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無線同步&實時自主位置解算： TJ-UWB定位系統(tǒng)性能分析
2018-09-21 21:44:02· 來源：同濟智能汽車研究所 作者：V2X及定位研究室
編者按：隨著自主泊車等技術的發(fā)展，智能車輛對高精度定位的需求已經延伸到了地下車庫等沒有衛(wèi)星信號的場景。在這個背景下，基于路邊基站信號的無線定位技術得到
編者按：隨著自主泊車等技術的發(fā)展，智能車輛對高精度定位的需求已經延伸到了地下車庫等沒有衛(wèi)星信號的場景。在這個背景下，基于路邊基站信號的無線定位技術得到了越來越多的關注，其中UWB定位技術在定位精度上有著明顯的優(yōu)勢，且功耗低，對環(huán)境干擾小，是較為理想的選擇。本文內容呈現(xiàn)了同濟智能車研究所V2X及定位研究室在UWB無線定位技術方向的部分研究成果。
隨著自主泊車等技術的發(fā)展，智能車輛對高精度定位的需求已經延伸到了地下車庫等沒有衛(wèi)星信號的場景。在這個背景下，基于路邊基站信號的無線定位技術得到了越來越多的關注，其中UWB定位技術在定位精度上有著明顯的優(yōu)勢，且功耗低，對環(huán)境干擾小，是較為理想的選擇。
目前的主流UWB無線定位技術，結構基本類同：在同步控制器的協(xié)調下，移動端（標簽）發(fā)送UWB信號，周圍的UWB基站（錨點）同步接收信號，并將信號及工作參數(shù)傳送到后臺服務器，進行包括位置計算等數(shù)據(jù)處理，最后將位置數(shù)據(jù)提供給應用方。
但目前這種UWB定位技術在智能汽車方面應用主要有以下幾個問題：
結構復雜：通常由移動站、基站、同步控制器、光纖同步網絡、服務器等級部分組成；
安裝布置難度大：需要用光纖、網線將所有基站連接起來，給現(xiàn)有場地上的定位系統(tǒng)安裝增加難度和成本；
技術難度大：主要是時間同步方面，真正能夠實現(xiàn)厘米級定位的供應商很少；
成本高：由于包括以上幾個因素的存在，整個系統(tǒng)幾十甚至幾百萬元的報價；
針對智能車應用，往往需要將計算結果回傳，不僅增加成本，還增加了延遲 （通常在50-200ms），給車輛實時控制增加了難度。
TJ-UWB定位系統(tǒng)，從系統(tǒng)結構設計、工作原理、時間同步技術及定位算法改進等方面進行了顛覆性的創(chuàng)新，并在大部分主要定位性能指標上超越了目前的主流系統(tǒng)。結合目前已經開展的測試結果，分析如下：
1定位系統(tǒng)構架方面
目前市面上大部分UWB定位系統(tǒng)系統(tǒng)結構，主要由移動站（標簽）、基站（錨點）、同步控制器、光纖或網線、服務器等五部分組成，其中：
為避免信號沖突，移動站需要同步控制器的調度（部分UWB定位系統(tǒng)無此環(huán)節(jié)，易造成信號沖突），同步控制器的調度能力限制了系統(tǒng)的容量；也限定了每輛車的頻率定位，且定位頻率和車輛數(shù)量成反比；
需要后臺服務器集中處理數(shù)據(jù)，結果再回傳至車輛，服務器的運算能力同樣限制了系統(tǒng)容量，車輛越多服務器的計算量越大；且位置信息從服務器回傳至車輛有較大的延遲，不利于車輛的動態(tài)控制；
需要光纖或網線傳遞信號，安裝布置難度大，成本高。
而TJ-UWB的系統(tǒng)架構，取消了專門的同步控制器，轉而由各個基站自動實現(xiàn)精確的時間同步。
時間同步不依賴光纖或網線，直接利用無線信號本身實現(xiàn)同步，大大降低了安裝難度和成本。
位置計算實現(xiàn)了車端嵌入式實時計算，不需要后臺服務器的支持，不僅降低成本，還提高了實時性。
圖1 TJ-UWB定位系統(tǒng)結構
所以，從系統(tǒng)架構上，直接減掉了同步控制器、光纖或網線、后臺服務器三部分，簡化的力度空前。
隨著自主泊車等技術的發(fā)展，智能車輛對高精度定位的需求已經延伸到了地下車庫等沒有衛(wèi)星信號的場景。在這個背景下，基于路邊基站信號的無線定位技術得到了越來越多的關注，其中UWB定位技術在定位精度上有著明顯的優(yōu)勢，且功耗低，對環(huán)境干擾小，是較為理想的選擇。
目前的主流UWB無線定位技術，結構基本類同：在同步控制器的協(xié)調下，移動端（標簽）發(fā)送UWB信號，周圍的UWB基站（錨點）同步接收信號，并將信號及工作參數(shù)傳送到后臺服務器，進行包括位置計算等數(shù)據(jù)處理，最后將位置數(shù)據(jù)提供給應用方。
但目前這種UWB定位技術在智能汽車方面應用主要有以下幾個問題：
結構復雜：通常由移動站、基站、同步控制器、光纖同步網絡、服務器等級部分組成；
安裝布置難度大：需要用光纖、網線將所有基站連接起來，給現(xiàn)有場地上的定位系統(tǒng)安裝增加難度和成本；
技術難度大：主要是時間同步方面，真正能夠實現(xiàn)厘米級定位的供應商很少；
成本高：由于包括以上幾個因素的存在，整個系統(tǒng)幾十甚至幾百萬元的報價；
針對智能車應用，往往需要將計算結果回傳，不僅增加成本，還增加了延遲 （通常在50-200ms），給車輛實時控制增加了難度。
TJ-UWB定位系統(tǒng)，從系統(tǒng)結構設計、工作原理、時間同步技術及定位算法改進等方面進行了顛覆性的創(chuàng)新，并在大部分主要定位性能指標上超越了目前的主流系統(tǒng)。結合目前已經開展的測試結果，分析如下：
1定位系統(tǒng)構架方面
目前市面上大部分UWB定位系統(tǒng)系統(tǒng)結構，主要由移動站（標簽）、基站（錨點）、同步控制器、光纖或網線、服務器等五部分組成，其中：
為避免信號沖突，移動站需要同步控制器的調度（部分UWB定位系統(tǒng)無此環(huán)節(jié)，易造成信號沖突），同步控制器的調度能力限制了系統(tǒng)的容量；也限定了每輛車的頻率定位，且定位頻率和車輛數(shù)量成反比；
需要后臺服務器集中處理數(shù)據(jù)，結果再回傳至車輛，服務器的運算能力同樣限制了系統(tǒng)容量，車輛越多服務器的計算量越大；且位置信息從服務器回傳至車輛有較大的延遲，不利于車輛的動態(tài)控制；
需要光纖或網線傳遞信號，安裝布置難度大，成本高。
而TJ-UWB的系統(tǒng)架構，取消了專門的同步控制器，轉而由各個基站自動實現(xiàn)精確的時間同步。
時間同步不依賴光纖或網線，直接利用無線信號本身實現(xiàn)同步，大大降低了安裝難度和成本。
位置計算實現(xiàn)了車端嵌入式實時計算，不需要后臺服務器的支持，不僅降低成本，還提高了實時性。
圖1 TJ-UWB定位系統(tǒng)結構
所以，從系統(tǒng)架構上，直接減掉了同步控制器、光纖或網線、后臺服務器三部分，簡化的力度空前。
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