前言：衛(wèi)星定位的短板

位置信息是人類活動中的基礎信息之一，人類的生產(chǎn)、生活離不開各種尺度表達的位置，如國家、城市、街道、建筑、房間等等。各種位置信息處理首先要解決的就是定位問題，這一問題困擾了人類幾千年，直到GPS系統(tǒng)出現(xiàn)才得到解決。

隨著GPS系統(tǒng)以及相關的電子地圖、高性能CPU、大容量存儲器、彩色液晶等技術的成熟，衛(wèi)星導航可以做到在10米的尺度上進行定位，人類隨時可以知道自己身處何方，拋棄紙質(zhì)地圖，再也不會迷路。

隨著GPS等各種衛(wèi)星定位系統(tǒng)使用日漸成熟，其固有缺陷也逐漸顯露，這其中最受到詬病的，就是定位精度和室內(nèi)應用問題。

定位精度差：衛(wèi)星定位的動態(tài)精度很高，兩輛車間隔2米并排行駛，軌跡是兩條相距2米的平行線絕不會相交。但是如果車停下來，情況就完全不一樣了，衛(wèi)星定位靜態(tài)的10米精度是一種90%的概率精度：觀測100次，有90次位置落在真實位置為圓心、直徑10米的圓內(nèi)，剩余10次位置是不保證的。實測差300、500米是經(jīng)常發(fā)生的事情，靜止不動觀測一天看到的是直徑一公里的一團亂麻，個別點跑到幾公里以外。

這就可以很好解釋，為什么衛(wèi)星定位在汽車導航領域發(fā)展迅猛，而在找人尋物等目標幾乎不動的應用中幾乎全軍覆沒。

不能室內(nèi)定位：GPS信號從幾萬公里高的衛(wèi)星發(fā)射下來，到達地面已經(jīng)非常微弱很難穿透地面建筑，因而衛(wèi)星定位不能用于室內(nèi)，這是衛(wèi)星定位系統(tǒng)的另一大短板。在室外定位已經(jīng)獲得成熟應用的情況下，人們更是迫切希望能夠解決室內(nèi)定位問題，畢竟在現(xiàn)代社會，人類80%以上的活動都是在室內(nèi)進行的。

以上兩個短板決定了，衛(wèi)星定位發(fā)展30年，只催生了一個碩果僅存的汽車導航應用，手機導航得以普及靠的是手機基站、WiFi等各種定位方式的輔助、融合，兒童手表則是靠著打電話勉強存活下來。

高精度、室內(nèi)定位問題，就這么迫切地擺到了位置服務工程師們的面前，每一個位置服務行業(yè)工程師，都感覺到了肩上沉甸甸的使命。

隨著UWB超寬帶技術的出現(xiàn)及芯片價格不斷下降，工程師們眼中，看到了一絲曙光，構建一個類似GPS/北斗、室內(nèi)室外都可以定位、精度達到厘米級的高精度定位系統(tǒng)，終于可以提上議事日程了！

構建HPGPS

HPGPS，全稱High Precision Ground Position System，高精度地面定位系統(tǒng)，是在地面上布設的一個三維高精度定位系統(tǒng)，其工作原理與GPS類似，只不過把衛(wèi)星從天上搬到了地面，并使用UWB技術進行三維高精度定位。

HPGPS的拓撲結構如下圖所示：

HPGPS由布放在地面上的錨點（基站）構成，基站按按蜂窩狀布放其中副基站布放在地面，主基站布放在空中（樹上、樓上、電線桿上）6個基站構成一個蜂窩小區(qū)，對該小區(qū)內(nèi)的標簽提供定位服務。

HPGPS需要解決的幾個重大問題

一、TDOA定位方式及其優(yōu)越性

目前實際運行的UWB系統(tǒng)，大都采用TOA定位，這種方式測量的是真實的物理距離，一般需要來回測量兩次甚至多次才能得到真實的距離，標簽和基站都必須既要發(fā)射又要接收，一來耗電大大增加，同時由于雙向發(fā)射接收，為了防止信號碰撞就要嚴格限制標簽數(shù)目。TOA定位既耗電標簽容量也有限，因此它的科研、實驗室意義遠大于實用意義，一般僅用于用戶數(shù)量有限的工業(yè)應用。

另外一種UWB定位方式是TDOA，它是通過測量標簽與幾個基站的距離差來解算標簽位置的。根據(jù)信號流向，TDOA又可分為上行TDOA和下行TDOA兩種方式。

上行TDOA：標簽發(fā)射信號，周圍的基站接收、匯總后，將時間戳信息交給定位引擎算出標簽到幾個基站的信號到達時間差，進而算出標簽的位置。

上行TDOA標簽只發(fā)射不接收，位置解算在基站或平臺進行，標簽不需要關心自己的位置，發(fā)射完成后標簽立即進入休眠省電狀態(tài)，最大限度節(jié)約電量，這種方式下一個紐扣電池可以輕松工作數(shù)年。

由于標簽之間沒有同步只能隨機發(fā)射，標簽信號會發(fā)生碰撞，因此上行TDOA的標簽數(shù)目也是受限的。

UWB上行TDOA系統(tǒng)中，標簽不知道自己的位置而云端知道，是位置服務中典型的監(jiān)控應用，標簽一次發(fā)射即可定位，功耗極低可以用紐扣電池工作，解決了衛(wèi)星定位一直未能解決的功耗問題，缺點是容量有限，多用于倉儲管理、人員管理、門禁管理等場合，可以通過分區(qū)、分片的方式復用信道，增加標簽容量。

下行TDOA：下行TDOA信號從基站發(fā)出，標簽只做單向接收，這種方式工作原理與GPS幾乎一模一樣，故我們也將這種方式稱為“準GPS”方式。

這種工作方式下，基站以設定的順序、間隔廣播自己的信息，包括日期、時間、坐標、配置、健康狀態(tài)等，標簽收到若干基站的信息并聯(lián)合解算，就可以算出自己的位置信息。由于基站只是單向廣播，基站的耗電也比TOA方式要低的多。

這種方式實際上就是地面版的GPS，標簽解算出自己位置后可進一步用于導航等應用，也可以像現(xiàn)有的GPS系統(tǒng)一樣，通過通信鏈路將位置信息送到遠程監(jiān)控中心，實現(xiàn)上行TDOA一樣的監(jiān)控功能，由于是基站單向廣播，下行TDOA的突出優(yōu)點是標簽容量可以做到無限大，是位置服務中典型的導航應用。

標簽要接收UWB信息還要解算位置，因此耗電遠大于上行TDOA而與現(xiàn)有GPS持平，這種方式如果要做監(jiān)控還需要通信鏈路將算出的位置信息發(fā)送至遠端。下行TDOA最典型的應用就是手機導航，以及各種學生卡、老人卡、員工卡應用，這些卡一來都配備了可以待機幾天的可充電鋰電池，還基本都內(nèi)置了4G通信模塊用于傳輸位置信息。

總的來說，上行TDOA標簽可以實現(xiàn)紐扣電池供電，下行TDOA可以做到標簽容量無限大，這兩點TOA都無法做到，同時，TDOA一側(cè)只發(fā)射另一側(cè)只接收的信號流向使得整個系統(tǒng)結構及工程實施變得異常簡單，因此UWB未來的發(fā)展方向一定是TDOA，尤其是用戶數(shù)不受限制的準GPS模式的下行TDOA。

TDOA上述優(yōu)點是將觀測參數(shù)由實際的距離轉(zhuǎn)化為距離差得到的，在TOA方式下，3個基站可以得到3個不相關的觀測值就可以進行2維定位，而TDOA兩兩相減得到的距離差只能得到2個不相關的觀測值，因此同樣維度定位TDOA需要多布一個基站才能實現(xiàn)，在基站成本數(shù)萬元一個的時候這是一個非常不利的劣勢；另外，距離差使得位置解算變得復雜，距離差比實際距離要小而且與實際距離的相關性被抵消，因而距離分辨力相應變差同時更容易受到噪聲影響。很長時間以來，基站成本、TDOA算法成為制約TDOA大規(guī)模實施的關鍵因素。

二、TDOA算法

由于測量過程都會引入噪聲，會導致位置解算出現(xiàn)偏離甚至無解的情況，比如對隧道里相距10米的A、B兩個基站連線上的標簽進行一維TOA定位，由于噪聲的影響，測得標簽距A端6米B端5米，符合這個結果的點實際上是不存在的，實際位置在距離A端5-6米區(qū)間中是最合理的，此時需要引入數(shù)理統(tǒng)計方法，按照一定的估值邏輯及噪聲模型，選（估）一個最合理（概率最大）的值比如距離A端5.5米作為最終結果，這個結果與真實位置的誤差最大也就是0.5米。

TOA方式下觀測值就是真實的物理距離，觀測量與實際值是完全相關的，相隔很遠的點對應的測距結果也一定會差別很大，由于噪聲一般比信號要小很多，疊加噪聲以后的測距值解算出的待選位置區(qū)間與真實位置不會偏離太遠，比如上例待選區(qū)間不過1米。這意味著TOA的解算結果受噪聲影響不大，估值精度容易保證，這也是目前大多數(shù)UWB系統(tǒng)都采用了TOA定位的原因之一。

TDOA定位面臨的情況要惡劣的多，TDOA測量的是標簽與幾個基站的距離差，比起距離來差值往往會變小而且與實際的距離不再相關，物理上相距很遠的幾個點，他們與基站的距離差卻有可能非常接近，反過來說，疊加噪聲以后的觀測結果，解算以后會發(fā)現(xiàn)貌似合理的若干待選點，卻東一個西一個差了十萬八千里，那到底該選（估）哪個點呢？

因此TDOA算法存在很大的估值風險，增加估值準確性成了TDOA算法的核心目標，不同的噪聲統(tǒng)計模型及估值邏輯，估值的準確程度存在天壤之別，算法不好最終表現(xiàn)結果就是漂移、突跳。

除了在算法上下功夫以外，還可以通過增加物理約束縮小待選估值區(qū)間，最簡單的例子就是標簽前一秒還在30米的位置，下一秒絕不可能跑到100米以外的位置。更高級的物理約束可以引入陀螺儀，將TDOA運算給出的幾個待選點與陀螺儀運行軌跡進行比對，陀螺儀的物理特性決定了一方面它不可能偏的太遠，另一方面它也不可能一點都不偏，那么最接近陀螺儀軌跡的待選位置就應該是真實位置。除了提高精度，陀螺儀的軌跡是連續(xù)的，可用于在UWB定位間隔期間提供位置插值，插值的相對精度可以達到毫米級。這些物理約束最終都將變成算法的一部分。

目前已經(jīng)發(fā)展出若干TDOA算法，對各種環(huán)境噪聲模型的研究也在進行中，某些優(yōu)秀算法實測效果已經(jīng)與TOA不相上下，隨著TDOA應用需求增強，對TDOA算法的研究炙手可熱，各種更先進的算法不斷涌現(xiàn)，對算力、內(nèi)存等等指標需求不斷優(yōu)化，TDOA大規(guī)模推廣應用最大的障礙已經(jīng)不復存在。

三、基站的時間同步

不論是上行或下行TDOA，為了測量各基站之間的時間差值，所有基站必須有一個統(tǒng)一的時間基準或稱時間同步。對上行TDOA來說，各接收基站同步以后，才能互相比對收到信號的時間戳算出時間差值；對下行TDOA，排隊順序廣播信息的基站，其廣播時刻相對基準時刻T0的延時必須是確定的，并將此信息插入到廣播信息中，這樣標簽收到信息后，才能準確扣除延時，得到該基站信號相對基準時刻T0的到達時間，并進一步算出各基站之間的信號到達時間差用于解算位置。

光在1nS走過的距離是30厘米，為了達到10厘米的定位精度，基站時間同步的誤差必須要小于nS級，而基站相互之間的距離達到了100米以上，基站之間僅僅無線電信號飛行時間就超過300nS，無線同步看起來難度不小。

為了便于外部進行時間同步，UWB芯片采用了對一個始終運行的循環(huán)計數(shù)器進行瞬間鎖定捕獲的方式得到時間戳，DW1000更是提供了硬件的同步輸入引腳，可以直接將循環(huán)計數(shù)器撥零。早期的定位系統(tǒng)采用了拉線的方式，將各基站同步引腳連在一起，把所有基站的循環(huán)計數(shù)器一起撥零實現(xiàn)同步，此時要彌補拉線長度引起的額外時延，某些系統(tǒng)采用了光纖傳送同步信號。有線同步是各種同步手段中精度最高的，但是由于要布線施工成本過高，很快便被各種無線同步方式取代。

各基站時間戳計數(shù)器都是以同樣的頻率循環(huán)計數(shù)，只要知道對方計數(shù)器的值或者說對方與自己的計數(shù)器差值（校準值）是多少，將此校準值扣除就能得到準確的信號到達時間即完成了同步。計數(shù)器撥零并不是必須的，EB1003芯片已經(jīng)不再設置同步輸入引腳，而其他誤差諸如基站之間傳輸時間、固定延遲、天線延遲等等都是固定的可以預先測出并扣除。

因此無線同步需要建立通信鏈路傳遞計數(shù)器值，通信鏈路可以是WiFi、藍牙，或者UWB自身；除了上面提到的絕對誤差需要校準扣除，各基站計數(shù)器時鐘源不同還存在鐘差，同步后經(jīng)過一段時間，計數(shù)器值又會逐漸錯開，此時如果還用原來的校準值就會產(chǎn)生誤差，因此每隔一段時間要重新同步一次以獲得新的校準值。經(jīng)過計算，采用20ppm晶振每500mS進行一次同步，即可將時間戳誤差控制在30厘米以內(nèi)。也就是說，外部通信鏈路只要不超過0.5秒傳遞一次計數(shù)器值就能維持兩邊計數(shù)器同步誤差小于30厘米，同步難度因循環(huán)計數(shù)器機制大大降低。

附帶科普一下，GPS由于衛(wèi)星高高在上，星間通信幾乎不可能也就無法完成星間同步，所以GPS把昂貴的原子鐘搬到了衛(wèi)星上，絕對同步由地面控制完成對原子鐘撥零，而后靠原子鐘的極高精度，可以讓衛(wèi)星上各自獨立的類似UWB時間戳計數(shù)器的計數(shù)值，保持數(shù)小時乃至數(shù)天都不會偏差太遠，原子鐘的精度越高，需要地面進行撥零同步的間隔就可以越長。

四、 工程實施造價

前面三個問題研究目前均已得到比較理想的結果，構建地面大規(guī)模覆蓋的UWB定位系統(tǒng)已不存在技術上的障礙。隨著國產(chǎn)芯片登場，UWB芯片價格降到10元以下，基站、標簽成本大幅度下降，阻礙UWB大規(guī)模應用的最后一個門檻--過高的工程造價，也將不復存在，因此，構建服務全社會、室內(nèi)室外通吃、高精度位置服務基礎設施HPGPS，已到了提上議事日程的時候了。

HPGPS的工作原理

HPGPS工作模式就是前面提到的 “準GPS” 模式，其原理與GPS完全一樣，遍布地面的UWB基站，按一定順序、間隔不斷廣播自己的基站信息，信息內(nèi)包含了基站日期、時間、經(jīng)緯度、高程、同步修正值等信息，標簽接收周圍幾個基站廣播的信息，并根據(jù)收到的信息內(nèi)容、信息到達時間，即可解算出自己的坐標。

標簽將以UWB定位模塊方式提供，甚至連通信協(xié)議也將使用GPS模塊中廣泛采用的NMEA-0183以兼容現(xiàn)有的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，只是經(jīng)緯度數(shù)據(jù)將精確到小數(shù)點后面5-8位，現(xiàn)在的各種GPS定位設備可以把UWB定位模塊當作GPS定位模塊直接代換使用。

HPGPS的戰(zhàn)略意義

HPGPS系統(tǒng)構建完成后，標簽只需簡單地接收基站信號，即可以解算出自己的絕對經(jīng)緯度及高程，精度達到厘米級，同時應用于室外、室內(nèi)，HPGPS將在厘米級尺度上實現(xiàn)整個社會位置信息的電子化，并通過UWB標簽完成機讀識別。

厘米級的位置信息將成為最重要的社會公共基礎服務設施之一，各種基于高精度位置的應用將會源源不斷被開發(fā)出來，一個新的時代，就此拉開帷幕。

HPGPS的建立

萬事開頭難，HPGPS聽起來非常美好但是如何起步卻是每個人都關心的問題。

得益于國產(chǎn)芯片的支持，UWB用戶端成本可望降到與現(xiàn)有GPS、2.4G等系統(tǒng)持平的程度，基站成本可望降到百元水平，構建HPGPS最后一個實施成本的障礙已被破解，受此消息鼓勵，目前已經(jīng)有若干重要客戶一起發(fā)力開始行動，成規(guī)模成建制開始布設、構建自己的HPGPS實驗小區(qū)，UWB將改寫它在人們心目中高成本、高門檻、黑科技的冷傲形象，取而代之的是一個服務于全社會、為人們帶來全新體驗的巨大、增量藍海市場。

隨著HPGPS各實驗小區(qū)試運營的啟動，相信會有越來越多的企業(yè)、行業(yè)加入HPGPS陣營，各種UWB應用將轉(zhuǎn)移到統(tǒng)一的公共HPGPS平臺開展，位置服務行業(yè)將在HPGPS平臺上，奏響嶄新華章。

HPGPS的重要客戶

手機導航

HPGPS將終結目前手機公司對UWB霧里看花的局面。

HPGPS未建立之前，手機UWB始終解決不了裝了給誰用的問題，蘋果給出了以手機為中心對Airtag進行定位的極坐標系答案，事實證明這是一個十分無奈的雞肋方案：首先這種方案實在找不出痛點應用，現(xiàn)在成了一個高級玩具；其次這種方案需要兩個梳指天線測量角度，面積大且精度要求很高，塞進空間極其有限的手機里難度極高，以至于目前除了蘋果沒有第二家公司能夠量產(chǎn)出來。此外，這種工作方式因不具有普適性，軟件、操作系統(tǒng)無法互聯(lián)互通。

目前手機公司對UWB還是觀望，主要原因一是回答不了UWB到底給誰用的問題，二來蘋果的UWB方案其他手機公司并不認可。

HPGPS建立后，手機UWB只需一個普通的皮法天線或陶瓷天線即可進行定位，任何一個手機方案公司都可以輕松完成設計，HPGPS輸出數(shù)據(jù)就是標準的GPS經(jīng)緯度，安卓、IOS操作系統(tǒng)中GPS信息早已成為標配，且經(jīng)緯度信息精度都支持到了小數(shù)點后面十幾位，手機底層軟件只需把UWB解算結果對接到操作系統(tǒng)的GPS接口，再安裝一個百度、高德、谷歌的高精度地圖軟件，就能進行厘米級三維定位、導航，手機UWB導航、導游、導醫(yī)、導購成為新熱點，高達厘米級定位精度將打開一個無法想象的增量市場，困擾手機公司多年的UWB到底怎么進手機的問題有了明確答案就此塵埃落定。

學生卡、老人卡

這也是GPS時代位置服務存活下來卻一直半死不活的一個行業(yè)，積累了龐大的客戶群卻因GPS短板一直都在進一退二的尷尬境地中掙扎，由于在認知、技術、客戶等方面的優(yōu)勢，HPGPS將率先在這些行業(yè)攻城略地。

HPGPS將解決多年以來學生卡存在的諸多問題，達到學校、家長、學生、移動公司共贏的和諧局面，老人卡助力解決老人防走失、生病、跌倒等諸多社會問題。這些都是過億的2C市場應用，更是UWB的拿手好戲，但是沒有HPGPS實施起來困難重重。

物流、快遞、外賣、送餐

由于沒有高精度機讀位置信息，快遞業(yè)喊了20年的無人機送快遞始終只能停留在紙上。

HPGPS解決了最重要的機讀位置信息，且精度達到厘米級，所有環(huán)節(jié)的信息需求全部實現(xiàn)了機讀自動完成，操作全部閉環(huán)，以“無人機送快遞”為代表的物流業(yè)自動化最后一公里問題圓滿解決，這將給各大快遞、物流、外賣、送餐企業(yè)帶來一場顛覆。

機器人

人類的各種自動機器智能化水平已經(jīng)武裝到牙齒，卻同樣苦于沒有位置信息而舉步維艱，HPGPS的建立將使這些自動機器睜開眼睛，機器全面替代人工勞動、服務將踏上一個新的臺階。

防疫抗疫

借助HPGPS室內(nèi)室外全覆蓋的高精度定功能，有望建立全新體系，常態(tài)化、智能化、自動化監(jiān)控管理人員行程、密接、時空交錯等問題，空間精度可以精確到厘米時間可以精確到秒，精準管理人員接觸、大幅減小疫情對社會生活的影響。

除了對人員活動、接觸的監(jiān)控管理，有了HPGPS就可以啟用各種無人機、無人車實施物資自動、精準發(fā)放，解決疫情情況下的物資保供難題。

寫在最后

從2013年第一顆UWB單芯片DW1000問世到今天，UWB磕磕絆絆走過近10個年頭，國內(nèi)最早從事UWB應用的江蘇唐恩科技更是從2006年就開始與Ubisense合作，并于2008年引入Ubisense的S7000系統(tǒng)，應用于軍事訓練、電力安全、離散制造、展覽分析等多個領域，國內(nèi)高精度室內(nèi)定位應用就此萌芽、發(fā)展。然而時至今日，整個UWB行業(yè)還是沒能走出監(jiān)獄、電廠的2B小圈子模式。

隨著UWB在公眾中認知度增強，UWB初創(chuàng)公司如雨后春筍成立，這對整個行業(yè)是一個巨大的利好，然而UWB到底是怎么回事、UWB到底能做什么、UWB到底該在哪個方向發(fā)力卻依然是眾多創(chuàng)業(yè)者的困惑。UWB芯片價格高高在上成了整個行業(yè)揮之不去的痛，這把高懸的達摩克里斯劍不僅在精神上束縛了眾多開拓者的想象力，也在現(xiàn)實中嚴重制約、阻礙了創(chuàng)業(yè)者的創(chuàng)造力，比如本文提到的HPGPS，在現(xiàn)有的生態(tài)下就是一個遙不可及的夢。

國產(chǎn)芯片的出現(xiàn)打破了這一僵局，位置服務業(yè)想做卻又不能做、不敢做的各種天量應用現(xiàn)在都有了實施的可能，而構建統(tǒng)一的地面高精度位置服務基礎設施，更是眾多位置服務從業(yè)者心中最宏大的夢想。以前苦于沒有技術，UWB出現(xiàn)后又望芯片興嘆，這一切都隨著國產(chǎn)芯片的登場、背書迎刃而解，伴隨幾個重量級客戶聞風而動聯(lián)合起來邁出關鍵一腳，UWB芯片-用戶-應用的良性互動已經(jīng)破冰，HPGPS已經(jīng)破土動工。隨著HPGPS的不斷完善，各種2C的UWB應用有了基礎平臺，UWB應用已經(jīng)開始邁入快車道。

審核編輯 ：李倩