常见无线电定位方案

发布时间 2023-06-28 13:38:19作者: 不回本不改名

测距技术

接收强度测距(Received Singal Strength-RSS)

​ RSS是射频信号理论术语,主要应用于发射机和接收机之间的距离测量。该方法是依据接收信号能量强度确定距离,对通信信道参数要求较高。其测距理论是:依据无线电波或声波在介质中传输,信号功率是随传播距离衰减的原理。根据信标节点已知信号的发射功率和节点接收的信号功率,通过信号与距离之间的衰减模型,就可以计算出节点间的距离。由于信号传播的过程中,受到距离和障碍物的影响。信号的功率强度随之衰减,间接影响精度。所以要求得到良好的精度,短距离才会体现这一点。

\[RSS=P_t+G_r+G_t-L_c-L_{bf} \]

​ 其中RSS=接收信号强度(dBm),\(P_t\)=发射功率(dBm),\(G_r\)=接收天线增益(dBi),\(G_t\)=发射天线增益(dBi),\(L_c\)=电缆和缆头的衰耗(dB),\(L_{bf}\)=自由空间损耗(dB)

飞行时间测距(Time of Flight-TOF)

​ 飞行时间指的是无线电信号在空气中传输的时间,通过测距发射机和接收机信号的传输时间,可以得到他们之间的距离。假定两设备之间有一个共同的时钟,设备A记录发送时间发送给设备B,设备B接收设备A发送的数据并记录接收时间。则信号在设备A和设备B之间的飞行时间为Tprop。

​ 两者距离d为:

\[d=C*T_{prop} \]

​ 其中C为光速

​ 该方法最为简单,但要求设备之间时钟同步。再此基础上发展出来的还有不需要时钟同步的双向测距技术

小结

​ 一般而言,对于两种技术来说,各有各的利弊,RSS方式受环境信号衰减影响大,但实现简单。TOF方案精度好,但对时钟精度要求较高。

定位技术

到达时间定位(Time of Arrival-TOA)

​ 被测点(标签)发射信号到达 3 个以上的参考节点接收机(基站),通过测量到达不同接收机所用的时间,得到发射点与接收点之间的距离,然后以接收机为圆心,所测得的距离为半径做圆,3 个圆的交点即为被测点所在的位置。

​ 该方法理论简单的一种定位方法。但两两测距信号收发次数多。系统容量难以做大。

到达时间差定位(Time Difference of Arrival-TDOA)

​ 标签卡对外发送一次信号,在标签定位距离内的所有基站都会收到无线信号,如果有两个已知坐标点的基站收到信号,标签和基站的距离间隔不同,因此这两个收到信号的时间节点是不一样的。根据数学关系,到已知两点为常数的点,一定处于以这两点为焦点的双曲线上。那么有四个已知点(四个定位基站)就会有四条双曲线,四条双曲线交于一点就是标签的位置。那么标签的位置只要通过解双曲线方程组即可求出。

​ 使用TDOA技术不需要定位标签与定位基站之间进行往复通信,只需要定位标签发射一次信号即可,工作时长缩短了,功耗也就大大降低了,故能做到更高的定位动态和定位容量。但该方案只能让基站知道标签在哪,不能让标签知道自己在哪,只能用于tracking,不能用于navigating.

到达角/离开角定位(Angle of Arrival/Departure-AOA/AOD)

  • AOA定位:即蓝牙接收器拥有复数个天线,发射天线与每个接收天线距离有差异,故发射出的信号在每个接收天线有接收时差,就可以计算出相位差。
  • AOD定位:则是通过蓝牙的定位信标通过天线阵列发出信号,而接收设备通过单根天线接收信号,通过解码接收信号计算出信号的发送方向。

​ AOA/AOD技术一般只能对角度进行确认,也就是只能确定方向,如果要进行定位,还需要进行测距。目前比较火的是蓝牙技术使用该方案,一般为AOA+RSSI的方式进行定位。

到达相位差定位(Phase Difference of Arrival-PDOA)

​ PDOA与AOA技术类似,也是通过天线阵列的方式获取相位角从而得出标签方向。但之后会再通过TOF方式进行测距,获得标签的位置。目前比较火的是UWB技术使用该方案,最新的苹果手机已有类似应用出现。