超寬頻（UWB）室內高精度定位技術

1      引言

近年來，隨著近距離無線通訊和移動網路技術的不斷髮展，基於位置的服務(location-based service，LBS)越來越受到人們的重視。尤其是在室內，據統計未來十年人們80%的活動發生在室內，因此研發在室內環境下具有高精度定位功能的定位系統勢在必行，針對室內定位系統的研究也如火如荼。美國的全球定位系統(global positioningsystem， GPS)在室外已經可以近乎完美地提供位置資訊，但是在室內環境下由於建築物的遮擋、樓層密度較大等特點而無法正常工作。在這種情況下，出現了利用紅外線、WiFi、Zigbee等載波技術的室內定位方案，但是都沒有達到非常好的效果。WiFi技術由於其能耗較大，且容易受到訊號的干擾，訊號覆蓋的範圍也僅侷限於90m以內的空間，所以該技術的優勢並不明顯；Zigbee技術儘管具有低功耗、低成本、通訊效率高等優點，但是其定位結果不穩定，系統可靠性不強。

超寬頻(ultra-wideband, UWB)技術最早出現在美國軍用領域，2002年4月美國聯邦通訊委員會(FCC)解除了UWB技術的民用許可限制，從此UWB技術得到了快速的普及和發展。同時FCC為UWB分配了3.1-10.6GHz共7.5GHz的頻寬。我國UWB事業的發展起步較晚，但是受到黨和國家的高度重視，2001年9月初，我國發布的“十五”國家863計劃通訊技術主題研究專案中，首次將“超寬頻無線通訊技術及其共存與相容技術”作為無線通訊共性技術與創新技術的研究內容，顯示了國家對UWB發展的重視。

UWB技術是通過極窄脈衝來傳輸資料而不是通過傳統的載波來傳輸資料，導致其資料傳輸速度極高，除此之外，UWB技術具有系統複雜性低、資訊保安性高、抗多徑衰落能力強等優點，成為無線定位領域中的一大亮點。

2      超寬頻技術

2.1  UWB訊號

超寬頻UWB技術與傳統的通訊技術有很大差異。它不是利用傳統的載波來傳輸資料，而是通過傳送和接收具有納秒及其納秒以下的極窄脈衝來傳輸資料，從而具有GHz量級的頻寬。美國聯邦通訊委員會（FCC）對超寬頻的定義為：

      或者    

（1）

公式中，f_L、f_H分別表示功率相對於峰值功率下降10dB時所對應的低端頻率和高階頻率；f_C為載波的中心頻率。

 UWB採用衝擊脈衝作為資訊載體的非正弦系統，根據Shannon通道容限公式 (式中，P為訊號功率，B為通道的頻寬，N₀為高斯白噪聲功率譜密度)。由公式可知，增大通道容量可以通過兩種方法實現，一是增大傳輸頻寬，二是通過增加訊號功率。UWB技術就是通過前者來獲得非常高的傳輸效率。

2.2  UWB技術特點

根據上述UWB訊號的定義及特點，UWB技術相對於其他傳統通訊技術有如下技術優勢：

(1)    傳輸速度快，系統容量大

根據通道容限公式，系統的最大傳輸速率與系統頻寬成正比例關係。UWB通訊的頻寬都在500MHz以上，其傳輸速率也達到1Gbps以上。而傳統的無線載波通訊系統由於頻帶窄，要使傳輸速率達到100Mbps以上，必須採用多進位制調製等方法，這樣對信噪比提出了很高的要求，同時也加大了系統構建的複雜性。

(2)     發射功率低

超寬頻無線電具有的1GHz以上的射頻頻寬，發射時需要的平均功率很低。特別是在短距離通訊應用中，UWB發射機的發射功率普遍低於1mW；較低的發射功率可以延長系統的工作時間，而且發射功率較低，對人體的電磁波輻射也會很小。

(3)     多徑解析度高

UWB訊號採用持續時間很短的窄脈衝，具有較強的時間和空間解析度，系統的多徑解析度高，整個系統就能充分利用發射訊號的能量。此外，UWB訊號具有良好的抗多徑效能，對於通道多徑衰落不敏感，接收機通過分級，便可以獲得很強的抗衰落能力，在室內或者建築物比較密集的場合可以獲得良好的定位效果，同時在進行測距、定位、跟蹤時也能達到更高的精度。

(4)     系統保密性好

UWB的發射功率低，訊號能夠很好地隱蔽在其他型別訊號和環境噪聲之中，傳統的接收機無法識別和接收，必須採用與發射端一致的擴頻碼脈衝序列才能進行解調，系統具有較強的系統安全性。

(5)     穿透能力強

窄脈衝具有很強的穿透能力，可以幫助比如警察搜尋隔牆的逃犯，以及解救那些被圍困在建築物裡邊的人們。

(6)     定位精度高

UWB訊號具有超寬頻帶的特性，具有較高的空間解析度，使得UWB系統的距離分辨精度是其它系統的成千上百倍。UWB訊號的距離分辨能力可達到釐米級，這是其它窄帶系統望塵莫及的。

超寬頻技術開發了一個具有大容量的無線通道，它還具有對通道衰落不敏感、發射訊號功率譜低、測距精度高、系統成本低等優點，受到了人們的普遍重視。利用上述這些優點，超寬頻訊號對障礙物具有良好的穿透性和精確測距的特點，可以設計具有較強通訊功能和定位功能的超寬頻脈衝無線定位系統，廣泛應用於電力、智慧化工廠、施工管控、軌道交通、機場安檢、軍事訓練等領域。

3      UWB定位技術

3.1  UWB定位技術原理

無線定位系統要實現精確定位，首先要獲取與位置相關的變數資訊，建立相應的數學模型，然後根據這些變數和引數以及數學模型來解算目標的座標。UWB定位技術具有超高的時間和空間解析度，保證了UWB可以準確的獲得待定位目標的時間和角度資訊，時間資訊可以轉化為距離資訊，結合角度資訊利用三角定位等幾何定位方法求得待定位目標的位置資訊。常用的測量角度和時間資訊的方法有：基於接收訊號強度(received signalstrength, RSS)、基於接收訊號到達角度(angle of arrival, AOA)、基於接收訊號時間法(time/timedifference of arrival, TOA/TDOA)、AOA和TDOA混合定位法。

3.2   UWB定位演算法

3.2.1     基於接收訊號強度法(RSS)

通過測量節點間的能量來估計目標與接收機之間的距離，由於接收訊號的強度與傳播的距離成反比，因此，距離的估算可以通過發射訊號的強度和接收訊號的強度與其之間的關係進行計算。定位原理圖如圖1所示。雖然這種方法操作簡便，成本也較低，但是容易受到多徑衰弱和陰影效應的影響，導致定位精度較差。

圖 1 RSS法定位原理

3.2.2     基於到達訊號角度法（AOA）

測量未知點和參考點間的角度來解算目標的位置。通過多個基站測量從定位目標最先到達接收機的訊號的到達角度，從而估計出定位目標的位置。在二維空間中，假設第 N 個基站的座標為(xn,yn)移動待測點 MS 的座標為( x , y )，則通過圖2 可以建立基站(basedstation,  BS)與待測點(mobilestation,  MS)的幾何位置關係，該幾何關係的表示式為：

（2）

公式中， 為第N個基站獲得的方位角資訊，聯立兩個基站的方程式得方程組(3)，即可求得移動待測點的座標(x,y)。

(3)

圖2 AOA法定位原理

區域內如果障礙物較少，利用該方法可獲得較高的定位精度，但是，如果在障礙物較多的區域中，由於存在多徑效應，無法準確獲知角度資訊，定位誤差將會明顯增大。

3.2.3     基於接收訊號時間法(TOA/TDOA)

基於AOA的定位方式，由於多路徑效應和接收機天線等的限制，往往需要較多的感測器同時工作，無疑增加了系統的成本；而基於TOA/TDOA的定位演算法要麼需要感測器和目標的時間同步，要麼需要較多的感測器同時工作，都不是最理想的解決方案。利用AOA/TDOA混合定位的方法，最少只需兩個感測器同時工作就可以得到待定位目標的三維座標。其中AOA角度測量的方法是根據波的干涉原理（如圖2所示），從而測出移動目標MS與x軸的夾角。

TDOA測距是根據雙曲線的定位原理，測得定位目標的UWB訊號同時到達兩個接收機的時間差，時間差乘以光速可以得到距離差。根據到達兩個定點的距離差為定值的軌跡是雙曲線的原理，利用兩個或者多個雙曲線的交點求得待定位點的目標位置。定位原理如下圖所示：

圖 3 UWB TDOA定位原理

結合以上兩種定位方法，AOA測得定位目標與接收機的方向資訊，TDOA得到定位目標的距離資訊，兩者結合最終得到定位目標的三維座標。

3.3  UWB定位測試

3.3.1     測試實驗

實驗場地設在房間大小為7m×9m。根據房間大小布設四個感測器，分別位於四個角，調整合適的角度和高度。系統由三個部分構成：定位標籤、定位感測器和定位中心處理平臺。佈設完畢後進行裝置的校準，校準採用靜態校準和動態校準的方法，開啟定位區域感測器使其正常工作，啟用待定位標籤，設定標籤位置，與得到的定位結果進行對比，評價校準結果。實驗時，開啟感測器，配置中心處理平臺，手持標籤沿事先規劃好的路線行走，行走過程中，感測器不斷地接受標籤的UWB訊號，傳輸至定位平臺，定位平臺經過解算，求得定位目標的三維目標，實時顯示在三維定位場景中。

實驗採用TDOA/AOA的定位演算法，定位感測器接收到移動目標發射的UWB訊號，將其通過資料傳輸線傳輸至定位平臺，定位中心平臺經過解算，將訊號解算為位置資料，最終生成位置座標，並將其儲存為日誌檔案。為了試驗方便和對比的清晰，設定“己”字型路線，經過測試後利用MATLAB處理軟體進行資料處理，得到如下結果：

   圖 4  定位精度（二維）

                                   圖 5  定位精度（三維）

3.3.2     實驗分析

根據圖4和圖5的定位結果可以看出，定位的整體精度較高，在直線行走的情況下定位的精度可以達到20cm以內，在拐角處定位的精度有較明顯的下降，但是也達到cm級別。在拐角處定位精度明顯下降的原因是運動狀態的變化導致感測器瞬間接收到的定位訊號變化較大，導致實際偏差較大。根據MATLAB生成的定位誤差統計如表1所示：

表1 UWB定位精度測試結果

4      超寬頻技術的應用

UWB的應用大致可以分為3大類：通訊、雷達/監視和跟蹤、定位

(1)    通訊

UWB具有很強的抗干擾能力，因此可用於室內蜂窩電話、樓內通訊、保密無線電和無線寬頻因特網的接入。

(2)    雷達

UWB應用最早出現在20世紀60年代，雷達就是其中重要的應用領域，經過半個世紀的發展已經相當成熟。超寬頻使用極窄脈衝訊號，高距離解析度和寬頻譜的結合使其具有精確的目標識別能力，系統所產生的訊號穿透性極強。

(3)    定位

隨著通訊技術的不斷髮展，很多軍用和民用場合都需要精確的定位資訊，利用UWB技術超高的時間和空間解析度，可以獲得準確的位置資訊，為目標的定位提供了良好的解決方案。比如一些大型的倉儲、醫院和物品等要進行精確的定位跟蹤；在一些人為或者自然的災難現場進行搜救工作，藉助於UWB技術高精度的定位優勢可以使搜救工作事半功倍；目前在無線感測器網路熱點的研究中，藉助於其精確的定位功能，有效地提高感測器網路的精確性和穩定性。

當然，隨著通訊技術的進步和定位技術的發展， UWB的應用還遠不止於此。新的應用領域將不斷湧現，超寬頻的應用前景也將一片光明。

5      總結

室內定位的服務需求已經越來越強烈，UWB定位技術具有定位精度高，抗多徑干擾能力強、佈網簡單等優點，成為新一代室內定位方案的合理選擇。本文從UWB的基礎理論入手，對UWB定位常用的幾種定位演算法進行探討，研究了適合於UWB定位的演算法，並在此指導下開展測試實驗，實驗結果表明，UWB定位精度可以達到釐米級。最後對UWB主要的應用領域和前景進行討論。UWB定位技術的優勢勢必使其前途一片光明。