工業(yè)無線定位測距的發(fā)展研究

摘 要：隨著測距精度的提高，測距儀在工業(yè)領(lǐng)域中得到了快速發(fā)展。為了更好地了解測距儀并提高其精度，首先介紹三種常見測距儀的原理，并對比其優(yōu)缺點；其次總結(jié)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，比較常用的幾種信號特征值的優(yōu)缺點，提出用無線電的波長測距這一新型的測距想法；最后對工業(yè)無線定位技術(shù)的發(fā)展前景進行預(yù)測。預(yù)測的新方法對于提高測距精度有一定的理論意義和工程應(yīng)用價值，為工業(yè)用無線測距的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：無線定位 測距儀 定位技術(shù) 測距精度

無線電定位方法是一種依靠基準(zhǔn)點和被測點之間的信號傳輸時間差、相位差等指標(biāo)來確定被測點的距離、位置和方位的技術(shù)手段[1]。隨后該技術(shù)在雷達(dá)測距、航空航天、建筑工程以及人身安全等范圍內(nèi)應(yīng)用廣泛。隨著GPS（Global Positioning System）的出現(xiàn)，無線電定位技術(shù)出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折點，特別是在采用差分技術(shù)后，定位精度提高了一個臺階。比如民用導(dǎo)航衛(wèi)星GPS的精度可達(dá)到5m，而在軍用、航空等方面定位精度則更高。

在工業(yè)領(lǐng)域，無線定位測距起著關(guān)鍵性的作用，一個零件的尺寸精度決定著整個機器的使用壽命，一條道路的寬度決定著車輛通行的流暢度，一棟建筑的高低決定著樓房的建筑成本，這些甚至決定著工業(yè)領(lǐng)域未來的發(fā)展命運。因此無線定位測距的精確性值得深入研究。

1 工業(yè)測距儀概述

通常測量距離的方法都是用尺（米尺、千分尺等），而對于精度要求較高的設(shè)備，尺的誤差太大，難以滿足社會的需要。目前市面上的測距設(shè)備可以簡單地概括為工業(yè)級和民用級。一般工業(yè)級測距儀的防護等級都比較高，而民用級測距儀的防護等級相對較低，通常工業(yè)所用的測量儀器設(shè)備有以下三種。

（1）激光測距儀。是發(fā)射激光束對被測目標(biāo)的間距精準(zhǔn)測定的設(shè)備。原理是測距儀發(fā)射一條激光束，遇到障礙物時光束返回到測距儀的光電接收模塊，通過計算往返的時間確定觀測者到被測點的距離[2]。當(dāng)前激光測距儀是普及最廣的測距儀器。

（2）超聲波測距儀。是聲波的一種，利用超聲波遇到阻擋物會反射的原理，通過不斷地發(fā)射超聲波，直到測距儀接收器接收到反射的超聲波停止。通過計算反射到接收的時間確定觀測者到被測點的距離[3]。

（3）紅外測距儀。是利用電磁波中的紅外線測距，由于紅外線在發(fā)射到被測點的集中性強，能量損失小，所以紅外測距在遠(yuǎn)距離測距上優(yōu)勢巨大，比如用在全站儀5公里測距上[4]。

在這三種測距儀中，激光測距儀的測量精度最高，但它的成本也最高，需要注意人體安全，對于小型制造企業(yè)不適用。而超聲波測距儀在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但測量精度較低，會給精密制造企業(yè)帶來虧損。紅外測距儀雖然成本低、易制，但測量精度是三者中最低的，因此同樣不適用制造企業(yè)。通過對常見的三種測距儀進行比較分析，其優(yōu)點和缺點如表1所示。

近年來出現(xiàn)了一種微波測距儀，該測距儀具有精度高、范圍廣、抗外界環(huán)境影響強等優(yōu)點，尤其是在一些能見度較低的地方，依然能夠正常的全天候的測量，而且微波測距儀的制作成本相對較低，因此受到了廣大研究人員的關(guān)注。微波測距儀原理與雷達(dá)類似，是測量定位終端發(fā)出信號與接收被定位終端反射信號的時間延遲，簡而言之，就是測量電磁波往返觀測點與被測點之間的時間，然后通過三邊測量法、極大似然估計法等計算得出被測點的坐標(biāo)。

2 無線定位測距研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

19世紀(jì)中葉以后，英國物理學(xué)家麥克斯韋提出了電磁學(xué)，這標(biāo)志著國際無線電技術(shù)的產(chǎn)生。1895年，馬可尼首次實現(xiàn)了無線電通信，隨后德國物理學(xué)家赫茲證實無線電傳輸是一種波的傳輸。1909年，意大利發(fā)明家馬可尼通過對無線電技術(shù)改進，使無線電報由此被發(fā)明。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，新興科技革命帶來了人造衛(wèi)星，核武器，計算機等新發(fā)明，使無線電技術(shù)應(yīng)用更普遍，大大帶動了無線電技術(shù)的發(fā)展。

在國際上，衛(wèi)星定位主要以GPS、GLONASS、伽利略（Galileo）為主。其中，美國的GPS是世界上應(yīng)用最廣的定位系統(tǒng)，但它也有不足之處，比如在大城市的高樓房和山區(qū)的叢林中會導(dǎo)致傳遞信號的曲線傳播，產(chǎn)生定位誤差。國外對于地面無線定位的研究成果中，大多數(shù)是以定位算法為主，并且根據(jù)算法實現(xiàn)了定位系統(tǒng)，目的是提高定位精度。其中影響定位精度的主要誤差是非視距（NLOS）誤差，國外學(xué)者對其進行深入的探討。Wylie M P[5]等利用距離測量的時間歷程，區(qū)分每個基站的視距和非視距測量；并利用統(tǒng)計的知識，校正NLOS測距誤差系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)測量噪聲特性。Mcguire M[6]為了改進NLOS誤差，優(yōu)化魯棒估計函數(shù)，實現(xiàn)了更精準(zhǔn)的定位。Chintalapudi K[7]等根據(jù)室內(nèi)特殊的復(fù)雜環(huán)境，依據(jù)RSS模型提出定位算法，實現(xiàn)室內(nèi)測量的突破。新西蘭測量標(biāo)準(zhǔn)實驗室的Forde L C[8]提出的方法可獲得光電測距儀的周期誤差和加常數(shù)這個檢定裝置在95％置信概率下的不確定度預(yù)算值為0.39mm。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

到了19世紀(jì)末，無線電技術(shù)開始融入我國。20世紀(jì)初，無線電技術(shù)在我國得到一定程度的普及，但并沒有真正意義上發(fā)展起來，直到20世紀(jì)中期，無線電技術(shù)得以快速拓展。比較具有代表性的是北斗雙星定位系統(tǒng)，它是我國首款自主研制的定位系統(tǒng)，對于我國的國家安全和國防建設(shè)等方面具有非常重要的作用，對于地面無線定位有著巨大的影響。

在地面無線定位方面，我國取得了一些研究成果，如武漢理工大學(xué)的張杰[9]結(jié)合ZigBee無線定位跟蹤系統(tǒng)，創(chuàng)造性地將USB接口加入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點上去，擴展了系統(tǒng)應(yīng)用范圍，結(jié)果表明，此方法可以實現(xiàn)3m左右的定位精度，定位時間小于40μs，但還需進一步改善。湖南大學(xué)的陳杰[10]提出一種針對復(fù)雜遮擋環(huán)境存在多次反射信號誤檢測信號區(qū)分方法，結(jié)果表明此方法可以有效區(qū)分LOS、SBP、DBP 和經(jīng)過三次或三次以上反射的非視距信號。在測距儀系統(tǒng)方面，西北大學(xué)的楊璐娜[11]開發(fā)了一種低功耗小型脈沖激光測距儀系統(tǒng)，通過測試，時間脈沖測量精度達(dá)到了皮秒（ps）級，相對誤差達(dá)到了百分之零點幾，但這只是個初步探索，還需進一步研究。趙武[12]等已研制成功測量大尺寸機械零件或構(gòu)件的高精度測距儀系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用雙縱模He-Ne激光為光源，測量范圍0～20m，穩(wěn)頻精度在室外有風(fēng)的環(huán)境下優(yōu)于1×10-7，測量的不確定度達(dá)到30μm/10 m。張利紅等[13]提供了一種以MEGA8單片機為核心的低成本超聲波測距儀的設(shè)計方案，其測量精度可達(dá)0.5 cm，測量范圍能達(dá)2.5m。李金煜[14]利用三角定位法構(gòu)建直角坐標(biāo)系，搭建實驗平臺驗證定位精度，結(jié)果顯示能實現(xiàn)高精度自動定位。

綜合分析國內(nèi)外相關(guān)文獻發(fā)現(xiàn)，有關(guān)工業(yè)用微波測距儀的報道比較少，并且研究者們研究的目的都是為了在成本低的環(huán)境下得到準(zhǔn)確的測距定位。眾所周知，微波具有精度高、抗干擾能力強、全天候等特點，而且微波測距儀的制作成本相對較低，因此工業(yè)用微波測距儀的研究對于提高測距精度和降低成本具有跨時代的意義并且有著巨大的工業(yè)市場需求。

2.3 不同測距定位技術(shù)的對比

通過了解國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，無線電的定位一般是通過信號接收強度、信號到達(dá)角度、信號傳播時延等特征值來測量距離。這些都是以無線信號為測量介質(zhì)來測量的，利用各種信號特征實現(xiàn)測距和定位。表2列出了各項技術(shù)的優(yōu)缺點。

綜上可知，改善測距是提高定位精度的有效辦法之一，傳統(tǒng)的測距無論它的信號特征值如何，普遍運用的測距依據(jù)是無線電波的時間差。由于電磁波會發(fā)生干涉、衍射、受傳播介質(zhì)和障礙物的影響，因此，無線電波的時間差會產(chǎn)生不可避免的誤差。從另一方面想，用無線電的波長測距就不會出現(xiàn)上述情況，電磁波的波長只與頻率有關(guān)，波長不會因為干涉衍射發(fā)生變化。需要對此進行深入研究。

3 無線定位測距發(fā)展新趨勢

無線定位測距是無線電技術(shù)的重要組成部分，是解決無線定位技術(shù)的一個重要手段。隨著開源技術(shù)的普及，尤其是電子計算機技術(shù)的不斷創(chuàng)新。測量儀器向著智能化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化、個性化發(fā)展[15-16]?，F(xiàn)代的無線定位測距技術(shù)的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

3.1 向新的頻段區(qū)域發(fā)展

近年來，光通信的變革成為科學(xué)家們預(yù)測的其中一個重要環(huán)節(jié)。從電磁頻譜可以看出，有一段區(qū)域并沒有被開發(fā)，微波段與紅外之間波長為10-4～10-3m的空隙，即所謂的太赫茲（THz）頻段。太赫茲的量子能量低（1THz只相當(dāng)于4meV），信噪比很高（可大于1010），頻率極寬，其標(biāo)志性成果便是0.225THz機載雷達(dá)。如果運用此頻段，針對無線定位測距的應(yīng)用，將會解決無線信號的干擾，提升設(shè)備測距的穩(wěn)定性，提高定位的精度。隨著人工智能和量子信息時代的到來，現(xiàn)代無線電設(shè)備包括微波測距儀頻帶較寬的優(yōu)勢會被大幅度開發(fā)利用，獲得更寬的頻段，滿足新時代下高精度測距的需求。

3.2 測量儀器智能化

無線測距離不開測量儀器，現(xiàn)代無線測試技術(shù)已借助計算機與測量設(shè)備的完美結(jié)合，實現(xiàn)了自動化、高效化和智能化的測量，顯著提升了測量的精度。數(shù)字化正成為測試儀器發(fā)展的主流方向，如今8位分辨率的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）的采樣速度已突破GHz級別。隨著模擬至數(shù)字（A/D）和數(shù)字至模擬（D/A）轉(zhuǎn)換器技術(shù)的不斷進步，基于微波測距的雷達(dá)定位技術(shù)已廣泛應(yīng)用在無人駕駛、煤礦挖掘、地質(zhì)勘測、身體檢測等領(lǐng)域，同時量子技術(shù)等新技術(shù)賦能微波測距的新儀器設(shè)備更智能化，大大超越傳統(tǒng)測量方式的精度。比如國內(nèi)首套自主研制的“海洋動力微波實驗系統(tǒng)”，利用海洋模擬水池和微波技術(shù)結(jié)合的智能化科學(xué)實驗裝置，成功實現(xiàn)微波技術(shù)對海洋復(fù)雜惡劣環(huán)境測距的應(yīng)用。

3.3 軟件網(wǎng)絡(luò)化測量

現(xiàn)如今網(wǎng)絡(luò)的覆蓋程度越來越高，數(shù)據(jù)庫聯(lián)網(wǎng)能力也在不斷擴展，微波測試儀器擴大網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫的能力是必然趨勢。從PC數(shù)據(jù)總線和通信接口等標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展來看，產(chǎn)品的運行、聯(lián)網(wǎng)速度越來越快，具有信息化、集成化、智能化的特點。在不久的將來，用戶通過計算機網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)不同地方及遠(yuǎn)程的各種微波測量設(shè)備的個性化、通用化、保密化測量。從軟件角度出發(fā)，目前儀器采用的方案包括應(yīng)用軟件的共享以及對數(shù)據(jù)庫的支持。引入的計算機嵌入式實時控制系統(tǒng)，利用TCP/IP協(xié)議封裝提供的各類測量技術(shù)，推動了計算機網(wǎng)絡(luò)測量平臺的持續(xù)進步，預(yù)計將引發(fā)一場革命性的變革。此外，網(wǎng)絡(luò)測量帶來的顯著效益，也將進一步推動其在測量自動化領(lǐng)域中的應(yīng)用。

4 結(jié)論

工業(yè)用無線定位測距，其定位精度要求嚴(yán)苛，測量問題變得更加突出和復(fù)雜。應(yīng)運而生的不同定位的強化優(yōu)化方法已得到國內(nèi)外無線定位技術(shù)領(lǐng)域的普遍關(guān)注，并已經(jīng)開展了研究。目前，無線定位技術(shù)尤其是微波技術(shù)在新的頻段區(qū)域、測量儀器的智能化、軟件網(wǎng)絡(luò)化測量等方面已經(jīng)開展了研究工作，若能夠在這些方面取得突破性進展，并在實踐中得以有效應(yīng)用，將會對人類社會的發(fā)展做出重大貢獻。

基金項目：河南省教育科學(xué)規(guī)劃重點項目（2024JKZD39）；河南省高等教育教學(xué)改革研究與實踐項目（2024SJGLX0743）；河南省黨的教育政策研究課題（2025-DDJYZC-13）。

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