UWB定位算法

超宽带技术是采用极窄的脉冲信号实现无线通信，被称为脉冲无线电，其信号相对带宽不小于 0.2，绝对带宽不小于500MHz。根据经典雷达成像理论，距离分辨率δ x 与信号宽度 T m 有如下关系：δ x =vT m /2，其中 v 是信号在传播介质中的传播速度。由此宽带特性可知，超宽带定位技术有极高的测距精度。其采用的脉冲宽度为纳秒或亚纳秒级，理论上可以获得厘米甚至毫米级的测距精度。由于 UWB 系统发射的是持续时间极短且占空比很低的窄脉冲，因此其多径信号在时间上可分离。此外，UWB采用跳时扩频信号，系统具有较宽阔的频带，根据香农公式，信道容量C一定的情况下，高带宽可以降低信噪比。因此，UWB 具有很强的抗干扰性。

 

1、三边定位算法

三边测量法适合三个参考节点对一个未知节点实行定位，其通过未知节点与参考节点的距离公式列出三个数学关系式，进而求解需要定位的节点坐标。未知节点的位置计算原理如图2所示。设三个参考节点的坐标分别为 A(x 1 , y 1 )、B(x 2 , y 2 )、C(x 3 ,y 3 )，未知节点 D 的坐标为 (x, y)，该节点到A、B、C的距离分别为r1、r2、r3，由此可得式（1）：

 

 

 

2、质心算法

质心算法是依靠节点互相通信找出与距离定位节点较近的参考节点，将这些参考节点构成的多边形区域的质心作为定位节点的位置估计，如图 3 所示。

通常把参考节点所构成图形的质心看作该图形的几何中心，则定位节点的质心坐标为构成多边形各个顶点坐标的平均值。若一个不规则图形的 n 个顶点分别是 (x1 , y1 )、(x2 ,y2 )、，…，(xn , yn )，则质心坐标为：

 

质心算法主要依靠网络的连通性实现，具有计算简单，不需要参考节点和定位节点相互配合的优势。质心算法的精度是较低，应用中往往作为一种辅助方法，从而提高算法的精度。

 

3、算法融合
实际环境中，测量信号会受到遮挡、噪声等环境因素的影响，造成测量时间增加，产生测量误差。三个圆可形成一个相交区域，如图 4 所示。

 

设三个交点坐标分别为 E(x4 , y4 )、F(x5 , y5 )、G(x3 , y3 )，位置节点 D 的坐标 (x, y) 可以看作相交区域的几何中心，即 D的坐标为：

 

华星智控UWB定位系统架构如下图所示

 

基于UWB技术开发的定位基站如下图所示

 

该系统已经成熟稳定且用了很多实际项目。