淺析UWB定位技術(shù)的應(yīng)用

張魯川 董磊

摘 要：長期以來衛(wèi)星定位系統(tǒng)在定位領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛，比如說GPS定位系統(tǒng)主要是為船舶，汽車，飛機(jī)等運(yùn)動物體進(jìn)行定位導(dǎo)航。但衛(wèi)星定位系統(tǒng)也有不足之處。在于定位信號到達(dá)地面較弱，不能穿透建筑物。超寬帶系統(tǒng)具有發(fā)射功率低、抗多徑、安全系數(shù)高、傳輸速率高、穿透能力強(qiáng)等特點(diǎn)。正是這些特點(diǎn)，超寬帶技術(shù)被廣泛應(yīng)用于物體以及人的定位跟蹤與導(dǎo)航。

關(guān)鍵詞：UWB超寬帶無線電脈沖；信號強(qiáng)度分析（RSS）和到達(dá)角度定位法（AOA）；到達(dá)時間定位法（TOA）；到達(dá)時間差定位法（TDOA）

1 什么是UWB技術(shù)

提到UWB技術(shù)，非專業(yè)人士知道者甚少，不像WLAN、BLUETOOTH技術(shù)那樣眾所周知。其實(shí)UWB技術(shù)早在上世紀(jì)90年代就已經(jīng)被提出。UWB是一種在雷達(dá)遙感中被廣泛應(yīng)用的傳輸技術(shù)，也是一種無載波的超寬帶通信技術(shù)，也可稱為脈沖無線電。

2 UWB技術(shù)的特性

與藍(lán)牙、WLAN、TDMA、CDMA等帶寬相對較窄的傳統(tǒng)無線系統(tǒng)不同，UWB可以在寬頻上發(fā)送一組極窄的低功率脈沖。由于UWB頻譜寬、數(shù)據(jù)脈沖化、低功率，使得UWB的干擾小于傳統(tǒng)窄帶寬的無線解決方案。UWB具有以下特點(diǎn)。

2.1 發(fā)射功率低

超寬帶無線電信號的射頻帶寬可達(dá)1GHz以上，在近距離的應(yīng)用中，UWB的發(fā)射功率低于1mW。這使得UWB系統(tǒng)與同頻段的窄帶通信系統(tǒng)保持良好的共存性。在發(fā)射時，將微弱的無線電脈沖信號分布在寬闊的頻帶之中，輸出功率甚至遠(yuǎn)低于普通設(shè)備產(chǎn)生的噪聲，系統(tǒng)有較大的處理增益。接收時將信號的能量還原，在解擴(kuò)過程中產(chǎn)生擴(kuò)頻增益。

2.2 多徑分辨能力強(qiáng)

多徑傳播效應(yīng)是限制數(shù)據(jù)傳輸速率與通信質(zhì)量的重要原因之，多徑衰落是無線通信的一大障礙一。由于UWB采用的是持續(xù)時間非常短的窄脈沖，其時間和空間分辨能力較強(qiáng)，因此系統(tǒng)的多徑分辨率很高，因此能充分利用發(fā)射信號的能量。大量實(shí)驗(yàn)表明，在常規(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，傳統(tǒng)的無線技術(shù)非常容易受到建筑物內(nèi)部和周圍多徑的干擾，UWB信號由于對信道多徑衰落不明顯，具有優(yōu)良的抗多徑性能。

2.3 保密性能好

UWB的保密性能表現(xiàn)在兩方面。一方面是采用跳時擴(kuò)頻，接收機(jī)只能在已知發(fā)送端的擴(kuò)頻碼時才能夠解出發(fā)射的數(shù)據(jù)；另一方面是系統(tǒng)發(fā)射功率譜密度非常低，傳統(tǒng)接收機(jī)根本無法接收。

2.4 高處理增益

超寬帶無線電系統(tǒng)的處理增益是由UWB脈沖的占空比與發(fā)送各個比特所用的脈沖數(shù)決定的，因此能得到比實(shí)際擴(kuò)譜系統(tǒng)高很多的處理增益。

2.5 便于系統(tǒng)集成

UWB技術(shù)很容易將通信和定位集成在一起，是因?yàn)閁WB脈沖占空比特別低，有非常好的定位精度。信號的距離分辨力與信號的帶寬成正比。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。

3 UWB定位技術(shù)的應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)組成

一個基本的UWB的實(shí)時定位系統(tǒng)有一臺交換機(jī)、若干個接收器、至少一個參考標(biāo)簽和若干個用于跟蹤人員或設(shè)備的定位標(biāo)簽。

3.2 技術(shù)原理

UWB定位系統(tǒng)使用短脈沖超寬頻技術(shù)可以精確定位一個超寬頻射頻標(biāo)簽。其原理每個UWB系統(tǒng)的定位標(biāo)簽反復(fù)發(fā)出脈沖數(shù)據(jù)包，這個數(shù)據(jù)包是由一串超寬頻脈沖組成。由于這些標(biāo)簽不是同時發(fā)送，并且每個標(biāo)簽發(fā)送的時間極短，所以每個數(shù)據(jù)包發(fā)生碰撞的可能性很小，所以在同一個區(qū)域可以同時處理幾百甚至幾千個定位標(biāo)簽。

UWB實(shí)時定位系統(tǒng)的接收器接收定位標(biāo)簽發(fā)送出來的脈沖數(shù)據(jù)包。接收器通常部署在定位區(qū)域的邊緣。三個接收器或以上可以精確進(jìn)行二維定位，四個接收器或以上可以進(jìn)行三維定位。如果只有一個接收器，可以用來做靠近測試。

每一個UWB定位系統(tǒng)的接收器使用高度敏感、高速度、短脈沖的監(jiān)聽來測量每個脈沖數(shù)據(jù)包到達(dá)其天線的精確時間。超寬頻脈沖極寬的帶寬使得這些接收器測量脈沖數(shù)據(jù)包到達(dá)的時間可以精確到納秒級。UWB系統(tǒng)的中心交換機(jī)根據(jù)參考標(biāo)簽的坐標(biāo)、脈沖數(shù)據(jù)包到達(dá)各個接收器的時間差和一個多路徑算法，精確的確定一個定位標(biāo)簽的位置，精度可高達(dá)10cm。

3.3 無線定位技術(shù)方式

常用的無線定位方式有以下幾種：信號傳播時間的測量方法、基于接收信號強(qiáng)度的測量方法、基于信號到達(dá)角度的測量方法和混合定位法。

3.3.1到達(dá)時間定位（TOA）和到達(dá)時間差定位（TDOA）方法?；谛盘杺鞑r間的定位方法分為基于信號到達(dá)時間（Time Of Arrive，簡稱TOA）和信號達(dá)到時間差（Time Difference Of Arrive，簡稱TDOA）兩種定位方法。

被測點(diǎn)發(fā)射信號發(fā)送到4個及4個以上的參數(shù)接收機(jī)，通過測量信號到達(dá)各個接收機(jī)所需時間，得到發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)之間的距離，然后以接收機(jī)的節(jié)點(diǎn)為圓心，所得距離為半徑作圓，這些圓的交點(diǎn)即為目的節(jié)點(diǎn)的位置。但到達(dá)時間定位要求參考節(jié)點(diǎn)與被測點(diǎn)應(yīng)嚴(yán)格保持時間的同步，否則會使定位精度受到非常大的影響，大多數(shù)情況下應(yīng)用場合無法滿足這一點(diǎn)。

與TOA不同的是，只是測量得到的是時間差而非絕對時間，TDOA技術(shù)只需要接收機(jī)時間同步，不要求參考節(jié)點(diǎn)與被測點(diǎn)之間的嚴(yán)格的時間同步。TDOA技術(shù)只是通過測量發(fā)射信號到達(dá)不同接收機(jī)的時間差來進(jìn)行定位。一個TDOA測量值對應(yīng)的是以兩個參考節(jié)點(diǎn)為焦點(diǎn)的一對雙曲線。

3.3.2 信號強(qiáng)度分析法（RSS）和到達(dá)角度定位（AOA）。RSS定位方式就是根據(jù)某一參考信號在空間中的衰落程度，計算出距離的。RSS定位方式通過測量接收信號的場強(qiáng)和已知信道衰落模型與發(fā)生信號場強(qiáng)來估計彼此之間的距離。AOA通過直接測量兩個接收機(jī)的信號到達(dá)角度進(jìn)行定位，需要配置復(fù)雜的天線系統(tǒng)。

所以，信號強(qiáng)度分析和到達(dá)角度定位的方法一般不單獨(dú)用于UWB測距，只當(dāng)做輔助手段進(jìn)行初級定位，UWB能夠?qū)崿F(xiàn)精確的定位主要還是依靠精密測距完成。

3.3.3 混合定位方法?；旌隙ㄎ焕们懊嫣岬降姆椒ǎ闷涓髯缘膬?yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，進(jìn)行兩種或多種組合進(jìn)行定位。

3.4 定位協(xié)議

測距和定位技術(shù)為設(shè)計無線網(wǎng)絡(luò)，對移動節(jié)點(diǎn)重新定位的算法和相關(guān)協(xié)議提供了基本框架。定位節(jié)點(diǎn)可分為完整節(jié)點(diǎn)與簡化功能節(jié)點(diǎn)。完整節(jié)點(diǎn)和多個簡化功能節(jié)點(diǎn)，以及相鄰的FFD進(jìn)行通信，僅能與一個FFD通信即可非常簡單的完成RFD的定制。定位協(xié)議可分為兩類：基于錨的協(xié)議和無錨協(xié)議。

4 UWB定位技術(shù)前景

UWB定位技術(shù)具有抗干擾性強(qiáng)、功率低、保密性好、精度高等優(yōu)勢，想必在未來的應(yīng)用中會越來越多?，F(xiàn)在國內(nèi)很多廠家也都已經(jīng)有比較成熟的產(chǎn)品。在我國，UWB技術(shù)也才起步不久，相信未來會有更多的人和企業(yè)開始接觸和探索UWB技術(shù)，帶來更多新穎、具有創(chuàng)造性的產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

[1]Maria-Gabriella Di Benedetto Giancola著，葛利嘉，等，譯.超寬帶無線電基礎(chǔ)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[2]唐春玲.“UWB定位系統(tǒng)研究”[D].西南大學(xué)，2008，5：25-26.

[3]王波.“淺談UWB定位技術(shù)”[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011，23.

[4]曾文，王宏，徐皚東.超寬帶技術(shù)的信道模型和定位技術(shù)研究與分析[J].計算機(jī)科學(xué)，2007.