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一文解析影响UWB定位精度的8个误差来源
发布日期:2020-08-21 浏览次数:32

        UWB定位技术的理论精度可以做到毫米级甚至微米,但是在实际场景中部署UWB定位系统,定位精度却千差万别,目前UWB定位系统涉及的算法主要包括TOF、TDOA等,95power作为国内专业提供UWB定位算法、UWB基站和标签的厂商,我们就从UWB定位算法、UWB基站的部署、实际的定位场景中等几个方面来剖析下影响UWB定位精度的8个主要的原因。


影响UWB定位精度的8个主要误差来源.jpg

 

1、UWB基站的部署方式和数量对定位精度的影响

        UWB基站(anchor)的部署方式对定位精度的影响。在实际的定位坐标的解算过程中,UWB基站的数量增多意味着冗余信息的增多,丰富的冗余信息可以进一步地减小定位误差。

 

        但是UWB定位精度并不会随着UWB基站的增加而不断增大,当UWB基站增加到一定数量后,继续增加UWB基站对定位精度的提高并不大。并且UWB基站数量的增加意味着定位硬件部署成本的加大。因此怎样在UWB基站数量和定位精度之间找到平衡,从而合理布设UWB基站是研究UWB基站布设对定位精度影响的重点。

 

2、UWB基站坐标误差对定位精度的影响

        在实际定位场景中,比如人员佩戴的UWB标签(Tag)的坐标是相对于UWB基站anchor的坐标而言的,如果UWB基站的坐标本身就有错误,那通过UWB定位引擎解算得出的定位数据必然会有误差。

 

3、时钟同步误差导致UWB定位精度有误差

        TOA定位算法需要目标节点与参考节点之间精确的时间同步,TDOA定位算法需要参考节点(UWB基站)之间精确的时钟同步。因此,非精确的时间同步将导致UWB定位系统产生误差。

        但由于UWB基站标签等硬件的局限性,完全精确的时钟同步是不可能的。每一个UWB基站的时钟都会有略微的差距,如果差距在1ns就会有30厘米的定位误差,所以如果UWB定位系统中所有基站的都可以做时间同步,就进一步提升UWB定位的精度。

 

 

(4)多路径效应对UWB信号传播的影响也会导致定位精度有误差

        超宽带UWB定位信号在传播过程中,会受到周围环境如墙壁、玻璃和桌面等室内物品的反射和折射的影响,产生多路径效应。信号在延迟、幅值和相位等方面的变化,从而产生能量衰减,信噪比下降,导致首达信号并非直达信号,引起测距误差,UWB定位精度也随之下降。

        比如采用TOA估计算法中,经常用匹配滤波器输出最大值的时刻或相关最大值的时刻作为估计值。由于多路径的存在,使相关峰值的位置有了漂移,从而估计值与实际值之间存在很大误差。

 

(5)多址干扰对定位精度的影响

        在多个用户环境下,其他用户的UWB信号会干扰目标信号,从而降低了估计的准确性。减小这种干扰的一种方法就是把来自不同用户的信号从时间上分开,也即对不同节点使用不同的时隙进行传输。

 

(6)人体遮挡对UWB定位精度的影响

        人体的主要成分是水,水对UWB无线脉冲信号具有较强的吸收作用,导致UWB信号强度衰减,测距信息存在偏差,影响最终的定位精度。

 

(7)NLOS非视距信号传播对定位精度的影响

        视距传播(LOS)是保证信号测量结果准确的首要、必要的前提条件,当移动定位目标和UWB基站之间不能满足条件时,UWB信号的传播只能在折射和衍射等非视距条件下完成,达到接收终端。此时第一个到达的脉冲的时间并不代表TOA的真实值,首达脉冲的方向也不是AOA的真实值,这样就会造成一定的定位误差。

 

(8)UWB穿透遮挡物信号减弱对UWB定位精度的影响

        UWB信号穿透普通的砖墙时,信号值会减弱将近一半左右。因穿透墙体引起的信号传输时间的变化也会影响定位精度。

 

        各类遮挡物对UWB信号穿透的影响程度如下所示:

实体墙:一堵实体墙的这种遮挡将使得UWB信号衰减60-70%,定位精度误差上升30厘米左右,两堵或者两堵以上的实体墙遮挡,将使得UWB无法定位。

钢板:钢铁对UWB脉冲信号吸收很严重,将使得UWB无法定位。

玻璃:玻璃遮挡对UWB定位精度没太大影响。

木板或纸板:一般厚度10厘米左右的木板或纸板对UWB定位精度没太大影响。

电线杆或树木:电线杆或者树木遮挡时,需要考虑它们之间距离UWB基站或者标签的距离。比如,UWB基站和定位标签间距50米,电线杆或者树木正好在两者中间,25米处,这种遮挡就无大的影响,如离UWB基站或标签距离很近,比如小于1米,影响就很大。

 

UWB定位算法、基站、标签供应商,深圳市微能信息科技有限公司,官方网站:www.95power.com.cn

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