UWB定位 | TDOA定位，TWR定位兩種常見UWB定位方案介紹

原標(biāo)題：UWB定位|TDOA定位，TWR定位兩種常見UWB定位方案介紹

超寬帶技術(shù)是近年來(lái)新興一項(xiàng)全新的、與傳統(tǒng)通信技術(shù)有極大差異的通信無(wú)線新技術(shù)。UWB技術(shù)是一種傳輸速率高，發(fā)射功率較低，穿透能力較強(qiáng)并且是基于極窄脈沖的無(wú)線技術(shù)，無(wú)載波。

UWB定位技術(shù)在不同的應(yīng)用環(huán)境中能夠?qū)崿F(xiàn)不同的定位業(yè)務(wù)需求（3D/2D/1D/區(qū)域定位），精確定位人員、車輛、資產(chǎn)，并在定位基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)軌跡追蹤、區(qū)域報(bào)警、攝像聯(lián)動(dòng)等延伸功能。

1.TDoA定位

0維室內(nèi)定位常用于存在性檢測(cè)，常見的應(yīng)用場(chǎng)景是長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)人員是否在一個(gè)房間內(nèi)，0維室內(nèi)定位系統(tǒng)硬件方面通常只需要一個(gè)UWB基站和UWB標(biāo)簽即可實(shí)現(xiàn)，UWB標(biāo)簽和基站之間相互通信，再通過和后臺(tái)的交互實(shí)現(xiàn)人員的存在性監(jiān)測(cè)、報(bào)警等功能；

一維定位應(yīng)用的原理就是測(cè)距應(yīng)用，能夠知道定位目標(biāo)標(biāo)簽的相對(duì)位置，適合隧道、管道、管井、礦井等多種定位精度要求不高的場(chǎng)景，精度在0.3米左右；詳見后文TWR定位介紹；

二維定位需要確定空間的X/Y坐標(biāo)，分為兩種情況；一種是通過標(biāo)簽離基站的距離，計(jì)算標(biāo)簽的位置；還有一種是通過三個(gè)以上的基站，確定區(qū)域內(nèi)標(biāo)簽的位置，能夠準(zhǔn)確得知定位目標(biāo)標(biāo)簽的位置及行為軌跡；

三維定位需要知道定位設(shè)備的XYZ三維坐標(biāo)，在基站架構(gòu)的時(shí)候，需要特別拉開Z軸的高度差，以確保在Z軸上的精確度。若用測(cè)距的方式，三個(gè)基站就可以完成三維定位，用TDOA的方式，則必須要四個(gè)以上基站才能完成。能夠精確判斷標(biāo)簽位置，以及滯留時(shí)間。

1. 系統(tǒng)構(gòu)成：

UWB定位系統(tǒng)大致分為位置感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和定位應(yīng)用層，主要包括：定位引擎服務(wù)器、智能終端、POE交換機(jī)、UWB基站、UWB標(biāo)簽、UWB模塊、軟件接口等。

2. 工作原理：

1）每個(gè)定位標(biāo)簽以UWB脈沖重復(fù)不間斷發(fā)送數(shù)據(jù)幀；

2）定位標(biāo)簽發(fā)送的UWB脈沖串被定位基站接收；

3）每個(gè)定位基站利用高敏度的短脈沖偵測(cè)器測(cè)量每個(gè)定位標(biāo)簽的數(shù)據(jù)幀到達(dá)接收器天線的時(shí)間；

4）定位引擎參考標(biāo)簽發(fā)送過來(lái)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，確定標(biāo)簽達(dá)到不同定位基站之間的時(shí)間差，并利用三點(diǎn)定位技術(shù)及優(yōu)化算法來(lái)計(jì)算標(biāo)簽位置。

5）采用多基站定位多采用TDOA（Time difference of Arrival）算法。

3. 安裝方式：

1）UWB基站分為墻體安裝和柱體安裝兩個(gè)方式，工程師更推薦墻體安裝，準(zhǔn)備的安裝套件也是以螺絲套料包為主；

2）鑒于UWB技術(shù)的特性參數(shù)，有效傳輸距離≤50米，因此，在選擇測(cè)試環(huán)境的時(shí)候，推薦選擇小于50*50（m）的室內(nèi)環(huán)境。如果室內(nèi)環(huán)境遮擋，建議縮小間距，因?yàn)樵谟姓趽醯那闆r下，會(huì)影響到信號(hào)的接收，傳輸距離可能會(huì)不如理想值。

3）建議UWB基站的安裝高度是2米，高于需定位的人員或資產(chǎn)的高度即可；

4）UWB基站配置天線的安裝：默認(rèn)配置的UWB天線是全向天線，天線距離墻面至少大于15厘米，周圍不要有遮擋。

4. 應(yīng)用場(chǎng)景：

工業(yè)/汽車：實(shí)時(shí)追蹤資產(chǎn)和庫(kù)存，改進(jìn)流程，提高搜索效率，減少資源浪費(fèi)；

物流倉(cāng)儲(chǔ)：跟蹤條碼閱讀器和叉車，減少保險(xiǎn)檢查的環(huán)節(jié)，使倉(cāng)儲(chǔ)管理變得靈活；

軍事：人員定位和設(shè)備追蹤，例如城市作戰(zhàn)訓(xùn)練、彈藥倉(cāng)庫(kù)管理、高級(jí)研發(fā)；

醫(yī)療保?。簩?shí)時(shí)跟蹤病人，進(jìn)行照顧和管理，利于病情分析和治療改進(jìn)，方便于人力資源管理；

危險(xiǎn)環(huán)境：定位個(gè)人和資源，安全位置緊急搜索，人員監(jiān)控，優(yōu)化管理過程，做到安全有效；

重點(diǎn)安保區(qū)域：人員的進(jìn)出管理、實(shí)時(shí)位置查詢、禁區(qū)監(jiān)管、隔離距離控制、人員調(diào)度，能對(duì)人員的位、行進(jìn)路線、距離、速度進(jìn)行監(jiān)控和統(tǒng)計(jì)；

體育：實(shí)時(shí)跟蹤與計(jì)算運(yùn)動(dòng)員的方向和速度等，詳細(xì)的性能分析，記錄隊(duì)伍的比賽實(shí)況，視頻集成。

資料參考：

http://www.skylab.com.cn/cms/view/2533.html

2.TWR定位

TWR被動(dòng)定位系統(tǒng)與TDoA類似，UWB標(biāo)簽與UWB基站的實(shí)時(shí)測(cè)距，通過UWB基站上傳距離信息給到后臺(tái)復(fù)位器，再由服務(wù)器來(lái)解析UWB標(biāo)簽所在位置信息。

1. 系統(tǒng)構(gòu)成：

UWB TWR主動(dòng)定位系統(tǒng)包含UWB定位基站、UWB定位標(biāo)簽和POE交換機(jī)、服務(wù)器和終端顯示設(shè)備?？稍诳蛻魣?chǎng)地搭建高精度展示環(huán)境，進(jìn)行快速實(shí)地高精度UWB定位演示；也可以將此定位系統(tǒng)套件使用到未來(lái)實(shí)際項(xiàng)目中。

2. 工作原理：

在隧道定位系統(tǒng)中，人員或物品上所佩戴的定位標(biāo)簽利用UWB脈沖信號(hào)發(fā)射出位置數(shù)據(jù)，定位基站接收，通過信號(hào)飛行時(shí)間測(cè)算標(biāo)簽和基站的距離，然后定位引擎采集不同基站與標(biāo)簽的距離而計(jì)算出標(biāo)簽當(dāng)前位置并實(shí)時(shí)展示出來(lái)。

3. 安裝方式：

1）準(zhǔn)確校準(zhǔn)需要至少安裝4個(gè)UWB基站，基站圍成的區(qū)域校準(zhǔn)效果最佳。

2）全部基站距離天花板和墻面至少大于15厘米，基站的天線周圍不要有遮擋，有墻體包圍盡量外移，盡量遠(yuǎn)離鋼鐵制品。

3）基站安裝高度需要離地面2.5m以上?；镜拈g距取決于標(biāo)簽和基站的發(fā)射功率，單級(jí)PA最大增益時(shí)可以到200米，兩級(jí)PA最大增益可以到500米。

PS：基站安裝位置應(yīng)遠(yuǎn)離天花板和墻壁 15cm 以上

01、覆蓋距離400米+的一維定位

1、一維定位適用于寬帶方向比較窄的空間如走廊，隧道，管廊定位；

2、每隔400米內(nèi)安裝一個(gè)基站（空曠環(huán)境），定位精度小于30厘米；

3、當(dāng)遇到隧道或管廊有彎道或拐彎的地方，需要適當(dāng)增加基站補(bǔ)償；

4、可選擇PCBA出貨。

02、覆蓋范圍800米+的一維定位

1、一維定位適用于寬帶方向比較窄的空間如走廊，隧道，管廊定位；

2、每隔800米內(nèi)安裝一個(gè)基站（空曠環(huán)境），定位精度小于30厘米；

3、當(dāng)遇到隧道或管廊有彎道或拐彎的地方，需要適當(dāng)增加基站補(bǔ)償；

4、單個(gè)基站可以實(shí)現(xiàn)一維定位（方向判斷）；

5、雙基站版默認(rèn)PCBA出貨（內(nèi)嵌數(shù)據(jù)采集防爆終端）可選配外殼。

UWB TWR一維定位方案優(yōu)勢(shì)

1、精準(zhǔn)定位：定位精度10-30厘米；

2、遠(yuǎn)距離覆蓋：UWB基站有效覆蓋距離400-800米；

3、人員管理：實(shí)時(shí)精準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)人員，智能識(shí)別在線人員和離線人員；

4、危險(xiǎn)一鍵求救：工作人員遇到險(xiǎn)情，可按下標(biāo)簽的報(bào)警按鈕，通知管理平臺(tái)避免惡性事件；

5、運(yùn)動(dòng)軌跡回放：工作人員的運(yùn)動(dòng)位置可以以軌跡形式顯示；

6、電子圍欄：UW管理平臺(tái)可根據(jù)隧道/管廊工作實(shí)況劃定安全區(qū)電子圍欄，門禁電子圍欄，進(jìn)入觸發(fā)相應(yīng)級(jí)別的告警。

3.室內(nèi)外高精度定位-RTK+UWB室內(nèi)外一體定位

室內(nèi)外一體化精準(zhǔn)定位方案，室內(nèi)采用UWB定位TDoA定位算法技術(shù)，室外采用RTK高精度差分定位技術(shù)，室內(nèi)室外定位精度均可達(dá)到厘米級(jí)別。

UWB TDoA技術(shù)可以保證在室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下，CEP90 達(dá)到30厘米定位精度；

RTK（載波相位差分）在室內(nèi)環(huán)境下定位精度比普通GPS北斗定位要高很多，可以保證CEP90 達(dá)到30厘米定位精度。

系統(tǒng)構(gòu)成：室內(nèi)外一體定位設(shè)備集成高精度GPS+北斗定位模塊、GPRS或者4G模塊、UWB模塊SKU609和電源管理模塊四部分。

工作原理：

1）室內(nèi)外定位設(shè)備接收GPS、BDS信號(hào)和RTK差分?jǐn)?shù)據(jù)并進(jìn)行位置解算；

2）通過GPRS/4G將位置信息發(fā)送到云端；

3）服務(wù)器從云端接收定位設(shè)備位置信息；

4）UWB基站接收定位設(shè)備發(fā)送的UWB信號(hào)，并通過交換機(jī)將信號(hào)發(fā)送到CLE（中央定位引擎）服務(wù)器，服務(wù)器進(jìn)行位置解算。

安裝方式：在終端設(shè)備中內(nèi)嵌高精度GPS+北斗定位模塊和UWB模塊，室內(nèi)環(huán)境間隔50-200米的距離部署UWB基站，為需要定位的人或者重要資產(chǎn)配置內(nèi)置高精度模塊的定位標(biāo)簽。

應(yīng)用場(chǎng)景：室內(nèi)外一體高精度定位的主要應(yīng)用場(chǎng)景，如大型機(jī)場(chǎng)，化工廠，鋼鐵廠等廠區(qū)復(fù)雜工作環(huán)境的室內(nèi)外導(dǎo)航、室內(nèi)外定位服務(wù)、室內(nèi)外位置監(jiān)測(cè)等，還可以用于智能安防、智能醫(yī)療、智能零售等領(lǐng)域。

目前基于SKYLAB UWB定位標(biāo)簽，UWB定位基站的TDoA定位和TWR定位已經(jīng)運(yùn)用于醫(yī)院、工業(yè)/汽車；物流倉(cāng)儲(chǔ)；軍事；醫(yī)療保??；危險(xiǎn)環(huán)境；重點(diǎn)安保區(qū)域；體育及管廊/隧道/礦井以及石油化工等領(lǐng)域，可提供一整套的室內(nèi)定位解決方案，完善其人員管理機(jī)制。更多有關(guān)UWB室內(nèi)定位方案應(yīng)用可直接訪問SKYLAB官網(wǎng)及阿里店鋪。