淺析UWB超寬帶定位系統的發展應用

【摘 要】近年來，全球定位系統（GPS）和北斗定位系統的應用日趨廣泛，可以輕而易舉的實現全球的定位，但在許多場合關于精確定位的應用仍有較大的局限性。首先，對于某些應用，精度依舊太低，無法實現精準的定位，同時由于受電磁干擾的影響，全球定位系統存在一定的死區，在一些封閉的環境中，像大型倉庫、封閉的集裝箱等，根本無法接收到GPS及北斗信號，定位也就無從說起了。如何實現上述環境的精準定位，已經成為了一個亟待解決的問題。

【關鍵詞】全球定位系統；北斗定位系統；電磁干擾

1.國內外現狀

UWB（Ultra-Wide Band）超寬帶技術優異的傳輸特性決定了其在安全領域的地位，所以在1994年以前UWB領域的早期研究，特別是沖擊無線電通信領域的研究，屬于美國政府的機密計劃。1994年以后，許多研究計劃才逐漸取消了保密限制，加快了UWB的發展速度。近年來，UWB的研究在國際上倍受重視，各國都在致力于超寬帶技術及其產品的開發。

2.系統組成

2.1位置計算服務器

位置計算服務器包括位置計算引擎、圖形呈現服務器以及數據信息計算中心，主要進行系統的數據統計和位置信息計算。

2.2定位錨點

主要通過UWB無線鏈路，同定位標簽進行無線的信息交互，工作頻率在3-7GHZ，定位精度在15cm。

2.3軟件系統

（1）地圖管理及設置。

（2）錨點管理。

（3）平臺信息管理及設置。

（4）數據呈現。

3.關鍵技術

3.1脈沖信號加載技術

超寬帶無線電中的信息載體為脈沖無線電，脈沖無線電是指以超短脈沖作為信息載體的無線電技術，這種技術的特點是，通過對非常窄（往往小于1ns）的脈沖信號進行調制，以獲得非常寬的帶寬來傳輸數據。

3.2無線通信調制技術

UWB無線通信的調制方式有兩種：傳統的基于脈沖無線電方式和非傳統的基于頻域的處理方式，其中傳統的基于脈沖無線電調制方式又包括脈沖位置調制、脈沖幅度調制等。

3.3信道模型技術

目前尚未有一個通用的UWB信道模型，IEEE 802委員會關于UWB的信道模型提案主要有：Intel的S-V模型、Win-Cassioli模型等。其中修正后的S-V模型被推薦為IEEE 802.15.3a的室內信道模型，該模型能很好擬合UWB實驗中得到的數據，已經得到廣泛的認可，成為各研究機構進行UWB系統性能仿真的公共信道平臺。

3.4天線技術

UWB系統中，通常使用的面天線，它的特點是能產生對稱波束，可平衡UWB饋電，因此它能夠保證比較好的波形。目前，UWB系統天線設計還處于研究階段，沒有形成有效的統一數學模型。

4.擬解決關鍵問題

4.1特定區域的精確定位

目前在反恐、應急、救援等應用中，室內定位是一個關注的熱點。室內無法利用GPS、北斗等衛星定位系統，需要采用新的技術實現室內定位。UWB憑借其準確的定位優勢，采用協作模式與GPS等室外定位系統結合，實現全方位立體化的定位。

4.2遠距離分辨率

由雷達分辨理論可知，雷達信號的距離分辨率與其工作帶寬有關，工作帶寬越寬，其距離分辨率就越高。UWB雷達的距離分辨率相當高，一般可達厘米數量級。

4.3目標識別能力

UWB雷達目標回波由目標的早期響應和晚期響應組成，利用其晚期響應可得到目標的極點信息。對于大多數雷達目標而言，它們的極點具有不變性，即目標的極點與視角無關，只與目標的形狀、結構和材料構成有關，是目標的固有屬性，因此利用目標的極點可對目標進行識別。另外，利用目標的早期響應可得到目標的一維距離像，這也有利于目標的識別。

4.4目標成像的能力

一般說來目標成像要求有高的距離分辨率和角分辨率，采用超寬帶雷達信號，將UWB信號與合成孔徑技術相結合，可得到目標高分辨率的三維圖像。

4.5發現隱蔽偽裝的目標

由于UWB雷達具有較豐富的低頻分量，因而具有穿透叢林、樹葉，探測地表和墻后目標的能力。這一特點對于探測戰場上隱蔽在叢林、草叢中的敵方坦克、火炮等極為有利。另外，隱身目標的隱身手段是針對電磁波某一頻段而言，在UWB雷達信號寬頻段的照射下，隱身目標的隱身能力會失效。

4.6極強的“四抗”能力

目前雷達面臨著電子干擾、隱身技術、反輻射導彈和低空突防的嚴重威脅。UWB雷達工作頻段極寬，隱身目標在它的照射下會原形畢露，電子對抗設備要對UWB雷達信號進行截獲、分析和干擾也變得極為困難。由于UWB雷達信號低的截獲概率和識別概率，反輻射導彈要想對它進行攻擊也變得困難。

5.技術特色和創新點

5.1傳輸速率高，系統容量大

根據Shamon公式，系統的最大傳輸速率與系統的帶寬成正比。UWB通信的帶寬至少為500MHz，其傳輸速率可達1Gbps以上。傳統的無線通信系統因為頻帶窄，要實現100Mbps以上的傳輸速率，必須采用多進制調制等方法，這就對信噪比提出很高的要求，同時提高了系統的復雜性。

5.2發射功率低

超寬帶無線電的射頻帶寬可達1GHz以上，所需的平均功率很小。在短距離應用中，UWB發射機的發射功率低于1mw；低發射功率可以延長系統電源工作時間，而且發射功率小，其電磁波輻射對人體的影響也會很小。

5.3多徑分辨力高

由于UWB采用持續時間很短的窄脈沖，其時間、空間分辨力很高，系統的多徑分辨率很高，因此能充分利用發射信號的能量。實驗表明，對常規無線電信號多徑衰落深達10-30dB的多徑環境，UWB信號的衰落最多不到5dB。多徑衰落是無線通信的一大障礙，傳統的無線技術容易受到建筑物內部和周圍多徑的干擾，而UWB信號由于對信道多徑衰落不敏感，具有優良的抗多徑性能，接收機通過分集可以獲得很強的抗衰落能力，特別適合使用在室內等多徑密集的場合，同時在進行測距、定位、跟蹤時也能達到更高精度。

5.4保密性強

多數情況下，UWB信號的功率譜密度相當于自然的電子噪聲，采用編碼對脈沖參數進行偽隨機化后，脈沖的檢測將更加困難。由于UWB的發射功率低，信號隱蔽在環境噪聲和其它信號之中，用傳統的接收機無法接收和識別，必須采用與發射端一致的擴頻碼脈沖序列才能進行解調，因此增強了系統的安全性。

5.5穿透力強

窄脈沖具有很強的穿透力，UwB具有比紅外線更廣泛的應用，如幫助警察搜尋隔墻的逃犯，以及解救那些被圍困在倒塌建筑物罩而的人們。此外，適用于窄帶系統的叢林通信模型同樣可適用于超寬帶系統，超寬帶技術還能實現隔墻成像等。

5.6定位精度高

信號的距離分辨力與信號的帶寬成正比。由于超寬帶信號的超寬頻帶特性，使得UWB系統的距離分辨精度是其它系統的成百上千倍。UwB信號脈沖寬度在納秒級，其對應的距離分辨能力可高達厘米級，這是其它窄帶系統所無法比擬的。較高的距離分辨精度也使得超寬帶系統在完成通信的同時還能實現準確定位、跟蹤，定位與通信功能的融合也擴展了超寬帶系統的應用范圍。

6.結束語

采用UWB進行無線定位，可以滿足應用中的無線精確定位的需求，在眾多無線定位技術中有相當大的技術優勢，目前的研究表明超寬帶定位的精度在實驗室環境已經可以達到十幾厘米，此外，超寬帶無線電定位，很容易將定位和通信結合，快速發展的短距離超寬帶通信無疑將帶動UWB在定位技術上的發展，而常規無線電難以做到這一點。雖然無線精確定位技術已經有了很多年的發展，但目前超寬帶技術正處于發展的初級階段，精確定位技術正在進行中，定位算法還有待改進，隨著超寬帶技術的不斷成熟和發展，在重要物資定位系統、仿真訓練系統以及特殊場景的人員定位系統都將有著長遠發展前景，對我國信息化建設起到重要的推動作用。

【參考文獻】

[1]牛犇，梁濤.超寬帶無線通信系統的調制方式研究[J].電子質量，2004（05）.