单基站UWB定位距离的获得及处理方法

安宝强+张浩+崔学荣

摘 要： 相比于其他定位系统通常至少需要3个参考基站的开销来说，UWB单基站定位只需要一个基站，系统配置简单，可以很快的被应用和发展。为了提高UWB单基站定位系统中对于距离的测定精度，提出了一种应用于该系统的通信定位协议。该定位通信协议用于更加精确地进行基站与标签之间的时钟同步。同时将最大概率数据处理方法应用于距离数据处理。通过对UWB单基站定位系统的整体仿真得到的距离测量误差小于5 cm。该仿真结果说明了此种定位协议和最大概率数据处理方法可以应用于室内高精度无线定位。

关键词： 定位协议； UWB； 最大概率； 单基站

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）07?0015?03

Acquisition and processing method of UWB positioning distance in single base station

AN Bao?qiang， ZHANG Hao， CUI Xue?rong

（School of Information Science and Engineering， Ocean University of China， Qingdao 266100， China）

Abstract： Compared to other positioning systems which requires at least 3 reference stations， Ultra?Wideband （UWB） single base station positioning only need one base station， and the system configuration is very simple， so it can be applied and developed. In order to improve the distance measurement accuracy of UWB single base station positioning system， a communication positioning protocol is proposed， which is used for more accurate clock synchronization between the base station and label. At the same time， the maximum probability data processing method is applied to distance data processing. Through the whole simulation of UWB single base station positioning system， distance measurement error can be reduced to less than 5cm. The simulation result shows the positioning data processing method and positioning communication protocol can be used in the precision indoor wireless positioning.

Kewords： positioning protocol； UWB； maximum probability； single base station

0 引 言

UWB（Ultra?Wideband）信号使用的是宽度为纳秒级别的窄脉冲，具有非常高的时间分辨率[1]，脉冲的持续时间远小于多径簇的到达延迟时间，因此具有很高的多径分辨率[2]。使用UWB信号能得到高精度的时间延迟信息，而这个测量值是无线定位获得距离的重要信息。

传统的无线定位方式多是基于多基站的几何定位，比如基于到达时间（TOA）[3]和基于到达时间差（TDOA）[4]的方式。这两种方式是通过解曲线的方程得到多条曲线之间的交点，交点就是标签的位置。另外还有到达角度（AOA）的方式[5]，这种定位方式最少需要一个参考基站，获得标签相对于基站的角度信息和距离信息就可以确定标签的位置。

在基于UWB 的定位方法中，无论是基站还是移动标签都存在处理时间、时钟偏移等延迟时间[6]，所以导致虽然通过TOA方式得到了到达时间，但是从到达时间中计算出信号实际的飞行时间TOF（Time of Flight）也存在一定的误差。

为解决该误差，提出了应用于单基站定位的定位协议，并对通过定位协议解析出来的信号实际的飞行时间测得的距离进行最大概率的处理，进一步提高定位精度。

1 定位协议

在基于单机站的UWB的无线定位方法中，参考基站和标签测距之前还要进行时间的同步，这样才能确定基站（或者标签）发送的信号何时被标签（或者基站）检测到并且决定何时开始监听和接收。 精确的时间同步能提高测量的精度，而制定一个合适的定位协议对于提高基站和标签的时间同步程度十分重要。

设计参考基站和标签之间的定位通信帧可以根据IEEE 802.15.4a标准[7]，如下：

[同步头（SHR）＼&物理层协议头（PHR）＼&物理层负载（MPDU）＼&前导序列＼&帧起始符＼&]

为适用单基站UWB定位，将通信帧设计如下：

[同步头＼&时间标签＼&标签序号＼&测距序列＼&扩充序列＼&通信数据信息＼&]

同步头：用于标签和基站定位之前的时间同步。基站广播同步头，在基站工作范围内的所有标签响应同步头。

时间标签：标示定位通信帧的发射时刻。

标签序号：记录标签的序号，区分基站工作区之内的其他定位标签。

测距序列：真正用于测距的脉冲序列。

扩充序列：用于其他定位方式的序列，例如AOA定位序列。

通信数据信息：其他的信息，例如负载信息。

测距序列这里沿用了IEEE 802.15.4a标准中物理层协议头的方案，一共19位，具体作用如下[8]：

[0＼&1＼&2＼&3＼&4＼&5＼&6＼&7＼&8＼&传输速率＼&帧长度＼&9＼&10＼&11＼&12＼&13＼&14＼&15＼&16＼&17＼&18＼&RNG＼&EXT＼&前导码长度＼&校验和＼&]

其中RNG表示此通信帧是否为测距通信帧，1表示该帧是测距帧，0表示该帧不是测距帧，表示该帧可能是用于扩展序列或者仅仅是用于广播同步头。

图1 测距原理示意图

测距原理示意图如图1所示，其步骤如下：

（1） 基站广播同步头，间隔1 ms，工作范围内的标签的每个接收窗之间间隔1 ms加一个小的偏移，该偏移应该小于接收窗的宽度。收到一个同步头的标签仍然不断监听直到收到另一个同步头。由标签测得的同步头之间的时间和参考基站产生的两个同步头之间的时间之比可以得到标签基站之间大致的时钟频率f。

（2） 所有工作范围内的标签都将捕获同步头，预定义每个标签的序号都不相同，与接收到的标签序号相同的标签将继续接收测距脉冲序列，测距序列的测距标志位决定该帧是否为测距帧。若是测距帧，本文采用的是双向TOA测距方式（TW?TOA），因此参考基站收到的信号的功率将是[1r2]的倍数而不是[1r4]的倍数，这里[r]是参考基站和标签之间的距离。

（3） 参考基站处，在同步头数据域的最后一个UWB脉冲发送完毕之后，开始发送测距脉冲序列的第一个脉冲，此时刻作为脉冲的发送时刻[T1b，]根据标签与参考基站之间的同步，标签的可能接收时间为[T′1t。]

标签天线经过一段很小的延迟之后立刻生成一个回复帧，记回复帧的第一个测距UWB脉冲结束时的时刻为[T2t，]根据标签与参考基站之间的同步，标签的可能接收时间为[T′2b。]当参考基站接收到测距序列的第一个UWB脉冲时，基站开始进行数据的精确计算得到实际的接收时间为[T2b。]

标签接收到信号并且产生回复帧后，其天线内部会进行数据精确化处理，得到[T′1t]对应的实际接收时间[T1t，]这一段天线内部的延迟定义为[ΔTt。]

每次测距之后，都会由标签经过一定的延时后都会向参考基站发射一系列的校验位，基站经过处理后得到该次测距的[T1t]和[T2t]信息。

根据上述数据就可以得到TOA信息中的信号飞行时间[TTOF：]

[TTOF=12[（T2b-T1b）-f?（T2t-T1t）]]

信号传播的速度为[c，]那么标签与参考基站的距离为[r=c?TTOF。]

（4） 通过第（3）步，得到距离原始信息，再使用最大概率处理算法处理数据，得到最终可用于定位的距离信息。

2 最大概率数据处理方法

对通过实验获得的数据取平均是为了消除个别不合理数据，但是这一系列不合理的数据造成的误差需要其他合理的数据来弥补。对一个稳定系统来说，测距时以最大概率出现的数据是更加接近真实距离的数据[9]。

根据IEEE 802.15.4a提供的信道模型，对室内信道模型的测距情况进行了仿真，结果发现多次测量后最接近真实值的估计值不是所有测量值的平均值，而是在一个出现概率最大的范围区间内的平均值。表1所示的是发射信号功率为-40 dB，采样频率为10 GHz的信号在CM3室内视距信道下对7.3 m，5.4 m，8.6 m，13.6 m，17.6 m，20.4 m的100次仿真结果，表中[R]表示真实值，[M]表示最大概率处理方法，[A]表示取平均处理方法。

表1 测量结果 m

[R＼&7.3＼&5.4＼&8.6＼&13.6＼&17.6＼&20.4＼&M＼&7.299 9＼&5.400 7＼&8.599 1＼&13.599 0＼&17.599 9＼&20.401 2＼&A＼&7.324 9＼&5.421 1＼&8.622 0＼&13.618 8＼&17.622 0＼&20.431 8＼&]

通过表1可以看出最大概率估计的数据处理方法比单纯的平均值法要精确地多。

最大概率数据处理算法的实现步骤如下：

（1） 获得多次测量的结果，存放到数组Measured_d_ matrix中。

（2） 室内UWB定位误差为厘米级别，分米级别的数字是准确的。因此，将四舍五入后的小数位设置为一位（单位为米，小数点后一位为分米）。将结果存放到另一个数组Rounded_measured_d_ matrix中。此时数组中每个元素相当于一个长度为10 cm的区间，比如是9.6，表示（9.6±0.1） m的区间。

（3） 统计Measured_d_matrix中落在Rounded_measured_d_matrix元素表示的各个区间的概率，找到最大的概率，如果其大于25%，返回此概率以及其对应的区间值。

（4） 返回Measured_d_matrix中四舍五入后的值为步骤（3）中找到的区间值的元素下标。

（5） 将步骤（4）中找到的下标所对应的元素值取平均就得到了最大概率下的距离信息。

图2表示的是在真实距离为8.6 m时仿真结果概率分布图，在100次仿真结果中测量值在（8.6±0.1） m区间内的次数超过45次，概率大于45%。当环境更加复杂的情况之下，特别是没有直达路径的情况之下，此概率可能会更小。

图2 测量结果的分布图

3 仿真验证

仿真环境为室内视距环境。 IEEE 802.15.4a提供了9种信道模型中，本次仿真使用了CM3信道[10]：室内环境，3～28 m，2～8 GHz，视距条件。仿真示意图如图3所示，其中A，B，C为样本点。

图3 仿真环境示意图

仿真结果见表2。表中R表示真实值，M表示最大概率处理方法，A表示取平均处理方法，AE表示平均值误差，ME表示最大概率误差。

表2 仿真结果 m

[＼&R＼&A＼&M＼&AE＼&ME＼&A＼&7.43＼&7.453 6 ＼&7.429 8＼&0.023 6 ＼&0.000 2＼&B＼&14.21＼&14.230 0＼&14.208 3＼&0.020 0 ＼&0.001 7＼&C＼&23.76＼&23.778 5＼&23.758 7＼&0.018 5＼&0.001 3＼&]

从表2看出，测距离的误差在1 cm之内，明显比使用平均的方法处理数据的精度高很多。

距离的精度能达到厘米级别，因此，对于该信道范围（3～28 m）来说，厘米级别的误差可以忽略，对于标签的定位精度主要取决于角度。

例如，对于28 m处的标签角度偏差1°的话，那么与实际标签之间的偏差就能达到：

[2rsinθ2=56?sin0.5°≈0.49 m]

该值为[θ]对应的弦长，如图4所示。

图4 误差计算示意图

在信道的距离范围（3～28 m）之内，对于标签的定位误差位于：[2rsin （θ2）=6?sin0.5°≈0.05 m]和[2rsin （θ2）=][56?sin0.5°≈0.49 m。]因此，测量标签位置与实际标签的位置误差范围在0.05～0.49 m之间。

4 结 论

本文详细论述了适用于单基站UWB定位的通信定位帧的定义方式以及各个段的具体含义，同时给出了基站和标签时间同步情况之下的距离信息的获得方法。同时提出将最大概率的数据处理方法应用于距离测量值的数据处理，进一步提高了定位精度。利用系统仿真获得的距离能达到厘米级别的精度（5 cm）。在根据IEEE 802.15.4a提供的信道模型，采用了CM3信道下，定位精度的范围在0.05～0.49 m之间，实现了很高的定位精度。如果在室内距离不是很远的定位中，精度完全能够达到厘米级别。

参考文献

[1] 张中兆.超宽带通信系统[M].北京：电子工业出版社，2010.

[2] 葛利嘉.超宽带无线通信[M].北京：国防工业出版社，2005.

[3] CHAN Y T. A simple and efficient estimator for hyperbolic location [J]. IEEE Transactions on Signal Processing， 1994， 42（8）： 1905?1915.

[4] 吴绍华，张乃通.基于UWB的无线传感器网络中的两步TOA 估计法[J].软件学报，2007，18（5）：1164?1172.

[5] 葛利嘉.超宽带无线电基础[M].北京：电子工业出版社，2006.

[6] 肖竹.超宽带定位与RAKE接收关键技术研究[D].西安：西安电子科技大学，2009.

[7] MOLISCH A F， BALAKRISHNAN K， CASSIOLI D， et al. IEEE 802.15.4a Channel Model?Final Report [S]. USA： IEEE， 2004.

[8] 崔学荣.超宽带无线定位算法及协议的研究[D].青岛：中国海洋大学，2012.

[9] 王彦波.IR_UWB同步捕获技术研究[D].杭州：浙江大学，2008.

[10] SUN Xiao?bing， MA Yu?gang， XU Jin， et al. A high accuracy mono?station UWB positioning system [C]// Proceedings of The 2008 IEEE International Conference on Ultra?Wideband. Hannover， Germany： ICUWB， 2008： 201?204.

图2 测量结果的分布图

3 仿真验证

仿真环境为室内视距环境。 IEEE 802.15.4a提供了9种信道模型中，本次仿真使用了CM3信道[10]：室内环境，3～28 m，2～8 GHz，视距条件。仿真示意图如图3所示，其中A，B，C为样本点。

图3 仿真环境示意图

仿真结果见表2。表中R表示真实值，M表示最大概率处理方法，A表示取平均处理方法，AE表示平均值误差，ME表示最大概率误差。

表2 仿真结果 m

[＼&R＼&A＼&M＼&AE＼&ME＼&A＼&7.43＼&7.453 6 ＼&7.429 8＼&0.023 6 ＼&0.000 2＼&B＼&14.21＼&14.230 0＼&14.208 3＼&0.020 0 ＼&0.001 7＼&C＼&23.76＼&23.778 5＼&23.758 7＼&0.018 5＼&0.001 3＼&]

从表2看出，测距离的误差在1 cm之内，明显比使用平均的方法处理数据的精度高很多。

距离的精度能达到厘米级别，因此，对于该信道范围（3～28 m）来说，厘米级别的误差可以忽略，对于标签的定位精度主要取决于角度。

例如，对于28 m处的标签角度偏差1°的话，那么与实际标签之间的偏差就能达到：

[2rsinθ2=56?sin0.5°≈0.49 m]

该值为[θ]对应的弦长，如图4所示。

图4 误差计算示意图

在信道的距离范围（3～28 m）之内，对于标签的定位误差位于：[2rsin （θ2）=6?sin0.5°≈0.05 m]和[2rsin （θ2）=][56?sin0.5°≈0.49 m。]因此，测量标签位置与实际标签的位置误差范围在0.05～0.49 m之间。

4 结 论

本文详细论述了适用于单基站UWB定位的通信定位帧的定义方式以及各个段的具体含义，同时给出了基站和标签时间同步情况之下的距离信息的获得方法。同时提出将最大概率的数据处理方法应用于距离测量值的数据处理，进一步提高了定位精度。利用系统仿真获得的距离能达到厘米级别的精度（5 cm）。在根据IEEE 802.15.4a提供的信道模型，采用了CM3信道下，定位精度的范围在0.05～0.49 m之间，实现了很高的定位精度。如果在室内距离不是很远的定位中，精度完全能够达到厘米级别。

参考文献

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[9] 王彦波.IR_UWB同步捕获技术研究[D].杭州：浙江大学，2008.

[10] SUN Xiao?bing， MA Yu?gang， XU Jin， et al. A high accuracy mono?station UWB positioning system [C]// Proceedings of The 2008 IEEE International Conference on Ultra?Wideband. Hannover， Germany： ICUWB， 2008： 201?204.

图2 测量结果的分布图

3 仿真验证

仿真环境为室内视距环境。 IEEE 802.15.4a提供了9种信道模型中，本次仿真使用了CM3信道[10]：室内环境，3～28 m，2～8 GHz，视距条件。仿真示意图如图3所示，其中A，B，C为样本点。

图3 仿真环境示意图

仿真结果见表2。表中R表示真实值，M表示最大概率处理方法，A表示取平均处理方法，AE表示平均值误差，ME表示最大概率误差。

表2 仿真结果 m

[＼&R＼&A＼&M＼&AE＼&ME＼&A＼&7.43＼&7.453 6 ＼&7.429 8＼&0.023 6 ＼&0.000 2＼&B＼&14.21＼&14.230 0＼&14.208 3＼&0.020 0 ＼&0.001 7＼&C＼&23.76＼&23.778 5＼&23.758 7＼&0.018 5＼&0.001 3＼&]

从表2看出，测距离的误差在1 cm之内，明显比使用平均的方法处理数据的精度高很多。

距离的精度能达到厘米级别，因此，对于该信道范围（3～28 m）来说，厘米级别的误差可以忽略，对于标签的定位精度主要取决于角度。

例如，对于28 m处的标签角度偏差1°的话，那么与实际标签之间的偏差就能达到：

[2rsinθ2=56?sin0.5°≈0.49 m]

该值为[θ]对应的弦长，如图4所示。

图4 误差计算示意图

在信道的距离范围（3～28 m）之内，对于标签的定位误差位于：[2rsin （θ2）=6?sin0.5°≈0.05 m]和[2rsin （θ2）=][56?sin0.5°≈0.49 m。]因此，测量标签位置与实际标签的位置误差范围在0.05～0.49 m之间。

4 结 论

本文详细论述了适用于单基站UWB定位的通信定位帧的定义方式以及各个段的具体含义，同时给出了基站和标签时间同步情况之下的距离信息的获得方法。同时提出将最大概率的数据处理方法应用于距离测量值的数据处理，进一步提高了定位精度。利用系统仿真获得的距离能达到厘米级别的精度（5 cm）。在根据IEEE 802.15.4a提供的信道模型，采用了CM3信道下，定位精度的范围在0.05～0.49 m之间，实现了很高的定位精度。如果在室内距离不是很远的定位中，精度完全能够达到厘米级别。

参考文献

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[6] 肖竹.超宽带定位与RAKE接收关键技术研究[D].西安：西安电子科技大学，2009.

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[10] SUN Xiao?bing， MA Yu?gang， XU Jin， et al. A high accuracy mono?station UWB positioning system [C]// Proceedings of The 2008 IEEE International Conference on Ultra?Wideband. Hannover， Germany： ICUWB， 2008： 201?204.