超宽带无线定位技术
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拓扑关系图 整体硬件设备
传感器 紧凑型标签
系统定位平台
Ubisense定位测试
静态定位实验
定位实验环境
传感器布设方式
采集数据点
静态定位实验在14.71m×8.72m×3.5m的房间进行，为便于 数据的采集和分析，将房间划分为长宽分别为1m的方格。实验场景 和传感器布设如上图所示。
真实点
测量值 X
6.09 2.02 0.49
0.09 0.02 0.01 0.111 0.125 0.103 0.089 0.053 0.077
X ‐0.13 ‐0.05 静态定位结果 ‐0.06 ‐0.05
标准差 X
0.096 0.052 0.076 0.063 0.028 0.050
0.088 0.045 0.080 0.060 0.034 0.063
1.94 1.96 0.49
2.96 1.97 0.38
3.94 1.99 0.40
‐0.06 ‐0.01 ‐0.08 0.035 0.034 0.057 0.030 0.028 0.046
5.04 1.98 0.43
0.04 ‐0.02 ‐0.05 0.061 0.050 0.052 0.041 0.038 0.042
测得的定位目标的距离，根据
三边定位法实现定位。这种方 法操作简便，成本也较低，但 是容易受到多径衰弱和阴影效 应的影响，导致定位精度较差。
UWB定位算法
AOA(Angle of Arrival)
y y1 tan1 x x1 y y2 tan 2 x x2
美国联邦通信委员会（FCC：Federal Communications Commission）
2( f H f L ) 20% fH fL
or
f H f L 500MHz
UWB信号的概念
窄带：相对带宽<1% 宽带：1%<相对带宽<20% 超宽带：相对带宽>20%
f L 1.2, f H 2.6
RSS
不需要
4
单传感器AOA
标签高度
1
TDOA
不需要
4个或更多
三维位置 三维位置 （精度最高）
TDOA+AOA
不需要
2个或更多
Ubisense系统构架
以太网结构
DHCP 服务器
平台服务
客户端
POE交换机
以太网数据连接
Ubisense系统构架
定位系统构成
传感器 Ubisense7000系列
标签 紧凑型或细长型标签 定位平台 Ubisense定位引擎
平均 偏差
(0,2,0.48)
(1,2,0.48)
(2,2,0.48)
(3,2,0.48)
(4,2,0.48)
(5,2,0.48)
(6,2,0.48)
Y Z Y Z Y Z
‐0.13 1.87 0.43
‐0.13 ‐0.05
0.95 1.94 0.43
UWB定位测试
‐0.06 ‐0.04 0.01 0.052 0.059 0.067 0.041 0.043 0.053 ‐0.04 ‐0.03 ‐0.10 0.043 0.047 0.075 0.034 0.037 0.061
Ubisense定位测试
动态定位实验
布设
根据实际定位区 域布设传感器
确定时间源
确定主从传感器， 主感器作为时间源
系统配置
确定坐标原点和传感器 三维坐标
校准
进行校准，提高系统整 体性能
定位实验地点 系统配置 系统校准 系统建模
建模
建立定位区域三维模型
动态定位
对定位目标进行定位， 返回定位结果
Ubisense定位测试
绝对平 X 均差
Y Z
结论： 1.除了边缘区域，所有Y坐标的精度都在5cm以内。 2.除了边缘区域，所有X坐标的精度都在10cm以内。 3.考虑到房间的形状在使用 4 个sensor 的情况下，定位精度是最理想的，同 时也能很好的保证信号的覆盖效果，但是在区域的边缘仍然会出现采集到的 数据太糟糕以至于不可用的情况，此时需要对采集到的数据进行舍弃、挑选 等处理。
通过脉冲信号到达传感器接收天线 的角度，解算移动目标位置。 障碍物较多时无法获得准确的角度
信息，定位误差较大
UWB定位算法
TOA/TDOA(Time/Time Difference of Arrival)
传感器测量待测目标到达 的时间(TOA)或到达时间 差(TDOA)，TOA或TDOA
转化为距离或距离差，从
定位结果
测试实验在环测 学院C411进行， 采用TDOA/AOA 的定位方式，沿 “己”字型路线行 走，为避免人为 晃动影响，采用 拖动标签行走的 方式进行，得到 定位结果如右图
Ubisense定位测试
定位结果分析
Ubisense系统定位误差(cm)
最大值
x轴 y轴 z轴 整体 22.0 25.4 32.3 44.6
基于Ubisense的UWB室内定位
报告人：杨 洲、汪云甲、陈国良、张言哲 2014-10-11
目 录
1 2 3 4 5 UWB信号概述
UWB定位技术原理及优势
UWB定位算法 Ubisense定位系统框架 Ubisense定位测试
UWB信号的概念
Ultra-Wideband (UWB) Wireless Communication
现定位。
标签
UWB定位技术的原理及优势
UWB技术定位优势
共存性能好，抗干扰能力强
信道容量大，传输速率高
功耗低 信息衰减小，穿透能力强 保密和安全性能好 多径分辨力强，定位精度高
UWB定位技术的原理及优势
RSS(Received Signal Strength)
RSS定位法通过测量节点间的 能量来估计目标与接收机之间 的距离，利用三个以上传感器
而根据三边定位或双曲线 定位结合先验知识得到待
定位目标的位置信息。
UWB定位算法
TDOA/AOA
传感器
时间同步线
a t2
传感器
t1
βwk.baidu.com
传感器计算出标签位置通 过两种方式： • 信号到达时间(TDOA) • 到达的角度(AOA) ， 包括方位角和俯仰角
标签
UWB定位算法
定位方法对比
定位方法 辅助信息 所需传感器数量 结果 三维位置 （精度低） 三维位置
最小值
1.2 1.8 2.2 3.4
平均值
9.5 11.9 15.7 20.3
结论：1.UWB定位精度高，可以达到cm级别； 2.实验拐角或者转弯处定位误差较大； 3.由于传感器高度一样，z轴定位误差较x轴和y轴大， 要完成精确的三维定位，传感器高度要有一定差值
资助基金： 国家863 计划项目--“特大城市室内外无缝定位信号体制与系统构建 (2013AA12A201)”、 国家自然科学基金项目--“基于GNSS/MEMS/WiFi/ UWB优化组合的自适应室内外无缝 定位(41371423)“
超宽带 fH fL 2.6 1.2 74% f H f L / 2 2.6 1.2 / 2
UWB定位技术的原理及优势
UWB技术定位原理
UWB标签通过发送和接收
传感器 传感器
间隔严格受控的高斯单周 期超短时脉冲，传感器记 录脉冲到达的时间（可转 化为距离信息）或角度信 息，通过对应的定位算法 计算目标的位置信息，实
传感器 紧凑型标签
系统定位平台
Ubisense定位测试
静态定位实验
定位实验环境
传感器布设方式
采集数据点
静态定位实验在14.71m×8.72m×3.5m的房间进行，为便于 数据的采集和分析，将房间划分为长宽分别为1m的方格。实验场景 和传感器布设如上图所示。
真实点
测量值 X
6.09 2.02 0.49
0.09 0.02 0.01 0.111 0.125 0.103 0.089 0.053 0.077
X ‐0.13 ‐0.05 静态定位结果 ‐0.06 ‐0.05
标准差 X
0.096 0.052 0.076 0.063 0.028 0.050
0.088 0.045 0.080 0.060 0.034 0.063
1.94 1.96 0.49
2.96 1.97 0.38
3.94 1.99 0.40
‐0.06 ‐0.01 ‐0.08 0.035 0.034 0.057 0.030 0.028 0.046
5.04 1.98 0.43
0.04 ‐0.02 ‐0.05 0.061 0.050 0.052 0.041 0.038 0.042
测得的定位目标的距离，根据
三边定位法实现定位。这种方 法操作简便，成本也较低，但 是容易受到多径衰弱和阴影效 应的影响，导致定位精度较差。
UWB定位算法
AOA(Angle of Arrival)
y y1 tan1 x x1 y y2 tan 2 x x2
美国联邦通信委员会（FCC：Federal Communications Commission）
2( f H f L ) 20% fH fL
or
f H f L 500MHz
UWB信号的概念
窄带：相对带宽<1% 宽带：1%<相对带宽<20% 超宽带：相对带宽>20%
f L 1.2, f H 2.6
RSS
不需要
4
单传感器AOA
标签高度
1
TDOA
不需要
4个或更多
三维位置 三维位置 （精度最高）
TDOA+AOA
不需要
2个或更多
Ubisense系统构架
以太网结构
DHCP 服务器
平台服务
客户端
POE交换机
以太网数据连接
Ubisense系统构架
定位系统构成
传感器 Ubisense7000系列
标签 紧凑型或细长型标签 定位平台 Ubisense定位引擎
平均 偏差
(0,2,0.48)
(1,2,0.48)
(2,2,0.48)
(3,2,0.48)
(4,2,0.48)
(5,2,0.48)
(6,2,0.48)
Y Z Y Z Y Z
‐0.13 1.87 0.43
‐0.13 ‐0.05
0.95 1.94 0.43
UWB定位测试
‐0.06 ‐0.04 0.01 0.052 0.059 0.067 0.041 0.043 0.053 ‐0.04 ‐0.03 ‐0.10 0.043 0.047 0.075 0.034 0.037 0.061
Ubisense定位测试
动态定位实验
布设
根据实际定位区 域布设传感器
确定时间源
确定主从传感器， 主感器作为时间源
系统配置
确定坐标原点和传感器 三维坐标
校准
进行校准，提高系统整 体性能
定位实验地点 系统配置 系统校准 系统建模
建模
建立定位区域三维模型
动态定位
对定位目标进行定位， 返回定位结果
Ubisense定位测试
绝对平 X 均差
Y Z
结论： 1.除了边缘区域，所有Y坐标的精度都在5cm以内。 2.除了边缘区域，所有X坐标的精度都在10cm以内。 3.考虑到房间的形状在使用 4 个sensor 的情况下，定位精度是最理想的，同 时也能很好的保证信号的覆盖效果，但是在区域的边缘仍然会出现采集到的 数据太糟糕以至于不可用的情况，此时需要对采集到的数据进行舍弃、挑选 等处理。
通过脉冲信号到达传感器接收天线 的角度，解算移动目标位置。 障碍物较多时无法获得准确的角度
信息，定位误差较大
UWB定位算法
TOA/TDOA(Time/Time Difference of Arrival)
传感器测量待测目标到达 的时间(TOA)或到达时间 差(TDOA)，TOA或TDOA
转化为距离或距离差，从
定位结果
测试实验在环测 学院C411进行， 采用TDOA/AOA 的定位方式，沿 “己”字型路线行 走，为避免人为 晃动影响，采用 拖动标签行走的 方式进行，得到 定位结果如右图
Ubisense定位测试
定位结果分析
Ubisense系统定位误差(cm)
最大值
x轴 y轴 z轴 整体 22.0 25.4 32.3 44.6
基于Ubisense的UWB室内定位
报告人：杨 洲、汪云甲、陈国良、张言哲 2014-10-11
目 录
1 2 3 4 5 UWB信号概述
UWB定位技术原理及优势
UWB定位算法 Ubisense定位系统框架 Ubisense定位测试
UWB信号的概念
Ultra-Wideband (UWB) Wireless Communication
现定位。
标签
UWB定位技术的原理及优势
UWB技术定位优势
共存性能好，抗干扰能力强
信道容量大，传输速率高
功耗低 信息衰减小，穿透能力强 保密和安全性能好 多径分辨力强，定位精度高
UWB定位技术的原理及优势
RSS(Received Signal Strength)
RSS定位法通过测量节点间的 能量来估计目标与接收机之间 的距离，利用三个以上传感器
而根据三边定位或双曲线 定位结合先验知识得到待
定位目标的位置信息。
UWB定位算法
TDOA/AOA
传感器
时间同步线
a t2
传感器
t1
βwk.baidu.com
传感器计算出标签位置通 过两种方式： • 信号到达时间(TDOA) • 到达的角度(AOA) ， 包括方位角和俯仰角
标签
UWB定位算法
定位方法对比
定位方法 辅助信息 所需传感器数量 结果 三维位置 （精度低） 三维位置
最小值
1.2 1.8 2.2 3.4
平均值
9.5 11.9 15.7 20.3
结论：1.UWB定位精度高，可以达到cm级别； 2.实验拐角或者转弯处定位误差较大； 3.由于传感器高度一样，z轴定位误差较x轴和y轴大， 要完成精确的三维定位，传感器高度要有一定差值
资助基金： 国家863 计划项目--“特大城市室内外无缝定位信号体制与系统构建 (2013AA12A201)”、 国家自然科学基金项目--“基于GNSS/MEMS/WiFi/ UWB优化组合的自适应室内外无缝 定位(41371423)“
超宽带 fH fL 2.6 1.2 74% f H f L / 2 2.6 1.2 / 2
UWB定位技术的原理及优势
UWB技术定位原理
UWB标签通过发送和接收
传感器 传感器
间隔严格受控的高斯单周 期超短时脉冲，传感器记 录脉冲到达的时间（可转 化为距离信息）或角度信 息，通过对应的定位算法 计算目标的位置信息，实