基于切换式定向天线阵列与首径功率的单锚点UWB定位系统

《Sensors》：Single-Anchor UWB Localization Using a Switched Directional Antenna Array and First-Path Power

　　

IEEE 802.15.4z 高速率脉冲（HRP）超宽带（UWB）无线技术支持厘米级测距，并广泛应用于室内定位。传统单锚点系统通常将双向测距（TWR）用于距离测量，与到达相位差（PDoA）处理用于方向估计相结合。然而，PDoA精度强烈依赖于阵列孔径、到达角与接收信号质量，这从根本上限制了系统的有效定位范围。为解决该局限，本文提出一种基于N元定向天线圆阵的单锚点定位系统，其中单个UWB收发机在各天线阵元间顺序切换。锚点通过双边双向测距（DS-TWR）确定距离，并基于各天线通道的首径功率测量所获得的通道间相对功率估计方向。在12.8 m × 22.8 m室内大厅开展的实验评估得到方向误差中位数与90百分位分别为1.93°与2.66°，定位误差中位数与90百分位分别为0.24 m与0.36 m。

研究背景与问题：基于超宽带（UWB）的定位与位置服务应用需求持续增长，IEEE 802.15.4z 高速率脉冲（HRP）UWB物理层带宽为499.2 MHz、脉冲持续时间约2 ns，凭借高时间分辨率可基于飞行时间（ToF）实现厘米级测距。但双向测距（TWR）仅提供两设备间相对距离，传统二维纯测距定位至少需三个已知位置的锚点，通过三边测量解算标签位置，因而需要多锚点安装并接入处理单元。为降低基础设施需求，已有单锚点方案多将UWB测距与基于到达相位差（PDoA）或到达角（AoA）的相位测向结合，但这类方法依赖阵列几何与通道间相位测量一致性，需相位校准、同步或解模糊处理，且线阵在阵列轴向附近角度敏感性下降。另有研究利用UWB信道冲激响应（CIR）特征，或融合视觉、惯性、里程计与运动信息，但可能依赖环境相关模型、统计处理或额外传感器。定向天线阵列亦被用于单站与单锚点定位，如将ToF测距与重叠波束单脉冲测角结合、六元扇区阵列比较脉冲幅度与已知增益响应、切换圆阵结合MUSIC测向与Friis公式测距、以及电机驱动双UWB模块平台实现三维定位。基于此，研究人员提出由单个UWB收发机、射频开关与六个均匀圆周排布定向天线构成的单锚点系统，以降低硬件复杂度、功耗与系统尺寸，并避免通道间相位同步与校准需求。

关键技术方法：系统由Qorvo DWM3000 UWB模块、nRF52840板、六个定向天线与SP6T射频开关（PE426462）构成，工作于UWB信道5（中心频率6.4896 GHz）。收发机经射频开关顺序选择天线通道，每个激活天线完成一次双边双向测距（DS-TWR）交换；由数据包时间戳估计距离，由Final包CIR中检测首径后三个幅度样本按DW3000首径功率估计式计算首径功率，用于方向估计。全部通道测距值取平均得最终距离，首径功率加权天线指向单位矢量得标签方向。实验在Kookmin大学12.8 m × 22.8 m室内大厅开展，标签静止置于14个参考位置、每位置取50次估计。

研究结果：

1. 2.
   Comparison of Link Characteristics（链路特性比较）：通过克拉美-罗下界（CRLB）分析比较两元与六元均匀线阵PDoA、三基线六元平面PDoA及所提功率法定向的二维位置误差界。线阵PDoA在90°与270°附近误差界急剧上升，六元线阵虽因阵元数与孔径更大而在其他方向误差界更低，但轴向退化仍存在；理想平面PDoA在全方位保持恒定误差界；所提功率法因高斯方向图重叠呈周期性起伏，但在全方位维持恒定位置误差界，且在所考虑距离范围内与六元平面PDoA相当。误差地图进一步显示所提六元阵列在全方位保持恒定误差界。考虑残余相位差标准差2°、5°、8°的敏感性分析表明，平面PDoA误差水平随残余相位偏移升高，10 m、0°方位处其预测值由无偏移的0.205 m分别增至0.225 m、0.306 m与0.417 m。
2. 3.
   Proposed System Configuration（系统配置）：给出测量概念、基于DS-TWR的距离测量与首径功率提取及功率法定向原理。每个天线通道获得距离与首径功率测量对，全部通道扫描后构成测量集；DS-TWR通过Poll–Response–Final交换降低时钟频偏影响，通道特定测距偏移经校准补偿，最终距离为各通道平均；首径功率由首径后三个CIR幅度样本计算，以抑制时延多径贡献；功率加权指向矢量求和后取角度得方向估计，结合距离得二维位置。
3. 4.
   System Implementation（系统实现）：给出硬件架构与测量切换调度。射频开关在信道5中心频率下六路插入损耗1.75–1.89 dB，公共端口与未选端口隔离度13.21–42.39 dB。单次DS-TWR轮次约1.436 ms，获取一个测量集最少约8.6154 ms，理论最大测量集获取率约116.1 Hz，原型实测有效位置更新率103.1 Hz；当天线背向标签时采用Poll重传与超时切换机制。
4. 5.
   Experimental Results and Discussion（实验结果与讨论）：实验前按各天线指向方向5 m处校准距离偏移与接收增益差异。未平滑时定位误差中位数与90百分位为0.30 m与0.71 m，采用35样本中心滑动平均后为0.24 m与0.36 m。同一CIR数据下，使用总CIR功率的定位结果误差大且散布明显，使用首径功率的估计集中于参考位置附近，因总CIR功率包含时延多径分量。首径功率下方向误差中位数与90百分位为1.93°与2.66°，定位误差为0.24 m与0.36 m。讨论指出首径功率会因定时误差与近距多径叠加而变化；非视距（NLoS）下弱直达径可能低于检测门限而使反射或绕射分量被检测为首径，导致方向偏置与测距增大；天线数目需与方向图及完整扫描时间共同考虑；实际方向图差异会引入角度偏置，标量增益校准无法消除方向相关差异；等权平均保留圆阵对称性但未按信噪比（SNR）加权；并分析角速度噪声与距离、测距间隔及滤波窗长的关系。

结论翻译：本文提出一种采用六个定向天线阵列、单个UWB收发机与射频开关的单锚点UWB实时定位系统（RTLS）。该系统在同一DS-TWR测量过程中同时获取距离与方向信息：标签距离由DS-TWR时间戳估计，标签方向由各天线通道测得首径功率的相对值估计。以接收功率替代通道间相位差进行方向估计，简化了天线通道间所需的相位同步与校准；所有天线共享单个UWB收发机，无需多个接收机，降低了功耗与系统尺寸；单锚点实现二维标签定位亦简化了系统配置与安装。该架构缓解了单基线线阵PDoA的方向相关性能退化，并在全方位保持恒定位置误差界。在Kookmin大学室内大厅14个参考位置各采集50个样本，系统取得方向误差中位数与90百分位1.93°与2.66°、定位误差中位数与90百分位0.24 m与0.36 m，在测试的静止标签视距（LoS）室内条件下展示了亚米级定位精度。未来工作将研究NLoS运行与多标签调度，现原型仅支持单标签，多标签扩展可保留切换天线硬件并为各标签分配测量时隙，代价是每标签更新率下降；还将在标签运动条件下评估跟踪性能，考虑顺序天线采集与时间滤波的影响。