基于UWB的室内精准定位技术研究

基于UWB的室内精准定位技术研究
发布时间：2021-04-22T05:44:33.458Z 来源：《建筑学研究前沿》2021年2期作者：张世锟1 王昱辰2
[导读] 随着室内定位技术的发展，传统的基于非测距的定位方案已无法满足人们对室内定位精准性的要求。

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摘要：随着室内定位技术的发展，传统的基于非测距的定位方案已无法满足人们对室内定位精准性的要求。

本文介绍了一种基于UWB 的室内精准定位，其定位精度可达厘米级，可应用于智慧仓储、紧急救援、煤矿等要求高定位精度的领域。

本文通过介绍超带宽Ultra-Wideband，UWB）技术及其定位算法，对室内定位技术的应用进行了展望。

关键词：定位技术；室内定位；UWB
一、室内定位技术概述
随着城市化进程的加快，人们的活动更多的发生在室内场景，人们对于定位服务的需求也延伸到了室内。

目前室内定位主要有两类应用场景，即面向消费者的服务和面向企业的服务。

面向消费者的服务，包括商场导购，停车场的反向寻车等。

另一类是面向企业的服务，包括智慧仓储和物流、智能制造[1]、紧急救援等。

随着定位技术的不断发展以及人们需求的与日俱增，未来室内定位的定将趋于精准定位的使用场景。

利用无线信号定位是一种常用的定位技术。

无线信号定位技术应用测距和非测距两种定位方案，基于非测距的定位原理是根据定位场景下，采集到的各采样点信号的特征，构成信号特征的指纹地图，并根据指纹数据库，利用指纹定位算法[2]，得出定位的结果，无线局域网（WLAN）、射频识别（RFID）等定位技术均采用非测距的定位方式，但这种定位方式具有较大定位误差。

在例如工厂、煤矿、物流仓储等对高精度定位有要求的场所，且有时环境未知的情况下，上述定位技术产生的定位误差较大。

超宽带（Ultra-Wideband，UWB）[3]技术通常使用基于测距的定位方案，即利用定位设备的信号强度等信息与距离之间的关系，应用定位算法，计算得到定位点的位置，与WLAN等无线通信技术不同的是，基于UWB的室内定位技术数据速率高，可达几十Mbps到几百Mbps，且具有抗干扰能力强、发射功率低、保密性好、精准度高的特点，因此，在随着超带宽技术的不断成熟与发展，市场需求的不断增加，精准的超带宽定位系统将会得到广泛的应用。

二、UWB技术概述
美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission，FCC）规定超宽带通信频谱的使用范围为3.1GHz~10.6GHz，并且规定了超带宽信号的相对带宽需大于20%或绝对带宽大于500MHz。

同时，为了避免与其他通信系统的产生相互干扰，FCC将超带宽脉冲信号的发射功率规定在一定范围内，每一个频率上都有一个由辐射掩蔽值决定的最大发射功率。

这在频谱资源如此匮乏的今天有着非常重要的意义，超带宽通信拥有高达7.5GHz的可用频谱，而极低的功率谱密度保证了超带宽通信系统可以与传统窄带通信相互兼容，这也是UWB通信可以兴起和快速发展的原因之一。

UWB信号与其他用于定位的无线信号功率对比图如2-1所示：
图2-1 无线信号功率对比图
基于UWB的定位系统有着如下优势：
（1）抗干扰能力强。

UWB信号由于本身宽频特性，加上UWB常用的跳时扩频系统，其频谱可达千兆赫兹，因此拥有很强的抗干扰能力
（2）抗多径能力强。

由于UWB信号是极窄的脉冲信号，占空比低，发射信号的能量可以被更有效的利用，信号衰落比传统的无线电信号衰落小很多。

（3）传输速率高。

FCC规定UWB信号的绝对带宽大于500MHz，由香农定理可知，在信噪比一定的情况下，带宽越大，数据传输速率越高。

（4）安全性高。

由于UWB信号具有7.5GHz的频谱资源，且FCC规定UWB信号功率谱密度低于环境噪声水平，很难被一般的侦测设备捕获
（5）低成本。

基于UWB的射频发射芯片，可以完全用数字电路集成实现，因此生产成本较低。

三、室内定位算法介绍 UWB超宽带信号对距离的分辨精度超过其他定位技术。

超宽带室内跟踪定位系统根据信号特征去设定技术参数，然后建立恰当的数学模型，求出所设定的参数，最后确定坐标，获得目标位置。

常见的室内定位算法有到达时间定位法（Time Of Arrival，TOA），到达时间差
定位法（Time Difference Of Arrival，TDOA）。

下面将对这些定位方法进行简单介绍。

3.1 TOA估计及定位模型
TOA定位也被称为圆周定位，基本原理是得到UWB脉冲信号到达各个基站的时间，然后根据，c = ，i = 1，2，3......得到UWB标签到达各个UWB基站之间的距离，利用若干个UWB基站已知位置坐标为圆心，以对应的各自与UWB标签的距离为半径做圆，三个圆的交汇处就是目标的所在地点，几何分析如下图所示。

根据几何原理建立方程组并求解，即可得到标签的位置信息，计算过程如图3-1所示。

将看成未知量，对上述方程进行求解，就可以得到标签的位置。

影响TOA定位方法精度的主要是时钟同步的误差和UWB脉冲信号到达各个接收机的时间的测量误差，如果UWB基站和标签无法做到精确的时间同步，获得的到达时间会有误差，进而得到的也会有误差。

因此，TOA定位方法的实现需要严格的时间同步。

3.2 TDOA估计及其定位模型
TDOA（Time Difference Of Arrival）定位又称双曲线定位，它的原理是测量出两个不同UWB基站与标签之间的到达时间的差值，再乘以电磁波在空间中传播的速度c，便可以得到一个固定的距离差，其几何原理如图3-2所示。

由于TDOA算法不需要得到绝对时间，这大大降低了系统对时间同步的要求，从而降低了系统的复杂度。

根据双曲线的数学原理，以其中一个UWB基站的已知坐标为焦点，两者之间的距离差为长轴做出一条双曲线，同样以另一个UWB基站的已知坐标也可做出双曲线，两条双曲线的交点即为标签的位置，即图3-2中X的位置所示
图3-2 TDOA定位算法原理
四、定位技术前景展望
UWB民用化以来，其依靠自身优势，在无线局域网和无线个域网方面被广泛应用，随着科技的不断发展，加上人们对于室内场景的需求日益增加，UWB通信与定位技术正被广泛适用于诸如医疗、消防、体育等多个领域。

部分极端环境如矿井、隧道中，在不了解环境的情况下，不利于人实施工作，由于UWB的优秀抗干扰能力和信号穿透能力，使得极端环境下人的安全保障得到提高。

例如，消防员在复杂的楼房中进行消防救援时，楼层内复杂而陌生的建筑结构会对消防员的人身安全造成威胁，UWB定位系统可以克服火场的不利环境，实时掌握消防员在室内的位置，从而保障消防员的人身安全。

参考文献
[1]郭桓宇，侯悦民，李康.RFID定位方法及其在智能制造中的应用[J].电子科技，2017，30（04）：115-118+122.
[2]X.Han and Z.He，"A Wireless Fingerprint Location Method Based on Target Tracking，"[C] 2018 12th International Symposium on Antennas，Propagation and EM Theory（ISAPE），Hangzhou，China，2018，pp.1-4.
[3]S.Zhang，R.Han，W.Huang，S.Wang and Q.Hao，"Linear Bayesian Filter Based Low-Cost UWB Systems for Indoor Mobile Robot Localization，"[J] 2018 IEEE SENSORS，New Delhi，2018，pp.1-4.。