同步误差会在算法中放大,从而降低定位系统的精度。2 基于 TDOA 双曲线定位的误差分析 基于 UWB 的定位系统通常用于 GNSS 信号接收不到或接收较差的室内复杂环境,不同定位场景的误差源不尽相同。常见的误差源主要有信号的同步误差、多径干扰误差、NLOS(非视距)误差等。不同的定位算法也对定位精度有一定的影响。2.1 信号同步误差 同步误差在 TDOA 定位的过程中,是一个非常重要的参数。在定位中,信号时间延迟的精度与各基站间的同步程度密切相关。室内环境下,特别是多径的传播环境下,接收到的信号峰值越接近实际的峰值点,定位精度将会越高。所以在定位计算中,如何获得优质的峰值点非常重要。2.2 多径误差 定位场景中的许多物体,如地面,玻璃、桌子等都会对信号进行反射和衍射,这种信号从发射端经过物体反射和衍射到达接收机的现象就是多径传播。信号经过多径传播后,可能跟原来的信号在相位、幅度和延迟上都发生了变化。但接收机端并不能区分收到的信号是发射端直接发射过来的,还是经过物体反011第 14 期2023 年 7 月无线互联科技研究创新No.14July,2023射衍射后收到的。而定位解算的误差程度是由这些信号经过多径的偏差程度来决定的。2.3 NLOS 误差 常见的定位场景中,信号的发射端和接收端经常存在各种遮挡,导致信号从发射端到接收端没有直达路径。这种信号经过衍射后同样也可以到达接收机,但接收机接收到的衍射信号经历了更多的延迟。这种衍射信号给定位带来的误差就是 NLOS 误差。2.4 环境及其他误差 环境中影响电磁波的因素很多,水对电磁波的吸收就会造成湿度较大的天气下定位系统测试精度低于湿度低的天气下的测试精度。除了自然环境因素外,同频段的电子设备也会对 UWB 定位有干扰,高压电所产生的磁场也对定位系统精度有影响。2.5 定位算法精度的影响 在 TDOA 定位算法中,初始值的选定为基站三角形的几何中心点。在得到 TDOA 测量值后,用迭代最小二乘法计算位置估计点的修正值,来逐步修正位置估计点。经过若干次迭代,使估计点与实际位置点的偏差逐步缩小。若修正值逐步收敛,并最终小于门限值,即为定位收敛成功;若修正值发散,或迭代超过最大迭代次数仍大于门限值,则视为定位收敛失败。定位系统的实时性和定位精度是可以根据需要动态调整。门限值和最大迭代次数的调整,可以在牺牲部分实时性的同时,一定程度上增加系统的定位精度。当精度下降一部分的时候,解算系统定位所需要的时间也会相应减少。3 基于 TDOA 定位系统的构建 一个典型的 TDOA 二维定位单元,包含四个定位基站,一个定位标签。主基站发送信号确保参与定位基站的时钟同步。定位标签发送信号,定位基站接收信号并将数据传至引擎,引擎根据基站的准确位置坐标计算出定位标签的位置。4 基于 TDOA 的定位系统测试测试同步误差和同步标准差的时间单位为15.65 ps,按照电磁波的传播速度c=3 108m/s,不同时间误差条件下的理论距离误差如下:1ns 对应的距离误差为 30 cm(1ns=10-9s,1ns 约等于 64 个计数单位)。同步误差主要受上层基站距离的精度影响较大,在基站坐标测量比较准确的情况下,同步误差理论上会很小。4.1 空旷环境动态测试验证 布设环境:20 m20 m。室外空旷环境下同步标准差为 2030 个单位。测试验证室外空旷环境下,二维定位区域内动态定位精度。测试环境空旷无遮挡,基站坐标的测量会存在一定的误差。动态测试选取平行于 Y 轴上的一条直线和区域内半径为 1 m 的圆周运动 2 种方式。因考虑数据量的问题,直线运动沿直线往返 2 次,圆周运动沿圆周行走 2 周。动态定位精度如图 12 所示。图 1 直线往返运动定位图 2 圆周运动定位室外动态测试结果表明,室外空旷环境下,TDOA二维定位区域内的动态精度可以达到 20 cm 以内。4.2 空旷环境二维区域外定位精度测试验证 测试场景同动态定位场景,环境空旷无遮挡,地面为水泥路面。同步标准差为 2030 个单位。基站坐标测量存在一定的误差。布设环境:20 m20 m。区域内、外测试结果分别如表 12 所示。111第 14 期2023 年 7 月无线互联科技研究创新No.14July,2023表 1 区域内测试结果真实坐标定位均方根误差/cm均值标准差(0,1000)6.540.64(500,500)15.010.64(500,1500)11.110.77(1000,0)15.030.94(1000,1000)6.210.67(1000,2000)31.191.70(1500,500)33.720.81(1500,1500)5.801.15(2000,1000)30.181.61表 2 区域外测试结果真实坐标定位均方根误差/cm均值标准差(-100,1000)256.851.76(1000,-100)42.530.56(1000,2100)28.492.06(2100,1000)38.891.33从测试结果看,区域内精度基本满足 30 cm,区域外精度各边界表现不尽相同,最差精度大于 1 m。5 结语 本文主要对 UWB 基于 TDOA 的定位算法和误差进行全面分析,进行了室外空旷环境的定位精度测试验证,对比相同环境下 TDOA 区域内和区域外的定位精度。测试结果表明,综合考虑测量误差,区域内实际测试精度基本都可以满足 20 cm 内,定位稳定。区域边界精度略差,测试最大误差3040 cm。TDOA 算法区域外定位的准确度和稳定度都不能保证,无法满足厘米级定位。参考文献1孙锦中.基于 UWB 技术的无线定位系统的研究与测试J.上海电力学院学报,2011(4):333-336.2张媛,缪相林,王梅,等.UWB 测距室内定位算法误差分析J.导航定位学报,2020(6):132-136.3田增山,申文求,郑毅.无线定位系统的误差分析J.电信科学,2005(6):5-8.(编辑 姚 鑫)TDOA-based UWB positioning system accuracy verificationChen Yanyan Zhengzhou Lianrui Electronic Technology Co.Ltd.Zhengzhou 450000 China Abstract Since AIRTAG entered the field of vision in 2021 UWB technology in AIRTAG has been watched by the public and consumer-level markets and UWB-based interior positioning technology is also well known and used in life.With the development of the mobile phone era the location services of wireless networks are becoming more and more important and the research and development and application scenarios of ultra-broadband wireless communication technology are also increasing.Several traditional positioning technologies such as satellite positioning Bluetooth positioning WiFi positioning mobile phone positioning etc.Various positioning methods have different limitations.The communication network with UWB as transmission technology has many advantages with simple structure strong anti-multi-diameter interference ability low power consumption long transmission distance and high positioning accuracy.Therefore the positioning of UWB-based positioning has the advantages that cannot be compared with traditional positioning methods.On the basis of UWB s TDOA positioning algorithm and error analysis this thesis focuses on the test accuracy of TDOA in different environments and the accuracy differences in the positioning area and outside the positioning area.It has a certain reference value for the actual positioning scenario application.Key words ultra-broadband wireless communication indoor positioning positioning accuracy211