干货 | 无线同步&实时自主位置解算： TJ-UWB定位系统性能分析

焉知焉知·焉能不知

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编者按：随着自主泊车等技术的发展，智能车辆对高精度定位的需求已经延伸到了地下车库等没有卫星信号的场景。在这个背景下，基于路边基站信号的无线定位技术得到了越来越多的关注，其中UWB定位技术在定位精度上有着明显的优势，且功耗低，对环境干扰小，是较为理想的选择。本文内容呈现了同济智能车研究所V2X及定位研究室在UWB无线定位技术方向的部分研究成果。

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随着自主泊车等技术的发展，智能车辆对高精度定位的需求已经延伸到了地下车库等没有卫星信号的场景。在这个背景下，基于路边基站信号的无线定位技术得到了越来越多的关注，其中UWB定位技术在定位精度上有着明显的优势，且功耗低，对环境干扰小，是较为理想的选择。

目前的主流UWB无线定位技术，结构基本类同：在同步控制器的协调下，移动端（标签）发送UWB信号，周围的UWB基站（锚点）同步接收信号，并将信号及工作参数传送到后台服务器，进行包括位置计算等数据处理，最后将位置数据提供给应用方。

但目前这种UWB定位技术在智能汽车方面应用主要有以下几个问题：

1. 结构复杂：通常由移动站、基站、同步控制器、光纤同步网络、服务器等级部分组成；

2. 安装布置难度大：需要用光纤、网线将所有基站连接起来，给现有场地上的定位系统安装增加难度和成本；

3. 技术难度大：主要是时间同步方面，真正能够实现厘米级定位的供应商很少；

4. 成本高：由于包括以上几个因素的存在，整个系统几十甚至几百万元的报价；

5. 针对智能车应用，往往需要将计算结果回传，不仅增加成本，还增加了延迟 （通常在50-200ms），给车辆实时控制增加了难度。

TJ-UWB定位系统，从系统结构设计、工作原理、时间同步技术及定位算法改进等方面进行了颠覆性的创新，并在大部分主要定位性能指标上超越了目前的主流系统。结合目前已经开展的测试结果，分析如下：

1定位系统构架方面

目前市面上大部分UWB定位系统系统结构，主要由移动站（标签）、基站（锚点）、同步控制器、光纤或网线、服务器等五部分组成，其中：

• 为避免信号冲突，移动站需要同步控制器的调度（部分UWB定位系统无此环节，易造成信号冲突），同步控制器的调度能力限制了系统的容量；也限定了每辆车的频率定位，且定位频率和车辆数量成反比；

• 需要后台服务器集中处理数据，结果再回传至车辆，服务器的运算能力同样限制了系统容量，车辆越多服务器的计算量越大；且位置信息从服务器回传至车辆有较大的延迟，不利于车辆的动态控制；

• 需要光纤或网线传递信号，安装布置难度大，成本高。

而TJ-UWB的系统架构，取消了专门的同步控制器，转而由各个基站自动实现精确的时间同步。

时间同步不依赖光纤或网线，直接利用无线信号本身实现同步，大大降低了安装难度和成本。

位置计算实现了车端嵌入式实时计算，不需要后台服务器的支持，不仅降低成本，还提高了实时性。

图1 TJ-UWB定位系统结构

所以，从系统架构上，直接减掉了同步控制器、光纤或网线、后台服务器三部分，简化的力度空前。

2定位目标的数量及定位频率方面

这方面，TJ-UWB全面超越目前主流的UWB定位系统。

主要的原因是，目前主流的UWB定位系统需要利用同步控制器来实现全部移动站（标签）、基站（锚点）之间的时间同步，即便像目前有的供应商号称的能够到上万次的扫描，分配到以后数量众多的移动站（标签），定位频率是成反比关系。

举例来说，如果场地内有300辆车，系统容量为10000Hz，则单车定位频率最大只能做到10000/300=33HZ；而且，这300辆车位置的计算，全部需要同一台服务器来实现，由计算带来的延迟也不能忽略。如果还要把计算结果反馈给车辆，通信的压力和延迟更加明显。如果要保证定位质量和定位频率，只能限制车辆的数量。

而TJ-UWB，只需要通过无线信号实现基站间的时间同步；移动站（标签）只要接收基站（锚点）发出的信号即可，并且位置解算也是在各个车载端自身实现。这样，车辆的数量可以没有限制；定位的频率在不同车之间不需要分配，可以稳定保持100HZ甚至以上。

图2 单车定位频率对比

相比较，TJ-UWB无论是在定位目标的数量、定位频率的稳定性方面，有较大优势。

3定位的精度方面

1. 静态定位精确度

图3 静态定位数据

某位置点在坡道上， 共采集了20秒左右（2000个点）；

经过Kolmogorov-Smirnov检验，数据服从正态分布：

定位精确度为6.2cm RMS， 即

68.3%的点落在半径为6.2cm的圆内，

95.4%的点落在半径为12.4cm的圆内。

2. 动态

图4动态定位数据

方法：通过多次项拟合，平移来估计轨迹点横向分布宽度。

效果： 横向波动基本上都在±10 cm之内 （95%概率）

这和静态定位精确度可以相互印证。动态精确度横向估计比较容易,而纵向暂时无法估计，但根据误差产生的随机性和各向同性，应该和横向基本一致；

参照目前主流供应商给出的定位精度5~15cm[1][2][3]，TJ-UWB能够在真正实现无线同步的情况下，做到中上水平，实属不易。

4定位的实时性方面

目前主流的UWB定位系统需要利用同步控制器来实现时间同步，需要功能强大的服务器来实现所以车辆的位置解算；针对智能车应用，需要将计算结果回传。总的延迟 通常在50-200ms。

图5 TJ-UWB定位系统延迟

5体积及功耗方面

目前UWB基站功耗5V*0.16A=0.8W ，甚至可以用（太阳能）电池供电。标签更是可以做到1mA以下的待机低功耗，用一个2000mAH电池，可以工作三个月以上。基站体积是目前最小的，标签正在开发多种封装，应对不同的具体应用需求。

图6 UWB定位基站模块

图7 UWB定位移动端模块

6总结

TJ-UWB定位系统，实测定位精确度与目前市面上精度较高的UWB定位系统相当；而其他指标，无论是在定位目标的数量、定位频率的稳定性、定位的实时性、功耗等方面有突出的优势。能够满足智能汽车特殊场合的定位需求，拓展智能汽车的应用空间。

7参考资料

[1]http://www./nd.jsp?id=13

[2]http://www./autonomous.htm

[3]http://www./solution_/show.php?lang=cn&id=312

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文章来源：同济智能汽车研究所 V2X及定位研究室