淺析UWB定位技術的應用

張魯川 董磊

摘 要：長期以來衛星定位系統在定位領域應用最為廣泛，比如說GPS定位系統主要是為船舶，汽車，飛機等運動物體進行定位導航。但衛星定位系統也有不足之處。在于定位信號到達地面較弱，不能穿透建筑物。超寬帶系統具有發射功率低、抗多徑、安全系數高、傳輸速率高、穿透能力強等特點。正是這些特點，超寬帶技術被廣泛應用于物體以及人的定位跟蹤與導航。

關鍵詞：UWB超寬帶無線電脈沖；信號強度分析（RSS）和到達角度定位法（AOA）；到達時間定位法（TOA）；到達時間差定位法（TDOA）

1 什么是UWB技術

提到UWB技術，非專業人士知道者甚少，不像WLAN、BLUETOOTH技術那樣眾所周知。其實UWB技術早在上世紀90年代就已經被提出。UWB是一種在雷達遙感中被廣泛應用的傳輸技術，也是一種無載波的超寬帶通信技術，也可稱為脈沖無線電。

2 UWB技術的特性

與藍牙、WLAN、TDMA、CDMA等帶寬相對較窄的傳統無線系統不同，UWB可以在寬頻上發送一組極窄的低功率脈沖。由于UWB頻譜寬、數據脈沖化、低功率，使得UWB的干擾小于傳統窄帶寬的無線解決方案。UWB具有以下特點。

2.1 發射功率低

超寬帶無線電信號的射頻帶寬可達1GHz以上，在近距離的應用中，UWB的發射功率低于1mW。這使得UWB系統與同頻段的窄帶通信系統保持良好的共存性。在發射時，將微弱的無線電脈沖信號分布在寬闊的頻帶之中，輸出功率甚至遠低于普通設備產生的噪聲，系統有較大的處理增益。接收時將信號的能量還原，在解擴過程中產生擴頻增益。

2.2 多徑分辨能力強

多徑傳播效應是限制數據傳輸速率與通信質量的重要原因之，多徑衰落是無線通信的一大障礙一。由于UWB采用的是持續時間非常短的窄脈沖，其時間和空間分辨能力較強，因此系統的多徑分辨率很高，因此能充分利用發射信號的能量。大量實驗表明，在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，傳統的無線技術非常容易受到建筑物內部和周圍多徑的干擾，UWB信號由于對信道多徑衰落不明顯，具有優良的抗多徑性能。

2.3 保密性能好

UWB的保密性能表現在兩方面。一方面是采用跳時擴頻，接收機只能在已知發送端的擴頻碼時才能夠解出發射的數據；另一方面是系統發射功率譜密度非常低，傳統接收機根本無法接收。

2.4 高處理增益

超寬帶無線電系統的處理增益是由UWB脈沖的占空比與發送各個比特所用的脈沖數決定的，因此能得到比實際擴譜系統高很多的處理增益。

2.5 便于系統集成

UWB技術很容易將通信和定位集成在一起，是因為UWB脈沖占空比特別低，有非常好的定位精度。信號的距離分辨力與信號的帶寬成正比。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。

3 UWB定位技術的應用

3.1 系統組成

一個基本的UWB的實時定位系統有一臺交換機、若干個接收器、至少一個參考標簽和若干個用于跟蹤人員或設備的定位標簽。

3.2 技術原理

UWB定位系統使用短脈沖超寬頻技術可以精確定位一個超寬頻射頻標簽。其原理每個UWB系統的定位標簽反復發出脈沖數據包，這個數據包是由一串超寬頻脈沖組成。由于這些標簽不是同時發送，并且每個標簽發送的時間極短，所以每個數據包發生碰撞的可能性很小，所以在同一個區域可以同時處理幾百甚至幾千個定位標簽。

UWB實時定位系統的接收器接收定位標簽發送出來的脈沖數據包。接收器通常部署在定位區域的邊緣。三個接收器或以上可以精確進行二維定位，四個接收器或以上可以進行三維定位。如果只有一個接收器，可以用來做靠近測試。

每一個UWB定位系統的接收器使用高度敏感、高速度、短脈沖的監聽來測量每個脈沖數據包到達其天線的精確時間。超寬頻脈沖極寬的帶寬使得這些接收器測量脈沖數據包到達的時間可以精確到納秒級。UWB系統的中心交換機根據參考標簽的坐標、脈沖數據包到達各個接收器的時間差和一個多路徑算法，精確的確定一個定位標簽的位置，精度可高達10cm。

3.3 無線定位技術方式

常用的無線定位方式有以下幾種：信號傳播時間的測量方法、基于接收信號強度的測量方法、基于信號到達角度的測量方法和混合定位法。

3.3.1到達時間定位（TOA）和到達時間差定位（TDOA）方法。基于信號傳播時間的定位方法分為基于信號到達時間（Time Of Arrive，簡稱TOA）和信號達到時間差（Time Difference Of Arrive，簡稱TDOA）兩種定位方法。

被測點發射信號發送到4個及4個以上的參數接收機，通過測量信號到達各個接收機所需時間，得到發射點與接收點之間的距離，然后以接收機的節點為圓心，所得距離為半徑作圓，這些圓的交點即為目的節點的位置。但到達時間定位要求參考節點與被測點應嚴格保持時間的同步，否則會使定位精度受到非常大的影響，大多數情況下應用場合無法滿足這一點。

與TOA不同的是，只是測量得到的是時間差而非絕對時間，TDOA技術只需要接收機時間同步，不要求參考節點與被測點之間的嚴格的時間同步。TDOA技術只是通過測量發射信號到達不同接收機的時間差來進行定位。一個TDOA測量值對應的是以兩個參考節點為焦點的一對雙曲線。

3.3.2 信號強度分析法（RSS）和到達角度定位（AOA）。RSS定位方式就是根據某一參考信號在空間中的衰落程度，計算出距離的。RSS定位方式通過測量接收信號的場強和已知信道衰落模型與發生信號場強來估計彼此之間的距離。AOA通過直接測量兩個接收機的信號到達角度進行定位，需要配置復雜的天線系統。

所以，信號強度分析和到達角度定位的方法一般不單獨用于UWB測距，只當做輔助手段進行初級定位，UWB能夠實現精確的定位主要還是依靠精密測距完成。

3.3.3 混合定位方法。混合定位利用前面提到的方法，利用其各自的優點和特點，進行兩種或多種組合進行定位。

3.4 定位協議

測距和定位技術為設計無線網絡，對移動節點重新定位的算法和相關協議提供了基本框架。定位節點可分為完整節點與簡化功能節點。完整節點和多個簡化功能節點，以及相鄰的FFD進行通信，僅能與一個FFD通信即可非常簡單的完成RFD的定制。定位協議可分為兩類：基于錨的協議和無錨協議。

4 UWB定位技術前景

UWB定位技術具有抗干擾性強、功率低、保密性好、精度高等優勢，想必在未來的應用中會越來越多。現在國內很多廠家也都已經有比較成熟的產品。在我國，UWB技術也才起步不久，相信未來會有更多的人和企業開始接觸和探索UWB技術，帶來更多新穎、具有創造性的產品。

參考文獻

[1]Maria-Gabriella Di Benedetto Giancola著，葛利嘉，等，譯.超寬帶無線電基礎[M].北京：電子工業出版社，2005.

[2]唐春玲.“UWB定位系統研究”[D].西南大學，2008，5：25-26.

[3]王波.“淺談UWB定位技術”[J].中國新技術新產品，2011，23.

[4]曾文，王宏，徐皚東.超寬帶技術的信道模型和定位技術研究與分析[J].計算機科學，2007.