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复杂室内环境下UWB定位精度提升方法研究

摘要

超宽带（Ultar-WideBand，UWB）定位技术凭借其高精度、低功耗的特点在室内定

位领域具有显著优势。然而，随着室内环境进一步复杂化，由于墙壁及其他障碍物的遮

挡，UWB定位结果会产生严重偏差并使其定位精度显著降低，如何提高复杂室内环境

下UWB定位精度成为实现室内高精度定位的重要问题。因此，课题研究复杂室内环境

下UWB定位精度提升方法，分析UWB定位误差来源，解决存在的关键问题及技术，

保证复杂室内环境下UWB定位也能精准输出定位信息。主要研究内容如下：

首先，针对传统的基于TWR的UWB测距算法受时钟误差影响导致定位精度不高

的问题，通过对时钟误差开展精准溯源分析，深入挖掘其根本原因是由UWB设备晶体

振荡器频率漂移所导致；探索TWR测距算法优化改进方法，研究基于EDDS-TWR的

测距算法模型；结合测距原理及晶振频率漂移特性对比测距算法误差模型，对比结果表

明EDDS-TWR测距算法可以有效降低时钟误差的影响，从而提高UWB测距精度，进

而提升UWB定位精度。

其次，针对由于墙壁遮挡UWB信号产生的非视距误差及多径效应误差导致UWB

定位结果产生严重偏差的问题，考虑UWB信号穿透墙壁会严重衰减，确定消除误差的

方法为通过调整基站布设位置规避墙壁的遮挡，采用空间划分结合GA算法寻优的方法，

确定目标定位区域内的基站布设位置。同时，结合实际研究中探索出的更为复杂空间格

局的情况下空间划分结合GA算法寻优的方法定位结果较差的问题，设计两次采样结合

两次GA算法的基站布设位置寻优方法，实验结果表明基站布设位置寻优方法可以适用

于复杂空间格局，规避墙壁遮挡的影响，从而进一步实现复杂室内环境下UWB定位精

度的提升。

第三，针对基于EKF的UWB/IMU融合定位系统由于其他障碍物遮挡导致UWB测

距数据波动并影响融合定位精度的问题，研究基于联合滤波器的UWB/IMU融合定位算

法，并结合实际环境开展算法精度测试。实验结果表明，所设计算法可以有效抑制UWB

测距数据的异常波动，在非视距条件下，基于联合滤波器的UWB/IMU融合定位算法相

比于基于EKF的融合定位算法定位精度提升16.87%。

最后，为验证复杂室内环境下UWB定位精度提升方法，研究并设计室内融合定位

系统硬件平台，主要包括UWB基站、融合定位标签和移动载体平台。经过模块功能分

析、电路设计及系统调试完成硬件平台搭建，在平台上完成测距算法和融合定位算法的

哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文

实现。然后，设计测试实验考核并验证室内融合定位系统性能。测试实验结果表明，基

站布设位置寻优方法应用在复杂空间格局下，可满足全域定位的要求，同时在此基础上，

相比于纯UWB最小二乘定位算法，基于联合滤波器的UWB/IMU融合定位算法精度提

升26.73%。上述结果表明所研究方法对复杂室内环境下UWB定位精度有较好的提升效

果，对于进一步拓展UWB定位方法在复杂室内环境下的应用具有重要意义。

关键词：UWB室内定位；复杂环境；基站布设位置寻优；UWB/IMU融合；联合滤波算

法

复杂室内环境下UWB定位精度提升方法研究

Abstract

Ultra-wideband(UWB)positioningtechnologyhasobviousadvantagesinindoor

positioningfieldbecauseofitshighprecisionandlowpowerconsumption.However,withthe

furthercomplexityofindoorenvironment,duetotheocclusionofwallsandotherobstacles,

thepositioningresultsofUWBwillbeseriouslydeviatedanditspositioning