工業無線定位測距的發展研究

摘 要：隨著測距精度的提高，測距儀在工業領域中得到了快速發展。為了更好地了解測距儀并提高其精度，首先介紹三種常見測距儀的原理，并對比其優缺點；其次總結國內外的研究現狀，比較常用的幾種信號特征值的優缺點，提出用無線電的波長測距這一新型的測距想法；最后對工業無線定位技術的發展前景進行預測。預測的新方法對于提高測距精度有一定的理論意義和工程應用價值，為工業用無線測距的發展奠定基礎。

關鍵詞：無線定位 測距儀 定位技術 測距精度

無線電定位方法是一種依靠基準點和被測點之間的信號傳輸時間差、相位差等指標來確定被測點的距離、位置和方位的技術手段[1]。隨后該技術在雷達測距、航空航天、建筑工程以及人身安全等范圍內應用廣泛。隨著GPS（Global Positioning System）的出現，無線電定位技術出現了轉折點，特別是在采用差分技術后，定位精度提高了一個臺階。比如民用導航衛星GPS的精度可達到5m，而在軍用、航空等方面定位精度則更高。

在工業領域，無線定位測距起著關鍵性的作用，一個零件的尺寸精度決定著整個機器的使用壽命，一條道路的寬度決定著車輛通行的流暢度，一棟建筑的高低決定著樓房的建筑成本，這些甚至決定著工業領域未來的發展命運。因此無線定位測距的精確性值得深入研究。

1 工業測距儀概述

通常測量距離的方法都是用尺（米尺、千分尺等），而對于精度要求較高的設備，尺的誤差太大，難以滿足社會的需要。目前市面上的測距設備可以簡單地概括為工業級和民用級。一般工業級測距儀的防護等級都比較高，而民用級測距儀的防護等級相對較低，通常工業所用的測量儀器設備有以下三種。

（1）激光測距儀。是發射激光束對被測目標的間距精準測定的設備。原理是測距儀發射一條激光束，遇到障礙物時光束返回到測距儀的光電接收模塊，通過計算往返的時間確定觀測者到被測點的距離[2]。當前激光測距儀是普及最廣的測距儀器。

（2）超聲波測距儀。是聲波的一種，利用超聲波遇到阻擋物會反射的原理，通過不斷地發射超聲波，直到測距儀接收器接收到反射的超聲波停止。通過計算反射到接收的時間確定觀測者到被測點的距離[3]。

（3）紅外測距儀。是利用電磁波中的紅外線測距，由于紅外線在發射到被測點的集中性強，能量損失小，所以紅外測距在遠距離測距上優勢巨大，比如用在全站儀5公里測距上[4]。

在這三種測距儀中，激光測距儀的測量精度最高，但它的成本也最高，需要注意人體安全，對于小型制造企業不適用。而超聲波測距儀在工業領域應用廣泛，但測量精度較低，會給精密制造企業帶來虧損。紅外測距儀雖然成本低、易制，但測量精度是三者中最低的，因此同樣不適用制造企業。通過對常見的三種測距儀進行比較分析，其優點和缺點如表1所示。

近年來出現了一種微波測距儀，該測距儀具有精度高、范圍廣、抗外界環境影響強等優點，尤其是在一些能見度較低的地方，依然能夠正常的全天候的測量，而且微波測距儀的制作成本相對較低，因此受到了廣大研究人員的關注。微波測距儀原理與雷達類似，是測量定位終端發出信號與接收被定位終端反射信號的時間延遲，簡而言之，就是測量電磁波往返觀測點與被測點之間的時間，然后通過三邊測量法、極大似然估計法等計算得出被測點的坐標。

2 無線定位測距研究現狀

2.1 國外研究現狀

19世紀中葉以后，英國物理學家麥克斯韋提出了電磁學，這標志著國際無線電技術的產生。1895年，馬可尼首次實現了無線電通信，隨后德國物理學家赫茲證實無線電傳輸是一種波的傳輸。1909年，意大利發明家馬可尼通過對無線電技術改進，使無線電報由此被發明。第二次世界大戰結束后，新興科技革命帶來了人造衛星，核武器，計算機等新發明，使無線電技術應用更普遍，大大帶動了無線電技術的發展。

在國際上，衛星定位主要以GPS、GLONASS、伽利略（Galileo）為主。其中，美國的GPS是世界上應用最廣的定位系統，但它也有不足之處，比如在大城市的高樓房和山區的叢林中會導致傳遞信號的曲線傳播，產生定位誤差。國外對于地面無線定位的研究成果中，大多數是以定位算法為主，并且根據算法實現了定位系統，目的是提高定位精度。其中影響定位精度的主要誤差是非視距（NLOS）誤差，國外學者對其進行深入的探討。Wylie M P[5]等利用距離測量的時間歷程，區分每個基站的視距和非視距測量；并利用統計的知識，校正NLOS測距誤差系統標準測量噪聲特性。Mcguire M[6]為了改進NLOS誤差，優化魯棒估計函數，實現了更精準的定位。Chintalapudi K[7]等根據室內特殊的復雜環境，依據RSS模型提出定位算法，實現室內測量的突破。新西蘭測量標準實驗室的Forde L C[8]提出的方法可獲得光電測距儀的周期誤差和加常數這個檢定裝置在95％置信概率下的不確定度預算值為0.39mm。

2.2 國內研究現狀

到了19世紀末，無線電技術開始融入我國。20世紀初，無線電技術在我國得到一定程度的普及，但并沒有真正意義上發展起來，直到20世紀中期，無線電技術得以快速拓展。比較具有代表性的是北斗雙星定位系統，它是我國首款自主研制的定位系統，對于我國的國家安全和國防建設等方面具有非常重要的作用，對于地面無線定位有著巨大的影響。

在地面無線定位方面，我國取得了一些研究成果，如武漢理工大學的張杰[9]結合ZigBee無線定位跟蹤系統，創造性地將USB接口加入無線傳感器網絡的網關節點上去，擴展了系統應用范圍，結果表明，此方法可以實現3m左右的定位精度，定位時間小于40μs，但還需進一步改善。湖南大學的陳杰[10]提出一種針對復雜遮擋環境存在多次反射信號誤檢測信號區分方法，結果表明此方法可以有效區分LOS、SBP、DBP 和經過三次或三次以上反射的非視距信號。在測距儀系統方面，西北大學的楊璐娜[11]開發了一種低功耗小型脈沖激光測距儀系統，通過測試，時間脈沖測量精度達到了皮秒（ps）級，相對誤差達到了百分之零點幾，但這只是個初步探索，還需進一步研究。趙武[12]等已研制成功測量大尺寸機械零件或構件的高精度測距儀系統，該系統采用雙縱模He-Ne激光為光源，測量范圍0～20m，穩頻精度在室外有風的環境下優于1×10-7，測量的不確定度達到30μm/10 m。張利紅等[13]提供了一種以MEGA8單片機為核心的低成本超聲波測距儀的設計方案，其測量精度可達0.5 cm，測量范圍能達2.5m。李金煜[14]利用三角定位法構建直角坐標系，搭建實驗平臺驗證定位精度，結果顯示能實現高精度自動定位。

綜合分析國內外相關文獻發現，有關工業用微波測距儀的報道比較少，并且研究者們研究的目的都是為了在成本低的環境下得到準確的測距定位。眾所周知，微波具有精度高、抗干擾能力強、全天候等特點，而且微波測距儀的制作成本相對較低，因此工業用微波測距儀的研究對于提高測距精度和降低成本具有跨時代的意義并且有著巨大的工業市場需求。

2.3 不同測距定位技術的對比

通過了解國內外研究現狀，無線電的定位一般是通過信號接收強度、信號到達角度、信號傳播時延等特征值來測量距離。這些都是以無線信號為測量介質來測量的，利用各種信號特征實現測距和定位。表2列出了各項技術的優缺點。

綜上可知，改善測距是提高定位精度的有效辦法之一，傳統的測距無論它的信號特征值如何，普遍運用的測距依據是無線電波的時間差。由于電磁波會發生干涉、衍射、受傳播介質和障礙物的影響，因此，無線電波的時間差會產生不可避免的誤差。從另一方面想，用無線電的波長測距就不會出現上述情況，電磁波的波長只與頻率有關，波長不會因為干涉衍射發生變化。需要對此進行深入研究。

3 無線定位測距發展新趨勢

無線定位測距是無線電技術的重要組成部分，是解決無線定位技術的一個重要手段。隨著開源技術的普及，尤其是電子計算機技術的不斷創新。測量儀器向著智能化、集成化、網絡化、個性化發展[15-16]。現代的無線定位測距技術的發展趨勢主要體現在以下幾個方面。

3.1 向新的頻段區域發展

近年來，光通信的變革成為科學家們預測的其中一個重要環節。從電磁頻譜可以看出，有一段區域并沒有被開發，微波段與紅外之間波長為10-4～10-3m的空隙，即所謂的太赫茲（THz）頻段。太赫茲的量子能量低（1THz只相當于4meV），信噪比很高（可大于1010），頻率極寬，其標志性成果便是0.225THz機載雷達。如果運用此頻段，針對無線定位測距的應用，將會解決無線信號的干擾，提升設備測距的穩定性，提高定位的精度。隨著人工智能和量子信息時代的到來，現代無線電設備包括微波測距儀頻帶較寬的優勢會被大幅度開發利用，獲得更寬的頻段，滿足新時代下高精度測距的需求。

3.2 測量儀器智能化

無線測距離不開測量儀器，現代無線測試技術已借助計算機與測量設備的完美結合，實現了自動化、高效化和智能化的測量，顯著提升了測量的精度。數字化正成為測試儀器發展的主流方向，如今8位分辨率的數字模擬轉換器（DAC）的采樣速度已突破GHz級別。隨著模擬至數字（A/D）和數字至模擬（D/A）轉換器技術的不斷進步，基于微波測距的雷達定位技術已廣泛應用在無人駕駛、煤礦挖掘、地質勘測、身體檢測等領域，同時量子技術等新技術賦能微波測距的新儀器設備更智能化，大大超越傳統測量方式的精度。比如國內首套自主研制的“海洋動力微波實驗系統”，利用海洋模擬水池和微波技術結合的智能化科學實驗裝置，成功實現微波技術對海洋復雜惡劣環境測距的應用。

3.3 軟件網絡化測量

現如今網絡的覆蓋程度越來越高，數據庫聯網能力也在不斷擴展，微波測試儀器擴大網絡和數據庫的能力是必然趨勢。從PC數據總線和通信接口等標準的發展來看，產品的運行、聯網速度越來越快，具有信息化、集成化、智能化的特點。在不久的將來，用戶通過計算機網絡可以實現不同地方及遠程的各種微波測量設備的個性化、通用化、保密化測量。從軟件角度出發，目前儀器采用的方案包括應用軟件的共享以及對數據庫的支持。引入的計算機嵌入式實時控制系統，利用TCP/IP協議封裝提供的各類測量技術，推動了計算機網絡測量平臺的持續進步，預計將引發一場革命性的變革。此外，網絡測量帶來的顯著效益，也將進一步推動其在測量自動化領域中的應用。

4 結論

工業用無線定位測距，其定位精度要求嚴苛，測量問題變得更加突出和復雜。應運而生的不同定位的強化優化方法已得到國內外無線定位技術領域的普遍關注，并已經開展了研究。目前，無線定位技術尤其是微波技術在新的頻段區域、測量儀器的智能化、軟件網絡化測量等方面已經開展了研究工作，若能夠在這些方面取得突破性進展，并在實踐中得以有效應用，將會對人類社會的發展做出重大貢獻。

基金項目：河南省教育科學規劃重點項目（2024JKZD39）；河南省高等教育教學改革研究與實踐項目（2024SJGLX0743）；河南省黨的教育政策研究課題（2025-DDJYZC-13）。

參考文獻：

[1]李江南，李銳華，胡波.一種單發射多接收磁耦合式多頻諧振無線電能傳輸方法[J].電氣技術，2023，24（11）：1-9+27.

[2]周志通，陳永琦，黃璜，等.一種基于頻率選擇的輸電線路故障行波測距方法[J].電氣技術，2024，25（02）：31-36+44.

[3]張闖，高浪濤，劉素貞，等.基于超聲的鋰離子電池微過充循環老化特性[J].電工技術學報，2024，39（24）：7965-7978.

[4]楊帆，王夢珺，譚天，等.基于目標像素寬度識別的電力設備紅外成像單目測距改進算法[J].電工技術學報，2023，38（08）：2244-2254.

[5] Wylie M P， Holtzman J. The non-line of

sight problem in mobile location estimation[C]//Proceedings of ICUPC-5th International Conference on Universal Personal Communi

cations，1996：827-831.

[6] Mcguire M，Plataniotis K N .Robust estimation of mobile terminal position[J].Electronics Letters，2000，36（16）：1426-1428.

[7] Chintalapudi K，Padmanabha Iyer A， Padman

abhan V N. Indoor localization without the pain[C]//Proceedings of the sixteenth annual international conference on Mobile computing and networking，2010：173-184.

[8] Forde L C，Howick E F. Development of a calibration system for electronic distance measuring instruments[C]//Proceedings of SPIE - The International Society for Optical，2001：99-106.

[9]張杰.ZigBee無線定位跟蹤系統的研究與設計[D].武漢：武漢理工大學，2010.

[10]陳杰.復雜遮擋環境下三維無線定位方法與技術研究[D].長沙：湖南大學，2015.

[11]楊璐娜.低功耗小型脈沖激光測距儀的研究[D].西安：西北大學，2009.

[12]趙武，張濤，周肇飛，等.測量大型機件的精密測距儀[J].四川大學學報（工程科學版），2006，38（5）：152-155.

[13]張利紅，陳伯俊.一種低成本超聲波測距儀的設計[J].化工自動化及儀表，2010，37（8）：49-52.

[14]李金煜.基于直角坐標系下的高精度無線定位系統研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2023.

[15]王偉，帥智康，李楊，等.基于固態斷路器主動注入式直流故障測距方法[J].電工技術學報，2024，39（08）：2360-2370.

[16]黃震，敬沅坤，閆克，等.面向輸變電場景的無線傳感網通信性能測試研究[J].電氣技術，2024，25（03）：53-57.