P440测距和通讯模块既支持跟踪系统，也支持导航系统。P440测距和通讯模块是点对点的精确测距设备。在构建定位和导航同时工作的系统时，常常需要通过另外的无线电系统把位置信息从移动设备发送给控制中心或者把控制中心所知道的移动点的位置信息发送给移动设备，P440 测距和通讯模块是一个带有综合数据通信能力的射频系统，因此本征上支持这些跟踪/导航综合系统。
图片来源北京华星智控
参照和移动节点
典型的跟踪系统包含有“移动”和“参照”设备或者节点。参照节点的（x,y,z）坐标对于定位系统来说是已知的，移动节点相对于参照点的位置是计算出来的。当参照节点处于已知和静态的位置时，他们通常被叫做“锚”。
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P440 测距和通讯模块本身并不是一个跟踪系统，也不是一个导航系统。但是作为一个点对点集成有无线通讯能力（无线通信是用来协调测距交通和传播的参照点位置数据）的射频测距设备，它为各种不同定位架构的系统提供了最大的灵活性。测距和通讯模块用来测量以下节点之间的距离：
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移动点和移动点(用于传播参照或者协调相对行为，例如编队和跟随
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移动点和参照点（用于精确定位或漂移校正）
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参照点和参照点 （用于在设置特设“锚”，也就是参照点时达到额外的高精确度）
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移动的参照点和移动的目标（用于自动车辆安全和态势感知 ）
参照节点处于静止状态时较易理解，实际上任何一个具有准确瞬间动态位置的节点都可以用来作为参考节点。例如，GPS 卫星就可以作为参照点，但是他们不是静态的。卫星的位置不断被动态更新并且通过无线方式传送给移动的GPS 接收器，GPS接收器根据收到的GPS “锚”之间的位置和延时来进行定位。
同样，在一个由测距和通讯模块 RCM辅助的定位系统中，任何具有瞬时精确位置的节点都可以作为一个相对于具有不太精确的已知位置的邻居节点的参照点。这种“传播参照点”技术可以扩展跟踪系统的监控范围，但是以传播位置误差为代价。一般来说，系统需要周期性地通过访问一个知道准确位置的临时静态节点来限制传播误差。
因而在一个采用测距和通讯模块的动态或者特设的跟踪系统中，坐标系统通常建立于
1）临时设置的室外 GPS增强锚，
2）一个具有准确全局位置的中央车辆或者，
3）一个由精确测距和无线通信增强的移动GPS 定位最优组合决定的系统。
在任何情况下，移动节点的位置都不会比参照点的位置更加精确。
测距精度和几何考量
P400 测距和通讯模块提供点对点的，精度为几厘米的测距。通过多个移动节点和参照节点之间的距离的测量组合就可以计算一个位置。这种解决方法叫做三边定位（相对于三角定位法中需要测量两个或者多个角度的测量组合进行计算）。基本的想法就是在一个 2D系统中多个圆的交点：
图1 ：通过移动节点 M M 和参照节点 R1 ， R2 和 R3 之间的距离的 组 合就可以 获得 移动节点 M M 的位置
在开发一个基于三边法的跟踪系统时的一个重要考虑就是采用测距和通讯模块进行测距是有误差的。解算算法把测距和参照点坐标综合起来进行位置估算，取决于节点之间的通道，距离测量处于泊松分布误差范围为标准偏差2-10 厘米的环空带的交界处，这个误差产生于嵌入的领先边缘检测算法中的时序抖动和脉冲到达时间测量。
图 2：由于参照点相对 几 何位置的不同，相同测距误差（ 环空中的厚度）可能 产生差别很大的位置误差的两个例子
以上插图说明参照节点相对于移动节点的几何位置对于定位误差有很大的影响。这种误差几 何放大因子 （GDOP）在所有基于参照点的跟踪和导航系统中很常见。在高级的采用分布式求 解的导航系统中，移动节点根据自己和周围参照节点的相对几何关系瞬时决定其进行测距请 求的“最佳”参照点。在这些系统中，移动节点的处理器必须维持一个“活跃的”周围节点 位置的数据库。
三 种类型的求解算法
规划求解算法既可以驻留在一个单一的基站计算机（集中式架构）中，也可以驻留在每个移 动节点（分布式体系结构）。在任何情况下，规划求解算法都必须考虑到这些圆不会只相交 在一个地方。例如，三个参照距离圆可以相交于6 个不同的点（每个参照距离圆有2个交点）。
三种典型的求解方法包括：1）线性最小二乘解算法，2）几何求解法，或3）最优递推估算求 解法。
典型的线性最小二乘求解法采用了高斯–牛顿法迭代最大限度地减少了共有移动点坐标和参 照点坐标之间的基于欧氏距离方程的系统误差。这种方法的优势在于可以使用N 个参照距离。 但是其缺点在于 a）迭代算法导致计算时间不同，b）它是非线性的以至于在某些条件下会产 生误差较大的结果，c）需要一个位置种子开始迭代。这个种子位置越接近真实位置，算法会 收敛得越快。通常这个种子是之前的测量解算出的坐标位置。
该算法还需要 3个或更多几乎同时测量的到多个参考节点的距离分组，这需要所有被跟踪移 动点具有足够的收敛性和更新速率。
典型的几何求解法找到所有圆的交点，舍弃每两个圆的处于外围的第二个交点，然后把交点 主群集的质心的位置估算为移动节点位置。在下图中，外围第二个交点被画成橙色而主交点 被画成绿色。由主交点（绿色）集群形成的形状的质心包含了解算结果。
图3 ： 几 何相交和交点集群
几何求解法的优点是不需要位置种子。这种算法在特定条件下还可以产生所有方法中最精确 的结果。它的缺点在于要求一个通常需要2*N 阶运算的集群/关联算法，这里 N是参照点的数 量。几何求解法常常用于初始化最小二乘解算法或者基于最佳滤波器的系统的种子。
最优递推估算求解法通常由标准卡尔曼滤波器的导出。这种技术把一个简单的目标运动模型 和测距以及参照位置相结合来产生一种根据观察和模型估算把加速度误差和测距误差适当混 合的最优 算法。由于欧氏距离公式的非线性性质，扩展卡尔曼滤波器是必要的。在大多数情况下系统的非线性并不严格到足以保证一个平淡卡尔曼滤波方法，除非需要达到最高的精度。 采样时间充足时可采用粒子滤波，如在室内，穿墙测试的情况下。
最优滤波器的求解器技术有很多优点，包括：a）递归性质使其可以使用之前的结果从而暗中 消除了偶然的外围测距误差，b）它允许把测量后单个的测距结果引入计算，不需要分组和三 边，c）当无法测距时，运动模型可以更新估算解，从而扩大了覆盖范围，或需要较少的参照 节点和 d）其他定位传感器，如GPS,INS,气压计，测程表，视频分析仪可以和超宽带测距进 行优化组合，从而提供最终的导航解决方案，这种稳健的解决方案可以减少误差并且舍弃任 何单个的随机错误。
最优滤波器的缺点是它们可能很复杂并且难以优化，通常需要长时间的测试/返修周期。此外， 为了获得好结果，运动模型必须比较精确。人行走时一般没有明显的惯性，所以必须通过大 量的加速度误差值来谨慎地简化简单模型预测。
中央跟踪系统架构
图 4展示了一个集中式架构的例子。在此配置中，4个测距和通讯模块被定义为参照节点（命 名为 A1，A2 等），他们相互间的（X，Y）的相对位置被定义为坐标系统。这些参考节点可以安 装在车辆的角落，或安装在固定位置的柱子上。参照节点依次连接到安装有解算算法的中央处理器。求解算法已经通过程序和每个参照节点的位置坐标设定在一起，求解算法按照顺序 轮询每个参照节点，指挥它们向移动测距和通讯模块单元Ma 发出一个测距请求。注意每个测 距和通讯模块包含两个独立可选的天线端口，所以4 个参照节点可以只用两个测距和通讯模 块设备。
图 4 显示了参照点 A1 和移动节点 Ma之间的一次测距通话，这次通话测出了R1‐A 之间的距离, 这个距离随后被通报给解算程序。安装在车辆四角的参照点以循环的方式和移动节点重复这 样的通话。经过最初的启动时间，解算程序每次收到一个新的测距数据就产生一个更新的 （移动点）位置估算。（移动点）位置更新 周期为每次测距通话一次。
尽管目的不同，这种跟踪架构拓扑上和仓库里多个 阅读器 节点跟踪资产相同。它很容易扩 展到多个移动节点而且具有不需要数据网络的优势。
请注意，如果锚/解算器和移动单元都正在相对于对方运动，那么每个轮询必须足够快才能使 由这种设备运动引入的误差随着时间的推移显得无关紧要。
如果在该区域内有多个移动点在活动，那么求解器需要依次轮询序列中的每个移动点。如果 参照系统是一辆车，它可以自动地跟踪一个特定的移动点，同时和其它移动点保持安全距离。
分布式导航体系结构
在最简单的分布式体系结构中，参照点测距和通讯模块被放在固定的,已知的位置（锚）,规 划求解算法在每个移动节点内的计算机上运行。规划求解算法命令移动的测距和通讯模块依 次向每个参照节点发出测距请求。根据其所知的参照点的位置(x，y)和与自己的相应距离，规 划求解法计算出自己的位置。
由于共享通话机制，自身拥有求解器的多个移动点轮流对锚进行测距。测距和通讯模块的点 对点测距也允许移动点对其它移动点进行测距，以此在建筑物内或者其它无法使用GPS 的地 “ ” 方进一步扩展导航系统的覆盖范围（ 传播参照点 ）。
案例 1 - - “ 跟随我 ”（集中式架构）
图6显示了一个“跟随我”的应用。这个应用的目标是确保一个无人驾驶的载货汽车按照预 先设定的距离跟随引领者，并且可以避开其他队员。左边的照片显示了引领者和车辆的配置 方式。车辆配备 4个安装在车辆角落的作为锚节点的无线电收发台（白色小圈），而引领者 有一个安装在他的胯部（白色小圈）的作为移动点的无线电收发台。车辆相对于引领者的位 置取决于引领者身上的无线电收发台和车上每个收发台的距离。根据这些距离以及车上无线 电测距台的位置，车上的电脑中的解算程序可以计算出引领者相对于车辆的位置和航向，这 样车辆就可以跟随引领者并和他保持一个安全距离。
同样，每个非引领者队员作为移动点也配备了一个测距无线电台。右边照片中的白色圆圈表 明了非引领者队员无线电设备的位置。通过一个类似的定位计算过程，车辆可以确定每个团 队成员的位置，并和他们自动保持安全距离或者当他们靠近时自动停止。
案例 2 – 急救人员 （带有扩展范围的集中式架构）
在这个案例中*防队消**员到达并进入一个燃烧的建筑物。这些*防队消**员的位置必须由大楼外的 一个基站保留。如果*防队消**员被困，迷路或受伤，知晓他们的位置，现场指挥员就可以向快 速干预队（RIT）提供精确的营救方向。
图 7显示了当一个人进入一个建筑物时获取的典型数据。虽然这个数据只显示上了单个人的 运动轨迹，我们曾经测试过多达 10个*防队消**员同时进入大楼并且进行操作的情形。
当*防队消**员赶到现场，他们首先安装一个参照锚网络（C0到 C3）。任何进入大楼的人员将会 被参照锚定位，当他们靠近并且进入大楼时将被跟踪。红点显示了记录下来的一名*防队消**员 踪迹。在这个测试中，*防队消**员根据指示走近一定数量的灰色航点并在每个点等待一会儿。
通过比较红点和灰色航点的位置，我们可以量化系统在建筑物内的进行人员定位的精度。在 这种案例下，我们所取得的精度大约为+/-1米。 这个实验只采用了超宽带，没有辅助传感器。每个位置都需要访问4 个参照节点。当*防队消** 员接近参照节点所能覆盖区域的极限位置时，系统会指示他放下一个额外的传播参照节点 （又名面包屑）。采用这种方式就可以大大扩大最初4 个锚节点的操作覆盖范围。
从这个实验中学到的功课之一是分布式的人员跟踪系统可以大大受益于多位置的技术。通过 给消防员配备测距无线电设备，惯性测量单元（IMU）和全球定位系统（GPS），对不同系统 各取所长，就可能提高系统的定位精度以及稳健性。利用这些协同定位技术还指向了一种分 布式最优估算技术的实现方式。这种技术本征上允许分隔得更远的更加稀疏锚节点阵列甚至 可以取消面包屑。
事实上，通过整合全球定位系统（GPS）与超宽带（UWB），人们可以把这个例子看成把GPS 定位和定时投射到建筑物内的尝试。此外，如果室外锚具有很高的位置精度，带有超宽带（ UWB）增强的全球定位系统（GPS）性能会非常优异。这些户外锚的准确性和几何特性对于在 建筑物内成功进行特设跟踪非常关键。
案例 3 – 分布 式传感器（ 分布式体系结构）
这一尝试的目标是在一个仓库内寻找放射性物质的迹象，并产生这个设施的一个地理定位传 感器“热图”。典型的低成本辐射探测器是全方位定向的。当探测器通过仓库时，它的时间 标记和地理标记传感器测量数据被记录下来。
在这个展示中，六个 UWB无线测距仪作为锚分布在仓库内。移动辐射传感器装备有求解器和 一个超宽带 UWB无线测距仪。一个单个传感器通过手动移动经过建筑物，但系统可以很容易 地扩展到支持多个移动传感器和自动车辆。
当传感器穿过仓库时，辐射指数被读出并且和时间标记与地理标记一同被记录下来。经过后 处理的结果显示在图 8中。在左边的是一个仓库的蓝图，锚被标记为红色，移动路径被标记 成绿色。在右侧是系统所产生的辐射热图。
文章来源：北京华星智控