UWB简介及其定位方法

UWB简介及其定位方法

1前言

本文阐述有关UWB的简介及其定位的方案，定位方法介绍了TOA、AOA/DOA、TDOA、RSSI这几种定位方法。

2概述

随着现在无线技术的发展，无线室内定位技术也得到了飞速的发展，现在常用的室内无

线定位技术就有很多种，包括了基于WiFi的定位、蓝牙定位、小基站定位、LED可见光定位、超宽带定位、RFID、惯性导航、地磁定位、伪卫星等多种室内定位技术。其中的超宽带定位

技术是一种特别适合于应用在室内的定位技术，超宽带定位技术具有定位精度高(1~15cm)、

抗干扰能力强、分辨率高、低功耗等优点。

表1 各种无线定位技术的对比

超宽带(UWB)技术在军用和民用场景都有很多应用，并且具有光明的前景。UWB技术的应

用场景大致可以分为三个方面，分别是通信、雷达和定位，UWB技术科应用于智能家庭、无线网络、战术组网电台、探地雷达、车辆避撞雷达以及军用民用需要精确定位的系统中。目前，市场是已经出现了基于UWB达到室内定位装置。例如：英国的Ubisense公司推出了将TDOA和AOA相结合的室内定位系统，测距范围达到50-100m，精度可达15cm。美国的Zebra公司推出

了Dart UWB系统，该系统建立在Sapphire DART核心功能之上，能够快速、准确的进行定

位，精度达到30cm，测距范围达到100m。

根据是否需要测量距离，无线定位方法分成测距定位和非测距定位两类。从测距方法来看，以RSSI为主，也有使用TOA、TDOA、AOA/DOA以及多种测距手段联合的系统。

3UWB技术

3.1UWB国内研究现状

我国对于UWB技术的研究相对较。2001年，第一次将超宽带技作为无线通信的共性技术与创新技术的研究内容列入国家终点研究课题，才开始对UWB技术进行研究。在国家科研项目的支持和鼓励下，我国的不少高校在UWB技术上取得了积极的进展，对UWB天线的设计、UWB信号的发送、UWB定位算法以及多种定位方式融合进行了研究。我国的不少公司也针对UWB的应用

进行的研究，很多公司开发了基于UWB技术的定位系统。国内大量公司研究基于UWB的室内定

位技术，拥有自己的定位解决方案和软硬件产品，但是没有统一的标准，该行业目前还不成熟，市场的需求不是很多。

3.2UWB国外研究现状

UWB技术最初的开发和应用在军事方面，主要进行雷达探测和定位。UWB技术一开始并没

有应用在民用方面，后来在2002年2月美国联邦通信委员会(FCC)确认了UWB技术的频谱范围，才批准UWB技术应用于民用方面，这使得UWB技术有了很大发展空间。在国外首先是有很多著

名的高校、公司和研究机构对UWB技术开展研究，到2006年已经有很多家公司可以提供UWB芯

片了，由于UWB芯片有高速和低功耗的特点，所以UWB芯片特别受欢迎，也得到了飞速的发展。到2011年，UWB高速芯片销售量已经达到3亿枚，并呈现出每年400%的增长趋势。随着UWB技术的发展，基于UWB技术的系统的定位精度已经可以达到厘米级。

3.3UWB技术简介

UWB技术的全称是Ultra Wide Band，即超宽带技术。FCC对超宽带信号的定义：

即相对带宽大于20%或者绝对带宽大于500MHz。fh、fl指信号功率谱密度的峰值衰减10dB

时所对应的高端频率和低端频率。根据香农公式

可知，UWB技术是通过增大传输带宽来增大信道容量的，因此具有非常高的传输速率。实现UWB无线电通信的方法可以分为两种，分别是脉冲无线电和多频带OFDM。

4定位方案

无线定位的方法大致可以分为基于距离测量的定位方法和基于非测距的定位算法。基于

距离测量的算法有三边定位法、三角定位法、最大似然估计法等等；基于非测距的定位算法

有质心定位法、APIT定位法、MSP定位法等等。本篇文章讲述的定位方法以测距定位方法为主。

4.1基于TOA的距离测量及其定位模型

TOA(Time of Arrival)测距的基本原理是得到UWB脉冲信号到达各个基站的时间，利用了UWB脉冲信号到各个基站间距离R与信号传播时间t成正比例关系，于是有：

其中c为光速，即c=3×108m/s。

TOA定位俗称圆周定位，即根据测量的距离为半径进行画圆，通过圆的交点确定标签的位置，所以至少需要有三个基站。以测得到三个基站的距离为半径进行画圆，绘出的三个圆将

会有一个共同的交点，三个圆共同的交点即为标签所在位置，即可实现定位，如图1所示。

图1 TOA定位集合分析

根据几何原理，可以得到如下方程式：

其中(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)是已知的UWB基站的坐标，R1、R2、R3为测得的与三个基站间的距离。均为已知量。根据上述式子再经变换，就可以求出标签(x0,y0)的位置，就可以实现标签的定位。

TOA测距要求知晓测距信号的传输开始时刻和奇数时刻，要求基站节点和信标节点的时钟

保持高度同步，微小的时间误差就将导致较大的测距误差，所以其适用性大大降低。

4.2基于AOA/DOA距离测量及其定位模型

基于AOA(Angle of Arrival)的距离测量方法是通过测量信号到达的角度求解目标的位置。基于DOA(Direction of Arrival)的距离测量方法是指空间信号到达的方向。因此AOA和DOA本质上是一个概念。下文中直接称DOA。

DOA定位是利用接收信号的天线具有方向性，基于信号的入射角度进行定位的。因为是测量标签与基站之间的角度得到的定位信息，所以至少需要两个已知的UWB基站。根据标签与基站之间的角度，绘制两条直线，两条直线的交点即为标签的位置。如图2所示。

图2 DOA定位示意图

其中(x1,y1)、(x2,y2)为已知基站的坐标，θ1、θ2为测量得到的标签与基站之间的角度。根据公式：