超寬帶信號持續時間短,帶寬很高,時間分辨率強
超寬帶定位精度高的原因:
超寬帶干擾低的原因:
基於接收信號強度的定位
利用發射信號的強度值和信道衰落模型,得出待測目標與基站之間的距離,進而得出待測目標的位置。
超寬帶信號從一個節點傳輸到另外一個節點要經過多徑效應、小尺度衰落以及路徑損耗和陰影效應。
RSS方法必須在知道發送信號強度和信道衰落模型的情況下,才能利用接收信號強度值來估計待測標簽與基站之間的距離,要想獲得准確的測距值就需要知道信道的參數,而信號強度隨距離的衰落變化受信道特性的影響很大,
因此RSS不能提供非常精確的位置估計
基於信號到達角度的定位
通過基站的天線陣列獲得定位標簽發射信號的波達方向,從而計算出待測目標與基站之間的角度,利用多個基站提供的角度值作為方位線,這些方位線的交點就是待測目標的估計位置,AOA是一種測向技術。
解方程組可得出待測目標的位置
在工程應用中,一般采用測量信號到達不同天線的時間差來獲得角度信息,如圖所示為利用利用天線陣列獲得AOA的估計值。
相鄰信號間的到達時間差為,因此可以通過信號到達時間差估計角度信息
利用AOA方法進行定位通常需要天線陣列,這就增大了基站結構的復雜性和系統成本,而且,信號到達角度的估計精度決定了AOA定位的精度,而在超寬帶定位環境中受多徑及非視距影響大,這種情況下到達角度值會有較大偏差,因此AOA定位方法難以達到理想的定位精度。
基於信號達到時間的定位
利用待測目標發射信號達到基站的時間信息得出兩者的距離,進而完成位置估計。包括TOA TDOA,基於時間的超寬帶定位可以實現高精度定位。屬於測距定位技術
TOA
基於TOA的定位一般要求定位基站和待測目標的時鍾完全同步,實質上是信號傳播時間的測量,定位基站接收待測目標發送的具有時間信息的數據,之后從接收到的數據中獲得時間信息,利用該時間信息與數據里保存的發送時間信息進而得到信號傳輸時間,之后得到距離信息。然后利用該距離信息可以使待測目標與基站之間建立一個以基站為圓心,以距離信息為半徑的曲線方程,多個曲線方程的交點就是待測目標的位置。
解方程組可得待測目標的位置
TOA測量法要求待測目標與參考基站之間的時鍾完全同步,否則會有較大誤差。
在實際中,待測目標與參考基站之間的時鍾完全同步較難實現,但各基站之間的時鍾同步較容易實現,
為了解決時鍾同步的難題,可以利用TDOA方案來定位。
TDOA
TDOA定位方法的原理:設定一個基站作為參考基站,通過測量目標到參考基站與其他基站的到達時間差,從而得出待測目標到參考基站與其他基站之間的距離差。因此TDOA的測量值是由每個基站與參考基站的TOA值做差得到,TDOA的測量值在幾何上對應的是以參考基站和定位基站為焦點的雙曲線。
對應的數學模型是以1、2和1、3為焦點的雙曲線
TDOA不需要待測目標與基站之間的時鍾同步,只需要基站之間時鍾同步,上述條件只需要將所定位基站通過同步線纜組建在同一個網絡內就能很容易實現,同時在各條傳播路徑環境相似的條件下,測量誤差還能部分抵消。TDOA是廣泛采用的定位方案。
幾種定位方式的比較
RSS方法必須在知道發送信號強度和信道衰落模型的情況下,才能利用接收信號強度值來估計待測標簽與基站之間的距離,要想獲得准確的測距值就需要知道信道的參數,而信號強度隨距離的衰落變化受信道特性的影響很大,由於室內環境的復雜多變,以及多徑和非視距等因素都會使相同距離有不同的損耗,因此RSS不能提供非常精確的位置估計。
AOA定位方法相對於RSS有了較高的定位精度,但是需要在接收端使用天線陣列,這樣基站的復雜性和成本都會增加,並且存在多徑和非視距環境下AOA估計精度很難保證。
TOA定位方法利用UWB具有良好的時間分辨率,基於時間的定位具有良好的定位精度,測量的主要誤差來源於多徑干擾和非視距傳播,另外目標節點與基站之間的時鍾同步存在困難,因此TDOA 在實際中實現該技術 的可能性與 TOA 相比要高的多,這是因為它不要求基站與待測目標之間時鍾同步,只需要每個基站之間時鍾同步就能得到 TDOA 值,並且在對到達時間做差的過程中會減小部分誤差,定位精度能相對提高。
影響定位精度的因素
多徑效應
多徑效應:指信號經不同路徑傳播后,各分量到達接收端時間不同,按各自相位相互疊加而造成干擾,使得原來的信號失真,或者產生錯誤。
再多徑環境下,RSS和AOA的測量精度會受到很大影響。
非視距傳播
實際環境中,有時不存在基站和待測目標的視距傳播,當待測目標於基站不存在直線路徑時,信號穿過障礙物會造成一定的時延,再加上反射、散射等影響,最先到達的脈沖的時間跟真實AOA值存在一定的誤差,對定位精度會有一定的影響。
研究發現TOA測量值的方差在非視距環境下要明顯比視距環境下大,因此可以通過測量值的方差判斷信道環境是LOS還是NLOS。
多址干擾
多用戶環境中,基站不只接收待測目標發來的信號,還會接收其他用戶發來的信號,這些信號之間相互干擾,從而導致測距精度下降。
解決方式:分時接收來自不同目標發送的信號。對發送信號采用跳時擴頻方式發送信號,因而各用戶都在不同時刻發送信息。
擴頻通信包括直接序列擴頻通信、跳頻擴頻、跳時擴頻、寬帶線性調頻等。