UWB定位技术是什么?UWB定位技术的工作原理详解

射频圈 2018-01-12 14:15 次阅读

经过上次的介绍,我们可以看到UWB定位技术在室内定位领域发挥的革新作用!在信息社会,万物的位置信息发挥着至关重要的作用:厂房内每件产品的摆放位置、安保现场每个安保人员的位置、物流仓库里每一件产品的位置。。。在这个万物互联的时代,定位已经成了信息社会运转的核心要素。

GPS、北斗在室外定位方面已经非常成熟;在室内定位领域,UWB又是依据何种原理实现精确的室内定位呢?

本节小编带你解开UWB定位技术的神秘面纱。

UWB到 底是什么 ? 

UWB定位技术是什么?UWB定位技术的工作原理详解

超宽带无线通信技术(UWB)是一种无载波通信技术,UWB不使用载波,而是使用短的能量脉冲序列,并通过正交频分调制或直接排序将脉冲扩展到一个频率范围内。UWB的主要特点是传输速率高、空间容量大、成本低、功耗低等,必将成为解决企业、家庭、公共场所等高速因特网接入的需求与越来越拥挤的频率资源分配之间的矛盾的技术手段。

UWB的基本测距原理是什么?

在说明这个问题之前,我们很有必要说说UWB测距的基本原理。

TOF(Time Of Flight飞行时间测距法)主要利用信号在两个异步收发机(Transceiver)之间飞行时间来测量节点间的距离。双向飞行时间法(TW-TOF,two way-time of flight)每个模块从启动开始即会生成一条独 立的时间戳 。模块A的发射机在其时间戳上的Ta1发射请求性质的脉冲信号,模块B在Tb2时刻发射一个响应性质的信号,被模块A在自己的时间戳Ta2时刻接收。有次可以计算出脉冲信号在两个模块之间的飞行时间,从而确定飞行距离S。

UWB定位技术是什么?UWB定位技术的工作原理详解

距离:S=Cx[(Ta2-Ta1)-(Tb2-Tb1)](C为光速)。

但是单纯的TOF算法有一个比较严格的约束:发送设备和接收设备必须始终同步。这是一个比较棘手的问题,但是一种Double-sided Two-way Ranging的算法巧妙的避开了这个问题,它即利用了TOF测距的优良特点,同时又极大的去除了TOF的同步问题,从而为TOF的实用化扫清了道路。

UWB定位技术是什么?UWB定位技术的工作原理详解

UWB定位技术是什么?UWB定位技术的工作原理详解

上面就是Double-sided Two-way Ranging算法的实际模型和计算飞行时间的公式,可以看到它在计算飞行时间时仅仅需要分别来自上面和下面定位设备的时间信息,而不需要两部设备时间同步。

03

UWB的定位原理是什么?

定位算法中比较成熟的有:TOA(到达时间)、TDOA(到达时间差)、AOA(到达角度或称为DOA估计)定位技术和这三种技术的混合技术。

TOA通过分别测量移动终端与三个或更多基站之间信号的传播时间来定位。它采用了圆周定位,

假如己知移动终端到基站i的直线距离尺Ri, 那么由几何原理可知,移动终端的位置一定在以基站i的位置为圆心,Ri为半径 的圆周上。即若移动终端的位置(X0,Y0),基站位置为(Xi,Yi),则两者满足如下 关系:

下面的图非常形象的诠释了TOA算法的原理:

UWB定位技术是什么?UWB定位技术的工作原理详解

然而事情都具有两面性:TOA定位对传播中产生的误差比较敏感,这些误差来自于传播中的反射、 多径传播、非视距传播和噪声等干扰,会造成各圆无法相交或相交处不是一个点而是一个区域。同时TOA定位要求移动终端和基站之间在时间上要准确同步,1ns的同步误差将会给定位带来大约0.3米的不确定性。纳秒级的同步精度在 许多通信系统中是达不到的。因此,实际中很少使用单纯的TOA定位。

正因为如此,TDOA对TOA技术加以了改进。

TDOA定位不必要进行基站和移动终端之间的同步,而只需要基站之间进行同步。因为基站的位置是固定的,基站之间进行同步与基站和移动终端之间进行同步要容易实现得多。这使得TDOA定位比TOA定位要更加容易实现,所以 TDOA定位的应用非常广泛。

它通过测量出两个不同基站与移动终端的传输时延差来进行定位。假设移动终端的位置与基站1和基站2的距离差为R21=R2-R1,则移动终端的位置必定在以两个基站为焦点,与两个焦点的距离差恒为R21的双曲线上。即若移动终端的位置为(X0,Y0),基站1位置为(X1,Y1),基站2位置为(X2,Y2),则它们满足关系:

UWB定位技术是什么?UWB定位技术的工作原理详解

再通过另一组移动终端与基站1基站3或基站2基站3的TDOA,可以得到 另一组双曲线,两组双曲线将最多产生两个交点,再根据先验知识(如半径范围 等)判断出移动终端的位置。

它的基本原理可以从下面的图得到良好的诠释:

UWB定位技术是什么?UWB定位技术的工作原理详解

AOA估计也叫DOA(Direction ofArrival)估计或者方向识别DF(DirectionFinding)。

AOA的优点是所需要的基站比较少,最少只要两个基站就可以进行定位。在LTE系统之前,由于以前的基站并没有天线阵列,而只为了进行定位而对基 站进行更换,不仅需要投入庞大的资金也会破坏原有系统的结构和工作模式,使通信系统无法正常工作,因此AOA定位并不受人重视。在LTE系统中应用了 OFDM和多天线阵技术,使得基于LTE的AOA定位成为了研究热点。AOA的缺点是当移动终端和基站的距离比较远的时候,即使有微小的定位角度的误差,都会造成比较大的定位距离的偏差。因此AOA定位多见于中、短距离的定位。

下图很好的诠释了AOA的基本原理:

UWB定位技术是什么?UWB定位技术的工作原理详解

混合定位技术就是混合使用上述的两种或三种定位技术,比如TOA-TDOA、 TOA-AOA、TDOA-AOA等,通过检测并提取相关的定位参数,用于定位解算。混合定位技术可以运用多种定位参数实现定位,综合不同定位技术的特点,在各 种定位技术的特性中取长补短,让最终的定位性能得到优化。

对于基于TOA-AOA的技术,又叫圆角定位,利用这种方法可以实现利用单个基站进行定位。首先利用TOA的值计算出移动终端和基站之间的距离R,那么可以确定用终端的位置在以基站为圆心,R为半径的圆周上。接着利用天线阵 列测量出的移动终端到基站的AOA,作出一条射线。则射线与圆之间的交点就是移动终端的位置。若移动终端的位置为(X0,Y0),基站位置为(X,Y)在基站测得的移动终端发出的信号的到达角度为θ,基站和移动终端的距离为R,则他们满足如下方程:

我们可以通过下图形象地体会定位过程:

对于TDOA-AOA定位,可以通过下图形象的理解其定位原理:

UWB定位技术是什么?UWB定位技术的工作原理详解

目前,混合定位技术是UWB定位研究领域中的新趋势,具有广大的发展前景。

射频圈 技术专区

原文标题:UWB技术详解

文章出处:【微信号:RFCircle,微信公众号:射频圈】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

关注电子发烧友微信

有趣有料的资讯及技术干货

下载发烧友APP

打造属于您的人脉电子圈

关注发烧友课堂

锁定最新课程活动及技术直播
收藏 人收藏
分享:

评论

相关推荐

UWB测距原理及UWB模块SKU603测距应用

从定义来看,UWB超宽带技术是一种全新的、与传统通信技术有极大差异的通信新技术,从功能来看,超宽带系....

的头像 无线模块 发表于 04-11 16:30 296次阅读
UWB测距原理及UWB模块SKU603测距应用

经验分享:厘米级UWB室内定位方案的应用领域

在上周的推文中,SKYLAB君有详细介绍过UWB室内定位方案,对UWB室内定位方案及应用也有了初步的....

的头像 无线模块 发表于 03-20 09:55 432次阅读
经验分享:厘米级UWB室内定位方案的应用领域

【经验分享】什么是UWB?UWB有什么用?

UWB在早期被用来应用在近距离高速数据传输,近年来国外开始利用其亚纳秒级超窄脉冲来做近距离精确室内定....

的头像 无线模块 发表于 03-09 10:17 220次阅读
【经验分享】什么是UWB?UWB有什么用?

医院采用 LINK UWB 无线高精度定位系统实现信息化管理

随着国家的经济不断的发展,科技技术不断增强,各行各业都在向智能化发展,医疗行业也不例外。 近年来,很....

发表于 01-31 01:43 170次阅读
医院采用 LINK UWB 无线高精度定位系统实现信息化管理

在CPW-微带线-CPW过渡结构的基础上,设计了一个超宽带滤波器

提出了一种新型的混合共面波导和微带结构的超宽带带通滤波器。通过将中间微带替换成交指耦合线,在下通带边....

的头像 电子技术应用ChinaAET 发表于 01-26 16:15 1082次阅读
在CPW-微带线-CPW过渡结构的基础上,设计了一个超宽带滤波器

超宽带UWB高精度定位技术介绍

无线定位系统要实现精确定位,首先要获取与位置相关的变量信息,建立相应的数学模型,然后根据这些变量和参....

发表于 01-23 10:14 1230次阅读
超宽带UWB高精度定位技术介绍

介绍UWB技术的由来、优点、应用场景以及应用价值、发展中的问题

由于在室内受到钢筋混凝土的遮挡,GPS定位器在室内无法获取GPS卫星信号,这种情况下设备会自动切换为....

的头像 射频圈 发表于 01-05 15:36 1171次阅读
介绍UWB技术的由来、优点、应用场景以及应用价值、发展中的问题

医疗、送货用无人机需求浮现 公分级高精准度定位不可或缺

随著无人机送货、资产追踪、医疗监测、精准农业以及连网车等应用陆续出炉后,位基技术(location-....

发表于 12-26 09:20 400次阅读
医疗、送货用无人机需求浮现 公分级高精准度定位不可或缺

基于FPGA的UWB雷达PPM调制解调系统

UWB雷达(超宽带雷达)在心脏病学、呼吸、发声机能方面的应用;尤其是对发声声带的探测,可以远程监控对....

发表于 12-12 20:37 112次阅读
基于FPGA的UWB雷达PPM调制解调系统

超宽带应用于无线网络的标准化进程详解

无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,WSN)是一种由大量低复杂度的传感器节点....

发表于 12-12 19:54 135次阅读
超宽带应用于无线网络的标准化进程详解

UWB脉冲波形形成方法简述

UWB是一种无载波通信技术,利用纳秒至亚纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据,所占频谱范围很宽,适用于高速....

发表于 12-12 11:57 271次阅读
UWB脉冲波形形成方法简述

TM-UWB技术特点介绍及其在无线通信中的应用分析

传统的通信系统一般都是定频通信系统,要传送的信息使用固定的带宽,信号被调制到固定的频带上,然后在信道....

发表于 12-11 15:48 123次阅读
TM-UWB技术特点介绍及其在无线通信中的应用分析

树莓派3与UWB雷达传感器结合推出HST-D3套件

由于UWB雷达技术具有极强的穿透性等优秀性能,技术性要求比较高,所以一直以来大多数被作为军用技术进行....

发表于 11-09 14:45 589次阅读
树莓派3与UWB雷达传感器结合推出HST-D3套件

有没人用过DW1000做定位的,求助

发表于 11-07 17:23 757次阅读
有没人用过DW1000做定位的,求助

关于RFID、NFC、ETC、UWB技术的原理与功能分析

 随着物联网时代的到来,人类将基本的日常管理统统交给人工智能去处理,从而从繁琐的低层次管理中解脱出来....

发表于 04-28 09:43 2917次阅读
关于RFID、NFC、ETC、UWB技术的原理与功能分析

如何让超宽带(UWB)信号测试变得简单易行?

现如今,无线电技术新兴起一种名叫超宽带(UWB)无线技术,这种技术发展非常迅速,并且有望在低功耗、短....

发表于 04-01 10:39 2475次阅读
如何让超宽带(UWB)信号测试变得简单易行?

从ISHE看物联网智能家居发展

 8月20日,由国际物联网贸易与应用促进会、深圳物联传媒有限公司共同打造的“2015深圳国际智能家居....

发表于 08-24 14:35 301次阅读
从ISHE看物联网智能家居发展

Intel白皮书:UWB技术实现高速无线个人局域网

无线连接为用户新的移动生活方式注入了便捷。消费者马上就会对这种电子家庭的便捷产生巨大需求,他们的个人....

发表于 10-11 15:57 994次阅读
Intel白皮书:UWB技术实现高速无线个人局域网

诺基亚研发远程充电技术 可让手机实现“无限待机”

据外媒报道,诺基亚目前正在研发一种可以让手机实现“无限待机”的远程充电技术。据悉,该技术通过无线基站....

发表于 03-25 11:56 604次阅读
诺基亚研发远程充电技术 可让手机实现“无限待机”

超宽带(UWB)无线通信技术介绍

UWB(Ultra Wide Band,超宽带)是一种以极低功率在短距离内高速传输数据的无线技术。这....

发表于 01-16 11:15 1751次阅读
超宽带(UWB)无线通信技术介绍

UWB无线通信及其关键技术

本文首先介绍了UWB无线通信系统的定义、基本原理以及主要指标,然后详细介绍了UWB的关键技术,最后指....

发表于 11-14 16:56 731次阅读
UWB无线通信及其关键技术

加速超宽带无线通信系统的定点设计

超宽带(OFDM UWB信号创建工具" target=_blank>UWB)无线技术即将取*公室和家....

发表于 10-14 14:48 720次阅读
加速超宽带无线通信系统的定点设计

超宽带的发展之路与趋势

超宽带( UWB )一词最先由美国国防部于1989年提出。由于超宽带可以与其他通信系统共存使得超宽带....

发表于 10-10 17:44 480次阅读
超宽带的发展之路与趋势

UWB技术在医疗设备中的应用

超宽带(UWB)是一项高带宽(480-1320Mb/秒)和短距离(10-50米)的无线传输技术,正逐....

发表于 09-22 18:34 1060次阅读
UWB技术在医疗设备中的应用

基于UWB的无线传感器网络定位技术

在基于距离的定位算法的基础上,提出基于超宽带(UWB)通信技术的TOA(Time 0f Arriva....

发表于 09-22 14:20 1252次阅读
基于UWB的无线传感器网络定位技术

在FPGA上建立一个UWB脉冲发生器

用大多数FPGA都可以实现一个数字UWB(超宽带)脉冲发生器。本设计可以创建一个两倍于FPGA时钟频....

发表于 09-06 11:59 529次阅读
在FPGA上建立一个UWB脉冲发生器

UWB短距离无线通信方式的介绍

UWB(Ultra WideBand)是一种短距离的无线通信方式。其传输距离通常在10m以内,使用1....

发表于 08-24 10:50 967次阅读
UWB短距离无线通信方式的介绍

MMR帮助UWB带通滤波器优化性能

总之,我们成功地采用具有双平行耦合线和矩形槽的均匀MMR实现了UWB微带带通滤波器设计。通过正确调整....

发表于 05-26 10:07 490次阅读
MMR帮助UWB带通滤波器优化性能

超宽带(UWB)接收机的电路设计及仿真

  引言   目前,超宽带(UWB)解调方法可归纳为下面三种:一种是构造一个和接收信号差不多的模板....

发表于 09-07 11:17 1243次阅读
超宽带(UWB)接收机的电路设计及仿真

2010年全球短距离无线IC出货可超越20亿颗

2010年全球短距离无线IC出货可超越20亿颗 市场研究机构ABI Research预测,全球短距....

发表于 03-01 08:44 256次阅读
2010年全球短距离无线IC出货可超越20亿颗

UWB技术在家庭和有线电视网络中的应用

UWB技术在家庭和有线电视网络中的应用  超宽带技术UWB(Ultra Wideband....

发表于 02-01 10:33 390次阅读
UWB技术在家庭和有线电视网络中的应用

UWB和TD-SCDMA系统的干扰分析研究

摘 要:针对单个和多个超宽带(UWB)无线通信系统设备与TD-SCDMA系统手机的干扰问题,提出了新....

发表于 06-25 08:30 253次阅读
UWB和TD-SCDMA系统的干扰分析研究

我国发布UWB与TD-SCDMA干扰保护研究报告

中国通信标准化协会(CCSA)日前在国内率先完成“UWB与TD-SCDMA干扰保护研究”的研究报告。....

发表于 06-24 08:36 231次阅读
我国发布UWB与TD-SCDMA干扰保护研究报告

超宽频(UWB)和无线都会区域网路(WMAN, 又称WiMA

  采用正交频分多路转换(OFDM)实体层的无线区域网路(WLAN),目前已经在全球各地广....

发表于 12-26 15:53 312次阅读
超宽频(UWB)和无线都会区域网路(WMAN, 又称WiMA

UWB传输系统定义

UWB传输系统定义 FCC 规定允许UWB 通信设备在3.1 - 10.6 GHz 无需牌照的频谱....

发表于 11-26 11:06 399次阅读
UWB传输系统定义

研究人员开发出弯曲的UWB天线,有限节省空间

研究人员开发出弯曲的UWB天线,有限节省空间 紧凑天线通常采用被发射信号波长的1/4,但是,Vir....

发表于 09-28 08:50 241次阅读
研究人员开发出弯曲的UWB天线,有限节省空间

超宽带—无线连接家庭网络

超宽带

发表于 03-11 13:29 219次阅读
超宽带—无线连接家庭网络

无线数字娱乐设备中的UWB技术

引言

发表于 03-11 13:29 293次阅读
无线数字娱乐设备中的UWB技术

超宽带通信技术及其应用

摘要:超宽带UWB(Ultra-Wide Bandwidth)脉冲通信(Impulse Radi....

发表于 03-11 13:22 276次阅读
超宽带通信技术及其应用

集崭新的超宽带(UWB)无线通信技术

摘要:从超宽带UWB技术进行了介绍和分析,并对其调制方式和近期提出的新型高效脉形调制PSM(Puls....

发表于 03-11 13:20 241次阅读
集崭新的超宽带(UWB)无线通信技术