基于UWB的中长跑定位跟踪测试系统应用研究

李国民，施兰平



基于UWB的中长跑定位跟踪测试系统应用研究

李国民1，施兰平2

1.浙江理工大学 体育教研部, 浙江 杭州 310018; 2.浙江工商大学 体育工作部, 浙江 杭州 310018

以自主开发的基于超宽带技术（UWB）中长跑定位跟踪测试系统为基础，详细分析了系统架构、工作原理和应用方面的问题，并通过对236名大学生进行测试后检验了系统在测试精度、效度等方面的可靠性。研究结果：1）超宽带技术（UWB）在7种通用无线定位技术中精度最高，其精度误差最小为6~15 cm；2）本系统定位标签计时精确到纳秒级别，每秒发送25次信号，信号传播距离为150 m。在室外复杂的环境下，只要两个定位标签间隔50 cm以上，系统就能通过定位分辨前后次序确定名次；3）本系统在测量效度上比手动计时更加可靠，通过对比两组数据之间的变异系数，UWB系统变异系数值比手动计时低，其测试成绩效度比手动计时要高；4）本系统自动计圈计时，成绩统计完全自动化，测试结束即可立刻查询测试成绩；5）本系统通过测试者指静脉识别、定位标签防拆卸、地图电子围栏、自动计圈计时等功能解决了手动秒表测试过程中作弊、替跑、抄近道等问题。研究结论：基于UWB设计开发的中长跑定位跟踪测试系统具有精度高、效率高、防作弊、成绩统计功能强大、标签功耗低、体积小等优势。

UWB；中长跑测试；耐力素质；定位跟踪；

1 前言

《国家学生体质健康标准》不仅是学生体质健康的评价标准，也是激励学生参加身体锻炼，促进学生体质健康和发展学生核心素养体系的教育手段。我国学生体质健康调研和监测开始于1985年，经过30多年持续监测，其结果表明：“耐力素质持续下降”是当前我国学生体质健康存在的最大问题，而大学生尤为突出。因此，不断加强对大学生耐力素质项目跑的技术干预，改进耐力素质项目的测试方法，就成为诸多高校探索实践的热点课题。

目前用于学生中长跑测试的计时方法主要有手动秒表计时、电动终点计时和射频识别（RFID）计时3种，通过多年的实践证实这3种计时方式各自存在一定的问题。手动秒表计时存在人为失误，精度低，计时误差可达0.24 s[2]，当出现学生对成绩有疑问时无法查对。电动终点计时使用成本大，不能识别个体，只适合距离短、分道比赛、每组人数较少的项目[1]。射频识别（RFID）计时实现了多人同时计时计圈，但射频识别（RFID）技术存在着碰撞问题，当有多个感应标签同时进入同一阅读器时，阅读器可能得不到准确识别，存在数据丢失的问题[4,9]，这就造成终点计时存在数据无法记录的情况，所以目前采用射频识别（RFID）计时测试的学校，还同时配备手动秒表计时，解决系统数据丢失的问题。超宽带技术（Ultra-wideband,简称UWB)是一种不用载波，而采用时间间隔极小（纳秒级）的脉冲通讯方式，是一种低耗电、高速传输的无线个人局域网络通信技术[11]。2002年2月，美国联邦通信委员会（Federal Communication Commission, FCC）首次批准该技术应用于民用通信，同年4月，将3.1 GHz~10.6 GHz的频带免费授权给UWB 使用[7]。UWB具有非接触、非视距、功耗低、安全性高、多径分辨能力强和定位精度高等优点[10]。国内在2001年9月初发布的“十五”国家863计划通信技术主题研究项目中，首次将“超宽带无线通信关键技术及其共存与兼容技术”作为无线通信共性技术与创新技术的研究内容，鼓励国内学者加强这方面的研究工作[5]。UWB技术在国内已经应用于足球运动员训练与比赛时的定位与监控中[6]。

本研究以自主开发的基于超宽带技术（UWB）中长跑定位跟踪测试系统为基础，详细分析了系统架构、工作原理和应用方面的问题，并通过对236名大学生进行测试后检验了所设计系统在测试原理、测试精度和效度等方面的问题。

2 研究对象与方法

2.1 研究对象

在《国家学生体质健康标准》测试过程中，通过随机数码表不重复抽样方法选取大一到大四男、女大学生共236人为研究对象，基本情况如表1所示。

表1 研究对象基本情况表

2.2 研究方法

2.2.1 文献资料调研

通过以“超宽带技术”“中长跑测试”“运动计时”“运动轨迹”“终点计时”为关键词，在中国知识资源总库(CNKI)数据库检索所得的40余篇文献进行深入分析，为本研究提供理论基础和实证参考。

2.2.2 软件工程

以Windows系统为操作平台，通过矢量化图形技术，给使用者提供可视化的操作界面，系统原型软件的开发使用Visual Studio .net为开发工具来完成。

2.2.3 实验测试

在《国家学生体质健康标准》测试时，通过随机数码表方法选择236名男、女学生参加中长跑测试，其中男生测试1 000 m，女生测试800 m。测试时同时使用手动秒表计时和UWB定位跟踪系统计时，每位同学测试中长跑时，同时获得2种计时方法的测试成绩。测试使用设备：超宽带(UWB)无线电收发设备，该设备由美国Zebra公司生产。UWB系统的定位精度可通过合理的接收器安装，理论上实现15 cm以内的实时定位；定位标签（超宽频信号发射装置）佩戴方式为采用肩带，定位标签固定在右肩上，标签更新率为25 Hz。手动秒表计时采用多人共用一块秒表计时的方式进行。

测试方法：每个学生右肩佩戴UWB定位标签，按要求分组进行测试。

测试前：信息处理。将学生信息导入UWB测试系统，学号、姓名、性别与UWB定位标签ID号对应，每组测试人数为15人，最后导出一份名单用于秒表成绩记录。

测试中：充分做好准备活动，按测试前的分组进行测试。先进行女生800 m测试，然后再进行男生1 000 m测试。终点处安排一位测试教师秒表计时，2名志愿者负责秒表计时成绩记录工作。

测试后：收集整理测试成绩，进行相关统计分析。

2.2.4 数理统计

3 结果与分析

3.1 UWB中长跑定位跟踪测试系统架构

3.1.1 硬件连接

一组简单的UWB定位系统主要是由3个部分组成：1）定位标签(Tag)，它是通过电池供电，能够发射UWB信号；2）传感器(Sensor)，它是固定在已知坐标的位置上，能够接收从定位标签发送过来的信号；3）软件平台(Software Platform)，主要包括是定位处理器、软件系统和核心算法。它能够综合所有位置信息，获取、分析、计算并传输信息给用户和其他相关信息系统。基于UWB的中长跑定位跟踪测试系统以超宽带（UWB）定位技术为核心，结合信息定位技术（LBS），采用网络拓扑结构来布置测试系统：在标准田径场四周布设固定8个已知坐标位置信息的传感器，实现整个田径场范围内定位标签发射的信号接收，传感器接收的信号被同步传送到软件平台，通过一定算法后保存到计算机服务器数据库中。本系统使用美国Zebra公司生产的超宽带无线电收发设备的技术参数及安全性获得欧盟电子技术标准化委员会、美国国家认证的测试实验室MET实验室、中华人民共和国工业和信息化部认证。这为其在中长跑测试系统的应用提供了相当有利的条件，其性能及安全性可以满足要求，同时具有体积小、抗干扰、性能好、供电时间长、数据存储容量大、定位精度高和数据及时反馈等优点。系统硬件参数见表2。

表2 系统硬件参数表

3.1.2 软件设计与实现

基于UWB的中长跑定位跟踪测试系统软件设计包括主控界面和定位软件两部分。主控界面由6大模块构成，分别是工具栏、菜单栏、标签栏、监控界面、报警栏和状态栏。定位软件包括了4大模块：分别是数据源设置、系统配置、数据库管理以及网络通信。为了实现定位标签的定位跟踪，采用到达时间差法（TDOA）作为本定位系统的定位算法。软件开发环境主要应用Microsoft Visual Studio 10版，数据库使用Access 2003中文版，用C#为软件开发语言完成了定位软件系统的设计。

TDOA定位算法是测量定位标签发射的信号到达不同固定位置传感器的时间差，利用双曲线的特性，建立双曲线方程组，采用相应的算法解方程组，得出定位标签的位置，TDOA定位的双曲线模型见图1。

图1 TDOA定位双曲线模型

Figure 1. TDOA Positioning Hyperbolic Model

假设有3个参考节点分别是BS1、BS2和BS3，定位标签到3个固定位置传感器的距离分别是d1、d2和d3。定位标签到BS1和BS2之间的距离差d21=d2-d1，依据双曲线原理，定位标签位于以BS1, BS2为焦点，以d21为焦距的双曲线上；同理可知定位标签也必然位于以BS1、BS2为焦点，以d31为焦距的双曲线上[3]：因此，2条双曲线的交点就是定位标签的位置。

3.1.3 软件结构

3.1.3.1 主控界面结构

菜单栏、工具栏的功能是配置各模块的参数，设计的菜单栏包括文件、视图、设置3个弹出菜单。工具栏的功能主要是管理跟踪区域显示效果并刷新。把跟踪区域嵌入到主窗体容器中，载入主窗体的时候，会载入跟踪区域视图，显示实时跟踪情况。标签信息栏和报警栏的功能是显示系统的状态。

3.1.3.2 定位软件结构

1. 网络通信。中长跑定位跟踪系统通过超宽带UWB的网络通信，用以太网连接的方式把定位标签、定位传感器、定位处理器及服务器组网连接，能够实时接收来自客户端的命令信息，以及能够实时上传定位标签的状态及其它的测量信息。

2. 测量数据采集。通过网络通信，定位传感器获得定位标签实时的位置信息以及ID信息后再上传服务器软件。

3. 定位标签坐标位置计算。如何把获得的定位标签数据转化成具体坐标位置，这主要是通过一定的算法实现，通过计算转化后的坐标位置可以实时显示、实时观测读取标签数据。

4. 参数设置信息。各个硬件组成部分的参数设置可以从配置文件中读取，如传感器配置、IP地址配置和坐标位置信息等。

5. 地图参数。为了更直观的显示定位标签相对于真实环境中的位置，将田径场各条跑道以一定比例画出，并在服务器软件平台界面显示。

6. 报警及处理。在报警监视系统运行时，定位标签进入电子围栏、定位标签数据发送和接收异常、传感器之间断开连接等，提供警报以及各类处理工作。

7. 客户端界面。中长跑定位跟踪测试系统的工作原理是依据UWB技术为定位标签提供精确的定位。这要求整个服务器软件具有高效的数据处理能力和较高的数据响应速度，以满足整个定位过程的实时性要求。此外，软件的直观性和易用性也是需要考虑的重要问题。因此，需要设计用户接口，让用户无需深入了解整个系统的内部结构，就可以方便直观地使用系统。

3.2 UWB中长跑定位跟踪测试系统定位与测试精度

3.2.1 定位精度

表3是目前常用的7种无线定位技术精度统计表。这7种定位技术之间各有利弊，在定位精度上存在较大的差异。其中超宽带（UWB）定位精度最好，理论定位精度为6~15 cm。而目前在中长跑测试中常用的射频识别（RFID）技术精度在5 cm~5 m，这会造成中长跑测试时，终点阅读器可能在测试者离终点5 m处就感应到信号而停止计时，这也是造成射频识别（RFID）计时系统精度低的主要原因。因此，射频识别（RFID）技术只能满足于精度要求不是很高的定位需求。对于中长跑测试计时有高精度定位需求应用，超宽带（UWB）技术有很大的优势：厘米级的定位精度、低能耗、收发器体积小、多径分辨率高[5]。

表3 通用定位技术精度统计表

3.2.2 定位算法

无线定位的精度主要依靠定位算法，常用的算法有4种：信号强度定位法（RSS）、信号到达角度定位法（AOA）、信号到达时间定位法（TOA）和信号到达时间差定位法（TDOA）。通过查阅相关文献对4种定位算法的分析，虽然4种算法都可以实现定位，但由于定位测量的数据以及测量方式不同，导致在定位精度上存在很大不同。RSS定位算法是通过信号强度与距离对应关系来估算距离，定位精度低，只能进行粗略定位；AOA定位算法比 RSS 定位算法理论上分析应该更精确，但是，在复杂环境中多径干扰下，到达角度方向识别能力大幅下降，只适合作为辅助定位；TOA定位算法是基于信号到达基站时间的测距方法，任何影响传播时间的因素都会对测距产生误差，其最大难点是目标节点和基站之间时钟无法完全同步，而实际可用性不高；本系统采用的TDOA定位算法是利用信号到达基站的时间差进行测量，时钟同步要求有所降低，定位基站之间只需要用线缆连接就可以解决问题，而且相对不同基站的信号到达时间进行差值计算会消除部分误差，提高了定位精度。

3.2.3 定位标签

本系统采用的定位标签每秒可发送25次信号，信号传播的距离达到150 m，位置固定的传感器每接收到一次信号就对其进行一次定位计算，计时精确到纳秒级别，定位原理如图4所示。在二维平面内，已知3个位置固定的传感器坐标信息1、2和3，当定位标签位于3个传感器接收信号范围内时，将周期性地向3个传感器发送UWB无线信号，UWB无线信号传播速率已知，而定位标签与3个位置固定的传感器的距离不同，信号到达3个传感器存在时间差，利用传感器已知位置坐标信息，通过公式推导和结合解析理论知识即可求出定位标签的位置坐标X。

图2 定位标签TDOA算法定位原理

Figure 2. Positioning Principle of Mobile Tag TDOA Algorithm

3.2.4 实际测试精度

为了检验本系统测试结果的准确性，抽取一组女学生800 m跑测试数据进行检测。通过检测，在室外复杂的环境下，只要两个定位标签间隔50 cm以上，本系统就能通过定位分辨前后次序，特别是在终点冲线时的名次判断也非常精准。另外，通过系统平台软件统计，参加本组800 m跑测试的15名女学生，系统测距如表4所示，本组测距均值为80 011 cm，实际测距误差为±50 cm，测距误差率仅为0.0625%，由此可以认为本系统的测距精度接近了UWB理论定位的精度。

表4 800 m测试结果统计表

3.3 测试效度评估

UWB定位测试系统的有效性是本系统是否成功的关键指标，UWB定位精度直接体现在学生的测试成绩上，通过与手动秒表记录236名学生成绩之间的结果比较可以看出本系统的准确性。目前全国各类学校的学生中长跑测试，基本采用手动秒表计时，《国家学生体质健康标准》评分标准也是按手动秒表计时成绩进行制定。因此，同时采用手动秒表计时与UWB系统计时，对测试结果进行比较分析，可以很好的检验出本系统测试成绩准确度和有效性。

3.3.1 两种测试方法结果变异系数比较

变异系数是衡量样本观测值离散程度的重要统计量，其值越大说明数据越分散。用UWB中长跑定位跟踪系统测试与手动秒表计时两种方法对236位男、女学生分别进行 1 000 m或800 m测试，测试结果统计和两种测量方法变异系数见表5。从表5中两种测试方法的变异值发现，通过秒表计时得出的变异系数（CV%）是12.92，UWB测试方法的变异系数（CV%）是12.89，在变异系数值上秒表测试方法比UWB测试方法要大，由此说明手动秒表计时在成绩离散度上比UWB要高，成绩的精度比UWB要低。因为是同一组人同时跑步所得出的两种统计成绩，由此可以认为，UWB测试成绩和秒表计时成绩无差异，在成绩精度上UWB测试比秒表计时要更加精准。

3.3.2 两种测试方法结果差异性检验

两种测试结果采用配对检验，检验两种测试方法的测试成绩是否存在差异。检验结果见表6和表7。

表5 两种测试计时方法变异系数CV比较

表6 成对样本相关系数

表7 成对样本检验

从表6可以看出，两种测试结果存在显著相关关系，由此可以推断两组数据之间无差异，测量的精度接近。从表7可以看出，两种测试成绩不存在差异（T=-1.881，=0.61>0.05），说明UWB计时系统完全能达到目前的中长跑测试要求，具备较高的准确度和有效性，可以替代手动秒表计时。

4 讨论

1. 成绩精度上达到并超过了手动秒表计时成绩。手动秒表计时测试，是目前全国各类学校进行中长跑测试的传统方法，通过对比基于UWB的中长跑定位跟踪测试系统成绩和手动秒表计时成绩，双方成绩统计数据之间>0.05（无显著性差异），说明本系统测试成绩符合中长跑测试要求。此外，在通过两种方法测量同一组受试者的数据分析中，本系统所测量数据变异系数比手动秒表要低，表明了本系统数据获得值的离散度比手动秒表计时低，因此在测试精度上比手动秒表计时更加准确。

2. 在自动计圈计时和测试效率上优势明显。基于UWB的中长跑定位跟踪测试系统将超宽带技术(UWB)和位置信息技术（LBS）应用在中长跑项目测试中，以超宽带（UWB）定位跟踪技术为核心，结合信息定位技术（LBS），设计了中长跑定位跟踪测试系统，可自动计圈计时，实现了中长跑自助测试的目的，解决中长跑测试时需要记录学生行进圈数和成绩的急迫问题，具有明显的实际意义。在测试效率上，本系统可以多组多人同时连续进行，不需要人工记录终点的名次与成绩，测试效率非常高。而手动秒表计时，只能一组测试完成并在终点处记录好名次和成绩后才能进行下一组测试。通过实际操作比较，本系统自动计时测试效率比手动秒表计时测试高。本系统可以长期对测试者的测试数据进行收集，对测试者的体能、状态、历史数据有全面的了解，并可根据各项数据制定相应的锻炼计划等。

3. 解决了很多手动秒表计时所遇到的问题。本系统自助测试不需要发令，系统会自动记录到测试者通过起点线和终点线的时刻，从而实现测试计时的功能，因此就不会出现测试时抢跑的问题，进而提高了测试成绩的准确性及测试效率。此外，在运动轨迹上，本系统测试时定位标签每秒可发送信号25次，系统对定位标签每秒可进行25次定位。在测试过程中，把每次定位的点连接起来，就形成了测试时的运动轨迹。运动轨迹的显示，可对测试者进行跟踪，对在测试过程抄近路的情况直接进行显示，对测试成绩的有效性提供了准确的判断。手动秒表计时，测试者没有运动轨迹显示。在中长跑测试过程中，作弊的情况主要有替跑、少跑、抄近路等情况。本系统在测试前，通过指静脉身份识别系统，对测试者的身份进行确认，然后再绑定定位标签，定位标签具有防拆卸功能，解决了替跑的问题。本系统在测试过程中，在终点设置了检测功能，如果检测少通过一次，则不会计算成绩，解决了少跑的问题。本系统结合田径场跑道的二维地图设置了电子围栏，在测试过程中测试者定位点有越过电子围栏的情况，系统可进行报警提示，判定为抄近路，因此本系统通过电子围栏解决了抄近路的问题。手动秒表计时测试时，只能依靠肉眼来解决各种作弊的情况，工作量较大且精确性很低。

4.在成绩统计上实现了自动化。测试时，本系统通过定位标签终点时刻与起点时刻的计算得出测试成绩，并将测试成绩自动记录到数据库，系统能自动进行所有测试者的名次排列。测试结束后立刻能查询各种统计结果，功能强大，效率极高。手动秒表计时，必须在终点线处安排测试工作人员，当测试者通过终点线时，先记录测试者完成测试的名次，同时依次记录测试成绩，当全部测试者完成测试后，再根据名次与对应的成绩进行匹配和登记，当存在错误时还需要再复核，工作强度大，工作效率低。

表8 两种测试方法比较一览表

5 结论

基于UWB技术设计开发的中长跑定位跟踪测试系统具有精度高、效率高、防作弊、成绩统计功能强大、标签功耗低、体积小等优势，极具推广应用价值。

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Applied Research on Location Tracking System of Middle-Distance Race Based on UWB Techniques

LI Guo-min1, SHI Lan-ping2

1.Zhejiang Sci-Tech University, Hangxhou 310018, China;2.Zhejiang Gongshang University,Hangzhou 310018, China.

The study is based on the self-developed, ultrawideband (UWB)-based positioning and tracking test system for middle-distance race. Problems in system architecture, operation principle and application are analyzed. The reliability of the system in its precision, validity and other aspects has been tested towards 236 college students. Results: 1) The ultrawideband technology (UWB) used by the system has the highest precision among 7 kinds of general wireless positioning technologies with a minimum accuracy error of 6-15cm; 2) The positioning label timing of the system can be accurate to nanosecond level, transmitting signal 25 times per second with a signal propagation distance of 150 meters. In a complex outdoor environment, as long as the distance between two positioning labels exceeds 50 cm, the system can distinguish the sequence and determine the ranking through positioning; 3) The system is more reliable in measurement validity than manual timing. Through the comparison of the coefficient of variation between two groups of data, the variation of UWB system is lower than that of manual timing while its test result validity is higher; 4) The system is equipped with the automatic lap timing, fully automated test scores and immediate query results after the test; 5) The finger vein recognition of testers, anti-disassembly of positioning label, map electronic fence, automatic lap timing and other functions of the system help solve cheating, alternate running, short cut and other problems during the test. Conclusion: UWB-based positioning and tlacking test system for middle-distance race has many advantages, such as high precision, high efficiency, cheating prevention, powerful function for result statistics, low power consumption of label, small volume.

G818

A

1002-9826(2018)06-0103-06

10.16470/j.csst.201806014

2018-02-24；

2018-07-13

浙江省高等教育课堂教学改革项目(1160XJ2916069); 浙江省教育厅一般项目(Y201534567); 浙江工商大学高等教育改革项目(1160KU21723)。

李国民,男,讲师,主要研究方向为体育教学与学生体质健康干预, E-mail: zstutc@126.com。

施兰平,男,讲师,硕士,主要研究方向为大学生健康体适能干预与促进, E-mail: suke2011@126. com。