UWB室內(nèi)定位技術(shù)

1 概述

UWB（Ultra Wide Band ）即超寬帶技術(shù)，它是一種無載波通信技術(shù)，利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，因此其所占的頻譜范圍很寬。傳統(tǒng)的定位技術(shù)是根據(jù)信號強(qiáng)弱來判別物體位置，信號強(qiáng)弱受外界影響較大，因此定位出的物體位置與實(shí)際位置的誤差也較大，定位精度不高，而UWB定位采用了寬帶脈沖通訊技術(shù)，具備極強(qiáng)的抗干擾能力，使定位誤差減小。UWB定位技術(shù)的出現(xiàn)填補(bǔ)了高精度定位領(lǐng)域的空白，它具有對信道衰落不敏感、發(fā)射信號功率譜密度低、低截獲能力、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供厘米級的定位精度等優(yōu)點(diǎn)。

2 UWB室內(nèi)定位流程

（1）每個(gè)定位標(biāo)簽以UWB脈沖重復(fù)不間斷發(fā)送數(shù)據(jù)幀；

（2）定位標(biāo)簽發(fā)送的UWB脈沖串被定位基站接收；

（3）每個(gè)定位基站利用高敏度的短脈沖偵測器測量每個(gè)定位標(biāo)簽的數(shù)據(jù)幀到達(dá)接收器天線的時(shí)間；

（4）定位引擎參考標(biāo)簽發(fā)送過來的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，確定標(biāo)簽達(dá)到不同定位基站之間的時(shí)間差，并利用三點(diǎn)定位技術(shù)及優(yōu)化算法來計(jì)算標(biāo)簽位置。

（5）利用單基站定位一般采用AOA（(Angle of Arrival）算法，采用多基站定位多采用TDOA（Time difference of Arrival）算法。

3 UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)架構(gòu)及功能

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

UWB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 主要設(shè)備及組件

3.2.1 UWB定位標(biāo)簽

定位標(biāo)簽為有源標(biāo)簽，能做成不同的形態(tài)固定在物體、車輛或佩戴在人員身上使用，在不同應(yīng)用環(huán)境下?lián)碛卸嘧冃浴Ｋ亩ㄎ痪茸罡呖蛇_(dá)到5-10cm，標(biāo)簽發(fā)出的UWB脈沖信號，通過定位基站（定位傳感器）接收和傳輸。每一個(gè)標(biāo)簽都有唯一的ID號，可通過這個(gè)ID號將定位的物體聯(lián)系起來，使定位基站（定位傳感器）通過標(biāo)簽找到實(shí)際定位的位置。標(biāo)簽傳輸信號持續(xù)時(shí)間很短，能夠允許成百上千的標(biāo)簽同時(shí)定位。

UWB定位三防標(biāo)簽

3.2.2 UWB定位基站

定位基站（定位傳感器）可以通過到達(dá)時(shí)間差（TDOA）測量技術(shù)，來確定標(biāo)簽的位置，并將數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)絡(luò)控制器及定位引擎軟件，定位精度達(dá)到厘米級。

UWB三防基站

3.2.4 定位引擎

定位引擎位于部署于定位服務(wù)器中，是定位算法實(shí)現(xiàn)的地方，并提供API與上層應(yīng)用軟件調(diào)用。

3.2.5 上層應(yīng)用軟件

上層應(yīng)用軟件主要體現(xiàn)為系統(tǒng)功能。UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)基本功能可包括：

人員分布顯示：佩戴定位標(biāo)簽的人員分布情況。

人員移動(dòng)軌跡：通過電子地圖實(shí)時(shí)顯示一個(gè)或多個(gè)人員移動(dòng)軌跡。

跟蹤指定人員：地圖隨著標(biāo)簽的移動(dòng)自動(dòng)切換，將鼠標(biāo)移到標(biāo)簽上可以看到標(biāo)簽的當(dāng)前狀態(tài)。

電子圍欄：通過平面電子地圖上不同顏色和形狀顯示人員的報(bào)警位置狀態(tài)。

4 UWB技術(shù)特點(diǎn)

UWB技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)定位，具有以下特點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)容量大

香農(nóng)公式給出C=Blog2(1+S/N)可以看出，帶寬增加使信道容量的提高遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號功率上升所帶來的效應(yīng)，這一點(diǎn)也正是提出超寬帶技術(shù)的理論機(jī)理。超寬帶無線電系統(tǒng)用戶數(shù)量大大高于3G系統(tǒng)。

（2）數(shù)據(jù)傳輸速度快

UWB系統(tǒng)使用上吉赫茲的超寬頻帶，根據(jù)香農(nóng)信道容量公式，即使把發(fā)送信號功率密度控制得很低，也可以實(shí)現(xiàn)高的信息速率。一般情況下，其最大數(shù)據(jù)傳輸速度可以達(dá)到幾百兆比特每秒到吉比特每秒。

（3）多徑分辨能力強(qiáng)

UWB由于其極高的工作頻率和極低的占空比而具有很高的分辨率，窄脈沖的多徑信號在時(shí)間上不易重疊，很容易分離出多徑分量，所以能充分利用發(fā)射信號的能量。實(shí)驗(yàn)表明，對常規(guī)無線電信號多徑衰落深達(dá)10～30dB的多徑環(huán)境，UWB信號的衰落最多不到5dB。

（4）隱蔽性好

因?yàn)閁WB的頻譜非常寬，能量密度非常低，因此信息傳輸安全性高。另一方面，由于能量密度低，UWB設(shè)備對于其他設(shè)備的干擾就非常低。

（5）定位精確

沖激脈沖具有很高的定位精度，采用超寬帶無線電通信，可在室內(nèi)和地下進(jìn)行精確定位，精度最高可達(dá)2厘米，一般精度在15厘米內(nèi)。而GPS定位系統(tǒng)只能工作在GPS定位衛(wèi)星的可視范圍之內(nèi)。與GPS提供絕對地理位置不同，超短脈沖定位器可以給出相對位置，其定位精度可達(dá)厘米級。

（6）抗干擾能力強(qiáng)

UWB擴(kuò)頻處理增益主要取決于脈沖的占空比和發(fā)送每個(gè)比特所用的脈沖數(shù)。UWB的占空比一般為0.01～0.001，具有比其他擴(kuò)頻系統(tǒng)高得多的處理增益，抗干擾能力強(qiáng)。一般來說，UWB抗干擾處理增益在50dB以上。

（7）低功耗

UWB無線通信系統(tǒng)接收機(jī)沒有本振、功放、鎖相環(huán)(PLL)、壓控振蕩器(VCO)、混頻器等，因而結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備成本將很低。由于UWB信號無需載波，而是使用間歇的脈沖來發(fā)送數(shù)據(jù)，脈沖持續(xù)時(shí)間很短，一般在0.20～1.5ns之間，有很低的占空因數(shù)，所以它只需要很低的電源功率。一般UWB系統(tǒng)只需要50～70mW的電源，是藍(lán)牙技術(shù)的十分之一。

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審核編輯 黃昊宇