一文解析影響UWB定位精度的8個(gè)誤差來源
發(fā)布日期：2020-08-21 瀏覽次數(shù)：1223次

        UWB定位技術(shù)的理論精度可以做到毫米級甚至微米，但是在實(shí)際場景中部署UWB定位系統(tǒng)，定位精度卻千差萬別，目前UWB定位系統(tǒng)涉及的算法主要包括TOF、TDOA等，95power作為國內(nèi)專業(yè)提供UWB定位算法、UWB基站和標(biāo)簽的廠商，我們就從UWB定位算法、UWB基站的部署、實(shí)際的定位場景中等幾個(gè)方面來剖析下影響UWB定位精度的8個(gè)主要的原因。

1、UWB基站的部署方式和數(shù)量對定位精度的影響

        UWB基站（anchor）的部署方式對定位精度的影響。在實(shí)際的定位坐標(biāo)的解算過程中，UWB基站的數(shù)量增多意味著冗余信息的增多，豐富的冗余信息可以進(jìn)一步地減小定位誤差。

        但是UWB定位精度并不會隨著UWB基站的增加而不斷增大，當(dāng)UWB基站增加到一定數(shù)量后，繼續(xù)增加UWB基站對定位精度的提高并不大。并且UWB基站數(shù)量的增加意味著定位硬件部署成本的加大。因此怎樣在UWB基站數(shù)量和定位精度之間找到平衡，從而合理布設(shè)UWB基站是研究UWB基站布設(shè)對定位精度影響的重點(diǎn)。

2、UWB基站坐標(biāo)誤差對定位精度的影響

        在實(shí)際定位場景中，比如人員佩戴的UWB標(biāo)簽（Tag）的坐標(biāo)是相對于UWB基站anchor的坐標(biāo)而言的，如果UWB基站的坐標(biāo)本身就有錯(cuò)誤，那通過UWB定位引擎解算得出的定位數(shù)據(jù)必然會有誤差。

3、時(shí)鐘同步誤差導(dǎo)致UWB定位精度有誤差

        TOA定位算法需要目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)之間精確的時(shí)間同步，TDOA定位算法需要參考節(jié)點(diǎn)（UWB基站）之間精確的時(shí)鐘同步。因此，非精確的時(shí)間同步將導(dǎo)致UWB定位系統(tǒng)產(chǎn)生誤差。

        但由于UWB基站標(biāo)簽等硬件的局限性，完全精確的時(shí)鐘同步是不可能的。每一個(gè)UWB基站的時(shí)鐘都會有略微的差距，如果差距在1ns就會有30厘米的定位誤差，所以如果UWB定位系統(tǒng)中所有基站的都可以做時(shí)間同步，就進(jìn)一步提升UWB定位的精度。

（4）多路徑效應(yīng)對UWB信號傳播的影響也會導(dǎo)致定位精度有誤差

        超寬帶UWB定位信號在傳播過程中，會受到周圍環(huán)境如墻壁、玻璃和桌面等室內(nèi)物品的反射和折射的影響，產(chǎn)生多路徑效應(yīng)。信號在延遲、幅值和相位等方面的變化，從而產(chǎn)生能量衰減，信噪比下降，導(dǎo)致首達(dá)信號并非直達(dá)信號，引起測距誤差，UWB定位精度也隨之下降。

        比如采用TOA估計(jì)算法中，經(jīng)常用匹配濾波器輸出最大值的時(shí)刻或相關(guān)最大值的時(shí)刻作為估計(jì)值。由于多路徑的存在，使相關(guān)峰值的位置有了漂移，從而估計(jì)值與實(shí)際值之間存在很大誤差。

（5）多址干擾對定位精度的影響

        在多個(gè)用戶環(huán)境下，其他用戶的UWB信號會干擾目標(biāo)信號，從而降低了估計(jì)的準(zhǔn)確性。減小這種干擾的一種方法就是把來自不同用戶的信號從時(shí)間上分開，也即對不同節(jié)點(diǎn)使用不同的時(shí)隙進(jìn)行傳輸。

（6）人體遮擋對UWB定位精度的影響

        人體的主要成分是水，水對UWB無線脈沖信號具有較強(qiáng)的吸收作用，導(dǎo)致UWB信號強(qiáng)度衰減，測距信息存在偏差，影響最終的定位精度。

（7）NLOS非視距信號傳播對定位精度的影響

        視距傳播(LOS)是保證信號測量結(jié)果準(zhǔn)確的首要、必要的前提條件，當(dāng)移動定位目標(biāo)和UWB基站之間不能滿足條件時(shí)，UWB信號的傳播只能在折射和衍射等非視距條件下完成，達(dá)到接收終端。此時(shí)第一個(gè)到達(dá)的脈沖的時(shí)間并不代表TOA的真實(shí)值，首達(dá)脈沖的方向也不是AOA的真實(shí)值，這樣就會造成一定的定位誤差。

（8）UWB穿透遮擋物信號減弱對UWB定位精度的影響

        UWB信號穿透普通的磚墻時(shí)，信號值會減弱將近一半左右。因穿透墻體引起的信號傳輸時(shí)間的變化也會影響定位精度。

        各類遮擋物對UWB信號穿透的影響程度如下所示：

實(shí)體墻：一堵實(shí)體墻的這種遮擋將使得UWB信號衰減60-70%，定位精度誤差上升30厘米左右，兩堵或者兩堵以上的實(shí)體墻遮擋，將使得UWB無法定位。

鋼板：鋼鐵對UWB脈沖信號吸收很嚴(yán)重，將使得UWB無法定位。

玻璃：玻璃遮擋對UWB定位精度沒太大影響。

木板或紙板：一般厚度10厘米左右的木板或紙板對UWB定位精度沒太大影響。

電線桿或樹木：電線桿或者樹木遮擋時(shí)，需要考慮它們之間距離UWB基站或者標(biāo)簽的距離。比如，UWB基站和定位標(biāo)簽間距50米，電線桿或者樹木正好在兩者中間，25米處，這種遮擋就無大的影響，如離UWB基站或標(biāo)簽距離很近，比如小于1米，影響就很大。

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