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본 논문에서는 LOS (line-of-sight) 환경 실험을 통해 Decawave社의 UWB (ultra-wideband) 기반 측위 키트인PDOA1000의 성능 및 한계를 분석한다. PDOA1000은 UWB 단말 간 일련의 메시지 교환 과정을 통해서 단말 간거리(TWR; two-way ranging)를 측정하고, 상대각도 정보를 포함한 배열안테나 소자 간 위상차(PDOA; phase difference of arrival)를 측정하여 위치를 추정한다. 상대거리 및 상대각도 정보를 동시에 획득할 수 있어 1대의기준단말만으로도 UWB 단말의 위치를 추정할 수 있으나, 센티미터급 측위 정확성을 위해서는 배열안테나의 오프셋(offset) 보정이 필수적이다. Decawave社는 측위과정(online)에 앞서 오프라인(offline) 과정에서 두 개의 단말을정확한 위치에, 서로의 안테나가 직접 바라보도록 설치한 후, TWR/PDOA 측정치와 실제 값의 차이를 통해 오프셋을 추정하고, 측위과정의 측정치에서 오프셋 추정치를 차감하는 오프라인 오프셋 보정을 권고하고 있다. 본 논문에서는 오프라인 오프셋 보정에 따른 PDOA1000의 성능 및 오차 특성을 분석하고, 이를 바탕으로 오프라인 보정의 한계를 분석한다. LOS 환경 실험을 통해 상대각도별 배열안테나의 오프셋이 상이하고, 이로 인해 오프라인보정 이후 잔여오차, 즉 오프셋 잔차(residual)로 인해 0.26m 내외의 측위 오차가 발생함을 보인다.
This paper analyzes the performance and limits of Decawave PDOA1000, which is a UWB (ultra-wideband) localization kit equipped with a two-element array antenna, through experiments in a LOS (line-of-sight) environment. PDOA1000 employs a localization method based on TWR (two-way ranging) and PDOA (phase difference of arrival) measurements, which contain relative distance and angle information between two nodes. Due to the offset from the array antenna, PDOA1000 requires an offset calibration for achieving a centimeter-level localization accuracy and Decawave recommends an offline offset calibration, which estimates the offset in TWR and PDOA measurements with perfect knowledge on locations and face-to-face antenna orientation for a pair of UWB nodes in the offline phase and removes the offset estimates from the measurements in the online phase. In this paper, we analyzes the performance, error characteristics, and limits of PDOA1000 using the offline calibration to show its validity. Through LOS experiments, we showed that offset residuals, which are remaining errors in the calibrated measurements, can cause localization errors of around 0.26m.
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UWB Localization, PDOA, Error Modeling, Offline Offset Calibration, Offset Residual
