刘俊源UWBPPT课件

1、LocateSys UWB超宽带定位系统介绍,刘俊源,UWB定位技术,6.1 UWB简介 6.2 UWB定位技术 6.3 UWB定位应用 6.4 本章小结,UWB定位技术,超宽带（UWB，Ultra-WideBand）技术是一种使用1GHz以上带宽且无需载波的先进无线通信技术。虽然是无线通信，但其通信速度可以达到几百Mbit/s以上。由于不需要价格昂贵、体积庞大的中频设备，UWB冲激无线电通信系统的体积小且成本低。而UWB系统发射的功率谱密度可以非常低，甚至低于美国联邦通信委员会（FCC，Federal Communications Commission）规定的电磁兼容背景噪声电平，因此短距离

2、UWB无线电通信系统可以与其他窄带无线电通信系统共存。,UWB定位技术,近年来，UWB通信技术受到越来越多的关注，并成为通信技术的一个热点。作为室内通信用途，FCC已经将3.1G10.6GHz频带向UWB通信开放。IEEE 802委员会也已将UWB作为个人区域网（PAN，Personal Area Network）的基础技术候选对象来探讨。UWB技术被认为是无线电技术的革命性进展，巨大的潜力使得它在无线通信、雷达跟踪以及精确定位等方面有着广阔的应用前景。,UWB的定义,UWB的定义经历了以下三个阶段。 第一阶段：1989年前，UWB信号主要是通过发射极短脉冲获得，这种技术广泛用于雷达领域并使用

3、脉冲无线电这个术语，属于无载波技术。 第二阶段：1989年，美国国防高级研究计划署（DARPA，Defense Advanced Research Projects Agency）首次使用UWB这个术语，并规定若一个信号在衰减20dB处的绝对带宽大于1.5GHz或相对带宽大于25%，则这个信号就是UWB信号。,UWB定位技术,第三阶段：为了促进并规范UWB技术的发展，2002年4月FCC发布了UWB无线设备的初步规定，并重新对UWB作了定义。按此定义，UWB信号的带宽应大于等于500MHz，或其相对带宽大于20%。这里相对带宽定义为： 其中，fH、fL分别为功率较峰值功率下降10dB时所对应的

4、高端频率和低端频率，fc是信号的中心频率，fc=(fH+fL)/2，,UWB定位技术,UWB的主要特点,结构简单 隐蔽性好，保密性强 功耗低 多径分辨力强 数据传输率高 穿透能力强，定位精确 抗干扰能力强,UWB的关键技术,脉冲信号 超宽带无线电中的信息载体为脉冲无线电（IR，Impulse Radio）。脉冲无线电是指采用冲激脉冲（超短脉冲）作为信息载体的无线电技术。这种技术的特点是，通过对非常窄（往往小于1ns）的脉冲信号进行调制，以获得非常宽的带宽来传输数据。,UWB的关键技术,调制方式 UWB无线通信的调制方式有两种：传统的基于脉冲无线电方式和非传统的基于频域处理方式，其中传统的基于脉

5、冲无线电的调制方式又包括脉冲位置调制、脉冲幅度调制等。,UWB的关键技术,信道模型 目前尚未有一个通用的UWB信道模型。IEEE 802委员会关于UWB的信道模型提案主要有：Intel的S-V模型、-K模型，Win-Cassioli模型等。其中修正后的S-V模型被推荐为IEEE 802.15.3a的室内信道模型，该模型能很好拟合UWB实验中得到的数据，已经得到广泛的认可，成为各研究机构进行UWB系统性能仿真的公共信道平台。,UWB的关键技术,天线设计 UWB系统中，通常使用的是面天线，它的特点是能产生对称波束，可平衡UWB馈电，因此它能够保证比较好的波形。目前，UWB系统天线设计还处于研究阶段

6、，没有形成有效的统一数学模型,UWB的关键技术,收发信机设计,UWB与其他近距离无线通信技术的比较,UWB的定位方法,无线定位系统实现定位，一般是要先获得和位置相关的变量，建立定位的数学模型，然后再利用这些参数和相关的数学模型来计算目标的位置坐标。因此，按测量参数的不同，可将UWB的定位方法分为基于接收信号强度（RSS，Received Signal Strength）法、基于到达角度（AOA，Angle of Arrival）法和基于接收信号时间（TOA/TDOA，Time/Time Difference of Arrival）法。,UWB的定位方法,基于接收信号时间法是由接收信号的传播时间

7、来估计距离。相对于前两种方法，TOA方法有着不可比拟的优势：它的定位精度最高，可以充分利用UWB超宽带宽的优势，而且最能体现出UWB信号时间分辨率高的特点，有关TOA定位方法的基本内容已在3.2.1节论述过，在此不作赘述。由于TOA方法是雷达领域使用最为普遍的距离估计方法，术语“TOA”也经常跟“测距”互换使用。关于在UWB中使用TOA法定位的具体过程,17,UWB定位算法实现,UWB定位算法中位置的估计就是求解定位方程组以获得目标所在位置坐标的过程。在获得信号的传输时间TOA后，可以根据球型定位模型建立方程组，三维定位至少需要四个参考节点，从而需要建立4个方程。在笛卡尔坐标系中，设参考节点i

8、的坐标位置为(xi，yi，zi)，目标节点坐标位置为(x，y，z)，则根据每个参考节点到目标节点的距离可得出4个方程： 其中，c是光速，ti 为信号传输到第i个参考节点的传输时间，也即TOA。,18,UWB定位算法实现,几何方法 几何方法又称为直接计算方法。将非线性方程组两边平方可得 根据方程组可解得两组解，但是其中仅有一个点为待定位的目标节点，如果其中一个点坐标无物理意义或超出了待定位区域，可以舍去该点；如果求出的两个点坐标都是合理的且距离较近，可以选取该两点的中心位置作为待定位的目标节点的坐标值。,19,UWB定位算法实现,DFP法 目标函数定义为 式中k为参考节点数目，ri为第i个参考节

9、点到目标节点的距离，为目标节点的位置坐标。显然，目标函数为所有参考节点到目标节点测距误差的平方和。优化的目标是求目标函数的最小值。,20,UWB定位算法实现,最小二乘法 求解式（6-52）的一种典型方法为最小二乘估计方法： 为未知参数向量 的非线性函数，一种比较直接的求解方法为使用梯度下降法迭代搜索函数的最小值。使用该方法需要给出目标位置的初始估计，然后根据下式进行更新：,21,UWB定位算法实现,泰勒级数展开法 为了将式（6-52）表示的问题转换为最小二乘问题，可以通过泰勒级数展开法（TSP，Taylor Series Expansion）将非线性函数 线性化，将 在初始位置 处进行泰勒级数

10、展开得到： 其中，H为矩阵 的雅可比行列式。则得到 的最小二乘解为： 在下一次递归中，令 ，重复以上过程，直到 足够小，满足设定的门限：,UWB定位技术概述,时间同步线,主传感器,从传感器,UWB 脉冲,UWB 脉冲,传统的2.4 GHz RF 信道，指示标签发出脉冲信号，提供标签与传感器之间的双向通路。注意: 2.4 G信道是私有的，并且不会与标准的wifi起冲突。,标签发出一个UWB 脉冲信号， 并被传感器接收。UWB 信号是一个7.2 G Hz 的脉冲序列。, Ubisense ,23,主传感器,从传感器,传感器计算出标签位置通过两种方式： 信号到达时间差(TDOA) 到达的角度(AOA

11、) ，包括方位角跟俯仰角。,时间同步线,标签,a1,a2,t1,t2,UWB定位技术概述,TDOA 和 AOA 都会被使用到，以加强三维定位效果的健壮性。 AOA 矢量即来自各个传感器的绿线 TDOA 曲线则以蓝色表示 交叉位置即定位出的位置 （红色圆点） 标签位置能被任意两个信息计算 出来，比如TDOA和一个AOA; 或者两个AOA。,实际应用中，更多的传感器能保证定位精度的可靠性与有效性; 这是一个鲁棒的解决方案。,因此，标签最少只需两个传感器便可进行定位。,UWB定位技术概述,UWB定位技术概述,UWB定位技术概述,Proposal for robust indoor localisat

12、ion using an UWB sensor network,Figure 2 shows the concept of an ECC-conform, low cost, UWB sensor network for。observation of a person in ambient assisted living (AAL). Each node has a small M-sequence,FOCUS,工业 / 自动化 实时追踪资产及库存 -改进流程 提高搜索效率 减少资源浪费,物流 追踪条形码及叉车 -减少保险环节的核查 仓库管理更加灵活,运输 运输工具追踪 提供交通工具到停车位的

13、实时定位 水平精度 行程与调度 可与GPS相结合,军事 人员与设备的追踪 城市作战训练 仓库管理 高级研发,医疗保健 实时追踪病人，监护者，护理者 过程分析与改进 人力资源管理 病人安全保证/状态监控,娱乐/体育 演出或者训练 细化演出分析 回放比赛实况 视频集成,UWB可以做什么？,案例一 变电站人员定位,项目背景 本工程是国家电网SG186工程安监计划的重要组成部分，主要用于变电站现场作业安全智能监控项目的定位部分，其主要功能为实时获取操作人员的定位数据，并且可以及时将报警信息传送给操作人员。投入运行后，可提高变电站等国家电网安全生产单位的信息化，项目意义深远。 用户背景 中国电力科学研究

14、院是国家电网的直属机构，是国家电网公司在电力技术领域的研究开发、技术服务、产业发展、试验检测和人才培养基地，成为中国电力行业的权威科研机构和具有竞争力的高科技企业，在公司科技创新体系中发挥骨干力量和引领作用。,变电站人员定位,变电站人员定位,变电站人员定位,解决方案 本项目是超高压变电站现场作业安全智能监控项目的定位部分，其主要功能为实时获取操作人员的定位数据，并且可以及时将报警信息传送给操作人员。本工程选择在220kV区域共计安装36台UBISENSOR7000室内型定位传感器。因超高压工作区对设备有严格的高度和材质要求，传感器在靠围墙区域安装高度为3米，内部高度为2米。人员佩戴UBITAG

15、7022紧凑型标签（共计10个标签）。共计采用4台POE交换机进行数据连接和供电，各个交换机之间以及主交换机到主控楼之间采用单模光纤传输。最终在应用层三维显示并与视频监控结合。,案例二 机场行李跟踪,项目背景 随着航空业务的快速发展，打击走私犯罪任务的日益严重，入境可疑行李检测处理数量持续不减的情况下，采用高科技创新手段来加强对入境行李的监管、保障入境行李的安全、提高海关工作效能已经成为机场海关的迫切需要。 目前，机场海关对可疑行李的跟踪定位处理缺乏高效的科技信息手段，而在机场行李检测场所这样一种特殊的环境里运用一种安全、可靠的自动识别系统来区分、识别、跟踪和定位可疑行李，将信息系统中的行李信

16、息和实地场景动态的联系起来，这样才能充分发挥海关对入境行李检测、跟踪、定位、处理的作用，真正意义上实现对入境行李的检测、跟踪、定位、处理信息化。 用户背景 本案例最终用户为国内某大型国际机场海关。,案例二 机场行李跟踪,具体解决方案 行李定位系统包含三部分：定位可疑行李的定位标签（Tag），能够发射（UWB）信号来确定位置；位置固定的传感器（Sensor），能够接收并估算从标签发送过来的信号；以及综合所有位置信息的软件平台，获取、分析并传输信息给用户和其他相关信息系统。 本案例中，整个区域共约4000平方米，根据现场实际环境和监控侧重区域的不同，被划分为两个定位单元，分别配置8个和9个传感器，

17、并连接成为一个整体的无缝定位网络，使区域内任意点都能实现高精度定位。 定位平台将标签定位数据及现场环境模型通过无线局域网发送至平板电脑，海关安检人员可以在无线信号覆盖范围内的任意地点监控可疑行李的运动状态；二次开发的监控平台设置敏感区域，当可疑行李携带标签进入该区域时发出报警信号，方便工作人员随时作出人工干预行为。,案例二 机场行李跟踪,案例二 机场行李跟踪,小结,由于UWB具有高速率、低功耗和低成本的特点，因此它非常适合于无线个域网，可方便地应用于高精度定位导航和智能交通系统中。近几年来，UWB技术正在受到越来越多的关注，一些基于UWB技术的定位系统也已面世，如英国Ubisense公司利用U

18、WB技术构建的Ubisense 7000精确实时无线定位系统、美国AETHER WIRE25(5):12041208 3超宽带室内定位系统李孝辉 ，刘(1中国科学院国家授时中心，陕西安，张丽荣 。 3.G. Lerosey, J. de Rosny, A. Tourin, A. Derode, G. Mon- taldo and M. Fink, “Time Reversal of Electromagnetic Waves,” Physical Review Letters, Vol. 92, No. 19, 2004, pp. 1-3. 4.C.E. Cook, M. Bernfeld:”Radar signals: an introduction to theory and application”,