超寬帶室內高精度定位技術研究

楊 洲，汪云甲,2,3，陳國良,2，張言哲

(1.中國礦業大學 環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116；2.國土環境與災害監測國家測繪地理信息局重點實驗室，江蘇 徐州 221116；3.江蘇省資源環境信息工程重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

1 引言

近年來，隨著近距離無線通信和移動網絡技術的不斷發展，基于位置的服務(location-based service，LBS)越來越受到人們的重視[1]。尤其是在室內，據統計未來十年人們75%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 positioning system，GPS)在室外已經可以近乎完美地提供位置信息，但是在室內環境下，由于建筑物的遮擋、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、無線保真(wireless fidelity，WiFi)、紫蜂(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技術由于其能耗較大，且容易受到信號的干擾，信號覆蓋的范圍也僅局限于90 m以內的空間，所以該技術的優勢并不明顯；Zigbee技術盡管具有低功耗、低成本、通信效率高等優點，但是其定位結果不穩定，系統可靠性不強[2]。

超寬帶(ultra-wide band，UWB)技術最早出現在美國軍用領域，2002年4月美國聯邦通信委員會(Federal Communications Commission，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3.1～10.6 GHz共7.5 GHz的帶寬。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計劃通信技術主題研究項目中，首次將“超寬帶無線通信技術及其共存與兼容技術”作為無線通信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技術是通過極窄脈沖來傳輸數據而不是通過傳統的載波來傳輸數據，導致其數據傳輸速度極高[3]，除此之外，UWB技術具有系統復雜性低、信息安全性高、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 超寬帶技術

2.1 UWB信號

超寬帶UWB技術與傳統的通信技術有很大差異。它不是利用傳統的載波來傳輸數據，而是通過發送和接收具有納秒及其納秒以下的極窄脈沖來傳輸數據，從而具有GHz量級的帶寬。FCC對超寬帶的定義為[4]：

(1)

式(1)中，fL、fH分別表示功率相對于峰值功率下降10 dB時所對應的低端頻率和高端頻率；fC為載波的中心頻率。

UWB采用沖擊脈沖作為信息載體的非正弦系統，根據香農信道容限公式為

C=Blog2(1+P/BN0)

(2)

式(2)中，P為信號功率，B為信道的帶寬，N0為高斯白噪聲功率譜密度)。由式(2)可知，增大信道容量可以通過兩種方法實現，一是增大傳輸帶寬，二是通過增加信號功率。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信號的定義及特點，UWB技術相對于其他傳統通信技術有如下技術優勢[5-8]：

(1)傳輸速度快，系統容量大

根據香農信道容限公式，系統的最大傳輸速率與系統帶寬成正比例關系。UWB通信的帶寬都在500 MHz以上，其傳輸速率也達到1 Gbps以上。而傳統的無線載波通信系統由于頻帶窄，要使傳輸速率達到100 Mbps以上，必須采用多進制調制等方法，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復雜性。

(2)發射功率低

超寬帶無線電具有的1 GHz以上的射頻帶寬，發射時需要的平均功率很低。特別是在短距離通信應用中，UWB發射機的發射功率普遍低于1 mW；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)多徑分辨率高

UWB信號采用持續時間很短的窄脈沖，具有較強的時間和空間分辨率，系統的多徑分辨率高，整個系統就能充分利用發射信號的能量。此外，UWB信號具有良好的抗多徑性能，對于信道多徑衰落不敏感，接收機通過分級便可以獲得很強的抗衰落能力，在室內或者建筑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，信號能夠很好地隱蔽在其他類型信號和環境噪聲之中，傳統的接收機無法識別和接收，必須采用與發射端一致的擴頻碼脈沖序列才能進行解調，系統具有較強的系統安全性。

(5)穿透能力強

窄脈沖具有很強的穿透能力，可以幫助比如警察搜尋隔墻的逃犯，以及解救那些被圍困在建筑物里邊的人們。

(6)定位精度高

UWB信號具有超寬頻帶的特性，具有較高的空間分辨率，使得UWB系統的距離分辨精度是其他系統的成百上千倍。UWB信號的距離分辨能力可達到厘米級，這是其它窄帶系統望塵莫及的。

超寬帶技術開發了一個具有大容量的無線信道，它還具有對信道衰落不敏感、發射信號功率譜低、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，超寬帶信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信功能和定位功能的超寬帶脈沖無線定位系統[9]，廣泛應用于消防、智能化工廠、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量信息，建立相應的數學模型，然后根據這些變量和參數以及數學模型來解算目標的坐標。UWB定位技術具有超高的時間和空間分辨率，保證了UWB可以準確的獲得待定位目標的時間和角度信息，時間信息可以轉化為距離信息，結合角度信息利用三角定位等幾何定位方法求得待定位目標的位置信息。常用的測量角度和時間信息的方法有：基于接收信號強度(received signal strength，RSS)、基于接收信號到達角度(angle of arrival，AOA)、基于接收信號時間法(time/time difference of arrival，TOA/TDOA)、AOA和TDOA混合定位法[10]。

3.2 UWB定位算法

3.2.1 RSS法

圖1 RSS法定位原理

通過測量節點間的能量來估計目標與接收機之間的距離，由于接收信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信號的強度和接收信號的強度利用衰減模型反演得到[11]。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。

3.2.2 AOA法

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信號的到達角度，從而估計出定位目標的位置[12]。在二維空間中，假設第N個基站的坐標為(xn，yn)移動待測點 MS 的坐標為(x，y)，則通過圖2 可以建立基站(based station，BS)與待測點(mobile station，MS)的幾何位置關系，該幾何關系的表達式為

(3)

式(3)中，θn為第N個基站獲得的方位角信息，聯立兩個基站的方程式得式(4)，即可求得移動待測點的坐標(x，y)。

(4)

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

3.2.3 TOA/TDOA法

基于AOA的定位方式，由于多路徑效應和接收機天線等的限制，往往需要較多的傳感器同時工作，無疑增加了系統的成本；而基于TOA/TDOA的定位算法要么需要傳感器和目標的時間同步，要么需要較多的傳感器同時工作，都不是最理想的解決方案。利用AOA/TDOA混合定位的方法，最少只需兩個傳感器同時工作就可以得到待定位目標的三維坐標。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。

圖2 AOA法定位原理

圖3 UWB TDOA定位原理

TDOA測距是根據雙曲線的定位原理，測得定位目標的UWB信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。定位原理如圖3所示：

結合以上兩種定位方法，AOA測得定位目標與接收機的方向信息，TDOA得到定位目標的距離信息，兩者結合最終得到定位目標的三維坐標。

3.3 UWB定位測試

3.3.1 測試實驗

實驗場地設在中國礦業大學環境與測繪學院C411房間，房間大小為7 m×9 m。采用英國Ubisense系列定位系統，根據房間大小布設四個傳感器，分別位于四個角，調整合適的角度和高度。Ubisense系統由三個部分構成：定位標簽、定位傳感器和定位中心處理平臺。布設完畢后進行設備的校準，校準采用靜態校準和動態校準的方法，開啟定位區域傳感器使其正常工作，激活待定位標簽，設定標簽位置，與得到的定位結果進行對比，評價校準結果。實驗時，開啟傳感器，配置中心處理平臺，手持標簽沿事先規劃好的路線行走，行走過程中，傳感器不斷地接受標簽的UWB信號，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。

實驗采用TDOA/AOA的定位算法，定位傳感器接收到移動目標發射的UWB信號，將其通過數據傳輸線傳輸至定位平臺，定位中心平臺經過解算，將信號解算為位置數據，最終生成位置坐標，并將其存儲為日志文件。為了試驗方便和對比的清晰，設定“己”字型路線，經過測試后利用MATLAB處理軟件進行數據處理，得到如圖4所示的結果。

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20 cm以內，在拐角處定位的精度有較明顯的下降，但是也達到厘米級別。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傳感器瞬間接收到的定位信號變化較大，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/cm

4 超寬帶技術的應用

UWB的應用大致可以分為3類：通信、雷達/監視和跟蹤、定位[14]。

(1)通信

UWB具有很強的抗干擾能力，因此可用于室內蜂窩電話、樓內通信、保密無線電和無線寬帶因特網的接入。

(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。超寬帶使用極窄脈沖信號，高距離分辨率和寬頻譜的結合使其具有精確的目標識別能力，系統所產生的信號穿透性極強。

(3)定位

隨著通信技術的不斷發展，很多軍用和民用場合都需要精確的定位信息，利用UWB技術超高的時間和空間分辨率，可以獲得準確的位置信息，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，借助于UWB技術高精度的定位優勢可以使搜救工作事半功倍；目前在無線傳感器網絡熱點的研究中，借助于其精確的定位功能，有效地提高傳感器網絡的精確性和穩定性。

當然，隨著通信技術的進步和定位技術的發展，UWB的應用還遠不止于此。新的應用領域將不斷涌現，超寬帶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、布網簡單等優點，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算法進行探討，研究了適合于UWB定位的算法，并在此指導下開展測試實驗，實驗結果表明，UWB定位精度可以達到厘米級。最后對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。

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