淺析UWB超寬帶定位系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)用

【摘 要】近年來，全球定位系統(tǒng)（GPS）和北斗定位系統(tǒng)的應(yīng)用日趨廣泛，可以輕而易舉的實現(xiàn)全球的定位，但在許多場合關(guān)于精確定位的應(yīng)用仍有較大的局限性。首先，對于某些應(yīng)用，精度依舊太低，無法實現(xiàn)精準(zhǔn)的定位，同時由于受電磁干擾的影響，全球定位系統(tǒng)存在一定的死區(qū)，在一些封閉的環(huán)境中，像大型倉庫、封閉的集裝箱等，根本無法接收到GPS及北斗信號，定位也就無從說起了。如何實現(xiàn)上述環(huán)境的精準(zhǔn)定位，已經(jīng)成為了一個亟待解決的問題。

【關(guān)鍵詞】全球定位系統(tǒng)；北斗定位系統(tǒng)；電磁干擾

1.國內(nèi)外現(xiàn)狀

UWB（Ultra-Wide Band）超寬帶技術(shù)優(yōu)異的傳輸特性決定了其在安全領(lǐng)域的地位，所以在1994年以前UWB領(lǐng)域的早期研究，特別是沖擊無線電通信領(lǐng)域的研究，屬于美國政府的機密計劃。1994年以后，許多研究計劃才逐漸取消了保密限制，加快了UWB的發(fā)展速度。近年來，UWB的研究在國際上倍受重視，各國都在致力于超寬帶技術(shù)及其產(chǎn)品的開發(fā)。

2.系統(tǒng)組成

2.1位置計算服務(wù)器

位置計算服務(wù)器包括位置計算引擎、圖形呈現(xiàn)服務(wù)器以及數(shù)據(jù)信息計算中心，主要進(jìn)行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和位置信息計算。

2.2定位錨點

主要通過UWB無線鏈路，同定位標(biāo)簽進(jìn)行無線的信息交互，工作頻率在3-7GHZ，定位精度在15cm。

2.3軟件系統(tǒng)

（1）地圖管理及設(shè)置。

（2）錨點管理。

（3）平臺信息管理及設(shè)置。

（4）數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。

3.關(guān)鍵技術(shù)

3.1脈沖信號加載技術(shù)

超寬帶無線電中的信息載體為脈沖無線電，脈沖無線電是指以超短脈沖作為信息載體的無線電技術(shù)，這種技術(shù)的特點是，通過對非常窄（往往小于1ns）的脈沖信號進(jìn)行調(diào)制，以獲得非常寬的帶寬來傳輸數(shù)據(jù)。

3.2無線通信調(diào)制技術(shù)

UWB無線通信的調(diào)制方式有兩種：傳統(tǒng)的基于脈沖無線電方式和非傳統(tǒng)的基于頻域的處理方式，其中傳統(tǒng)的基于脈沖無線電調(diào)制方式又包括脈沖位置調(diào)制、脈沖幅度調(diào)制等。

3.3信道模型技術(shù)

目前尚未有一個通用的UWB信道模型，IEEE 802委員會關(guān)于UWB的信道模型提案主要有：Intel的S-V模型、Win-Cassioli模型等。其中修正后的S-V模型被推薦為IEEE 802.15.3a的室內(nèi)信道模型，該模型能很好擬合UWB實驗中得到的數(shù)據(jù)，已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)可，成為各研究機構(gòu)進(jìn)行UWB系統(tǒng)性能仿真的公共信道平臺。

3.4天線技術(shù)

UWB系統(tǒng)中，通常使用的面天線，它的特點是能產(chǎn)生對稱波束，可平衡UWB饋電，因此它能夠保證比較好的波形。目前，UWB系統(tǒng)天線設(shè)計還處于研究階段，沒有形成有效的統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型。

4.擬解決關(guān)鍵問題

4.1特定區(qū)域的精確定位

目前在反恐、應(yīng)急、救援等應(yīng)用中，室內(nèi)定位是一個關(guān)注的熱點。室內(nèi)無法利用GPS、北斗等衛(wèi)星定位系統(tǒng)，需要采用新的技術(shù)實現(xiàn)室內(nèi)定位。UWB憑借其準(zhǔn)確的定位優(yōu)勢，采用協(xié)作模式與GPS等室外定位系統(tǒng)結(jié)合，實現(xiàn)全方位立體化的定位。

4.2遠(yuǎn)距離分辨率

由雷達(dá)分辨理論可知，雷達(dá)信號的距離分辨率與其工作帶寬有關(guān)，工作帶寬越寬，其距離分辨率就越高。UWB雷達(dá)的距離分辨率相當(dāng)高，一般可達(dá)厘米數(shù)量級。

4.3目標(biāo)識別能力

UWB雷達(dá)目標(biāo)回波由目標(biāo)的早期響應(yīng)和晚期響應(yīng)組成，利用其晚期響應(yīng)可得到目標(biāo)的極點信息。對于大多數(shù)雷達(dá)目標(biāo)而言，它們的極點具有不變性，即目標(biāo)的極點與視角無關(guān)，只與目標(biāo)的形狀、結(jié)構(gòu)和材料構(gòu)成有關(guān)，是目標(biāo)的固有屬性，因此利用目標(biāo)的極點可對目標(biāo)進(jìn)行識別。另外，利用目標(biāo)的早期響應(yīng)可得到目標(biāo)的一維距離像，這也有利于目標(biāo)的識別。

4.4目標(biāo)成像的能力

一般說來目標(biāo)成像要求有高的距離分辨率和角分辨率，采用超寬帶雷達(dá)信號，將UWB信號與合成孔徑技術(shù)相結(jié)合，可得到目標(biāo)高分辨率的三維圖像。

4.5發(fā)現(xiàn)隱蔽偽裝的目標(biāo)

由于UWB雷達(dá)具有較豐富的低頻分量，因而具有穿透叢林、樹葉，探測地表和墻后目標(biāo)的能力。這一特點對于探測戰(zhàn)場上隱蔽在叢林、草叢中的敵方坦克、火炮等極為有利。另外，隱身目標(biāo)的隱身手段是針對電磁波某一頻段而言，在UWB雷達(dá)信號寬頻段的照射下，隱身目標(biāo)的隱身能力會失效。

4.6極強的“四抗”能力

目前雷達(dá)面臨著電子干擾、隱身技術(shù)、反輻射導(dǎo)彈和低空突防的嚴(yán)重威脅。UWB雷達(dá)工作頻段極寬，隱身目標(biāo)在它的照射下會原形畢露，電子對抗設(shè)備要對UWB雷達(dá)信號進(jìn)行截獲、分析和干擾也變得極為困難。由于UWB雷達(dá)信號低的截獲概率和識別概率，反輻射導(dǎo)彈要想對它進(jìn)行攻擊也變得困難。

5.技術(shù)特色和創(chuàng)新點

5.1傳輸速率高，系統(tǒng)容量大

根據(jù)Shamon公式，系統(tǒng)的最大傳輸速率與系統(tǒng)的帶寬成正比。UWB通信的帶寬至少為500MHz，其傳輸速率可達(dá)1Gbps以上。傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)因為頻帶窄，要實現(xiàn)100Mbps以上的傳輸速率，必須采用多進(jìn)制調(diào)制等方法，這就對信噪比提出很高的要求，同時提高了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

5.2發(fā)射功率低

超寬帶無線電的射頻帶寬可達(dá)1GHz以上，所需的平均功率很小。在短距離應(yīng)用中，UWB發(fā)射機的發(fā)射功率低于1mw；低發(fā)射功率可以延長系統(tǒng)電源工作時間，而且發(fā)射功率小，其電磁波輻射對人體的影響也會很小。

5.3多徑分辨力高

由于UWB采用持續(xù)時間很短的窄脈沖，其時間、空間分辨力很高，系統(tǒng)的多徑分辨率很高，因此能充分利用發(fā)射信號的能量。實驗表明，對常規(guī)無線電信號多徑衰落深達(dá)10-30dB的多徑環(huán)境，UWB信號的衰落最多不到5dB。多徑衰落是無線通信的一大障礙，傳統(tǒng)的無線技術(shù)容易受到建筑物內(nèi)部和周圍多徑的干擾，而UWB信號由于對信道多徑衰落不敏感，具有優(yōu)良的抗多徑性能，接收機通過分集可以獲得很強的抗衰落能力，特別適合使用在室內(nèi)等多徑密集的場合，同時在進(jìn)行測距、定位、跟蹤時也能達(dá)到更高精度。

5.4保密性強

多數(shù)情況下，UWB信號的功率譜密度相當(dāng)于自然的電子噪聲，采用編碼對脈沖參數(shù)進(jìn)行偽隨機化后，脈沖的檢測將更加困難。由于UWB的發(fā)射功率低，信號隱蔽在環(huán)境噪聲和其它信號之中，用傳統(tǒng)的接收機無法接收和識別，必須采用與發(fā)射端一致的擴頻碼脈沖序列才能進(jìn)行解調(diào)，因此增強了系統(tǒng)的安全性。

5.5穿透力強

窄脈沖具有很強的穿透力，UwB具有比紅外線更廣泛的應(yīng)用，如幫助警察搜尋隔墻的逃犯，以及解救那些被圍困在倒塌建筑物罩而的人們。此外，適用于窄帶系統(tǒng)的叢林通信模型同樣可適用于超寬帶系統(tǒng)，超寬帶技術(shù)還能實現(xiàn)隔墻成像等。

5.6定位精度高

信號的距離分辨力與信號的帶寬成正比。由于超寬帶信號的超寬頻帶特性，使得UWB系統(tǒng)的距離分辨精度是其它系統(tǒng)的成百上千倍。UwB信號脈沖寬度在納秒級，其對應(yīng)的距離分辨能力可高達(dá)厘米級，這是其它窄帶系統(tǒng)所無法比擬的。較高的距離分辨精度也使得超寬帶系統(tǒng)在完成通信的同時還能實現(xiàn)準(zhǔn)確定位、跟蹤，定位與通信功能的融合也擴展了超寬帶系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

6.結(jié)束語

采用UWB進(jìn)行無線定位，可以滿足應(yīng)用中的無線精確定位的需求，在眾多無線定位技術(shù)中有相當(dāng)大的技術(shù)優(yōu)勢，目前的研究表明超寬帶定位的精度在實驗室環(huán)境已經(jīng)可以達(dá)到十幾厘米，此外，超寬帶無線電定位，很容易將定位和通信結(jié)合，快速發(fā)展的短距離超寬帶通信無疑將帶動UWB在定位技術(shù)上的發(fā)展，而常規(guī)無線電難以做到這一點。雖然無線精確定位技術(shù)已經(jīng)有了很多年的發(fā)展，但目前超寬帶技術(shù)正處于發(fā)展的初級階段，精確定位技術(shù)正在進(jìn)行中，定位算法還有待改進(jìn)，隨著超寬帶技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，在重要物資定位系統(tǒng)、仿真訓(xùn)練系統(tǒng)以及特殊場景的人員定位系統(tǒng)都將有著長遠(yuǎn)發(fā)展前景，對我國信息化建設(shè)起到重要的推動作用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]牛犇，梁濤.超寬帶無線通信系統(tǒng)的調(diào)制方式研究[J].電子質(zhì)量，2004（05）.