UWB测距与室内定位精度研究

张涛,徐亚明

(1.武汉大学 测绘学院,武汉430079;2.精密工程与工业测量国家测绘地理信息局重点实验室,武汉 430079)



UWB测距与室内定位精度研究

张涛1,2,徐亚明1,2

(1.武汉大学 测绘学院,武汉430079;2.精密工程与工业测量国家测绘地理信息局重点实验室,武汉 430079)

本文通过实验,测试和分析了UWB技术测距和室内定位的精度以及影响精度的因素。数据表明,UWB室内测距精度不仅受到多路径和遮挡的影响,还受到天线群延迟的各向异性的影响。其中,多路径造成的误差范围相对较小;天线群延迟的各向异性造成的测距误差有着较强的规律性,在一定程度上可以当作系统误差将其减弱;遮挡造成的误差最为严重,但可以通过合理布设Anchor来尽量避免遮挡造成的影响。总之,目前的低成本UWB测距和定位产品的精度和稳定性已经可以满足一部分用户的需求,具备大范围推广实用的可能。

UWB;测距;室内定位;多路径;天线;群延迟;各向异性

0 引 言

众多行业都对室内定位技术提出越来越高的要求,例如物联网行业、旅游行业、商业场所、机场、消防、公安、军用、停车场,医院、机器人、无人机,隧道矿井等。在超宽带(UWB)定位,WIFI指纹定位,超声波定位,蓝牙定位,地磁定位,伪卫星定位等众多室内定位技术解决方案中,目前来看,UWB技术是比较能在精度和成本之间取得平衡的一种技术,最有希望能得到发展的推广。

UWB是利用比传统通信技术宽得多的频谱(通常是数百MHz到数GHz)进行通信。根据Shannon 理论,信道带宽越宽,就有着越强的抗干扰能力,所需要的发射功率越小,传输速率也越快。因此UWB技术可以使用更少的电能,更快地进行数据的有效传输,其脉冲宽度非常短,通常可以在ns级别[4]。由于 UWB通信的特性与常规的无线通信有着较大区别,因此在抗多径以及穿透性等诸多方面有着传统无线通信方式无法实现的优势[1]。

本文中,分别作了如下实验,测试和分析了UWB测距以及定位精度,对误差来源进行了分析,并提出了降低这些误差的方法。1) 室外,设备固定位置、定向测距实验,目的是衡量设备测距噪声特性;2) 室外,不同方向无遮挡测距实验,衡量天线的群延迟各向异性;3) 室外,遮挡对测距影响实验;4) 室内,无遮挡测距精度实验;5) 室内,遮挡物对测距精度的影响实验;6) 室内,三维定位精度实验。

实验中所使用的设备是基于DecaWave公司生产的 DW1000芯片开发的测距设备。该芯片体积小,功耗低,接口简单,开发容易。天线使用的是Abracon LLC 公司生产的贴片UWB天线[2]。

1 UWB室外测距实验

室内定位,有一个很大的问题就是多路径问题。为了更准确的得到 UWB应对多路径问题的性能,首先在室外多路径情况微弱的环境下进行实验1到实验3.

实验1:室外,无遮挡,设备固定、定向测距实验。

在室外空旷环境,将Tag和Anchor的天线分别固定,中间无遮挡,距离大约30 m,进行多次测距。

在连续测量200次后,其结果方差为0.014 5 m,可见其测量结果质量比较高,所使用设备的测量噪声特性很好。鉴于这样的测试结果,后面的测试均只测量一次,不再进行多次测量取平均值的操作。

实验2:室外,设备固定,无遮挡,天线旋转测距实验。

考虑到 UWB天线的群延迟特性,室外测距实验中,将Anchor天线固定设置为正面朝向Tag,而Tag天线作了4个方向的测试,分别是F:正面(0°),B:背面(180°),L:左侧面(270°),R:右侧面(90°)。

测试结果如表1所示(以下实验的准确距离均由全站仪测得)。

图1 UWB天线测试方向示意图

序号准确距离DFBLRF⁃DB⁃DL⁃DR⁃D1720572017272087208-004-0050030032613613612861326139000-00200200934684676466746874689-004-013007009442884283427242944288-005-01600600052404239723924062406-007-01400200262402239523892412405-007-0130080037375374368378381-001-007003006839138838399398-003-011008007均值-004-010005005方差003005003003

从表1中可以看出,实验采用的UWB设备的测距精度可以达到亚分米,精度可靠性也比较高,但是从中也可以看到,从不同方向测量的结果有着不同的结果,这说明所采用的天线的各个方向的群延迟差异明显。其中,背面(B)与侧面(L和R)之间的差异平均值为0.15 m(相当于群延迟值差了0.5 ns),如果同时考虑收发两方的天线群延迟,这个误差值就有可能达到0.3 m,这个误差对最终定位造成的影响就可能达到0.42 m(2d)或者0.52 m(3d),显然已经不可忽视了。幸运的是,由天线群延迟造成的误差有着很强的规律性,在一定程度上可以当作系统误差进行减弱。市场上一些UWB定位产品的实验室数据很好,但是实用中精度大大降低,很大的原因就是受到天线群延迟各向异性的影响。解决这个问题,有一个简单有效的办法,就是首先将天线的群延迟特性测量出来,在测距和定位的时候,将这个延迟值减掉。由于天线的群延迟有很明显的各向异性,因此必须采用多传感器结合的方法,在定位目标上安装IMU,测量Tag天线与Anchor天线之间的相对姿态,从而可以准确消除误差。

实验3：外遮挡测距实验。

对所使用的UWB设备有一个初步了解之后,进行遮挡测距实验,为了保证实验结果的有效性,以下实验都保持 Anchor天线与 Tag天线保持正面相对状态。

所采用的遮挡物为两面厚度都为20 cm的砖墙。测试结果如表2所示。

表2 两层20 cm厚砖墙遮挡后的测距结果

从测量数据可以看出,经过两层20 cm砖墙遮挡以后,传输延迟明显增大,因此造成的测距结果比真实结果大了0.23～0.62 m,平均误差0.43 m,方差也明显增大,说明测距结果精度比无遮挡的时候降低了很多,但这样的精度,在大多数情况下,仍然是非常实用的。

在Anchor与Tag之间用两面20 cm的砖墙和两面30 cm的混凝土墙遮挡进行测试,此时,测距结果比真实距离大了4 m左右,而且不时有大的波动,波动范围从2 m到6 m,甚至有一些测距失败(丢包)现象,说明此时的测距结果已经非常不可靠,无法直接使用。

在实际的室内定位环境中,一般会通过合理架设Anchor的方式来尽量避免遮挡,并且会架设冗余的Anchor,这样既可避免多层墙遮挡引起的测距误差。

2 室内测距实验

通过以上的实验,可以知道UWB测距的基本性能。由于最终UWB测距的应用是要面向室内定位,因此需要进行如下室内的实验。

实验4:室内无遮挡测距。

在室内测距实验中,结果如表3所示。

表3 室内无遮挡测距实验

对比表1室外无遮挡测距实验的结果中的F-D列,可以发现,同样是天线正面相对,室外测距结果偏小,而室内测距结果均偏大,而且方差略有增大,但总体结果仍然是比较理想的。这说明,UWB测距虽然有很强的抗多路径能力,但是多路径效应仍然会影响测距结果,会使得测距结果大约增大0.09 m左右。这样的误差相对于其他的测距方式来说,已经有了很好的表现。

实验5：室内遮挡物对测距的影响。

实际的室内测距或者定位环境,是无法保证Tag与Anchor之间通视的,因此下面针对几种常见的遮挡物作了测试,结果如表4所示。

表4 室内不同遮挡物对测距结果的影响(实际距离D=5.31 m)

可见,不同材料或物体在不同位置上,对测距结果的影响有很大差异,一般来说,距离天线越近,对测距结果的影响越大。但是绝缘体安放位置与测距结果之间的关系不明显。

3 室内三维定位实验

实验6:室内定位实验。

基于以上的测距实验,在长20 m,宽12 m,高3 m的房间内布设三个Anchor和一个Tag,进行定位实验。Anchor与Tag之间均无遮挡。

根据Tag与多个已知坐标的Anchor之间的距离,是可以求得Tag的坐标的。计算 Tag坐标的方法有很多种,可以通过几何的方法进行计算球面交点,也可以通过将方程线性化再通过迭代的方法求解。为了能够使得算法更具有通用性,选择将方程线性化然后迭代求解的方法。

而将方程线性化再进行迭代求解的方法,最简单的就是牛顿迭代。然而经过对实际数据测试发现,牛顿迭代法在处理基于UWB测距的室内定位数据的时候,收敛非常困难,甚至经常出现发散的情况,无法得到解。另外,实际的室内定位系统往往会使用更多的Anchor来提高系统的可用性和精度,因此会出现超定方程,求解朝定方程最常用的方法是最小二乘法[3]。因此在本文的实验中,也采用了最小二乘方法来求解,实验发现,采用最小二乘方法进行基于UWB测距的室内定位解算,将初始位置设置在定位的区域中心位置,迭代过程100%是可以收敛的,通常迭代6次即可。

具体实现参考GNSS伪距定位原理[4],但不同的是此处没有时间未知数。设X=[x,y,z]T为Tag坐标向量,X(n)=[x(n),y(n),z(n)]T为第n个Anchor的坐标向量,则Tag到第n个Anchor 的距离ρ(n)为

ρ(n)=|X(n)-X|

(1)

由于ρ(n)都已经通过UWB测距得到,而X(n)是已知的,因此计算Tag坐标的工作实质就是求解以下的三元非线性方程组

(2)

将Tag的初始位置设置为所有Anchor的几何中心, 然后通过最小二乘解法即可得到Tag的坐标解:

(3)

式中: Δx,Δy,Δz为每次迭代的更新量; G为雅各比矩阵; b为吸收向量。

表5列出了用最小二乘方法求解UWB室内定位结果,可见,采用最小二乘方法解算的基于UWB测距的室内三维定位,在平面上可以取得较好的效果。但是由于Anchor的分布原因,使得竖直方向上的误差比较大。可以预计的是,如果环境允许,适当优化Anchor的几何分布,是可以提高竖直方向的定位精度的。

进一步,在实验场地内划分一个长和宽都是3 m的区域,以0.6 m的间隔测量其四个边,Tag高度为0.57 m.测试结果如图2所示,图中,箭头为真实位置到测量位置的矢量。

表5 室内定位精度统计

图2 UWB室内三维定位效果 (a) 立体效果图; (b) 俯视图

4 结束语

通过以上实验,可见UWB室内测距和定位技术的测距稳定性很高,噪声较低。其主要误差来源是遮挡、天线群延迟的各向异性以及多路径。而这三种误差都有有效的方法进行降低和消除。UWB测距技术与最小二乘法相结合进行三维室内定位,具有很高的成功率,且在平面方向上的精度可以控制在20 cm以内,三维定位精度可以控制在0.5 m以内。可以认为,目前的 UWB测距和定位设备已经达到了实用化的程度,具备推广的可能。

[1] 汪洋,张乃通,唐珣,等.UWB室内视距环境多径传播模型[J].通信学报,2005,26(10),24-28.

[2] Abracon Corporation. ACA-107-T datasheet[EB/OL]. http://www.abracon.com/chip-antenna/ACA-107-T.pdf

[3] 吴绍华,张乃通.室内信道环境下UWB精确测距研究[J].通信学报,2007,28(4),65-71.

[4] 谢钢. GPS原理与接收机设计[M]. 北京:电子工业出版社, 2009.

Research on Accuracy of UWB Ranging and Indoor Positioning

ZHANG Tao1,2,XU Yaming1,2

(1.SchoolofGeodesy&Geomatics,WuhanUniversity,Wuhan430079,China; 2.KeyLaboratoryofPreciseEngineeringandIndustrySurveying,NationalAdministrationofSurveying,MappingandGeo-information,Wuhan430079,China)

In this paper, through the experiment, has tested the accuracy of UWB technology ranging and indoor positioning, and analyzed the error source of UWB technology ranging and indoor positioning. The data showed that UWB indoor ranging accuracy is not only effected by the multi-path and blocking, but also effected by the anisotropic of antenna group delay. And, the multi-paths effect is not the main source of the error. The ranging error that the antenna group delay causes has the strong regularity, to a certain extent can treat as the systematic error to weaken it; The error that the blocking causes is most serious, but can reduced through build Anchors reasonably. In brief, the precision and stability of current low cost UWB product have been able to fit the needs of some users, and It has the possibility of promotion.

UWB; ranging; indoor positioning; multi-path; antenna; group delay; anisotropic

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.05.011

2016-03-22

国家重点研发计划项目(编号：2016YFB0501803)

P228.4

A

1008-9268(2016)05-0056-05

张涛 (1972-),男,硕士,工程师,主要从事通信,导航,自动控制以及显示技术的研究工作。

徐亚明 (1964-),男,博士,教授,主要从事精密工程测量与工业测量的研究工作。

联系人： 张涛 E-mail: uhwsin@qq.com