UWB定位技术在电磁波实验教学中的应用

杨德强，潘 锦，陈 波，王志敏

(电子科技大学 电子工程学院，四川 成都 611731)

不断改革工程专业实验课的开设方式，使实验教学更贴近工程实践，培养学生的创新能力，一直是教学工作者努力的方向[1-8]。近年来，随着GPS定位的普及，利用无线定位技术开展实验受到重视[9-11]。为弥补GPS不能用于室内定位的缺点，许多无线定位技术(如RFID、WIFI等)得到发展，这些技术解决了室内定位的盲区问题，但定位精度(约2 m)仍不能满足需求[12-13]。直到超宽带(UWB)定位技术的出现，其定位精度可达0.1m以内，使室内定位技术发生了质的飞跃[14-15]，也使高校的无线定位实验教学可以在实验室内进行，而且实验可以分成多个小组同时展开。

1 实验系统原理与设计

实验系统包括一个UWB无线定位系统，其中包括至少3个位置固定的参考节点，以及数个可移动的被测节点。被测节点在系统的控制下轮流发出UWB信号，由参考节点接收。系统通过到达时间差(time difference of arrival，TDOA)定位算法获得被测节点的坐标。

1.1 TDOA定位原理

TDOA定位算法是通过测量同一UWB信号到达不同参考节点的时间差，并利用时间差决定的双曲线交点来定位。TDOA算法对参考节点与被测节点之间的时间同步要求并不严格，只需要保持参考节点之间同步，这就使系统设计更加简单，直接降低了UWB定位系统的成本。

当参考节点通过共同的高精度时钟实现同步，就可以通过直接测量和估计节点间的电磁波传播时间实现测距的目的(见图1)。当被测节点处于某一位置并发射脉冲信号时，由于与各个参考节点的距离不同，脉冲信号到达不同参考节点的脉冲波形在时间轴上就会产生差异，用公式可计算出这个距离差：

d=(t0-t1)×c

式中，d为距离差，c为光速。

图1 到达时间差测距原理示意图

如果有3个参考节点，则平面上2个TDOA决定2条双曲线，移动节点位于双曲线的交点。如图2所示，参考节点Reader1和Reader2决定的双曲线为1，Reader1和Reader3决定的双曲线为2，则移动节点位置Tag(x，y)位于2条双曲线的交点，即用3个参考节点实现了对移动节点的二维平面定位。

图2 TDOA平面定位原理

根据到达时间差获得的TDOA方程为：

(1)

(2)

式(1)和式(2)联立求解，可获得移动节点坐标。理论上讲，采用TDOA方式，3个参考节点可以确定二维平面内的移动节点位置，4个参考节点可以实现三维立体定位，更多的参考节点则可通过算法进一步提高定位精度。

1.2 实验系统设计

实验室布置一个最小的UWB定位系统，如图3所示。系统包含1个同步控制器和3个参考节点(Reader)，根据实验室大小，建设一个多台计算机构成的局域网，其中教师电脑与定位服务器可以共用。每组学生配备一台电脑和一个移动节点(Tag)。定位系统可以实时对各实验组的Tag进行定位(如1次/s)，并将各组Tag的定位数据单独发送到该组的学生电脑。

图3 实验室布局设计框图

对于每组学生而言，定位系统都在单独为本组工作，该组的Tag在实验桌上的移动，借助软件算法，就可以在这一组的每个学生电脑中以数据和图像表现出来。UWB无线定位系统可以开展以下几类学生实验：

(1) 通过编程实践定位算法，验证算法的定位精度，实现类似GPS定位的工程应用实验；

(2) 通过接收的基站数据实现雷达测角测距等实验；

(3) 通过改变电磁波到达基站的路径和方式，开展电磁波传播特性实验，例如电磁波透射实验。

2 电磁波透射实验方案设计

利用UWB信号进行定位实验，离不开电磁波的收发与传播，在电磁波传播路径上，设置一些实验装置，可以进行电磁波透射实验。实验的目的是模拟UWB无线定位系统在室内工作时，电磁波穿透墙壁产生衰减和时间延迟的情况，了解电磁波在媒质中的传播特性，分析这一现象对定位精度产生的影响，通过算法弥补和改进电磁波穿墙定位的精度。

为了实验电磁波在媒质中的传播特性，专门设计了一些厚度为10～20cm的媒质材料板(如聚四氟乙烯板、聚丙烯板、厚纸板、木质层板等)，用来阻挡电磁波从Tag向某一个方向Reader的传播。这些媒质材料板的形状为半圆弧形或立方体形均可，宽度和高度均为20cm(见图4)。

图4 电磁波透射实验原理

在图4中，实验时用圆弧形的媒质1阻挡电磁波传到Reader1方向，电磁波将穿过媒质1。由于媒质的介电常数大于空气，电磁波传播速度将变慢，传输时间延长，则按照原来的公式计算的目标位置与实际位置出现偏差。电磁波在媒质中的传播速度[16]为

式中，εr为媒质的相对介电常数，μr为相对磁导率。

电磁波穿过有一定厚度的媒质1时，由于波速变慢，增加了电磁波传播时间；用立方体形的媒质2阻挡电磁波时，还必须考虑入射角度的影响因素。

电磁波透射实验的步骤如下：

(1) 对定位服务器送来的3个时间数据进行计算，获得Tag的坐标；

(2) 用媒质阻挡1路或2路信号，观察并记录坐标偏移情况；

(3) 根据媒质的厚度以及时间差变化，计算媒质延迟时间，反推出媒质的介电常数；

(4) 根据媒质参数重新修正定位算法，改进电磁波穿墙定位的精度。

3 结束语

利用UWB定位技术，在实验室内建立的小型、完整的无线定位系统，具有占用场地小、实验综合费效比高的优点。电磁波的透射实验表明，所得到的实验数据精度较高，并且完全是在实际的电磁波应用环境中进行实验，教学效果远超一般验证性实验。该实验方法也可以推广到通信、电子信息工程、地理信息等专业的实验中。

[1] 高红.高水平实验创新平台建设的探索[J].实验技术与管理,2007,24(10):382-384.

[2] 蒋永平,徐杜,张宪民.工程专业课实验教学新模式的探索与实践[J].实验室研究与探索,2001,20(1):6-8.

[3] 李良荣,张建峡,李绪诚,等.现代电子技术教学实验创新能力的培养与实施[J].实验技术与管理,2009,26(12):113-116.

[4] 张建中.改革专业实验课 培养学生能力和素质[J].实验室研究与探索,2003,22(3):19-22.

[5] 张逸,梅龙宝,詹寿发.虚拟现实技术与物理实验创新[J].实验技术与管理,2002,19(3):46-49.

[6] 姚缨英,孙盾,王小海.研究性开放式实践教学的思考：电工电子基础实验创新教学初探[J].实验技术与管理,2008,25(2):5-7.

[7] 田云丽,周利华,肖红飞.安全工程专业实验课教学中的创新教育[J].实验室研究与探索,2006,25(9):1039-1042.

[8] 洪澜,张煜彬,陈敏.自主设计型实验教学提高理科生创新实践能力[J].实验室研究与探索,2010,29(8):233-234.

[9] 李天松,周海燕,陈名松.工科院校GPS基础实验室规划与建设[J].实验技术与管理,2010,27(6):177-180.

[10] 柳青,戴立坤.单片机实验系统中GPS实验模块的设计与应用[J].广州航海高等专科学校学报,2008,16(1):32-34.

[11] 陈红雨.基于声源定位的GPS模拟实验设计[J].实验技术与管理,2009,26(2):30-33.

[12] 鲁晓,曾连荪.基于WINCE平台下园区内WIFI定位可靠性的研究与实现[J].电子设计工程,2012(13):86-88.

[13] 陈瑞鑫,邹传云.有源RFID定位系统设计与实现[J].电子技术应用,2010(10):47-48.

[14]LiuHui,DarabiH,BanerjeeP,etal.Surveyofwirelessindoorpositioningtechniquesandsystems[J].Systems,Man,andCybernetics,PartC:ApplicationsandReviews,IEEETransactionson,2007,37(6):1067-1080.

[15]FontanaRJ,GundersonSJ.Ultra-widebandprecisionassetlocationsystem[C]//IEEEConferenceonUltraWidebandSystemsandTechnologies.2002:147-150.

[16] 谢处方，饶克谨.电磁场与电磁波[M].4版.北京：北京教育出版社，2006.