超寬帶室內定位技術的原理及應用

魏昕 馮鋒

摘要：衛星定位技術（GPS）在日常生活中的普遍使用，使人們對室內定位的要求提高了。超寬帶（UWB）是一種定位技術，穿透力強的特點能實現穩定的室內定位，而且根據UWB不同的定位算法來得到精確的定位精度。本文結合UWB使用場景和最新應用討論UWB發展面臨困難和研究熱點，任何一個場景的物聯網化解決方案都要基于物體的位置而實現。

關鍵詞：超寬帶;TOF;定位技術

中圖分類號：TN925文獻標碼：A

文章編號：1009-3044（2020）22-0033-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

隨著科技的發展與進步，衛星定位技術（CPS）在日常生活中的普遍使用，現在已經不滿足于室外定位，在室內或有遮擋物的情況下，GPS因其特點而無法實現精準的室內定位服務。在現有的無線定位技術中，UWB技術在測距過程中載波信號具有高傳輸率、低功耗、抗干擾性強等優點且定位精度能夠精確到厘米級別，使得UWB相對于Wi-Fi、藍牙、RFID等無線射頻定位有著不可比擬的優勢，因此選取UWB作為室內定位的通信信號[1]。

1 UWB

超寬帶（UWB）技術是一種無線載波通信技術，它在超寬的帶寬上傳輸信號，產生極短脈沖的信號源來傳輸數據，所以頻譜范圍在3.5Ghz至4.5GHz的范圍內才符合UWB信號，UWB實質上是很高的射頻頻率來達到高帶寬的無線技術，對上升時間和下降時間都很短暫的脈沖進行調制。

2 UWB定位原理

目前，UWB定位一般采用基于距離的定位算法[2]。主要的算法是TOF測距、TDOA測距、AOA測距三種定位算法。

2.1 TOF定位算法

TOF（飛行時間）定位算法的核心為：在收到數據后開始測量收發設備間的信號傳播時間，再用信號的傳播速度和時間相乘，就可以得到兩個設備之間的距離。保證TOF準確性的要點是精確計算信號的飛行時間，用單邊雙向測距可以得到設備間距離。單邊雙向過程如圖1所示。

在計算設備A和B之間的距離時，只要算出飛行時間乘以光速即可，記錄下A的發送時間和B的接收時間，在等待Treply后，記錄下B的發送時間和接收時間，可根據公式算出信號的飛行時間。

2.2 TDOA定位算法

TDOA（到達時間差）定位算法的核心是：發送設備發出兩種信號，比如射頻信號和超聲波信號，接收信號時分別記錄不同信號的到達時間，并計算出TDOA的值，再通過乘以信號傳播速度獲得節點之間的距離。到達時間差△t可表示為：

公式（4）中，c1，c2為兩種信號的傳播速度，d為收發設備之間的距離?？梢郧蟮茫?/p>

TDOA定位的精度很高，缺點是在非視距環境的影響及所用信號傳播距離有限的情況下，測距精度會有很大的降低，同時該定位技術對設備的位置和功率也有特定的要求[3]。

2.3 AOA定位算法

AOA（基于到達角度）的定位算法是通過計算發送設備和接收設備之間的角度或者相對方位來估算兩個設備之間的距離[4]。

AOA定位技術有兩種：一是波束成形技術，是根據接收天線的角度變化，利用的是方向性天線的方向圖，先對接收信號相位進行反轉，再用波束成形技術得到此信號強度最高的方向，就是發送信號的方向。二是相位相干檢測法，是根據接收天線的相位變化，用陣列天線或者很多接收機來算出每個天線接收信號的相位差，然后估算信號發送時的方向。

AOA定位大多數情況下需要利用陣列天線或者多個信號接收器來計算收發設備之間的角度信息。AOA定位除了提供距離信息還可以提供收發設備間的相對方位?；驹砣鐖D2所示。

3 應用

UWB定位技術適用于特定的場景，如成本高、受到干擾情況多或定位區域面積大的問題則要考慮其他技術，所以采用UWB定位技術的關鍵是了解定位需求中的高精度性，考慮是否需要這么高的精度，且使用環境適合。

3.1 工廠人員定位

工廠定位分為人員定位和工廠物品定位。人員定位的內容是到崗時間，在崗情況，工作效率，定位需求對精度要求不大，在工廠內即可，但在現實情況下，參考人員在工作崗位的時間，判斷工作效率是否達到一定標準，UWB在這方面優于其他定位技術。類似于通過位置情況來判斷人員是否工作，都可以用UWB來實現工作效率的提升。還有對工廠的危險區，如變電站，化學物品，易燃易爆物等位置，對進人人員要進行嚴格要求，UWB的電子圍欄功能十分適用，在無許可人員進入后進行警示。尤其是核電廠，對電子圍欄按時間粒度、空間粒度劃分，設置警報的不同臨界值，其他的考勤、簽到功能作為輔助手段使用。

3.2 隧道人員定位

隧道定位就是對施工人員位置的精確定位，隧道施工會發生塌方的現象，不確定工人的位置搜救十分困難，用UWB定位技術來實施救援方案則可減少塌方后工人的死亡率，定位的精度決定了搜救的困難程度，現在地鐵的普及帶來的施工問題同步增加，安排UWB技術的定位方案，只要出現意外情況，能最快的進行搜救，而且隧道位置寬廣，安裝的基站少，是很適用的部署場景。

3.3 倉儲物流定位

倉儲定位則是對叉車的定位，叉車操控在倉庫復雜的環境中具有一定的危險性，倉庫中物品的堆放容易造成視線遮擋，在轉彎等位置易發生傷人、貨物倒塌等事故，從安全生產的角度看，能通過物聯網技術來避免事故發生，是切實可行且有必要的，其他的定位模式不能滿足定位精度上的要求。

3.4 機場管理定位

在機場中，UWB定位技術可以通過移動端給登機人員提供機場路線，旅客可以快捷地找到候機區、登機口、行李存取處等，避免貽誤航班。對機場管理方面，通過對UWB定位分析不同位置的旅客人員密集情況，能夠讓排隊井然有序，減少旅客流量，減少機場擁堵的情況，還可以對登機口變化和起飛延后的情況發送通知，以及向候機旅客發送促銷宣傳活動信息等。在檢查行李過程中，如果發現有可疑物品且無法確定，在物體上貼上UWB標簽，對物品跟蹤進行，系統實時監控，發現物品進入禁止區域，立刻發出警報信息。

4 結束語

2019年9月，iPhonell加入了UWB技術，除了定位跟蹤之外，把自己iPhone指向其他人時，系統就會根據距離優先排序，讓你更快速地空投文件，從而實現了iPhone能檢測到其他物品在現實空間中的位置，這是在其他智能手機現在無法達到的。蘋果公司在之后會出更多的周邊設備如手表、耳機等植入UWB芯片，UWB技術植入手機，讓很多UWB從業者看到空間感知技術快速發展的希望，UWB的產業鏈一會更加豐富和延伸。

UWB定位的市場范圍廣，適用場景多樣化，許多危險作業行業開始高度重視，室內定位現在在逐漸商業化，由芯片廠家和位置服務提供商對UWB的大力發展和推動，在五年后UWB技術將會愈加普遍，行業將會在廠商和國家的需求下迎來更好的發展。

UWB在未來市場，無論是智慧校園、電子門禁、智能家具、自動駕駛、物品防丟、智慧安防還是AR/ VR，針對一個環境的物聯網化解決方法都要基于物品的位置實現，UWB還有許多未探索的領域，基于UWB的高精度定位和不同行業的結合正在快速發展，這也是位置服務的真正價值所在。

參考文獻：

[1]丁亞男，張旭，徐露.基于UWB的室內定位技術綜述[Jl.智能計算機與應用，2019 （05）：91-94.

[2]孫利民，李建中，陳渝.無線傳感器網絡[M].北京：清華大學出版社，2005.

[3]宋洋，超寬帶室內定位技術研究[D].西安科技大學，2019.

[4]劉浩杰，改進的超寬帶室內定位算法研究[D].西安：長安大學，2017.

[5]張魯川，董磊.淺析UWB定位技術的應用[Jl.科技創新與應用，2015（19）：285.

[6]高思琪，孫建平.UWB定位技術的應用研究[J].儀器儀表用戶，2019，26（3）：77-82.

【通聯編輯：聞翔軍】

基金項目：寧夏重點研發計劃重點項目（2018BFG02003）

作者簡介：魏昕（1996-），男，陜西延安人，碩士研究生，主要研究方向為物聯網工程與應用;馮鋒（1971-），男，寧夏銀川人，博士，教授，碩士生導師，主要研究方向為信息系統工程、物聯網技術及應用。