UWB定位技術在武警反恐行動模擬訓練系統(tǒng)應用研究

王守銀

摘要：文章介紹了在武警反恐行動模擬訓練系統(tǒng)研制過程中，為解決實兵在三維物理空間中的高精度定位問題，重點介紹了當前技術比較成熟，定位精度比較高的UWB超寬帶定位技術，并提出利用該技術實現(xiàn)高精度定位需求的技術原理。

關鍵詞：高精度定位；反恐對抗；訓練模擬

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）10-0268-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

反恐怖行動是武警部隊經(jīng)常面臨的任務，處置過程是一個極其復雜的軍事行動，不能只依靠提高一項或某幾項戰(zhàn)術指標來解決問題，更不能片面地強調裝備制勝而忽視了人的核心作用。武警反恐怖行動必須從增強作戰(zhàn)人員的綜合素質入手，全方位提高作戰(zhàn)人員、武器裝備、戰(zhàn)術技能的臨場實戰(zhàn)能力，從整體上提升戰(zhàn)斗力。為實現(xiàn)這一目的，建設功能完善的反恐行動模擬訓練系統(tǒng)，加強分隊反恐行動的實戰(zhàn)能力訓練十分必要。

1 技術應用背景

武警反恐行動模擬訓練系統(tǒng)研制過程中必須綜合運用當前成熟的高科技技術，如視頻智能監(jiān)控、圖像識別、激光射擊、無線寬帶、超寬帶、視頻監(jiān)控、三維地形快速采集等現(xiàn)代信息技術，實現(xiàn)武器仿真，訓練現(xiàn)場即時、無線寬帶、互聯(lián)組網(wǎng)，室內遙感精確定位，現(xiàn)場三維空間信息處理，戰(zhàn)斗評估，行動全程復盤重研以及訓練管理等功能的模擬訓練系統(tǒng)。其最大特點在于訓練模擬的真實性、對抗過程的可視性、訓練現(xiàn)場的可控性、評估裁決的科學性。采用UWB室內高精度定位技術不僅是整個訓練模擬系統(tǒng)可以直觀地在三維空間分析系統(tǒng)中記錄戰(zhàn)斗實體實時位置的必要手段，也是反恐行動實施指揮不可或缺的控制手段。但是反恐行動的特點決定了利用常規(guī)的定位模式難以準確發(fā)揮作用，主要是因為：一是戰(zhàn)斗大多在建筑物內部進行，會對各類信號產(chǎn)生屏蔽效果，平常使用的衛(wèi)星定位系統(tǒng)不能正常使用；二是由于反恐行動任務空間比較狹小，對特戰(zhàn)人員定位的精確度要求達到分米級；三是由于恐怖分子高度警覺，傳統(tǒng)隱蔽攝像的方法很難直接接觸到恐怖分子和劫持的人質。所以需要一種能夠達到實戰(zhàn)要求的定位技術來解決這樣的現(xiàn)實問題。

2 UWB定位技術介紹

從1960年開始，超寬帶UWB脈沖無線電數(shù)據(jù)傳輸技術越來越成熟，許多公司在這個領域進行了有益的探索，從1998年起，為了將超寬帶UWB技術推入社會，由美國聯(lián)邦通信委員會廣泛征求社會各領域對超寬帶無線設備使用中，可能存在的對當前成熟的窄帶無線通信系統(tǒng)的干擾及不兼容的問題意見建議后，開放了UWB超寬帶定位技術在短距離無線定位領域的應用，之后這項技術因其所具有的廣闊市場應用前景得到快速發(fā)展，特別是其具有的設備功耗小、成本低、穿透能力強、小范圍內定位精度高的特點，在軍用領域得到大量應用。

2.1 定位精度高

當前常用的定位技術一般可以采取GPS衛(wèi)星定位、北半衛(wèi)星定位，采用這兩種定位方式必須在定位衛(wèi)星可視的情況下才可以提供絕對地理位置坐標，在山洞、地下室、復雜建筑物內接收不到信號就實現(xiàn)不了定位，且定位的精度不高，一般為數(shù)米、數(shù)十米。而UWB技術采用超寬帶無線電通信，具有很高的定位精度，很容易實現(xiàn)定位與通信功能合二為一，利用超寬帶無線電強大的穿透力，通過到達時間差和到達時間角度混合定位技術，可將定位誤差降到最小，達到厘米級的其定位精度和空間的相對位置，來實現(xiàn)對大場景建筑物和地下目標的精確定位。此外，由于UWB定位器造價低，價格便宜，有利于大面積應用普及。

2.2 范圍覆蓋廣

UWB是當前比較先進的短距離實時定位技術，特別適合在會議展館、體育場等大型建筑室內條件下的實時定位。隨著技術的不斷發(fā)展變化，目前一個UWB傳感器定位單元最大覆蓋面積可達到400平方米，傳感器網(wǎng)絡的信號發(fā)射與接收節(jié)點之間的最大通信距離可達60米?？梢詫崿F(xiàn)多個定位單元（Cell）聯(lián)合工作，根據(jù)實際需求安裝定位單元，達到擴大定位覆蓋面積的目的。

2.3 系統(tǒng)實現(xiàn)易

由于目前常用進行無線傳輸時通信載波一般采用的是連續(xù)電波，由于通信載波頻率及功率在一定范圍內不斷變化，就可以利用這種載波的變化狀態(tài)進行信息的傳輸。而UWB發(fā)射器用脈沖小型激勵天線，通過不斷發(fā)送納秒級的脈沖來傳輸數(shù)據(jù)信息，而且不需要使用放大器與混頻器對頻率進行改變，使得UWB使用的寬帶發(fā)射器造價非常低廉。UWB接收端也不需要進行中頻處理，因此系統(tǒng)結構更加簡單。

2.4 穿透能力強

由于UWB發(fā)現(xiàn)的信號穿透能力非常強，可以輕易地穿透常見的磚墻或混凝土墻壁、樹葉、木質及雨霧等自然界的遮蔽物，因此軍事上UWB 雷達可用來探測地雷，可以幫助警察搜尋隔墻的逃犯，以及地震、泥石流等自然災害發(fā)生時解救那些被圍困在建筑物里面的人們，民用上在公路修建過程中使用UWB信號進行探測，探險救援時可以探測地下金屬管道位置等等。

2.5 傳輸速度高

信號傳輸過程中易受周邊環(huán)境的影響，民用商品要求UWB定位信號的范圍為10米以內，通過修改信道容量公式，以頻率帶寬來換取高速的數(shù)據(jù)傳輸，使其速率達到500M/秒，是目前進行個人通信和組成無線局域網(wǎng)理想調制技術。在實際軍事應用中，用戶可以通過給UWB進行擴頻增益來實現(xiàn)長距離、低截獲率、安全可靠的高速數(shù)據(jù)傳輸。

2.6 發(fā)射功率小

UWB是脈沖電波的工作方式，不工作時不會發(fā)出脈沖電波，其發(fā)射功率非常小，這樣信號發(fā)射器就可以長時間連續(xù)工作而無須更換電池。這比使用其他無線載波技術連續(xù)性發(fā)出載電波有很大的不同，可以大大節(jié)約能耗，在提倡綠色能源的今天顯示尤其寶貴。按照FCC的規(guī)定，目前UWB通信只能用于短距離無線傳輸領域，在一定時期內與現(xiàn)有短距離無線技術共同生存，共同發(fā)展。

3 UWB技術在武警反恐行動模擬訓練系統(tǒng)中的應用

3.1 功能描述

工作中它以多個超寬帶脈沖發(fā)射基地臺對移動終端進行無線脈沖掃描差分，通過反射波判斷目標的具體位置。其定位技術分為兩個層面：一是利用終端設備定位，主要用于訓練中雙方或實戰(zhàn)中的我方。訓練中，我方與假設敵均攜帶定位終端裝置，實戰(zhàn)中我方人員佩帶此裝置，可確保室內定位誤差為厘米級；二是超寬帶脈沖電波直接作用于隔墻目標遙感定位，用于實戰(zhàn)中沒有定位終端設備的劫持分子和人質（誤差為分米級）。在此基礎上，開發(fā)定位軌跡智能分析系統(tǒng)，可以很容易地識別墻內人員的身份，判別歹徒與人質，為我方情報決策提供科學準確地依據(jù)。這一系統(tǒng)可以直接用于實戰(zhàn)。

室內高精度定位系統(tǒng)采用超寬帶技術，通過四個接收天線接收到的四路寬帶電磁波信號進行處理，完成對目標的區(qū)域三維精確定位。該系統(tǒng)可以對區(qū)域內的士兵進行三維坐標精確定位和顯示。主要可用于使士兵能夠充分掌握掩體后的戰(zhàn)友分布狀況。

3.2 主要技術指標

距離定位精度：小于20cm

定位區(qū)域：不小于20m×20m

定位目標人數(shù)：不小于50人

3.3 室內高精度定位系統(tǒng)系統(tǒng)組成

室內高精度定位系統(tǒng)由士兵終端和主機系統(tǒng)構成。

室內高精度定位系統(tǒng)的組成如圖1：

研制武警反恐行動模擬訓練系統(tǒng)，主要用以信息化技術建立的感知、控制、監(jiān)控、記錄、再現(xiàn)、模擬、評估等科學手段全息監(jiān)視和記錄全過程，進而對其過程進行深入透徹的分析，實現(xiàn)對戰(zhàn)斗過程的逐點、逐幀的研究，為提高特戰(zhàn)隊員的技、戰(zhàn)術水平，提高反恐現(xiàn)場指揮員的指揮能力，提高研究人員對反恐行動戰(zhàn)法研究的水平都將起到十分重要的作用。

參考文獻：

[1] 高俊，游雄，夏運均，等.虛擬現(xiàn)實技術在地形環(huán)境仿真中的應用[M].北京：解放軍出版社，1999.

[2] 高峻.數(shù)字化戰(zhàn)場的基礎建設[M].北京：解放軍出版社，2004.

[3] 戚世權等.制信息權[M].北京：軍事科學出版社，2001.

【通聯(lián)編輯：唐一東】