隧道高精度定位方案-UWB.pptx

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UWB定位技术PPT课件

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6.2.1 UWB的定位方法
基于接收信号时间法是由接收信号的传播时间来估计距离。相对于前两种方法，TOA方法有着不可比拟的优势：它的定位精度最高，可以充分利用UWB超宽带宽的优势，而且最能体现出UWB信号时间分辨率高的特点，有关TOA定位方法的基本内容已在3.2.1节论述过，在此不作赘述。由于TOA方法是雷达领域使用最为普遍的距离估计方法，术语“TOA”也经常跟 “测距”互换使用。关于在UWB中使用TOA法定位的具体过程，将在下面几小节进行详细讨论。
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6.1.1 UWB的定义
UWB的定义经历了以下三个阶段。第一阶段：1989年前，UWB信号主要是通过发射极短脉冲获得，这种技术广泛用于雷达领域并使用脉冲无线电这个术语，属于无载波技术。第二阶段：1989年，美国国防高级研究计划署（DARPA ，Defense Advanced Research Projects Agency）首次使用 UWB这个术语，并规定若一个信号在衰减20dB处的绝对带宽大于1.5GHz或相对带宽大于25%，则这个信号就是UWB信号。
或相关最大值的时刻作为估计值。由于多径的存在，使相关峰值的位置有了偏移，从而估计值与实际值之间存在很大误差。
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2019/8/9
6.2.3 基于时间的UWB测距技术的主要误差来源
• 非视距传播（NLOS）视距（LOS）传播是得到准确的信号特征测量值的必要
条件，当两个点之间不存在直接传播路径时，只有信号的反射和衍射成分能够到达接收端，此时第一个到达的脉冲的时间不能代表TOA的真实值，存在非视距误差。
图6-3 双程测距图解
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6.2.2 基于时间的UWB测距技术

隧道人员精确定位方案概述(含各技术特点比较)

• 抗干扰能力强，不受信号强度的制约。 • 稳定性好，在隧道灯特殊环境或条件下，如机车经过，定位精度稳定。
隧道内实际测试
• 高精度：经隧道内实际实验测试，在所有信号覆盖区域，95%的定位数据精度在3m以内。
第四代超高精度定位技术技术路线
• • • • 采用超宽带(UWB)定位技术更强的抗干扰、抗多径能力定位精度可达到10厘米量级翌日科技正与中国科学技术大学公司与中国科学技术大学合作设立了物联网联合实验室，与超宽带通信国家重点实验室联合开发第四代超高精度定位技术
数字化隧道建设探讨
• 隧道信息化 • 多网合一 • 3D虚拟隧道
质量服务体系
质量保证及服务一：产品质量
• 公司已经通过了ISO9001质量体系的认证。 • 所有元器件全部从原厂采购，保证材料稳定可靠 • 严格的品质检验程序，先进的检测设备和训练有素的品质控制人员，保证了翌日“出厂产品质量合格率l00%”质量目标的实现。 • 我们在系统设计、材料筛选、工艺制作、老化检测等各个阶段都严格遵守“高品质、高可靠性”的宗旨，精益求精。
质量保证及服务三：服务保障
• 我公司将以合同为依据，以原厂商规定的服务承诺为基础，免费质保一年，免费保修期外，继续承诺整个工程的维修保养，功能升级等一系列收费服务。可以根据客户一些特殊需求进行定制开发，如功能改进或增加新功能（比如报表、矿山特殊需求）我公司技术中心将不断地改进设备原有功能，开发新功能，促使产品不断升级。免费为客户升级软件。
– 无线信号在空气中的传播速度是固定的，即光速c。用光速乘以单程飞行时间就是两个设备之间的距离。 – 如下图所示，读卡主站和标识卡之间的距离可简单用光速 c 乘以时间 T 得到。

基于UWB技术的隧道工程人员定位系统及拓展应用

基于UWB技术的隧道工程人员定位系统及拓展应用摘要:隧道工程施工事故频发且事故调查难度大，人员安全难以得到有效保障，针对这种现状，本文对UWB技术进行研究应用，阐述了基于UWB技术的隧道工程人员定位系统的各构成部分及作用形式，在这个系统中增加了电子围栏、视频监控、主被动报警等功能，拓展了UWB技术的应用，能够更好的满足隧道工程安全管理的需要。

关键词:UWB技术；定位系统；隧道工程；超宽带引言随着我国的不断发展，各类隧道工程建设陆续推进，但是隧道工程环境复杂，涉及作业较多，极易发生安全事故。

隧道工程安全事故一般会导致群死群伤，且一旦发生事故，应急救援存在一定盲目性，从而会导致事故影响范围扩大，事故致死率较高，作业人员的人身安全难以得到有效保障，事故原因也难以调查，后续管理经验难以有效总结。

所以的传统管理手段不能满足现实隧道施工安全管理需要。

本文将UWB技术应在隧道工程的安全管理中，可以实现人员定位、人机防碰撞、主被动报警、历史轨迹存储与回放等多个应用实践，有效提高了安全管理效率，给作业人员人身安全提供有效保障[1]。

1 隧道工程的特点分析隧道工程的施工由开挖、支护、供电、供水、供风、防排水等多个作业工序综合构成；开挖阶段由钻孔、装药爆破、通风、出渣等流程构成，在施工中开挖工序阶段性循环进行，其他施工流程也是循环进行的；隧道在不断开挖、支护的过程中，由于位置不同，周边岩体的结构是在不断变化的，所以支护结构的力学状态分析极为复杂，需要根据围岩情况进行调整，所以隧道施工作业流程虽然具有循环性的特点，但施工过程却是不固定的、存在动态变化的；隧道工程在地下进行，作业空间非常受限，作业场所阴暗、潮湿，同时含有粉尘、有害气体等危险因素，作业环境具有风险性大、隐蔽性强的特点。

2 UWB定位技术2.1 UWB定位技术概述隧道工程在地下一定深度施工，GPS等传统的室外卫星定位系统难以满足实际需要。

目前主要用于室内定位的蓝牙、红外线、WiFi、ZigBee（紫蜂）、RFID （无线射频识别）、UWB（超宽带）等技术[2]。

高精度室内定位技术-UWB

高精度室内定位技术-UWB高精度室内定位技术-UWB先来了解一下定位是怎么工作的。

定位的核心技术其实是测距。

给定空间中已知三点的具体坐标，和一个未知点到三点的距离，即可算出未知点的坐标。

这通常叫做三边测量定位算法。

三边测量定位的几何理解非常简单。

以三个已知点和距离作三个圆，他们交于同一个点，这个点的坐标就是测量点的坐标。

然而这是一个理想情况，实际由于测量精度的限制，实际上他们通常交不到一个点上，交出来的是一块有面积的东西。

这块面积的大小就是定位精度。

当然我们可以通过更多组的测量使得相交的面积进一步减小以提高精度。

在这样简单易行的算法的支持下，我们就将定位问题转化为了测直线距离问题，如何精确计算一个已知点到未知点的距离。

GPS的解决方案非常简单粗暴。

GPS的本质是一个授时系统，也就是告诉你卫星发出这个信号的时候是几点几分几秒几毫秒几微秒。

而从GPS到地面有一定距离，无线电波在空气中以光速传播，等传到终端上是已经过去了几微秒，所以我们只要乘上光速就能知道终端到这颗星的距离了。

一个要克服的问题是终端的时间并不一定很精确，但如果我们可以通过几颗星之间两两差值来算出本地应该有的时间。

通过十几颗星一起授时进行修正，最后能很好将精度控制住。

提高精度的方法也很粗暴，提高授时精度即可。

这样的模型放在室内定位的时候会遇到什么问题呢？1、距离太短，时间难测。

由于室内定位距离太短，要知道光速是299,792,458 m/s，跑几米的时间太短了，根本测不精准。

所以如果想继续通过授时的方法解决问题，无线电波通常是不靠谱的。

当然也不是没有解决方案，比如速度慢得多的声波，一个解决方案就是超声波定位，这个可以是主动等回波来测量，或者被动授时测量，但超声波受多径效应和非视距传播影响很大，设计起来非常捉急。

2、信号遮挡，波长难选。

同样无论用超声还是无线电都会遇到这个问题。

波长长了，能绕过障碍物，但接收很困难，毕竟手机上不能捆个大锅盖（绕过障碍物=绕过终端设备）。

UWB技术下隧道施工人员定位系统的精细研究

UWB技术下隧道施工人员定位系统的精细研究隧道施工安全问题是当前全民关注的重点问题，特别是施工人员位置信息问题。

在隧道实际施工现场中，由于遮挡、环境嘈杂等问题，导致测量信号受阻，无法对施工人员位置进行准确定位，期间，如果发生事故，对隧道被困人员的具体位置和数量不能及时做出判断，导致后果不堪设想。

文章以某高速公路隧道定位系统为例设计实验，分别对文中所提的方法进行比较和优化，选择更加精确的计算方法，并将其运用至今隧道施工建设中。

标签：UWB（超宽带）;三边算法;质心算法引言社会经济的全球化发展，促使交通建设力度逐渐加强，尤其是对铁路和高速公路新建里程长度的规划。

在铁路以及高速公路的修建过程中，对于山地、高原、山岭等地形，可通过修建隧道来实现道路畅通。

隧道工程与采矿作业在技术负责程度、作业周期长、作业空间有限以及隐蔽性等方面非常相似，再加之地质变化特点，无形之中为隧道作业带来了一定难度，同时，也给施工人员带来了极大的安全隐患。

因每个项目开展都存在周期限制，所以在隧道建设中，要尽量避免事故发生来影响作业进度。

为了保护施工人员生命安全，将UWB定位技术运用是隧道建设中，以此来对隧道人员实施精确定位，充分满足项目工程建设的需求。

1超宽带定位技术超宽带定位技术所使用的宽带>500MHz，且信号也>0.2，该技术利用宽带特性，实现脉冲无线点的精确测距。

通过UWB系统所发射的窄脉冲空间占比小，持续时间短，导致多径信号在时间上可分离。

除此以外，UWB系统自带的频带较宽，所以信道容量C在一定范围内，可有效降低信噪比，凸显了该系统自身具有较强的抗干扰性。

2设计定位系统图1为定位系统的构架图，明确了该系统主要的组成部分，其中包括服务器、交换机、定位标签以及参考节点等。

2.1 定位标签定位标签的主要作用是通过发射的无线信号，对参考节点和标签之间的距离进行准确测量，其主要组成部分是电池供电模块、定位芯片和主控制器。

uwb超宽带无线通信技术(高精度定位)

UWB(定位技术)超宽带无线通信技术一、UWB调制技术超宽带无线通信技术（UWB）是一种无载波通信技术，UWB不使用载波，而是使用短的能量脉冲序列，并通过正交频分调制或直接排序将脉冲扩展到一个频率范围内。

它源于20世纪60年代兴起的脉冲通信技术。

传统通信方式使用的是连续波信号，即本地振荡器产生连续的高频载波，需要传送信息通过例如调幅，调频等方式加载于载波之上，通过天线进行发送。

现在的无线广播，4G通信，WIFI等都是采用该方式进行无线通信。

下图是一个使用调幅方式传递语音信号的的连续波信号产生示意图。

图1 连续波调幅信号而脉冲超宽带IR-UWB(Impluse Radio Ultra Wideband)信号，不需要产生连续的高频载波，仅仅需要产生一个时间短至nS级以下的脉冲，便可通过天线进行发送。

需要传送信息可以通过改变脉冲的幅度，时间，相位进行加载，进而实现信息传输。

下图是使用相位调制方式传输二进制归零码的IR-UWB信号产生示意图。

图2 IR-UWB调相信号从频域上看，连续波信号将能量集中于一个窄频率内，而UWB信号带宽很大，同时在每个频点上功率很低，如图3所示。

图3 IR-UWB信号频谱在无线定位中，使用IR-UWB信号相对于窄带信号的主要优势为，IR-UWB信号能准确分立无线传输中的首达信号和多径反射信号，而窄带信号不具备该能力。

主要有三种应用：成像、通信与测量和车载雷达系统，再宏观一点，可以分为定位、通信和成像三种场景。

·通信：因为大带宽，所以UWB一度被认为是USB数据传输的无线替代方案，蓝牙的问题是传输速度太慢。

UWB还常用于军用保密通信，这主要也是因为UWB脉冲的能量很低，很容易低于噪声门限，不容易被其它无线电系统监听到。

UWB通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，能实现数百Mbit/s至2Gbit/s 的数据传输速率。

而且具有穿透力强、功耗低、抗干扰效果好、安全性高、空间容量大、能精确定位等诸多优点，可以说是个超级“潜力股”，很有可能在将来成为家庭主用的无线传输技术。

uwb室内定位技术在隧道人员定位中的应用

uwb室内定位技术在隧道人员定位中的应用什么是uwb室内定位技术？简而言之就是采用uwb定位技术提供室内位置定位服务的，一是室内导航，二是在室内环境下对人员或物资进行定位，寻找起来比较方便，当然还有引申出来的其他用途，电子围栏、一键求救、轨迹回放等等。

本文主要讲解uwb室内定位技术在隧道人员定位中的应用由于恒高科技uwb室内定位的室外基站外壳符合隧道的高粉尘、高湿环境；基站间全部无线同步，无需复杂部署，省去安装成本等优势，通过实地项目检验，得到了诸多隧道定位项目的一致好评。

1.UWB室内定位实时显示：从隧道人员定位的角度来讲，可实现全厂区的人员精准定位显示通过平面、立体和列表三种视图方式实时显示定位区域内不同类型人员（标签）的实时位置，方便监管人员随时了解定位区域内不同类型人员（标签）的实时状态，可以分区域统计人数。

uwb室内定位系统可随时查看作业人员的位置、分布区域、运动路线、工作时长等信息，有助于优化其作业流程，一旦发生事故可依据定位快速疏导，保障高危区域人员安全。

2.UWB室内定位时刻考勤：携卡人员出入洞时刻考勤，结合LED广播形式直观查看考勤数据软件可自动生成某个时间段的考勤报表，记录原始进出洞时间，通过姓名和卡号、工号可以进行查询、导出个人的考勤记录。

也可以通过定位区域内人员工种类型、部门类型等查询、导出团体的考勤记录。

通过LED广播形式的方式直观查看出勤率、管理人员、管理单位以及各个班组的出勤人数。

3.UWB室内定位之定位基站：室外基站“定制化”，适应隧道高粉尘、高湿环境隧道施工环境一般都是高粉尘、高湿环境，一般基站几乎无法适应，所以很多传统定位方案无法满足隧道人员定位管理的要求。

而基于uwb的室内定位基站能够实现IP67级防护，可以在实现在高湿、高粉尘环境工作，拥有防爆、耐腐蚀能力，支持低温工作，无惧恶劣化工环境。

另外恒高科技uwb室内定位基站剑全部实现无线同步，不需要在隧道施工区域布线或是走网，大大减少部署难度及施工成本，较传统定位方案，部署速度得到了大幅提升，能够显著降低项目成本。

UWB 高精度定位技术原理与实现

UWB高精度定位技术原理与实现一、什么是UWBUWB（Ultra Wide Band，超宽带）技术是一种新型的无线通信技术，其与传统通信技术有很大的差异。

在传统通信体制中，数据传输一般都需要使用载波来承载，UWB则不需要，取而代之的是通过发送和接收具有纳秒甚至亚纳秒级的极窄脉冲来传输数据，一个信息比特可映射为数百个这样的脉冲。

根据傅里叶时频变换规则可知，单周期UWB脉冲时域宽度越短，对应的频域带宽就越宽，这种纳秒级时域脉冲信号，往往能产生具有GHz量级的频域带宽，如图1所示。

因此这种技术也称UWB超宽带技术（简单来说就是带宽非常大）。

正是这些纳秒级的时域脉冲，使得UWB信号具有极高的时间分辨率，非常适合高精度定位。

图1 UWB时域极短脉冲信号及频谱二、UWB定位的技术特点2.1 高精度具有厘米级的高精度定位能力。

UWB信号时域宽度极窄，接收端在测量时，能获得极高的时间分辨率，简单讲就是时间测量准，这是实现高精度定位的基础。

同时它还具有很强的抗多径能力，不同方向到达的信号很难出现叠加干扰，这对高精度定位也非常有好处。

2.2 低功耗UWB系统使用周期性的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在0.20ns～1.5ns之间，占空比非常低，省去了发送连续载波的大量功耗，因此功耗可以做到很低。

2.3 高安全UWB通信系统的物理层技术具有天然的安全性能，其带宽大，发射功率谱密度比噪声还要低，承载的信息淹没在噪声中，被截获和干扰的概率非常低。

反之，影响其他无线通信（如WIFI）的概率也非常低。

总结起来，就是自己既不干扰别人，别人也很难干扰自己。

2.4 低成本部署UWB定位系统，有一定的硬件采购成本，但UWB基站覆盖范围大，典型半径达50-150米，同样面积下，需部署的设备更少。

同时，UWB系统一旦部署调试完毕，几乎不用再改动，一次投入，可用10年，运营成本极低。

三、UWB 定位网络架构整个UWB定位系统主要包含四个部分：UWB定位标签、UWB定位基站、IoT定位平台，以及应用平台，如下图所示：图2 UWB定位系统组成3.1 UWB定位标签UWB定位标签携带在目标人员和物资中，其周期性发送上行UWB定位脉冲信号，有工牌、安全帽、腕表等多种形态，适用于不同的应用场景，具有低功耗、便携、防水防尘等特点。

UWB精确定位系统解决方案

方案介绍/UWB室内基站
UWB 3.7～4.2GHz中心频段3.95Ghz 定位算法：TOF/TDOA 定位精度：10~30cm 定位距离：50m 通讯距离：100m 供电：DC220V、POE48V（二选一）通讯：4G、wifi、有线网络尺寸：188X123X33mm 重量：150g 防护等级：IP66
• Beacon需要定期换电池，维护成本高 • 同时支持的定位设备少
优点：体积比较小，造价比较低缺点： • 大密度标签下影响信号强度
•不便于整合到其他系统之中 • 参考标签的位置会影响定位，计算量较大
优点: 部分共享现有WIFI设施，成本低缺点: • 精度低、易受干扰、不稳定
• WIFI指纹需要人工采集更新，成本高 • 同时支持的定位设备少
定位原理/ToF定位算法
ToF：（Time of Flight）飞行时间测距法，通过测量脉冲信号从发出到返回的时间差，乘以传播速度除以2，得出二者间的距离。
三个基站的坐标已知，计算出标签到各基站的距离后，运用三边测量定位算法，交点即是定位标签的坐标。
定位原理/TDoA定位算法
TDoA：（ Time Difference of Arrival）基于时间差测距法，通过比较信号到达两个基站的时间差，作出以基站为焦点，距离差为长轴的双曲线。
多区域二维定位
隧道型一维定位
定位引擎监控终端 Wifi/4G/有线网络回传数据
空间立体三维定位小区域存在性检测
UWB定位特点
4G、WiFi、网线多种通讯方式，部署方便
POE供电，电源供电，多种供电方式，部署方便
电脑、手机、平板查看，多终端支持, 分级权限
无线时钟同步，无需同步机，部署便捷，成本低

UWB定位系统全面方案介绍PPT教学课件

◆定位与监控视频联动，视频画面自动跟踪定位对象
◆记录违规行为的视频画面
◆支持查询、下载违规行为的视频画面
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03 智能巡检
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恒高UWB定位系统-巡检流程
管理员下发巡检路线及巡检任务
管理软件
管理员
巡检路线、流程设置实时查看巡检过程轨迹回放电子围栏巡检路线匹配人员管理
统计分析
管理软件查找有资质的在岗员工
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预期效果
到位管理杜绝漏检、假资料
精确定位、人脸识别，解决人员现场到源自问题检查不再凭经验、凭记忆，有依据有方法
每个巡检点的检查都可以调阅检查依据、检查方法、注意事项、标准化图例
整改状态一目了然，落实可视化闭环管理
问题发现及整改完成时的照片对比, 进程状态可视化
员工参与，持续改进
为合理化建议点赞, 积累最佳作业实践
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UWB定位-TDOA关键技术
关键技术---基站
时间同步包括相位
相位同步：两块表频率同步：两块表间后会造成时间不站传播同一个时钟
我司无线同步素，采用特殊度基站时间同位精度（0.3m
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UWB定位系统构架
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恒高UWB定位系统-监控模式数据链路示意图
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恒高UWB定位系统-导航+监控模式数据链路示意图
di,23 (x2 xi)2 (y2 yi)2 (z2 zi)2 (x3 xi)2 (y3 yi)2 (z3 zi)2 di,34 (x3 xi)2 (y3 yi)2 (z3 zi)2 (x4 xi)2 (y4 yi)2 (z4 zi)2 di,41 (x4 xi)2 (y4 yi)2 (z4 zi)2 (x1 xi)2 (y1 yi)2 (z1 zi)2

隧道精确定位系统解决方案设计

第一章引言自十一五以来，我国加大了基础设施建设力度，中国交通建设事业进入了快速发展轨道。

尤其在高速公路、铁路、城市轨道方面的建设突飞猛进。

在公路、铁路建设方面，道路建设路线逐渐由平原、微丘向山区高原挺进，隧道、桥梁等结构物占线路的比重越来越大，隧道建设工程数量持续增长；在城市轨道建设方面，地铁具有节省土地、减少噪音、减少污染、节省资源等优点，成为各城市解决拥堵、提升城市交通运输能力的重要手段。

由于隧道及城市地铁建设的造价高、运营管理相对复杂、施工环境恶劣、事故发生频率较高，常要求对隧道中人员数量进行统计、对施工现场环境进行监控。

目前市场上隧道安全监控系统中都没有与外界直接通话的无线通信系统，在遇到突发事故，如崩塌、涌水涌泥等事故，不能及时向隧道监控室汇报，很容易贻误抢险时机。

如果有无线通信系统，施工人员在隧道中工作，可随时将隧道的掘进和安全情况汇报到隧道监控室，便于调度和及时处理突发事故。

当遇到隧道突发事故，对隧道施工人员的抢救缺乏可靠的位置信息，也缺乏语音通信手段，抢险救灾、安全救护的效率仍然不高，效果不理想。

由于通信网络不畅，通信手段单一，网络承受能力差，往往造成领导层信息不畅通，指挥不足，数字不准，不利于事故的抢险，极易造成事故损失的扩大。

隧道对利用相应的人员跟踪定位设备，全天候对施工人员进行实时自动跟踪和考勤，随时掌握每个员工在隧道的位置及活动轨迹、全隧道人员的位置分布情况等需求迫切。

深圳科技致力于隧道安全建设，通过深入研究我国隧道现状，推出了“隧道安全综合监测系统”。

1.1 系统简介本系统着重在综合隧道管理各项资源，在保证既定的系统功能正常应用的前提下，利用先进zigbee技术对系统进行整合利用。

包含视频监控、人员考勤和实时精确定位管理、人员/车辆门禁系统、LED大屏同步系统等。

最大限度的利用资源将隧道工作、管理提升到更搞水平的管理平台上。

1.2 设计原则与依据总体设计原则总体以客户的需求为基本原则，并充分结合现有成熟完善的技术进行设计。