10张图了解UWB技术的工作原理

文章来源:网络
超宽带技术 (UWB) 是最佳定位跟踪技术,因为超宽带技术 (UWB) 的设计的初衷就是实现高精度测距估计,同时进行双向通信。所以 UWB 是当今最好、最先进的定位技术。今天就带大家深入的了解一下UWB技术的工作原理吧。

为什么说 UWB 最适合室内定位跟踪?

UWB 的固有特性意味着,它可以实现比其他技术更精确的室内定位和距离测量。
如图1所示,UWB 脉冲(中间和右侧图)只有 2 纳秒 (ns) 宽,因此不受反射信号(多路径)干扰和噪声的影响。UWB 射频 (RF) 脉冲边缘清晰,因此在存在日常环境中常见的信号反射和多路径效应的情况下仍能精确测定到达时间和距离。
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图1
将 UWB 作为解决方案时,反射信号(灰色)不会影响直接信号(蓝色)。IR-UWB 信号(中间和右侧)的上升和下降时间(边沿)比标准窄带信号(左侧)更短,因此可以精确地测量信号的到达时间。这也有助于 UWB 信号在存在噪声和多径效应的情况下保持其完整性和结构。
即使在噪声条件下,如图1(右侧)所示,2ns 宽的脉冲无线电 UWB 脉冲的到达时间几乎未受影响。相比之下,如图 2 所示,窄带信号受到噪声的影响比较明显。
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图2
我们已使用窄带无线电技术对基于 ToF 的方法进行了试验。如图 3所示,窄带信号对多路径非常敏感,因为反射信号(深灰色)可与直达经信号(浅灰色)进行具有破坏性的结合,从而在接收机端生成最终信号(蓝色)。这会影响信号超越阈值(用于测量 ToA)的时间,从而降低精度。
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图3
UWB 的精度优势非常明显。UWB 完全能够以 5 至 10 厘米的精度测量距离和位置。相比之下,蓝牙、Wi-Fi 以及其他窄带无线电标准只能实现米级精度。此外,由于 UWB 无线电脉冲极短,多径效应下,直达径信号不会与多径信号重叠,因此不会损坏信号完整性和强度。
这表明,UWB 具有以下特性:
  • 超精准,提供厘米级精度,比 BLE 和 Wi-Fi 精确 100 倍

  • 超可靠,在存在多径反射的情况下能够保持信号完整性

UWB 拓扑结构比较和选择

UWB 利用 ToF 的概念,这是一种通过将信号的 ToF 乘以光速来测量两个无线电收发器之间距离的方法。基于这个基本原理,可根据目标应用的需求以不同的方式实现 UWB 定位技术。

最佳拓扑结构主要由应用决定。这也就是说,设计工程师首先要将应用和拓扑结构匹配。可供选择的方法有: 

  • 双向测距 (TWR):如图 2-9 所示,TWR 方法可通过测定 UWB 射频信号的 ToF,然后将该时间乘以光速来计算标签与锚点之间的距离。汽车无钥门禁系统就是使用 TWR 方法的一个应用示例 TWR 可生成一个安全空间,类似于一个安全气泡,同时确保在应用的时候,这个气泡保持高精度的安全控制。

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如果您在两个设备之间实施 TWR 方案,则可以获得设备之间的距离信息。在 TWR 方案的基础上,您还可以在移动标签和固定锚点之间实现 2D 甚至 3D 位置测量;称为“三边测量法”。 

采用 TWR 方法,可交换三条消息。标签通过发送一条含已知锚点地址的轮询消息启动 TWR。锚点记录轮询接收时间,并回复响应消息。在收到响应消息后,标签记录时间并编写最后一条消息。锚点可利用最后一条消息中的信息确定 UWB 信号的 ToF。 

TWR 方法也可用于图 2-10 和图 2-11 所示的 2D/3D 资产场景。图 2-10 显示使用监听器的双向测距,而图 2-11 显示使用数据标签回程的 TWR。如图 2-11 所示,数据回传可以使用多种方法(如 Wi-Fi、NB-IoT、LTE-M 等)实现,通过这些方法将数据传输至云。

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  • 到达时间差 (TDoA) 和反向 TDoA:TDoA 和反向 TDoA 方法类似于 GPS。在已知的固定场所部署了多个参考点,称为“锚点”,且这些锚点在时间方面实现了紧密同步。如果为 TDoA,移动设备将闪烁(也就是定期发送信息),当锚点接收到信标信号时,将基于共同的同步时基标记时间戳。然后,多个锚点的时间戳将转发至中央定位引擎,中央定位引擎将根据每个锚点的信标信号 TDoA 运行多点定位算法。最后将得到移动设备的 2D 或 3D 位置,如图 2-12 所示。反向 TDoA 更像 GPS。在该系统中,锚点发送同步信标(具有固定/已知偏移,以避免发生碰撞),移动设备利用 TDoA 和多点定位算法来计算其位置,如图 2-13 所示。

 

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  • 到达相位差 (PDoA):另一个 UWB 拓扑就是 PDoA。PDoA 可将两个设备之间的距离与两者之间的方位测量结合在一起,如图 2-14 所示。利用距离和方位的组合信息,可在没有任何其他基础设施的情况下计算出两个设备的相对位置。为此,其中一个设备必须配备至少 2 根天线,并且能够测量每根天线处到达信号载波的相位差。相位完全不受天线变形的影响,并且可实现优于 10°的测量精度,从而可以在不到 5°的情况下确定发射器的方位。

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对于每种拓扑结构,分别最适合哪种应用?这些用例主要侧重于三个不同的领域:感应式门禁、定位服务和设备对设备(点对点)应用。图4 详细介绍了 TWR、TDoA、反向 TDoA 和 PDoA 拓扑结构的最佳应用。
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图4
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