超寬帶UWB高精度定位技術(shù)介紹

UWB（UltraWideBand，超寬帶）是一種以極低功率在短距離內(nèi)高速傳輸數(shù)據(jù)的無線通信技術(shù)，UWB具有抗干擾性能強(qiáng)、傳輸速率高、帶寬極寬、消耗電能小、發(fā)送功率小等諸多優(yōu)勢(shì)，主要應(yīng)用于室內(nèi)通信、家庭網(wǎng)絡(luò)、位置測(cè)定、雷達(dá)檢測(cè)等領(lǐng)域。系統(tǒng)容量大發(fā)送功率非常小，其電磁波輻射對(duì)人體的影響也會(huì)很小，應(yīng)用面就廣。

UWB定位技術(shù)原理

無線定位系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)精確定位，首先要獲取與位置相關(guān)的變量信息，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)這些變量和參數(shù)以及數(shù)學(xué)模型來解算目標(biāo)的坐標(biāo)。UWB定位技術(shù)具有超高的時(shí)間和空間分辨率，保證了UWB可以準(zhǔn)確的獲得待定位目標(biāo)的時(shí)間和角度信息，時(shí)間信息可以轉(zhuǎn)化為距離信息，結(jié)合角度信息利用三角定位等幾何定位方法求得待定位目標(biāo)的位置信息。常用的測(cè)量角度和時(shí)間信息的方法有：基于接收信號(hào)強(qiáng)度（receivedsignalstrength，RSS）、基于接收信號(hào)到達(dá)角度（angleofarrival，AOA）、基于接收信號(hào)時(shí)間法（time/timedifferenceofarrival，TOA/TDOA）、AOA和TDOA混合定位法。

uwb技術(shù)優(yōu)勢(shì)

根據(jù)信號(hào)的定義及特點(diǎn)，UWB技術(shù)具有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）系統(tǒng)容量大，傳輸速度快

根據(jù)香港信道容限公式，帶寬越寬，系統(tǒng)的最大傳輸速率就越大。傳統(tǒng)的無線載波通信系統(tǒng)由于頻帶窄，必須采用多進(jìn)制的調(diào)制方式才能使信號(hào)的傳輸速率達(dá)到100Mbps以上，這就要求信噪比在一個(gè)很高的水平上，同時(shí)也大大增加了系統(tǒng)構(gòu)建的復(fù)雜性。而UWB通信的帶寬都在500MHz以上，其傳輸速率也達(dá)到1Gbps以上。

（2）發(fā)射功率低

IR-UWB具有1GHz以上的頻帶寬度，極大的帶寬保證了較低的發(fā)射功率。在短距離無線通信應(yīng)用中，發(fā)射機(jī)發(fā)射的UWB信號(hào)功率要低于1mW，這大大延長(zhǎng)了電池壽命，保證了較長(zhǎng)的系統(tǒng)工作時(shí)間，同時(shí)對(duì)人體的輻射危害也更小。

（3）多徑分辨率高

UWB信號(hào)采用持續(xù)時(shí)間很短的窄脈沖，具有較強(qiáng)的時(shí)間和空間分辨率，系統(tǒng)的多徑分辨率高，整個(gè)系統(tǒng)能夠充分利用發(fā)射信號(hào)的能量。此外，UWB信號(hào)具有良好的抗多徑性能，對(duì)于信道衰減不敏感，接收機(jī)通過分級(jí)便可以獲得很強(qiáng)的康衰減能力，在室內(nèi)或者建筑物比較密集的場(chǎng)合可以獲得良好的定位效果，同時(shí)在進(jìn)行測(cè)距、定位、跟蹤時(shí)也能達(dá)到更高的精度。

（4）系統(tǒng)保密性好

UWB發(fā)射功率低，僅在1mW以下。它可以把信號(hào)彌散在一個(gè)極寬的頻帶范圍內(nèi)，對(duì)于一般的通信信號(hào)而言，UWB信號(hào)類似于白噪聲可以安全低隱藏起來;而UWB信號(hào)的功率譜密度要低于普通的環(huán)境噪聲，要將UWB信號(hào)從環(huán)境噪聲中甄別出來不是一件容易的事情，這很好地保證了UWB信號(hào)的安全性。

（5）穿透能力強(qiáng)

窄脈沖具有很強(qiáng)的穿透能力，可以幫助比如警察搜尋隔墻的逃犯，以及解救那些被圍困在建筑物里面的人們。

（6）定位精度高

UWB信號(hào)具有超寬頻帶的特性，使得UWB系統(tǒng)的距離分辨精度是其他系統(tǒng)的成千上百倍。UWB信號(hào)的距離分辨能力可達(dá)到厘米級(jí)，這是其它窄帶系統(tǒng)望塵莫及的。

依賴于上述這些優(yōu)點(diǎn)，UWB信號(hào)可以輕松穿透常見障礙物的阻隔，并能準(zhǔn)確測(cè)距定位，因此可以用來構(gòu)建具有較強(qiáng)通信和測(cè)距定位功能的無線定位系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于消防、智能化工廠、機(jī)場(chǎng)安檢、軍事訓(xùn)練等領(lǐng)域。

超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)

超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)則包括UWB接收器、UWB參考標(biāo)簽和主動(dòng)UWB標(biāo)簽。定位過程中由UWB接收器接收標(biāo)簽發(fā)射的UWB信號(hào)，通過過濾電磁波傳輸過程中夾雜的各種噪聲干擾，得到含有效信息的信號(hào)，再通過中央處理單元進(jìn)行測(cè)距定位計(jì)算分析。

UWB室內(nèi)定位結(jié)構(gòu)圖

超寬帶可用于室內(nèi)精確定位，例如戰(zhàn)場(chǎng)士兵的位置發(fā)現(xiàn)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)跟蹤等。超寬帶系統(tǒng)與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)相比，具有穿透力強(qiáng)、功耗低、抗干擾效果好、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供精確定位精度等優(yōu)點(diǎn)。因此，超寬帶技術(shù)可以應(yīng)用于室內(nèi)靜止或者移動(dòng)物體以及人的定位跟蹤與導(dǎo)航，且能提供十分精確的定位精度。

定位精度：根據(jù)不同公司使用的技術(shù)手段或算法不同，精度可保持在0.1m~0.5m。

超寬帶UWB高精度定位技術(shù)前景展望

采用UWB進(jìn)行無線定位，可以滿足未來無線定位的需求，在眾多無線定位技術(shù)中有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，目前的研究表明超寬帶定位的精度在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境已經(jīng)可以達(dá)到十幾cm。此外，超寬帶無線電定位，很容易將定位與通信結(jié)合，快速發(fā)展的短距離超寬帶通信無疑將帶動(dòng)UWB在定位技術(shù)的發(fā)展，而常規(guī)無線電難以做到這一點(diǎn)。雖然無線精確定位技術(shù)已有了多年發(fā)展，但目前超寬帶技術(shù)正處于發(fā)展初級(jí)階段，精確定位技術(shù)的商業(yè)化正在進(jìn)行之中，定位算法還有待改進(jìn)。隨著超寬帶技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，市場(chǎng)需求的不斷增加，相信不久超寬帶定位技術(shù)就可以完全實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，精確的超寬帶定位系統(tǒng)將會(huì)得到廣泛應(yīng)用。