前言1概要2 UWB技术2.1 UWB国内研究现状2.2 UWB国外研究现状2.3 UWB技术概要3基于定位方案3.1TOA的距离测量及其定位模型3.2基于AOA/DOA的距离测量及其定位模型3.3基于TDOA的距离测量及其定位模型3.4基于RSSI的距离测量和定位模型
前言
在这里写了UWB的概要及其定位的相关方案。 介绍了几种定位方法： TOA、AOA/DOA、TDOA、RSSI，但了解不多。 大佬简单看看吧。 如果有错误，请指出来。
摘要随着当今无线技术的发展，无线室内定位技术也得到了飞速发展，目前常用的室内无线定位技术包括基于WiFi的定位、蓝牙定位、小型基站定位、LED可见光定位、超宽带定位、RFID、惯性导航、地磁定位、伪卫星等[1]其中超宽带定位技术是一种特别适合室内应用的定位技术，超宽带定位技术具有定位精度高(1~15cm )、抗干扰能力强、分辨率高、功耗低等优点。
表1各种无线位置技术的比较
超宽带(UWB )技术在军用场景和民用场景中都有很多应用，具有光明的前景。 UWB技术的应用场景大致可分为三个方面，分别是通信、雷达和定位，UWB技术科应用于智能家居、无线网络、战术组网局、探地雷达、车辆防撞雷达以及军用民用需要准确定位的系统目前，市场已经基于UWB到达室内定位设备。 例如，英国的Ubisense公司发布了TDOA和AOA组合的室内定位系统，测距范围可达50-100m，精度可达15cm。 美国Zebra公司推出了Dart UWB系统。 该系统建立在Sapphire DART的核心功能之上，定位快速准确，精度30cm，测距范围达100m[2]。
根据是否需要测量距离，无线定位方法分为测距定位和非测距定位两种。 作为测距方法，也有以RSSI为首，组合了TOA、TDOA、AOA/DOA及多个测距方法的系统。
2 UWB技术2.1 UWB国内研究现状我国对UWB技术的研究相对比较。 2001年，首次将超宽带技术作为无线通信通用技术和创新技术的研究内容列入国家终点研究课题，开始了UWB技术的研究。 在国家科研项目的支持和激励下，我国许多高校在UWB技术方面取得了积极进展，研究了UWB天线设计、UWB信号发射、UWB定位算法及多种定位方式的融合。 我国许多公司也在研究UWB的应用，许多公司正在开发基于UWB技术的定位系统。 国内很多公司都在研究基于UWB的室内定位技术，有自己的定位解决方案和软硬件产品，但没有统一的标准，这个行业目前不成熟，市场需求不是很多。 [3]根据[1]所述方法，其中
2.2 UWB国外研究现状UWB技术的最初开发和应用在军事方面，主要进行雷达探测和定位。 [3]UWB技术最初没有应用于民用，但是在2002年2月美国联邦通信委员会(FCC )确认了UWB技术的频谱范围之后，才批准了UWB技术应用于民用，给UWB技术带来了很大的发展空间。 [2]国外首先有多家知名高校、公司和研究机构对UWB技术展开了研究，到2006年，已有多家公司提供UWB芯片。 由于UWB芯片具有高速和低功耗的特点，UWB芯片特别受欢迎，发展迅速。 到2011年，UWB高速芯片销量已经达到3亿片，呈现每年400%的增长趋势。 随着UWB技术的发展，基于UWB技术的系统定位精度已经可以达到厘米级。
2.3 UWB技术概述UWB技术的全称是超宽带技术。 FCC定义超宽带信号：
换言之，相对带宽大于20%，或者绝对带宽大于500MHz。 fh、fl是指信号功率谱密度峰值衰减10dB时对应的高端和低端频率。 根据香农的公式
由于UWB技术通过增大传输带宽来增大信道容量，所以可知具有非常高的传输速率。 实现UWB无线通信的方法分为脉冲无线和多频带OFDM两种。
三定位方式无线定位的方法大致可以分为基于距离测量的定位方法和基于非测距的定位算法。 基于距离测量的算法有三边定位法、三角定位法、最大似然估计法等，基于非测距的定位算法有重心定位法、APIT定位法、MSP定位法等。 本文所述的定位方法以测距定位方法为主。
3.1基于toa的距离测量及其定位模型toa(timeofarrival )测距的基本原理是得到UWB脉冲信号到达每个基站的时间，利用从UWB脉冲信号到每个基站的距离r与信号传播时间t成比例的关系，可以：
其中，c为光速，即c=3108m/s。
TOA定位俗称圆周定位，以测量的距离为半径画圆，根据圆的交点确定标签的位置，至少需要三个基站。 以测量的3个基站的距离为半径画圆时，画出的3个圆有共同的交点，3个圆的共同交点成为有标签的位置，如图1所示可以实现定位。
图1 TOA定位集合分析
根据几何学原理，可以得到以下方程式。
在此，x1、y1、x2、y2、x3、y3 )是已知的UWB基站的坐标，R1、R2、R3是测量与三个基站的距离的坐标。 均为已知量。 根据上述式
子再经变换，就可以求出标签(x0,y0)的位置，就可以实现标签的定位。TOA测距要求知晓测距信号的传输开始时刻和奇数时刻，要求基站节点和信标节点的时钟保持高度同步，微小的时间误差就将导致较大的测距误差，所以其适用性大大降低。 3.2 基于AOA/DOA距离测量及其定位模型
基于AOA(Angle of Arrival)的距离测量方法是通过测量信号到达的角度求解目标的位置。基于DOA(Direction of Arrival)的距离测量方法是指空间信号到达的方向。因此AOA和DOA本质上是一个概念。下文中直接称DOA。
DOA定位是利用接收信号的天线具有方向性，基于信号的入射角度进行定位的[1]。因为是测量标签与基站之间的角度得到的定位信息，所以至少需要两个已知的UWB基站。根据标签与基站之间的角度，绘制两条直线，两条直线的交点即为标签的位置。如图2所示。
图 2 DOA 定位示意图
其中(x1,y1)、(x2,y2)为已知基站的坐标，θ1、θ2为测量得到的标签与基站之间的角度。根据公式：
可以计算得出(x0,y0)的坐标，即可获得标签的位置信息，完成标签的定位。
这种方法是通过计算两条线之间的交点来进行定位的，两条线的交点只有一个，为了测量UWB脉冲信号的入射角度，基站必须装备方向敏感的天线阵列。由于使用此方法测得的角度若有一点误差，将会引起定位的较大误差，并且不适合于非视距条件下的传输，所以该方法不常使用在室内定位中。
TDOA(Time Difference of Arrival)是一种利用时间差进行定位的方法，TDOA定位算法是利用不同基站节点接收到的同一标签节点的定位信号的时间差来计算标签节点到不同参考节点的距离差, 由此可以得出参考节点间的双曲线，双曲线的交点即为标签节点的位置[4]。TDOA定位示意图如图3所示。
图 3 TDOA 定位示意图
由于不需要检测信号传输时间，系统对时间同步的要求大大降低。
其中c为光速，t为基站节点收到定位信息的时间，消掉其中的△t，可得到下列式子：
由上式可以做出双曲线，两条双曲线的交点即为得到位置坐标，所以TDOA定位又称双曲线定位。由上式计算可以得到目标节点(x0,y0)的位置信息。
3.4 基于RSSI的距离测量及定位模型基于RSSI(Received Signal Strength Indication)的距离测量的关键在于建立将RSSI值精确转换成距离的关系模型，目前使用最广泛的是对数距离损耗模型：
Pij是节点i,j之间以dB为单位的功率路径损耗；P0是参考距离d0(一般d0=1m)处测量得到的功率；η是路径损耗因子；χ为阴影效应导致的零均值smdhy随机变量，具体计算的时候通常忽略不计。
由式(7)可以转换得到节点i,j之间的距离dij为：
(8)
影响RSSI测距的重要原因是射频的不规则性其中包括设备和传输介质两种因素。因此信标节点在测距的时候向基站节点发射测距信号，基站节点所接收到的信号功率将会考虑到以上因素。并且需要考虑到基站节点辐射信号的时候，电磁波能量的损耗，得到最后的距离测量模型。
得到RSSI的距离测量模型之后，可以使用与TOA定位方法进行定位，两者定位方法不同之处在于测量距离的方式的不同。
由于无线环境中情况复杂，并且以上提到的算法只是设计定位算法的起步，仅仅使用以上算法无法获得很满意的定位精度，所以需要针对以上的定位方法进行优化。可以针对无线环境进行算法的优化，也可以针对算法，进行算法的进一步优化。
常用到的方法是将两种定位方法融合，进行融合测距，这样的定位精度也会提高。当然还有近场电磁测距优化、LMAP定位算法、机会定位和基于压缩感知的定位[5]等等方法来提高无线定位的精度。
无线传感器网络是一种新兴的可实现大范围检测追踪的信息获取载体，可能成为普适计算时代的支撑技术。UWB也属于无线传感器中的一种，其也能构成无线传感器网络，并且适用于室内定位中。当前UWB应用于室内定位已经能够实现厘米级的定位精度，并且UWB技术也正在发展的阶段，具有广阔的发展空间，有望能够将UWB的室内定位精度进一步提高，应用到更广泛的领域。当前无线已经成为主流，虽然无线环境非常复杂，但是其面纱也在一层一层被揭开，我们对于无线环境的研究也有助于无线传感器网络的发展。所以在UWB的技术方面值得做进一步的研究。
参考文献[1]mmdbb. 超宽带室内定位系统[M].电子工业出版社,2017.
[2]dqc. 基于UWB的室内定位技术研究[D].天津大学,2012.
[3]乐观的小霸王. 基于UWB的精确定位算法及其数据分析[D].重庆邮电大学,2019.
[4] https://www.sohu.com/a/367309016_385809?spm=smpc.author.fd-d.23. 16247828815912ft8FVA
[5]lmdsb,传统的薯片. 无线定位技术[M]. 科学出版社,2020.6
[6]twdsy. 基于UWB的室内测距与定位系统[D].南京邮电大学,2020.
[7]xsdct,可靠的秀发,俊逸的水蜜桃.RSS测距定位模型的Cramer-Rao界分析[J].计算机工程与应用,2008,44(35):100-102
[8]霸气的小熊猫,矮小的石头,满意的绿草,杨会.基于UWB的高精度室内定位系统[J].长江信息通信,2021,34(03):111-114+117.
[9]mldcdq,sqdmf,hldbm,施浒立,生动的小馒头.气压计辅助的UWB室内定位方法[J].传感器与微系统,2021,40(06):30-33.
[10]沙漠雨. 基于CSS的室内无线定位系统设计与实现[D].哈尔滨工程大学,2016.