基于UWB的RTLS技术实现UUV定位及导航

基于UWB的RTLS技术实现UUV定位及导航

UWB技术特点

1.   安全通信－ 与一般无线电通信信号相比，超宽带信号可能更为隐秘，也更难检测到，UWB信号相当于白噪声。超宽带信号占用较大带宽，信号能量分布在极宽频带范围内，一般其功率谱密度低于自然的电子噪声，检出UWB信号较为困难，而采用编码对脉冲参数进行伪随机化后，脉冲的检测将更加困难。

2.   多径效应 － 在复杂的环境中，UWB由于具有较宽的传输带宽，可以抵御多径衰落。由于常规无线通信的射频信号大多为连续信号或其持续时间远大于多径传播时间，多径传播效应限制了通信质量和数据传输速率。而超宽带无线电发射的是持续时间极短的单周期脉冲且占空比极低，多径信号在时间上是可分离的。

3.   精准无线测距 － 基于TWR测距精度可达10厘米以内

4.   相对低功耗 － UWB系统使用间歇的极短脉冲来传输数据，脉冲时间短，一般在0．20ns～1．5ns之间，有很低的占空比，系统耗电可以做到很低，在高速通信时系统的耗电量仅为几百μW～几十mW。

5.   传输距离远-CH2+PA 可以支持200以上的通讯距离

基于UWB信号实现UUV在船外以及船仓内的高精度定位

定位需求：

1.   基于UWB多点（3个即可）TWR测距区域模糊匹配算法的区域定位，实现船尾直径200米园的高精度定位检查区域以及进仓区检测，边界精度50厘米；

2.   检测区域内基于UWB的两点TWR测距，实现AOA角度+距离精准定位，测距精度30厘米以内，100米以外角度精度10度以内，50米以内角度精度5度以内；

3.   基于UWB多点TWR测距区域模糊匹配算法的区域定位，实现船舱内精细网格化的坞口区域检测，边界精度50厘米；

n  基于UWB多点TWR测距区域模糊匹配算法的区域定位

精细网格化定位根据物理空间管理目的，将任意大空间分成不同任意区域，实现目标实时区域管理（Who、What time and Where）。每个区域的边界基于UWB信号建立一个UWB信号学习和匹配的库，采用经典的模式模糊匹配算法，实现目标的区域定位。

¡  区域定义十分简单，只需标签在每个管理区域边界活动一圈就可以。

¡  模糊匹配技术路线，对于无线信号的扰动有容忍度和适应性，适合环境金属干扰大的场景。

¡  区域边界精度可以达到30-50厘米。UWB精细区域网格化定位适用任意室内、室外大/小场景的区域网格化目标的空间区域定位。

¡  船舱内部署4-6个UWB基站，实现每个坞口的定位检测

n  基于UWB的两点TWR测距实现AOA定位

1.   采用TWR实现UWB基站到标签Distance1和Distance2的精准测距，TWR的测距精度理论10厘米以内，实际环境30厘米以内；

2.   两个天线距离精准测量，间隔d建议5米-8米，保证角度测量精度

3.   船尾部署3-4个基站，基于多AOA角度计算，实现一定的抗干扰能力及设备冗余备份

4.   基于UUV标签到基站角度及距离，以及基站的坐标，解算UUV的坐标

5.   采用20HZ交互频率，实现UUV实时轨迹

n  基于UWB多点TWR测距区域模糊匹配算法的区域定位

船尾部署的3-4台UWB定位基站，实现AOA定位的同时实现基于UWB多点TWR测距区域模糊匹配算法的区域定位。

1.   和AOA定位算法相比，基于UWB多点TWR测距区域模糊匹配算法的区域定位采用的模糊匹配算法，算法具备更好的抗干扰能力。

2.   实现直径可达150-200米的检测区域定位，支持任意形状，区域的定义采用标签沿着区域边界运动一周就可以实现UWB信号采集及模型建立

3.   在近仓区可以定义多个区域，控制每个进仓区的UUV数量，控制UUV有序快速进仓。

4.   进仓区形状和数量可以任意定义，区域边界的精度30-50厘米

UWB基站和标签

目前设备图片供参考，上舰结构以及PCB都要做防腐、防水等特殊处理

1. 基站内置UWB无线通讯，通讯距离70-80米，实现高精度测距（10-30厘米）及定位。（采用UWB CH5频道，船舱内可考虑120度的定向天线；船尾采用CH5+PA设计，支持200米以上通讯距离）

2. 基站内置5口千兆交换机，对外提供一路千兆PSE接口和一路千兆POE接口

3. 基站支持两路报警输出，可本地连接声光报警设备

4. 基站内置SD卡，支持本地数据存储，支持数据离线仿真

5. 基站内置定位算法，无需现场部署定位解算服务器

6. 支持精细网格化定位，网格区域边界精度30-50厘米

7. 基站和标签内置气压计，支持基于气压差的高度定位

8. 支持LORA无线数据上报定位数据

9. 基站内置电池，满足3*24小时工作；

10. 基站天线尽量离开金属表面30厘米

¡  适用手环、肩佩、安全帽卡扣方式

¡  支持磁铁，支持设备磁吸安装

¡  定位精度10-30厘米

¡  支持三维/二维/一维定位

¡  内置加速度传感器，运动、静止、休眠三种状态

¡  支持蓝牙通讯，可接入健康手环、RFID手持扫描仪等蓝牙设备

¡  欠电、蓝牙、工作、呼救、充电指示

¡  支持SOS按键报警

¡  支持接收中心报警并灯闪指示

¡  600/800/1000mAH 电池可选

¡  磁吸充电，防水/防撞设计

¡   尺寸：54*30mm