超寬帶無線實時定位和追蹤技術研究

逄坤

摘 要：和傳統(tǒng)的技術相比起來，超寬帶技術的傳輸速率更高，同時具有更高的時域分辨度，同時穿透性較強，優(yōu)勢非常明顯。近年來其應用也開始為人們所重視，尤其是在于短距離傳輸、復雜環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸上的優(yōu)勢更加明顯，所以現(xiàn)在已經(jīng)成為室內(nèi)無線定位的重要實現(xiàn)途徑。這項技術最早應用于上個世紀六十年代，其初期主要用于軍事領域的監(jiān)聽，近年來才開始逐步推廣為民用和商用。本文針對其定位和追蹤技術的實現(xiàn)進行了簡要分析，希望可以給相關工作的開展提供一些參考。

關鍵詞：超寬帶；無線網(wǎng)絡；定位技術

GPS定位技術現(xiàn)在得到了很大程度的推廣，可以說給人們的日常生活帶來了很大的便利。但是這其實也面臨著很多問題，例如衛(wèi)星信號并不能隨時覆蓋，在室內(nèi)、森林等環(huán)境下經(jīng)常導航失靈，而室內(nèi)環(huán)境復雜的情況下也會導致信號衰減，這些問題的存在都會造成定位上的誤差。而超寬帶（UWB）信號的穿透能力較強，時域分辨率上也存在明顯的優(yōu)勢，所以這項技術用于定位的優(yōu)勢非常明顯。UWB信號的絕對貸款超過500MHZ，其本質(zhì)也是通過的萊昂占用帶寬來實現(xiàn)的穿透能力的。

1 超寬帶技術簡介

超寬帶技術簡稱UWB，其是一種新的頻譜方式，在很多通信系統(tǒng)都可以得到應用，不僅成本低廉、功耗較低，同時也有著很強的抗干擾能力和穿透力，在無線通信空間的容量上也遠遠高于其他通信系統(tǒng)，但是其缺點也非常明顯，不僅會占用很大的帶寬，更會給其他無線電設備造成影響，所以現(xiàn)在對于UWB的應用，各國都提出了一些限制，但是現(xiàn)在國際上都已經(jīng)提高了對這項技術的研究力度，例如很多筆記本電腦當中都已經(jīng)具備了超寬帶傳輸模塊。

UWB定位精確度很高、具備很好的安全性，所以在未來，無線定位技術當中，UWB的應用也將越來越廣泛。由于其具備低功耗和強抗干擾能力的特點，所以在軍事方面的應用價值非常明顯，與此同時，在醫(yī)護和辦公自動化以及未來的機器人追蹤等領域，所以應用領域也會迅速擴展。

2 UWB定位技術

2.1 典型定位算法

現(xiàn)階段所應用的無線定位算法可以分為兩類，分別是以距離為基礎和以定位為基礎的算法，相比之下和距離無關的算法并不會對硬件有過高的要求，但是精度也受到了一定的限制，所以現(xiàn)階段，基于距離的算法最為常用。

（1）角度定位和強度分析

到達角度定位簡稱為AOA、信號強度分析簡稱為RSS，AOA通過針對被檢測到的兩個接收機信號進行檢測，之后實現(xiàn)定位，這個過程需要天線系統(tǒng)的支持，并且一旦出現(xiàn)角度誤差，就會直接給定位精度造成很大的影響。而RSS則是結合信號傳輸模型來對比接收信號和距離之間的關聯(lián)，實現(xiàn)定位。但是這種算法對于信號傳輸模型的依賴性非常明顯，如果環(huán)境條件出現(xiàn)了改變，也會直接影響定位，所以UWB的優(yōu)勢無從發(fā)揮。這樣看來，無論是到達角度定位還是信號強度都不能很好地完成距離測定，只能進行粗定位，作為輔助手段來使用，如果想要實現(xiàn)精確定位，仍然需要精密測距。

（2）到達時間分析（TOA）

如果被側點有三個以上的參考節(jié)點來進行測量，經(jīng)由其到達各接收機所需的時間的不同來進行三角定位，算出距離，就可以直接測定出被測點的位置來。如果帶寬為1GHz，那么其精度非常高，誤差僅為數(shù)cm，但這需要時間定位上具備嚴格時間同步，這也是較為難以實現(xiàn)的。

（3）到達時間差定位（TDOA）

與TOA類似，一般文獻不區(qū)別討論，只是測量得到的是時間差而非絕對時間，利用雙曲線交叉進行定位。應用此法只需參考節(jié)點之間保持同步，不要求參考節(jié)點與被測點之間嚴格的時間同步，使系統(tǒng)相對簡化，所以在定位系統(tǒng)中應用最廣。

（4）混合處理法（Hybrid）

綜合運用RSS與TOA/TDOA方法，當被測點與參考節(jié)點間距離較近時，采用RSS輔助方法可以減小數(shù)據(jù)處理復雜度，大幅提升定位精度，適用于ZigBee等短距離定位場合。

2.2 精確測距與定位

UWB定位系統(tǒng)多采用極窄的高斯脈沖信號，脈沖寬度通常低于0.5ns，定位精度非常高。通常，UWB定位系統(tǒng)設定幾個定位參考節(jié)點，接收數(shù)量眾多的被測點發(fā)出的高斯脈沖信號，各被測點由PN碼序列區(qū)分，處理接收到的脈沖序列可得到接收時間，即得到被測點與參考點之間的距離。

要定位一個三維坐標，至少需要4個參考點，建立4個方程進行直接計算，求解此四元二次方程組，可得被測點坐標。將各方程相減，則可消去未知參量to，同時減少一個有效方程，實現(xiàn)TDOA算法。測量誤差及參考節(jié)點的位置對方程組有較大影響，可能出現(xiàn)無解或迭代溢出的情況。為了提高有解的概率，可設定5個參考點，根據(jù)不同組合得到5組解，從中選取最優(yōu)解。也可選擇4個接收信號功率最高的參考節(jié)點聯(lián)立方程組。實驗表明，5選4算法可將定位精度提高27%，若進一步增加參考基站，定位精度提高不明顯，反而會使系統(tǒng)更復雜。因此，要獲得更高的定位精度，不能只依靠增加參考基站。實際應用中，參考基站一般采用5選4算法為宜。

2.3 定位網(wǎng)絡協(xié)議

定位節(jié)點（設備）可分為完整功能節(jié)點（FFD）和簡化功能節(jié)點（RFD）。FFD能與多個RFD以及相鄰的FFD進行會話，RFD定制非常簡單，僅能與一個FFD會話。定位協(xié)議也可分為兩類[5]：基于錨（anchor-based）的協(xié)議和無錨（anchor-free）協(xié)議?；阱^的協(xié)議假定網(wǎng)絡中的一個節(jié)點集（參考節(jié)點或錨節(jié)點）在網(wǎng)絡初始化時已知相對或絕對位置，需要外在的定位系統(tǒng)（一般使用GPS）提供每個錨節(jié)點的位置。GPS終端可測定錨節(jié)點的位置，并提供一個全球坐標系，與定位協(xié)議相關的信令流量較低，但存在稀疏錨節(jié)點問題和測距誤差問題，GPS本身的定位精度有限，以致產(chǎn)生較大定位誤差。

基于錨的TDOA定位模式主要有兩種：a.由參考節(jié)點發(fā)射信號，被測節(jié)點負責接收并進行數(shù)據(jù)處理，這種方式與GPS定位類似，增加了被測節(jié)點的電池能耗，大大減少了使用壽命。b.由被測節(jié)點發(fā)射信號，各基站（參考節(jié)點）負責接收，傳送到中心節(jié)點進行計算，得到被測點的精確坐標，適合節(jié)點小型化、簡單化的要求，目前討論最多且已投入運行。它又有兩類網(wǎng)絡結構：其一是被測點為RFD，參考節(jié)點為FFD，預先在定位現(xiàn)場選擇適當?shù)奈恢媒ㄔO基站，并測定好坐標，基站可測量范圍即網(wǎng)絡工作區(qū)域，多數(shù)實驗模型采用此模式。

3 結束語

經(jīng)過前文總結，我們不難發(fā)現(xiàn)，超寬帶技術在諸多無限定位技術當中的優(yōu)勢非常明顯，可以用于無線定位需求的滿足，在未來有著廣闊的應用前景。除此之外，和常規(guī)的wlan技術相比起來，UWB也可以很好地將通信技術融合到定位當中，在短距離范圍內(nèi)，UWB技術也可以在定位領域?qū)崿F(xiàn)更長遠的發(fā)展。現(xiàn)在無限定位技術雖然已經(jīng)得到了一定的探索，但其應用水平的不足仍然是不爭的事實，這就需要我們進一步探索，來拓寬其應用領域。本文針對這些問題進行了簡要分析，希望可以給相關工作的開展提供一些參考。

參考文獻

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[3]楊海，李威，張禾，等.復雜環(huán)境下基于SINS/UWB的容錯組合定位技術研究[J].儀器儀表學報，2017（9）：2177-2185.

[4]馮高昂.UWB室內(nèi)定位多標簽防碰撞算法研究[D].海南大學，2017.