RTLS新应用 可快速实现精度达 10 厘米的实时定位.doc

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1、RTLS新应用可快速实现精度达10厘米的实时定位　　无线电定位系统已成为几乎所有类型的移动设备和相关应用的标配功能。在众多无线电定位方法中，基于超宽带（UWB）射频通信的实时定位系统（RTLS）扮演了中枢角色，确保在GPS等更为人熟悉的技术无法提供覆盖时，也能获取定位信息。　　随着更高精度RTLS需求的日益增长，开发人员发现自己被困在双向测距或到达时间差（TDOA）定位等复杂的高精度方法之中。　　Decawave的集成式模块和软件为开发人员提供了一种更简单的RTLS解决方案，能够轻而易举地提供更精确的定位结果。　　本文将回顾包括双向测距和TDOA

2、在内的RTLS应用及算法，并讨论不同RTLS方法的相关实现权衡。之后，本文将介绍一种DecawaveUWB收发器，重点说明使用该器件进行设计的具体要求。最后，本文将探讨Decawave软件架构和配套的固件开发，说明在Decawave平台上开发用户应用的具体方法。　　　　RTLS系统的作用　　精密RTLS已成为在办公大楼、仓库、制造厂和装配线中用于确定或跟踪人员及移动资产位置的有效方法。依据此方法，一个移动对象（标签）使用低速率无线个人局域网（LR-WPAN）标准IEEE802.15.4-2011中规定的标准格式和UWB技术，与固定位置的设备（定位

3、点）交换信息。通过确定标签与多个定位点之间的距离，相关应用可以确定标签相对这些已知定位点的位置，进而确定标签的绝对位置。　　　　　　RTLS方法　　RTLS应用使用多种方法确定距离。在最简单的方法中，应用或标签可以使用大多数收发器提供的接收信号强度指示器（RSSI）参数，来评估标签相对发射定位点的位置。由于存在多种可能影响链路预算的因素，此方法最多只能提供粗略的位置估计。相比之下，许多基于RTLS的新兴应用要求将绝对位置确定到几厘米的精度。　　高精度RTLS使用飞行时间方法，而这类方法几乎不受射频信号强度大幅变动的影响。依据此方法，可通过测量射频

4、信号从标签传递到多个定位点所需的时间，来确定标签的位置。利用射频信号通过空气传播时的已知传播延迟，RTLS应用可以将飞行时间转换为距离。　　例如，如果标签到所有三个定位点之间的飞行时间完全相同，那么按理说，这种情况仅在标签与这些定位点等距时才会出现。由于应用知道各个定位点的确切位置，因此它能确定标签的绝对位置。　　但是，要测量标签发射器的传播时间，定位点接收器需要使用与标签相同的时基，才能正确评估标签消息中内嵌的时间信息。如果定位点的时基滞后或领先于标签的时基，则计算的距离将会分别比实际距离更近或更远。　　一种RTLS方法采取简单的方式应对这一问

5、题，即对标签发射器和定位点接收器进行时间同步，确保每个定位点接收消息的时基与标签相同。即使在最佳情况下，实现时间同步也很有挑战，而在无线标签四处移动的RTLS应用中，这根本就不切实际。　　另一种方法TDOA仅对定位点进行同步，从而消除了与移动标签同步相关的难点。为确定位置，RTLS应用使用跨多个定位点测得的标签信号到达时间之差。例如，考虑之前三个定位点（A1、A2和A3）围绕一个标签等距离分布的示例。在标签移动后，如果各个定位点的TDOA被发现分别为0、1纳秒（ns）和0，则表示该标签在远离定位点A2的直线方向上移动了约30厘米（cm）（假设射频

6、传播的速度为光速）。TDOA的定位点同步要求与尝试同步定位点和标签相比，难度要小得多。但即便如此，此方法的精度仍取决于高度精确的同步。即便是一纳秒的同步差，也可能导致位置测量出现几厘米的差别。　　　　双向测距　　双向测距RTLS方法完全不需要精确的时间同步，但在标签中引入了传输能力要求。这种方法通过支持标签和定位点彼此交换定时信息，来规避不同时基带来的不确定性。标签和定位点无需同步它们的时基，而是使用一种简短的双向信息传输协议，实现精确地确定飞行时间和准确地计算标签位置。　　依据此方法，标签发射简短的标识信号，向周围的定位点“亮明身份”。每个收到

7、标签的初始标识信息的定位点随即与标签合作进行简短的双向数据交换，用于确定飞行时间，而无需考虑定位点与标签之间存在的时基差。　　Decawave在其双向测距RTLS协议中，从发现阶段和测距阶段的角度定义了此过程（图1）。在发现期间，标签定期传送简短的标识信号（即眨眼信号），并等待来自定位点的响应。在标签和定位点彼此识别后，配对的标签和定位点使用简短的双向信息交换，其中包含了测距所需的信息。　　对于开发人员而言，实现这些精确设计的消息交换协议及其底层UWB无线电子系统带来的挑战可能令人生畏。但凭借DecawaveDWM1001模块，开发人员只需很少的

8、额外工作，就能快速向其应用中添加精确的RTLS功能。　　　　集成式RTLS模块　　DecawaveDWM1001模块可完整实现RTLS，