基于超宽带室内定位联合算法的研究*
李国友，宋成全，孟 岩
【摘 要】针对超宽带室内定位系统中的测量误差较大问题，提出了一种基于双路飞行时间测距方法来减小时钟偏移误差的解决方案。本方案针对静态和动态的待测节点的运动特性，通过对待测节点的运动状态检测，提出了一种联合算法，其中，静态定位采用了最小二乘估算法来得出节点坐标，并通过MATLAB仿真显示该节点坐标位置；对于动态跟踪问题，由于物体遮挡和运动轨迹等因素导致最小二乘法无法准确估计节点位置，针对这一问题，利用扩展卡尔曼滤波算法跟踪预测待测节点位置，从而改善定位效果。仿真结果表明，静态定位误差可以控制在6%以内，对比静态定位采样，动态跟踪算法精度提高了20%。实验证明，该算法可靠有效，满足室内定位的基本需求。 【期刊名称】电子技术应用 【年(卷),期】2019(045)007 【总页数】5
【关键词】超宽带；双路测距；室内定位；扩展卡尔曼滤波 *基金项目：河北省高等学校科学技术研究青年基金项目(2001139)
中文引用格式：李国友，宋成全，孟岩.基于超宽带室内定位联合算法的研究[J].电子技术应用，2019，45(7)：93-96，101.
英文引用格式：Li Guoyou，Song Chengquan，Meng Yan.Study of joint indoor positioning algorithm based on UWB[J].Application of Electronic Technique，2019，45(7)：93-96，101.
0 引言
随着现代科学技术的发展，通信和导航技术已经在各个领域发挥巨大的作用，人们对位置服务的需求也越来越大[1]。在室外环境下，全球定位系统(Global Positioning System，GPS)是在室外定位采用的解决方案，定位精度一般为10 m以上[2]。在室内环境下，GPS无法解决定位问题，超宽带(Ultra-Wide Band，UWB)技术作为室内定位技术之一，有精度高、功耗低、抗干扰能力强等特点，被广泛应用于室内定位领域[3]。基于测距的定位方法有以下几种：到达时间差法(Time Difference 0f Arrival，TDOA)、飞 行时间法(Time Of Flight，TOF)、到达角度法(Angle Of Arrival，AOA)[4]，测量节点间的距离或角度信息，然后使用三边测量法、三角测量法或最小二乘法计算节点位置[5]。 在以往的研究中，多通过优化算法计算过程(例如Taylor算法、Fang算法、Chan算法[6])来提高定位的精度。本文通过运动检测的方式来区分待测节点的运动状态，提出了一种联合算法，采用双路飞行时间的测距方法提高测距精度，最小二乘法(Least Square，LSE)来求解最佳节点位置，最后联合扩展卡尔曼滤波器(Extended Kalman Filter，EFK)来跟踪节点的运动轨迹，并通过 MATLAB仿真来验证算法的可靠性。
1 UWB测距原理
UWB系统发射的信号采用的是无载波窄脉冲，该窄脉冲的宽度一般仅为数个纳秒甚至数十皮秒的数量级，这使得UWB信号具有很宽的频谱[7]，可高达几 GHz，所以功率谱密度会很小，以上特征使得它与传统连续无线电信号的系统不同[8]。
UWB定位原理：首先测量基站与标签之间的距离，再由算法去求解标签的位置坐标。本文利用双路飞行时间法(Two Way-Time Of Flight，TW-TOF)进行
测 距，并提出一种联合算法求解标签位置。 1.1 飞行时间测距法
TOF测距方法需两节点间的协作通信，记录UWB信号在节点间的往返时间[9]，其测距过程如图1所示。
标签向基站发送一个轮询信息POLL，当标签收到时，会立即回复一个确认RESP来响应这个数据包。标签记录从发送数据包到接收确认的时间T1；基站记录了从收到数据包到回应的时间T2，那么基站到标签的距离d就可以表示为： 其中，c是光速，表示信号传播速度。设信号单程飞行时间为 T，有：
式(1)是理想状态下的测距公式。在TOF测距中节点用各自的时钟计时，两个节点的时钟无法完全同步，导致两节点间出现时钟偏移，会造成比较严重的测距误差。
设基站的时钟偏差为FA，标签的时钟偏差为 FB，那么可以得到信号传输时间误差：
由式(2)、式(3)联立得：
对于T2来说，T可以忽略不计，所以： 此时TOF的测距误差为：
虽然可以选用高稳定性的时钟来减小这种误差的影响，但价格都比较昂贵，会提高成本。
1.2 双路飞行时间测距
对于TOF测距法中节点间的时钟偏移而使测距误差增大的问题，本文利用的双路飞行时间测距法是在其基础上进行改进的一种测距方法。其具体过程如图2所示。
基于超宽带室内定位联合算法的研究
