超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)的原理及應(yīng)用

魏昕 馮鋒

摘要：衛(wèi)星定位技術(shù)（GPS）在日常生活中的普遍使用，使人們對室內(nèi)定位的要求提高了。超寬帶（UWB）是一種定位技術(shù)，穿透力強的特點能實現(xiàn)穩(wěn)定的室內(nèi)定位，而且根據(jù)UWB不同的定位算法來得到精確的定位精度。本文結(jié)合UWB使用場景和最新應(yīng)用討論UWB發(fā)展面臨困難和研究熱點，任何一個場景的物聯(lián)網(wǎng)化解決方案都要基于物體的位置而實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：超寬帶;TOF;定位技術(shù)

中圖分類號：TN925文獻標碼：A

文章編號：1009-3044（2020）22-0033-02

開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

隨著科技的發(fā)展與進步，衛(wèi)星定位技術(shù)（CPS）在日常生活中的普遍使用，現(xiàn)在已經(jīng)不滿足于室外定位，在室內(nèi)或有遮擋物的情況下，GPS因其特點而無法實現(xiàn)精準的室內(nèi)定位服務(wù)。在現(xiàn)有的無線定位技術(shù)中，UWB技術(shù)在測距過程中載波信號具有高傳輸率、低功耗、抗干擾性強等優(yōu)點且定位精度能夠精確到厘米級別，使得UWB相對于Wi-Fi、藍牙、RFID等無線射頻定位有著不可比擬的優(yōu)勢，因此選取UWB作為室內(nèi)定位的通信信號[1]。

1 UWB

超寬帶（UWB）技術(shù)是一種無線載波通信技術(shù)，它在超寬的帶寬上傳輸信號，產(chǎn)生極短脈沖的信號源來傳輸數(shù)據(jù)，所以頻譜范圍在3.5Ghz至4.5GHz的范圍內(nèi)才符合UWB信號，UWB實質(zhì)上是很高的射頻頻率來達到高帶寬的無線技術(shù)，對上升時間和下降時間都很短暫的脈沖進行調(diào)制。

2 UWB定位原理

目前，UWB定位一般采用基于距離的定位算法[2]。主要的算法是TOF測距、TDOA測距、AOA測距三種定位算法。

2.1 TOF定位算法

TOF（飛行時間）定位算法的核心為：在收到數(shù)據(jù)后開始測量收發(fā)設(shè)備間的信號傳播時間，再用信號的傳播速度和時間相乘，就可以得到兩個設(shè)備之間的距離。保證TOF準確性的要點是精確計算信號的飛行時間，用單邊雙向測距可以得到設(shè)備間距離。單邊雙向過程如圖1所示。

在計算設(shè)備A和B之間的距離時，只要算出飛行時間乘以光速即可，記錄下A的發(fā)送時間和B的接收時間，在等待Treply后，記錄下B的發(fā)送時間和接收時間，可根據(jù)公式算出信號的飛行時間。

2.2 TDOA定位算法

TDOA（到達時間差）定位算法的核心是：發(fā)送設(shè)備發(fā)出兩種信號，比如射頻信號和超聲波信號，接收信號時分別記錄不同信號的到達時間，并計算出TDOA的值，再通過乘以信號傳播速度獲得節(jié)點之間的距離。到達時間差△t可表示為：

公式（4）中，c1，c2為兩種信號的傳播速度，d為收發(fā)設(shè)備之間的距離。可以求得：

TDOA定位的精度很高，缺點是在非視距環(huán)境的影響及所用信號傳播距離有限的情況下，測距精度會有很大的降低，同時該定位技術(shù)對設(shè)備的位置和功率也有特定的要求[3]。

2.3 AOA定位算法

AOA（基于到達角度）的定位算法是通過計算發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備之間的角度或者相對方位來估算兩個設(shè)備之間的距離[4]。

AOA定位技術(shù)有兩種：一是波束成形技術(shù)，是根據(jù)接收天線的角度變化，利用的是方向性天線的方向圖，先對接收信號相位進行反轉(zhuǎn)，再用波束成形技術(shù)得到此信號強度最高的方向，就是發(fā)送信號的方向。二是相位相干檢測法，是根據(jù)接收天線的相位變化，用陣列天線或者很多接收機來算出每個天線接收信號的相位差，然后估算信號發(fā)送時的方向。

AOA定位大多數(shù)情況下需要利用陣列天線或者多個信號接收器來計算收發(fā)設(shè)備之間的角度信息。AOA定位除了提供距離信息還可以提供收發(fā)設(shè)備間的相對方位?；驹砣鐖D2所示。

3 應(yīng)用

UWB定位技術(shù)適用于特定的場景，如成本高、受到干擾情況多或定位區(qū)域面積大的問題則要考慮其他技術(shù)，所以采用UWB定位技術(shù)的關(guān)鍵是了解定位需求中的高精度性，考慮是否需要這么高的精度，且使用環(huán)境適合。

3.1 工廠人員定位

工廠定位分為人員定位和工廠物品定位。人員定位的內(nèi)容是到崗時間，在崗情況，工作效率，定位需求對精度要求不大，在工廠內(nèi)即可，但在現(xiàn)實情況下，參考人員在工作崗位的時間，判斷工作效率是否達到一定標準，UWB在這方面優(yōu)于其他定位技術(shù)。類似于通過位置情況來判斷人員是否工作，都可以用UWB來實現(xiàn)工作效率的提升。還有對工廠的危險區(qū)，如變電站，化學物品，易燃易爆物等位置，對進人人員要進行嚴格要求，UWB的電子圍欄功能十分適用，在無許可人員進入后進行警示。尤其是核電廠，對電子圍欄按時間粒度、空間粒度劃分，設(shè)置警報的不同臨界值，其他的考勤、簽到功能作為輔助手段使用。

3.2 隧道人員定位

隧道定位就是對施工人員位置的精確定位，隧道施工會發(fā)生塌方的現(xiàn)象，不確定工人的位置搜救十分困難，用UWB定位技術(shù)來實施救援方案則可減少塌方后工人的死亡率，定位的精度決定了搜救的困難程度，現(xiàn)在地鐵的普及帶來的施工問題同步增加，安排UWB技術(shù)的定位方案，只要出現(xiàn)意外情況，能最快的進行搜救，而且隧道位置寬廣，安裝的基站少，是很適用的部署場景。

3.3 倉儲物流定位

倉儲定位則是對叉車的定位，叉車操控在倉庫復(fù)雜的環(huán)境中具有一定的危險性，倉庫中物品的堆放容易造成視線遮擋，在轉(zhuǎn)彎等位置易發(fā)生傷人、貨物倒塌等事故，從安全生產(chǎn)的角度看，能通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來避免事故發(fā)生，是切實可行且有必要的，其他的定位模式不能滿足定位精度上的要求。

3.4 機場管理定位

在機場中，UWB定位技術(shù)可以通過移動端給登機人員提供機場路線，旅客可以快捷地找到候機區(qū)、登機口、行李存取處等，避免貽誤航班。對機場管理方面，通過對UWB定位分析不同位置的旅客人員密集情況，能夠讓排隊井然有序，減少旅客流量，減少機場擁堵的情況，還可以對登機口變化和起飛延后的情況發(fā)送通知，以及向候機旅客發(fā)送促銷宣傳活動信息等。在檢查行李過程中，如果發(fā)現(xiàn)有可疑物品且無法確定，在物體上貼上UWB標簽，對物品跟蹤進行，系統(tǒng)實時監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)物品進入禁止區(qū)域，立刻發(fā)出警報信息。

4 結(jié)束語

2019年9月，iPhonell加入了UWB技術(shù)，除了定位跟蹤之外，把自己iPhone指向其他人時，系統(tǒng)就會根據(jù)距離優(yōu)先排序，讓你更快速地空投文件，從而實現(xiàn)了iPhone能檢測到其他物品在現(xiàn)實空間中的位置，這是在其他智能手機現(xiàn)在無法達到的。蘋果公司在之后會出更多的周邊設(shè)備如手表、耳機等植入UWB芯片，UWB技術(shù)植入手機，讓很多UWB從業(yè)者看到空間感知技術(shù)快速發(fā)展的希望，UWB的產(chǎn)業(yè)鏈一會更加豐富和延伸。

UWB定位的市場范圍廣，適用場景多樣化，許多危險作業(yè)行業(yè)開始高度重視，室內(nèi)定位現(xiàn)在在逐漸商業(yè)化，由芯片廠家和位置服務(wù)提供商對UWB的大力發(fā)展和推動，在五年后UWB技術(shù)將會愈加普遍，行業(yè)將會在廠商和國家的需求下迎來更好的發(fā)展。

UWB在未來市場，無論是智慧校園、電子門禁、智能家具、自動駕駛、物品防丟、智慧安防還是AR/ VR，針對一個環(huán)境的物聯(lián)網(wǎng)化解決方法都要基于物品的位置實現(xiàn)，UWB還有許多未探索的領(lǐng)域，基于UWB的高精度定位和不同行業(yè)的結(jié)合正在快速發(fā)展，這也是位置服務(wù)的真正價值所在。

參考文獻：

[1]丁亞男，張旭，徐露.基于UWB的室內(nèi)定位技術(shù)綜述[Jl.智能計算機與應(yīng)用，2019 （05）：91-94.

[2]孫利民，李建中，陳渝.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學出版社，2005.

[3]宋洋，超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)研究[D].西安科技大學，2019.

[4]劉浩杰，改進的超寬帶室內(nèi)定位算法研究[D].西安：長安大學，2017.

[5]張魯川，董磊.淺析UWB定位技術(shù)的應(yīng)用[Jl.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（19）：285.

[6]高思琪，孫建平.UWB定位技術(shù)的應(yīng)用研究[J].儀器儀表用戶，2019，26（3）：77-82.

【通聯(lián)編輯：聞翔軍】

基金項目：寧夏重點研發(fā)計劃重點項目（2018BFG02003）

作者簡介：魏昕（1996-），男，陜西延安人，碩士研究生，主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)工程與應(yīng)用;馮鋒（1971-），男，寧夏銀川人，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為信息系統(tǒng)工程、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用。