揭秘：超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)精確定位？

隨著科學(xué)的發(fā)展與進(jìn)步，GPS已經(jīng)可以在室外提供穩(wěn)定、精準(zhǔn)的定位導(dǎo)航服務(wù)，但在室內(nèi)或者有障礙物遮擋情況下，GPS因其信號(hào)穿透能力較差而無法實(shí)現(xiàn)精確的室內(nèi)定位，因此室內(nèi)定位成為定位導(dǎo)航領(lǐng)域里的“最后一公里”問題。

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為解決室內(nèi)定位這一難題，國(guó)內(nèi)外研究人員嘗試了WLAN技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）、藍(lán)牙技術(shù)、ZigBee技術(shù)等。但受限于作用距離、交互性能、定位精度、抗干擾能力、功耗以及成本等條件，這些室內(nèi)定位技術(shù)都沒能廣泛推廣應(yīng)用開來。而超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)的出現(xiàn)正好填補(bǔ)了高精度室內(nèi)定位領(lǐng)域的空白。

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何為超寬帶技術(shù)？

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超寬帶技術(shù)利用納秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，因此其所占的頻譜范圍很寬，并且時(shí)間分辨率較高。傳統(tǒng)的定位技術(shù)是根據(jù)無線正弦信號(hào)的飛行時(shí)間或者信號(hào)強(qiáng)弱來判別物體位置，但是易受多徑或外界環(huán)境的影響，定位出的位置與實(shí)際位置存在誤差，波動(dòng)較大，定位精度不高。

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而恒高科技（EHIGH）的超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)采用了寬帶窄脈沖通訊技術(shù)（時(shí)間分辨率極高，使定位誤差減?。?、多源數(shù)據(jù)融合（有效提升定位系統(tǒng)的抗干擾能力）以及時(shí)間序列信號(hào)處理技術(shù)（在強(qiáng)多徑復(fù)雜環(huán)境中，提取出首達(dá)路徑信號(hào)），因此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)定位目標(biāo)的精準(zhǔn)定位。

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為何要提取出首達(dá)路徑信號(hào)？

精確定位的關(guān)鍵在于，接收節(jié)點(diǎn)能正確接收到發(fā)射節(jié)點(diǎn)所發(fā)送信號(hào)的直射路徑。而在實(shí)際的無線傳輸環(huán)境中，電磁波會(huì)受到墻面，金屬等物體的反射，產(chǎn)生多徑信號(hào)。

因此接收節(jié)點(diǎn)往往不僅能接收到直射路徑，還能接收到反射路徑傳播的信號(hào)，并且直射路徑信號(hào)和反射路徑信號(hào)是相加的關(guān)系。

如果接收節(jié)點(diǎn)不能分離出接收信號(hào)中的直射路徑，則接收節(jié)點(diǎn)定位的依據(jù)是直射路徑信號(hào)和反射信號(hào)路徑相加的結(jié)果，從而影響時(shí)間信息的獲取，對(duì)定位精度造成影響。因此為了提高定位的精準(zhǔn)度，定位系統(tǒng)需要提取出首達(dá)路徑信號(hào)。

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超寬帶定位系統(tǒng)是目前業(yè)界精度最高的商用無線定位系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)較高的實(shí)時(shí)定位精度與定位容量，通常能夠在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中獲取高達(dá)10cm~20cm的二維定位精度。近年來，美國(guó)、加拿大、英國(guó)、中國(guó)等國(guó)家都投入了大量的人力和物力來對(duì)相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品進(jìn)行研究和開發(fā)。

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超寬帶室內(nèi)定位常用的定位方法

無線定位測(cè)量方法是指分析接收到的無線電波信號(hào)的特征參數(shù)，然后根據(jù)特定算法計(jì)算被測(cè)對(duì)象的位置（二維/三維坐標(biāo)：?經(jīng)度、緯度、高度）。常用的無線定位方式有如下幾種：信號(hào)強(qiáng)度分析法（RSS）、到達(dá)角度定位法（AOA）、到達(dá)時(shí)間定位法（TOA）、到達(dá)時(shí)間差定位法（TDOA）。

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到達(dá)角度定位（AOA）和信號(hào)強(qiáng)度分析法（RSS）

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AOA通過獲取被測(cè)點(diǎn)到兩個(gè)接收機(jī)的信號(hào)到達(dá)角度進(jìn)行定位，需要配置復(fù)雜的天線系統(tǒng)，且角度誤差對(duì)定位精度的影響遠(yuǎn)比測(cè)距誤差大。RSS則根據(jù)信號(hào)的傳播模型，利用接收信號(hào)的強(qiáng)度與信號(hào)傳播距離的關(guān)系，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位。這種方法的定位覆蓋距離較近，且對(duì)信道傳輸模型的依賴性非常大，多徑以及環(huán)境條件的變化都會(huì)使其精度嚴(yán)重惡化，特別是距離估計(jì)的精度與信號(hào)的帶寬無關(guān)，不能發(fā)揮UWB帶寬大的優(yōu)勢(shì)。

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所以，RSS和AOA方法一般不單獨(dú)用于UWB定位，只能作為輔助手段進(jìn)行初級(jí)粗定位，UWB實(shí)現(xiàn)精確定位主要依靠精密測(cè)距完成。

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到達(dá)時(shí)間定位（TOA）

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被測(cè)點(diǎn)（標(biāo)簽）發(fā)射信號(hào)到達(dá) 3 個(gè)以上的參考節(jié)點(diǎn)接收機(jī)（基站） ，通過測(cè)量到達(dá)不同接收機(jī)所用的時(shí)間，得到發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)之間的距離，然后以接收機(jī)為圓心，所測(cè)得的距離為半徑做圓，3 個(gè)圓的交點(diǎn)即為被測(cè)點(diǎn)所在的位置。但是 TOA 要求參考節(jié)點(diǎn)與被測(cè)點(diǎn)保持嚴(yán)格的時(shí)間同步，多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合無法滿足這一要求。

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該方法實(shí)現(xiàn)過程中，需要測(cè)得定位標(biāo)簽與每個(gè)基站的距離信息，從而定位標(biāo)簽需要與每個(gè)基站進(jìn)行來回通信，因此定位標(biāo)簽功耗較高。該定位方法的優(yōu)勢(shì)在于在定位區(qū)域內(nèi)外（基站圍成區(qū)域的內(nèi)外），都能保持很高的定位精度。

到達(dá)時(shí)間差定位（TDOA）

與 TOA 類似 ，只是測(cè)量得到的是時(shí)間差而非絕對(duì)時(shí)間。這種方法只需參考節(jié)點(diǎn)之間保持同步，不要求參考節(jié)點(diǎn)與被測(cè)點(diǎn)之間的嚴(yán)格的時(shí)間同步，使系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)化，所以在定位系統(tǒng)中應(yīng)用最廣。

TDOA定位即雙曲線定位，二維定位中需要使用4個(gè)定位基站。通過測(cè)量標(biāo)簽到每?jī)蓚€(gè)基站之間的距離差，距離差等于常量即可繪制出雙曲線，而曲線交點(diǎn)即可確定標(biāo)簽坐標(biāo)。該方法實(shí)現(xiàn)過程中，標(biāo)簽只需要廣播一次UWB信號(hào)即可，因此有利于標(biāo)簽的功耗及標(biāo)簽并發(fā)數(shù)量。

恒高科技超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)采用了TOA和TDOA兩種定位方法，保證高精度定位效果的同時(shí)，大大降低了定位標(biāo)簽的功耗。

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超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)構(gòu)成

為了對(duì)定位原理深入了解，我們可對(duì)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。恒高科技定位系統(tǒng)由應(yīng)用層、服務(wù)層、傳輸層和感知層（定位基站和定位標(biāo)簽）構(gòu)成，傳輸層主干網(wǎng)通信方式采用有線或無線的通信方式。系統(tǒng)架構(gòu)如下圖所示：

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感知層

感知層主要包括定位基站和定位標(biāo)簽。基站和標(biāo)簽是定位系統(tǒng)的核心設(shè)備，標(biāo)簽會(huì)按時(shí)隙廣播攜帶有自身ID號(hào)的無線電信號(hào)，定位基站接收到標(biāo)簽發(fā)送的信號(hào)后，將接收到信號(hào)的時(shí)間戳和標(biāo)簽ID卡號(hào)通過主干網(wǎng)傳輸給服務(wù)層，完成對(duì)標(biāo)簽卡的定位，基站也可以接收到應(yīng)用層下發(fā)的指令，完成相關(guān)的設(shè)置。

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傳輸層

傳輸層也稱主干通信網(wǎng)（簡(jiǎn)稱“主干網(wǎng)”），是基站與服務(wù)層、應(yīng)用層之間的數(shù)據(jù)傳輸通道，向下將應(yīng)用層相關(guān)指令傳輸給基站，向上將定位原始數(shù)據(jù)（標(biāo)簽與基站之間距離）傳輸給服務(wù)層，采用有線光纖方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

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服務(wù)層

通過標(biāo)簽與覆蓋該區(qū)域定位基站進(jìn)行測(cè)距，頂層通過各基站的位置和標(biāo)簽距離，通過TDOA算法或者TOA算法解算出標(biāo)簽坐標(biāo)。除此之外，服務(wù)層還提供了靈活的設(shè)備管理和網(wǎng)絡(luò)管理功能，以及各項(xiàng)前端功能和應(yīng)用接口。

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應(yīng)用層

通過服務(wù)層獲取定位標(biāo)簽的具體位置，以一維、二維或三維地圖的形式實(shí)時(shí)顯示標(biāo)簽的位置，并提供軌跡回放，人員信息管理和呼叫求救等功能。此外，應(yīng)用層還提供websocket接口和http接口，通過websocket接口可獲取標(biāo)簽卡的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)，通過http接口可獲取系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)，因此，該定位系統(tǒng)易于二次開發(fā)和集成。

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超寬帶室內(nèi)定位的發(fā)展趨勢(shì)

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基于超寬帶技術(shù)的研究，最初出現(xiàn)于二十世紀(jì)五六十年代，在七十年代開始興起，在當(dāng)時(shí)主要是美國(guó)將這種技術(shù)應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的雷達(dá)系統(tǒng)中，2002年之后，超寬帶開始被允許商業(yè)化應(yīng)用。

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而國(guó)內(nèi)對(duì)超寬帶技術(shù)的關(guān)注始于2003年之后，最初主要是成都電子科技大學(xué)、哈工大等高校在做一些理論研究。而到了2012年之后，超寬帶技術(shù)開始進(jìn)入民用領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)做超寬帶產(chǎn)品和技術(shù)方案的企業(yè)才開始涌現(xiàn)。

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超寬帶定位在眾多無線定位技術(shù)中有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，可以滿足未來無線定位的需求。此外，與常規(guī)無線電技術(shù)相比，超寬帶很容易將定位與通信結(jié)合，相對(duì)成熟的短距離超寬帶通信必將帶動(dòng)超寬帶在定位方面的發(fā)展。

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雖然無線精確定位已有多年發(fā)展，但超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)尚處于發(fā)展初級(jí)階段。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，相信不久后超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)可以完全實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，精確定位系統(tǒng)也將會(huì)得到廣泛應(yīng)用。

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