基于超寬帶的室內(nèi)定位技術

李自良，韓 笑，李 碩，袁保合

（華北水利水電大學，鄭州 450045）

隨著信息化時代的深入，信息產(chǎn)業(yè)的各行各業(yè)都呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的趨勢。“位置”作為一類信息開始被人們所關注，尤其是隨著無線定位技術的快速發(fā)展，使得這一類信息可被廣泛使用于日常生活中，促使了許多依賴位置的服務產(chǎn)生。超寬帶技術憑借其定位精度高、多徑分辨率高、傳輸速度快、穿透能力強、發(fā)射功率小、系統(tǒng)復雜度低等優(yōu)點成為眾多無線室內(nèi)定位中最具發(fā)展前景的技術之一。

1 超寬帶技術

超寬帶（UWB）技術最早使用在包括軍用雷達和遙感等軍事領域中。21世紀初，F(xiàn)CC認可超寬帶技術可以應用于民用領域。超寬帶（UWB）定義如下：

即相對帶寬大于20%或者絕對帶寬大于500MHz。fH、fL指信號功率譜密度的峰值衰減10dB時所對應的上下限頻率。

UWB不需要傳統(tǒng)通信中的載波，通過發(fā)送和接收窄脈沖來傳輸信息，使得其帶寬非常大，可以達到GHz。

基于超寬帶技術的室內(nèi)定位系統(tǒng)采用基帶窄脈沖方式，具有較強的穿透障礙物能力，能夠滿足室內(nèi)復雜環(huán)境的要求，同時由于超寬帶時間分辨率小于1ns，可以在保持通信的同時實現(xiàn)厘米級別的定位精度。

2 超寬帶室內(nèi)定位原理

為了實現(xiàn)精確定位，無線定位系統(tǒng)必須首先獲得定位解所需的參數(shù)，然后根據(jù)這些參數(shù)構造相應的求解模型，然后利用求解模型來求得目標的位置。因為超寬帶具有很高的時間和空間的分辨率，所以可以準確地獲取目標的時間和角度信息，并將時間轉化為距離信息，從而求得目標的位置。

基于UWB的定位技術通常采用測向和測距來實現(xiàn)定位，按照其測量參數(shù)的不同可分為4種方法：信號強度（RSS：Received Signal Strength）檢測法、到達角度（AOA：Angle Of Arrival）定位法、到達時間（TOA/：Time Of Arrival）定位法、到達時間差（TDOA ：Time Difference Of Arrival）定位法。

2.1 信號強度檢測法（RSS）和到達角度定位法（AOA）

基于RSS的檢測方法取決于線損模型，節(jié)點間的距離也影響著其精度，而且其對信道環(huán)境很敏感，魯棒性較差。此外，距離的估計與信號的帶寬無關，因此不能充分利用UWB的大帶寬。

基于AOA的檢測方法需要多陣列天線或波束形成技術，造成了系統(tǒng)成本的增加，而且角度誤差對定位精度影響遠大于測距誤差。

因此，AOA和AOA一般不是單獨用作UWB定位，而是作為粗略定位的輔助手段。

2.2 到達時間定位法（TOA）

被測點發(fā)射信號給3個以上的參考節(jié)點，通過測量到達不同參考點所用的時間，得到發(fā)射點與參考點間的距離。然后以分別以三個參考點為圓心，被測點到各個參考點的距離為半徑作圓，三個圓的交點即為目標的位置，即三圓確定一點。但是此方法要求參考點與被測點保持嚴格的時間同步，在大部分的場合難以滿足。

2.3 到達時間差定位法（TDOA）

TDOA與TOA相比，TDOA獲得的是時間差，使用雙曲線交叉定位。該方法只需要參考節(jié)點之間的同步，不需要測量節(jié)點與參考節(jié)點之間的時間同步，使系統(tǒng)相對簡化，所以在定位系統(tǒng)中應用最廣。

3 系統(tǒng)組成

不同的定位方法有不同的系統(tǒng)組成，本文介紹一基于TDOA檢測方法的典型的室內(nèi)定位系統(tǒng)。

該室內(nèi)定位系統(tǒng)分為標簽、基站和中心處理器三部分。標簽的位置未知，它過一段時間向基站發(fā)送一次定位信號；基站的位置已知且固定，它與中心處理器相連，基站與中心處理器之間的傳輸延時也已知。系統(tǒng)的主要工作流程如下：

（1）標簽向基站發(fā)送定位信號。

（2）各個基站將接收到的標簽發(fā)出的定位信號發(fā)送給中心處理器。

（3）中心處理器收到傳輸?shù)臅r間差，通過特定算法，推算出標簽位置。

下面對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理過程進行介紹。標簽發(fā)射電路的時鐘讀出儲存器中的偽隨機調(diào)制編碼信息，用來控制電路中的脈沖間隔的變換。經(jīng)過偽隨機碼調(diào)制的時鐘序列激勵窄脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生窄脈沖，窄脈沖通過天線發(fā)射出去。接收機在系統(tǒng)時鐘控制下接收標簽電路發(fā)射的窄脈沖信號。因為電磁波輻射的過程中，會混雜入各種噪聲，所以必須進行濾波處理。其次，還需要進行等效采樣，進行篩選，獲得有效的信息。最后中心處理器將獲得的有效信息經(jīng)過算法，得到目標的位置。簡而言之，超寬帶定位系統(tǒng)通過產(chǎn)生、發(fā)射、接收和處理超寬帶信號來進行定位。

4 存在的問題和未來前景

超寬帶系統(tǒng)中存在很多誤差來源，比如非視距影響、噪聲影響、參考節(jié)點之間的不同步和求解方程帶來的誤差等。

超寬帶技術雖然具有諸多優(yōu)點，但是目前國內(nèi)外的技術都還不成熟。但是隨著目前物聯(lián)網(wǎng)技術的火熱發(fā)展，人們對位置精度的需求也越來越高，基于超寬帶的室內(nèi)定位由于其高精度的定位，一定可以廣泛應用。