UWB室内定位技术
1 引言
本文探讨室内定位技术中的一种：UWB室内定位技术，并在定位技术系列最后对各种定位技术进行总结，敬请关注微信公众号“智物客”后续文章。
2 概述
UWB（Ultra Wide Band ）即超宽带技术，它是一种无载波通信技术，利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。传统的定位技术是根据信号强弱来判别物体位置，信号强弱受外界影响较大，因此定位出的物体位置与实际位置的误差也较大，定位精度不高，而UWB定位采用了宽带脉冲通讯技术，具备极强的抗干扰能力，使定位误差减小。UWB定位技术的出现填补了高精度定位领域的空白，它具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、能提供厘米级的定位精度等优点。
3 UWB室内定位流程
（1）每个定位标签以UWB脉冲重复不间断发送数据帧；
（2）定位标签发送的UWB脉冲串被定位基站接收；
（3）每个定位基站利用高敏度的短脉冲侦测器测量每个定位标签的数据帧到达接收器天线的时间；
（4）定位引擎参考标签发送过来的校准数据，确定标签达到不同定位基站之间的时间差，并利用三点定位技术及优化算法来计算标签位置。
（5）利用单基站定位一般采用AOA（(Angle of Arrival）算法，采用多基站定位多采用TDOA（Time difference of Arrival）算法。
4 UWB室内定位系统架构及功能
4.1 系统结构图
4.2 主要设备及组件
4.2.1 UWB定位标签
定位标签为有源标签，能做成不同的形态固定在物体、车辆或佩戴在人员身上使用，在不同应用环境下拥有多变性。它的定位精度最高可达到5-10cm，标签发出的UWB脉冲信号，通过定位基站（定位传感器）接收和传输。每一个标签都有唯一的ID号，可通过这个ID号将定位的物体联系起来，使定位基站（定位传感器）通过标签找到实际定位的位置。标签传输信号持续时间很短，能够允许成百上千的标签同时定位。
提供一个参考技术参数：
| 参数项 | 参数值 |
| 定位精度 | 5-10cm |
| 系统总刷新率 | 1200Hz |
| 单一标签刷新率 | 1/64Hz-100Hz |
| 射频发射 | 3.1GHz～10.6GHz（分频段） |
| 射频接收 | 信令信道 ISM |
| 穿墙能力 | 玻璃、木质墙体可穿透一堵墙，钢筋混凝土墙体不能穿透 |
| 电池供电 | 可充电500mAh锂电池 |
| 耗电指标 | 按1Hz刷新率计算约使用1个月 |
4.2.2 UWB定位基站
定位基站（定位传感器）可以通过到达时间差（TDOA）测量技术，来确定标签的位置，并将数据传输至网络控制器及定位引擎软件，定位精度达到厘米级。
参考技术参数如下：
| 参数项 | 参数值 |
| 天线接口 | SMA |
| 网络接口 | RJ45 |
| UWB频段 | 3.1-10.6GHz（分频段） |
| 系统控制信号 | 2.4GHz ISM |
| 输入电压 | DC 12 V |
| 安全机制 | 过热、过载和短路保护 |
| 功率消耗 | 10W |
4.2.4 定位引擎
定位引擎位于部署于定位服务器中，是定位算法实现的地方，并提供API与上层应用软件调用。
4.2.5 上层应用软件
上层应用软件主要体现为系统功能。UWB室内定位系统基本功能可包括：
人员分布显示：佩戴定位标签的人员分布情况。
人员移动轨迹：通过电子地图实时显示一个或多个人员移动轨迹。
跟踪指定人员：地图随着标签的移动自动切换，将鼠标移到标签上可以看到标签的当前状态。
电子围栏：通过平面电子地图上不同颜色和形状显示人员的报警位置状态。
5 UWB技术特点
UWB技术应用于室内定位，具有以下特点：
（1）系统容量大
香农公式给出C=Blog2(1+S/N)可以看出，带宽增加使信道容量的提高远远大于信号功率上升所带来的效应，这一点也正是提出超宽带技术的理论机理。超宽带无线电系统用户数量大大高于3G系统。
（2）数据传输速度快
UWB系统使用上吉赫兹的超宽频带，根据香农信道容量公式，即使把发送信号功率密度控制得很低，也可以实现高的信息速率。一般情况下，其最大数据传输速度可以达到几百兆比特每秒到吉比特每秒。
（3）多径分辨能力强
UWB由于其极高的工作频率和极低的占空比而具有很高的分辨率，窄脉冲的多径信号在时间上不易重叠，很容易分离出多径分量，所以能充分利用发射信号的能量。实验表明，对常规无线电信号多径衰落深达10～30dB的多径环境，UWB信号的衰落最多不到5dB。
（4）隐蔽性好
因为UWB的频谱非常宽，能量密度非常低，因此信息传输安全性高。另一方面，由于能量密度低，UWB设备对于其他设备的干扰就非常低。
（5）定位精确
冲激脉冲具有很高的定位精度，采用超宽带无线电通信，可在室内和地下进行精确定位，精度最高可达2厘米，一般精度在15厘米内。而GPS定位系统只能工作在GPS定位卫星的可视范围之内。与GPS提供绝对地理位置不同，超短脉冲定位器可以给出相对位置，其定位精度可达厘米级。
（6）抗干扰能力强
UWB扩频处理增益主要取决于脉冲的占空比和发送每个比特所用的脉冲数。UWB的占空比一般为0.01～0.001，具有比其他扩频系统高得多的处理增益，抗干扰能力强。一般来说，UWB抗干扰处理增益在50dB以上。
（7）低功耗
UWB无线通信系统接收机没有本振、功放、锁相环(PLL)、压控振荡器(VCO)、混频器等，因而结构简单，设备成本将很低。由于UWB信号无需载波，而是使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在0.20～1.5ns之间，有很低的占空因数，所以它只需要很低的电源功率。一般UWB系统只需要50～70mW的电源，是蓝牙技术的十分之一。
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