浅谈UWB高精度无线定位技术

宋兴华

辽宁建筑职业学院   辽宁辽阳   111000

摘要：在当今快速发展的物联网体系中，高速高精度定位位置信息，将是工业信息智能化的重要组成与必然应用，通过解决4.0时代工业现场供应链组件、生产设备、调度车辆与操作人员精确定位的问题，是对生产组织过程进行智能分析、科学决策的前提条件。因此，超宽带定位技术为高精度室内定位提供了可靠的定位技术。

关键词：无线定位；UWB；高精度定位

随着信息技术的高速发展，wireless通信技术和数据处理能力的快速提升，基于位置的服务需求在大幅增加，同时对位置的实时定位精度要求也在快速提高。无论在室内或是室外环境下，快速准确地获得移动终端的位置信息并且提供位置服务的需求变得愈加迫切。因此，将通信和定位两大系统如何有效的融合在一起、相互利用。利用无线通信和定位参数测量快速确定移动终端位置，利用定位信息支持位置数据信息和调优网络管理，提高位置服务质量和网络性能。因此，怎样在各种复杂的无线网络中快速捕捉到定位信号、准确稳定地获取移动终端位置信息的定位技术已经成为当前的研究热点。

目前，无线定位技术包括广域定位和短距离无线定位两种。广域定位包括导航卫星定位和移动定位；短距离定位主要包括射频识别、Wireless、超宽带、蓝牙、超声波等。当前应用的主要无线定位技术与无线定位测量方法。

与室外卫星定位相比，在相对封闭的室内环境中定位位置信息并且需要一定的定位精度是具有很大难度的，主要原因是各种物体阻挡和信号的分散导致。而UWB（Ultra WideBand）超宽带是室内定位领域的一项新技术，与现有的其他定位技术相比，UWB具有更好的性能，更高定位精度，更加适和于室内定位应用。

一、超宽带定位技术概述

Ultra WideBand技术与传统意义的通信技术有很大的不同，它不同于传统通信意义中的载波，而是通过主动发送和接收具有NS或NS级以下的极窄脉冲信号来传输数据，从而具有G赫兹级别的带宽。Ultra WideBand室内定位可用于各个封闭环境精确定位和导航，包括类移动终端，例如智能充电桩的精确定位、地下工作人员定位、地下停车场的智能导引等。

Ultra WideBand系统不同于传统的窄带系统，它具有功耗低、穿透力强、抗多径效果好，同时安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。因此，Ultra WideBand技术完全可以应用于封闭环境内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与Navigation，并且能提供快速精确的定位精度。缺点是成本相对昂贵，系统铺设较为复杂。

二、封闭条件下的常用无线定位测量技术

Wireless Location测量技术是针对分析接收到的无线脉冲信号的特征参数，然后依据特定算法分析被测量终端的坐标。

目前常用的室内无线定位测量方法如下：

采用Angle of Arriva到达角度定位的定位技术

采用Time of Arriva到达时间定位的定位技术

采用Time Difference of Arriva到达时间差定位的定位技术

采用Received Signal Strength 接收信号强度定位的定位技术

混合定位

每一种定位技术，定位的精度各不相同。因此为了提高定位的速度与精度，也可以采用复合定位技术的组合。

基于到达角度定位的定位算法

Angle of Arriva定位是采用base station或antenna array测出终端发射电波的光源与法线的夹角，由此画出一根从接收机到终端的直线方位线。通过使用两个或两个以上AccessPoint提供的达角度定位测量值，按达角度定位算法来确定多个方位线的交汇点，就是被定位终端的基本位置。

基于Time of Arriva的定位算法

Time of Arriva技术是指由base station向Move station发出特定的距离测量信号，同时被测量终端对该距离测量信号进行响应。base station会记录从发出测距信号到收到被测量终端发出的ACK信号所耗费的时长，这段测量时长主要由发出的测量信号在测量距离上的传播时长、被测终端的响应时长和信号处理时长、base station的信号处理时长构成。此时，通过获得被测终端和base station的信号响应和处理时长，就可以通过计算得到距离测量信号的全路径传播时长。因为无线电波在空气中以光速进行传播，所以base station与被测之间的距离可以计算出来。此时如果有三个base station同时进行测量，就可以利用三角定位法来定位被测终端所在的精确位置。

基于Time Difference of Arriva的定位算法

Time Difference of Arriva定位算法是一种利用Time差进行定位的方法，利用测量信号达到base station的时间，可以计算出信号源与base station的距离，利用信号源到多个无线电监测站的距离（以无线电base station为圆心，距离为半径作圆），就能确定发射信号的位置。通过对比信号到达多个base station的Time差值，就能做出以信号源站为焦点、距离差为长轴的双曲线的交点，该交点即为信号源的位置。

Time Difference of Arriva是基于多站点的定位算法，因此要对信号进行定位必须有至少3个以上的监测站进行同时测量。而每个监测站的组成则相对比较简单，主要包括接收站点、天线和时间同步模块。理论上监测站只要具有时间同步模块就可以转换为Time Difference of Arriva监测站，而不需要相对复杂的技术升级。

基于Received Signal Strength的定位技术

在基于Received Signal Strength的技术中，被定位终端测量来自多个发射器接收的信号强度，同时使用信号强度作为发射端和接收端之间距离的估算参数。这样，接收端将能够估算其相对于发射节点的位置。在基于Received Signal Strength的技术中，无线信号传输过程中的多路径效应和通过障碍时产生的阴影效应是造成定位误差的主要因素。在无障碍空间里，如果无障碍物的影响，可以快速进行较为精确的定位，而在绝大多数环境下，因为实际存在的各种障碍物导致的多径效应，强度衰减，信号散射等等不确定因素，会大幅干扰其信号定位精度。另外，采用Received Signal Strength的算法与其他定位算法相比也具备一定优势，在基于Received Signal Strength的算法中，移动标签仅用作接收端，因此依赖于来自多个发射器的接收信号的强度来判定它们的位置。用这种定位方法，采用Received Signal Strength的算法主要应用于具有较少的通信流量，这有助于改善信道访问控制和定位准确性。此外，较少的通信流量有助于解决对使用中的标签数量的限制要求。移动标签只是接收器，数量没有要求。

基于Received Signal Strength的算法可以分为两种主要类型：三边测量和指纹识别。三边测量算法使用Received Signal Strength测量来估计到三个不同参考节点的距离，从而估计当前位置。另一方面，指纹识别需要收集场景RSS指纹的数据集，该数据集则用于将在线测量与数据集中最接近的指纹匹配用以估计位置。

混合定位技术

目前，混合定位已成为新的无线定位技术。混合定位的核心技术依赖于可靠的短程测量的应用，从而提高无线系统的位置定位精度。用已经实现了基本独立的无线定位测量方法（Received Signal Strength等）的不同组合来提升位置估算的精度。

超宽带所采用的定位测量技术

对于超宽带定位来说，Angle of Arriva需要传感器之间的大量使用，并且会因误差累积而影响精度。虽然Angle of Arriva具有一定的准确度，但对于具有强散射的超宽带信号来说其功能较弱。

另一方面，Received Signal Strength算法相对于其他算法没有有效地利用UWB的高带宽。该技术更适合使用窄带信号的系统。而Time of Arriva算法在基于UWB的系统等宽带系统中表现更好。

三、总结

室内定位技术众多，每个技术都有自己的优缺点。高精度室内定位技术都依赖比较昂贵的辅助设备或大量的人工处理，这些因素都大大制约了高精度定位技术的应用。低成本的定位技术需要提高定位精度上。因此提供高定位精度的基础上降低建设成本也成为高精定位的发展方向。未来的定位发展一定是多种技术融合应用，从而实现优势互补，以提升复杂环境下的定位精度。

参考文献

[1]基于UWB的室内定位技术综述. 丁亚男;张旭;徐露.智能计算机与应用,2019

[2]高精度室内融合定位算法研究. 黄健;杨国伟;胡起立;毕美华;李晶;李娜.无线电工程,2022