基于uwb技术的twtof测距跟踪架构

跟踪与导航

P400测距和通讯模块既支持跟踪系统，也支持导航系统。P400测距和通讯模块是点对点的精确测距设备。在构建定位和导航同时工作的系统时，常常需要通过另外的无线电系统把位置信息从移动设备发送给控制中心或者把控制中心所知道的移动点的位置信息发送给移动设备，P400测距和通讯模块是一个带有综合数据通信能力的射频系统，因此本征上支持这些跟踪/导航综合系统。

参照和移动节点

典型的跟踪系统包含有“移动”和“参照”设备或者节点。参照节点的（x,y,z）坐标对于定位系统来说是已知的，移动节点相对于参照点的位置是计算出来的。当参照节点处于已知和静态的位置时，他们通常被叫做“锚”。

P400测距和通讯模块本身并不是一个跟踪系统，也不是一个导航系统。但是作为一个点对点集成有无线通讯能力（无线通信是用来协调测距交通和传播的参照点位置数据）的射频测距设备，它为各种不同定位架构的系统提供了最大的灵活性。测距和通讯模块用来测量以下节点之间的距离：

1. 移动点和移动点(用于传播参照或者协调相对行为，例如编队和跟随)

2. 移动点和参照点（用于精确定位或漂移校正）

3. 参照点和参照点 （用于在设置特设“锚”，也就是参照点时达到额外的高精确度）

4. 移动的参照点和移动的目标（用于自动车辆安全和态势感知 ）

参照节点处于静止状态时较易理解，实际上任何一个具有准确瞬间动态位置的节点都可以用来作为参考节点。例如，GPS卫星就可以作为参照点，但是他们不是静态的。卫星的位置不断被动态更新并且通过无线方式传送给移动的GPS接收器，GPS接收器根据收到的GPS “锚”之间的位置和延时来进行定位。

同样，在一个由测距和通讯模块RCM辅助的定位系统中，任何具有瞬时精确位置的节点都可以作为一个相对于具有不太精确的已知位置的邻居节点的参照点。这种“传播参照点”技术可以扩展跟踪系统的监控范围，但是以传播位置误差为代价。一般来说，系统需要周期性地通过访问一个知道准确位置的临时静态节点来限制传播误差。

因而在一个采用测距和通讯模块的动态或者特设的跟踪系统中，坐标系统通常建立于

1）临时设置的室外GPS增强锚，

2）一个具有准确全局位置的中央车辆或者，

3）一个由精确测距和无线通信增强的移动GPS定位最优组合决定的系统。

在任何情况下，移动节点的位置都不会比参照点的位置更加精确。

测距精度和几何考量

P400测距和通讯模块提供点对点的，精度为几厘米的测距。通过多个移动节点和参照节点之间的距离的测量组合就可以计算一个位置。这种解决方法叫做三边定位（相对于三角定位法中需要测量两个或者多个角度的测量组合进行计算）。

基本的想法就是在一个2D系统中多个圆的交点：

图1：通过移动节点M和参照节点R1，R2和R3之间的距离的组合就可以获得移动节点M的位

置

在开发一个基于三边法的跟踪系统时的一个重要考虑就是采用测距和通讯模块进行测距是有误差的。解算算法把测距和参照点坐标综合起来进行位置估算，取决于节点之间的通道，距离测量处于泊松分布误差范围为标准偏差2-10厘米的环空带的交界处，这个误差产生于嵌入的领先边缘检测算法中的时序抖动和脉冲到达时间测量。

图2：由于参照点相对几何位置的不同，相同测距误差（环空中的厚度）可能产生差别很大的

位置误差的两个例子

以上插图说明参照节点相对于移动节点的几何位置对于定位误差有很大的影响。这种误差几何放大因子 （G DO P）在所有基于参照点的跟踪和导航系统中很常见。在高级的采用分布式求解的导航系统中，移动节点根据自己和周围参照节点的相对几何关系瞬时决定其进行测距请求的“最佳”参照点。在这些系统中，移动节点的处理器必须维持一个“活跃的”周围节点位置的数据库。

三种类型的求解算法

规划求解算法既可以驻留在一个单一的基站计算机（集中式架构）中，也可以驻留在每个移

动节点（分布式体系结构）。在任何情况下，规划求解算法都必须考虑到这些圆不会只相交

在一个地方。例如，三个参照距离圆可以相交于6个不同的点（每个参照距离圆有2个交点）。

三种典型的求解方法包括：1）线性最小二乘解算法，2）几何求解法，或3）最优递推估算求解法。

典型的线性最小二乘求解法采用了高斯–牛顿法迭代最大限度地减少了共有移动点坐标和参

照点坐标之间的基于欧氏距离方程的系统误差。这种方法的优势在于可以使用N个参照距离。但是其缺点在于a）迭代算法导致计算时间不同，b）它是非线性的以至于在某些条件下会产

生误差较大的结果，c）需要一个位置种子开始迭代。这个种子位置越接近真实位置，算法会

收敛得越快。通常这个种子是之前的测量解算出的坐标位置。

该算法还需要3个或更多几乎同时测量的到多个参考节点的距离分组，这需要所有被跟踪移

动点具有足够的收敛性和更新速率。

典型的几何求解法找到所有圆的交点，舍弃每两个圆的处于外围的第二个交点，然后把交点

主群集的质心的位置估算为移动节点位置。在下图中，外围第二个交点被画成橙色而主交点

被画成绿色。由主交点（绿色）集群形成的形状的质心包含了解算结果。

图3：几何相交和交点集群

几何求解法的优点是不需要位置种子。这种算法在特定条件下还可以产生所有方法中最精确

的结果。它的缺点在于要求一个通常需要2*N阶运算的集群/关联算法，这里N是参照点的数量。几何求解法常常用于初始化最小二乘解算法或者基于最佳滤波器的系统的种子。

最优递推估算求解法通常由标准卡尔曼滤波器的导出。这种技术把一个简单的目标运动模型

和测距以及参照位置相结合来产生一种根据观察和模型估算把加速度误差和测距误差适当混

合的最优算法。由于欧氏距离公式的非线性性质，扩展卡尔曼滤波器是必要的。在大多数情