Virtual Modeling Framework Based on Real-world Measurement for Outdoor UWB Tag Localization

Abstract

A virtual modeling framework is proposed to accurately reproduce signal characteristics for the high-fidelity performance evaluation of outdoor ultra-wideband (UWB) positioning systems. To address the limitations of conventional models, such as oversimplified path-loss assumptions and the insufficient consideration of geometric variables, two core functions are established. First, virtual distance and received signal strength (RSS) measurements that reflect propagation characteristics based on inter-sensor distance and antenna height are generated through empirical Gaussian statistical modeling. Second, a data reception failure mechanism induced by multipath propagation delay is integrated to precisely replicate signal degradation and outages in dynamic environments. The results from static and dynamic experiments results confirm that the ranging error behavior, reception failure patterns, and localization error trends of the proposed model are highly consistent with those observed in real-world environments. This study provides an effective virtual validation platform for evaluating outdoor UWB positioning algorithms and optimizing anchor placement strategies.

본 연구는 실외 초광대역(Ultra-wideband, UWB) 측위 시스템의 정밀한 성능 평가를 위해 신호 특성을 정밀하게 재현하는 가상환경 모델링 프레임워크를 제안한다. 기존 가상 모델의 단순화된 경로 손실 가정과 기하학적 변수 고려의 한계를 해결하기 위해 두 가지 핵심 기능을 구축하였다. 첫째, 실측 기반 가우시안 통계 모델링을 통해 센서 간 거리와 안테나 높이에 따른 전파 특성을 반영한 가상 거리와 수신 신호 강도(Received signal strength, RSS)를 생성한다. 둘째, 다중 경로 전파 지연에 의한 데이터 수신 실패 메커니즘을 통합하여 동적 환경의 신호 저하 및 단절 현상을 정밀하게 재현한다. 정적 및 동적 실험 결과, 본 모델의 거리 오차 거동, 수신 실패 패턴, 측위 오차 발생 경향성이 실제 환경과 매우 유사함을 확인하였다. 본 연구는 실외 UWB 시스템의 측위 알고리즘 성능 평가 및 최적 앵커 배치 전략 수립을 위한 실효성 있는 가상 검증 플랫폼을 제공한다.