高精度室内定位技术——UWB

云脑智库 2021-08-23 00:00

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来源 | 传感器技术

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在分析室内定位的相关技术之前，我们先来了解一下定位是怎么工作的。定位的核心技术其实是测距。给定空间中已知三点的具体坐标，和一个未知点到三点的距离，即可算出未知点的坐标。这通常叫做三边测量定位算法。

三边测量定位的几何理解非常简单。

以三个已知点和距离作三个圆，他们交于同一个点，这个点的坐标就是测量点的坐标。然而这是一个理想情况，实际由于测量精度的限制，实际上他们通常交不到一个点上，交出来的是一块有面积的东西。这块面积的大小就是定位精度。当然我们可以通过更多组的测量使得相交的面积进一步减小以提高精度。

在这样简单易行的算法的支持下，我们就将定位问题转化为了测直线距离问题，如何精确计算一个已知点到未知点的距离。GPS 的解决方案非常简单粗暴。GPS 的本质是一个授时系统，也就是告诉你卫星发出这个信号的时候是几点几分几秒几毫秒几微秒。而从 GPS 到地面有一定距离，无线电波在空气中以光速传播，等传到终端上是已经过去了几微秒，所以我们只要乘上光速就能知道终端到这颗星的距离了。

一个要克服的问题是终端的时间并不一定很精确，但如果我们可以通过几颗星之间两两差值来算出本地应该有的时间。通过十几颗星一起授时进行修正，最后能很好将精度控制住。提高精度的方法也很粗暴，提高授时精度即可。

这样的模型放在室内定位的时候会遇到什么问题呢？

1. 距离太短，时间难测

由于室内定位距离太短，要知道光速是 299,792,458 m/s，跑几米的时间太短了，根本测不精准。所以如果想继续通过授时的方法解决问题，无线电波通常是不靠谱的。当然也不是没有解决方案，比如速度慢得多的声波，一个解决方案就是超声波定位，这个可以是主动等回波来测量，或者被动授时测量，但超声波受多径效应和非视距传播影响很大，设计起来非常捉急。

2. 信号遮挡，波长难选

同样无论用超声还是无线电都会遇到这个问题。波长长了，能绕过障碍物，但接收很困难，毕竟手机上不能捆个大锅盖（绕过障碍物 = 绕过终端设备）。波长短了，信号很容易被遮挡，导致收不到信号。

现在的室内定位设备都是怎么工作的呢？

折中选择一个频率，使得不太容易被遮挡也比较好接收，这种选择的话2.4GHz 或者 5GHz 的 Wi-Fi 或者蓝牙信号就是可选的。这个频率在一个合法的发射功率下距离不太大。这有一个好处：信号衰减很有规律，通过测量信号强度通常就可以估计出离发射源的距离了。

更重要的是 Wi-Fi 和蓝牙都是手机上已经集成好的模块，可以降低硬件部署成本。现在常见的 Wi-Fi 室内定位和 iBeacons 也是基于类似的原理。而基于 ZigBee 协议的定位选择了距离更短功耗更低的基站来获得更精确的定位，其本质是类似的。

这样的方法目前已经可以获得室内几米的定位精度，也就是说可用的地步了。那么现在还有什么问题要克服呢？

1. 多径效应与测量精度

还是这个问题，信号可能在室内多次反射，这样得到的信号其实是不能正确测距的。相比 GPS 几乎和地面没有遮挡物的条件，室内房屋结构复杂，移动的人、物品的摆放、墙壁、门都可能成为严重影响距离测量的因素。

当然如果像 ZigBee 这样距离非常短的传输协议，其实受这种影响相对就会小一点，能提高精度。现在像 Google 试图从算法上提高精度并取得了一定成果，所以这个问题并不太大。

2. 发射距离与部署成本

Wi-Fi 和蓝牙发射距离很短意味着要大量部署设备，要完成一个商场室内定位设备的部署其成本其实相当高。如果当前应用的场景还不是很丰富的情况下，商家很少会主动部署这样的设备。虽然同样是 Wi-Fi，不能再是单纯覆盖即可的思路，而是要每个点至少要能搜到四五个 Wi-Fi 信号，成本相当高。ZigBee 的话由于其传输距离短，部署的成本会更高。

室内定位现状：

当前市场对定位的需求越来越多，所以衍生出各种各样的定位技术，幵根据丌同定位信号不同用途分成不同的定位系统。如利用卫星无线 RF 信号的 GPS、利用红外和激光的光学定位、利用超声和声纳的声音定位、利用图像处理和计算机视觉的视觉定位、利用陀螺原理的相对定位等等。

其中，GPS 是目前应用最成功的定位技术，不过它也有一个很明显的缺陷，就是在室内不能定位，而且一般民用的精度也不够高（10m 左右），相对于室内定位的要求（1m 左右或更低）还有一段距离。目前室内无线定位技术的研究相对集中在基于 RF 信号，并结合各种无线网绚技术如 ZigBee，超宽带(Ultra-Wide Band，UWB)，Wi-Fi，蓝牙，射频识别(Radio-frequency Identification，RFID)等定位技术的研究。

超宽带技术（UWB）超宽带技术是与传统通信技术有极大差异的通信无线新技术。它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有 3.1~10.6GHz 量级的带宽。

目前，包括美国，日本，加拿大等在内的国家都在研究这项技术，在无线室内定位领域具有良好的前景。UWB 技术是一种传输速率高（最高可达 1000Mbps 以上），发射功率较低，穿透能力较强并且是基于极窄脉冲的无线技术，无载波。正是这些优点，使它在室内定位领域得到了较为精确的结果。

超宽带室内定位技术常采用 TDOA 演示测距定位算法，就是通过信号到达的时间差，通过双曲线交叉来定位的超宽带系统包括产生、収射、接收、处理极窄脉冲信号的无线电系统。而超宽带室内定位系统则包括 UWB 接收器、UWB 参考标签和主动UWB 标签。

定位过程中由 UWB 接收器接收标签发射的 UWB 信号，通过过滤电磁波传输过程中夹杂的各种噪声干扰，得到含有效信息的信号，再通过中央处理单元进行测距定位计算分析。

室内布局很多基站（Anchor），可以获取标签（Tag）跟各个基站的距离，根据这些测量的距离就可以对标签（Tag）进行定位，类似GPS原理。如果我们再融合惯性传感器和恰当的算法，就可以获取相对于基站（Anchor）更精确的定位信息。

超宽带可用于室内精确定位，例如战场士兵的位置发现、机器人运动跟踪等。超宽带系统与传统的窄带系统相比，具有穿透力强、功耗低、抗干扰效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。

因此，超宽带技术可以应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航，且能提供十分精确的定位精度。定位精度：根据不同公司使用的技术手段或算法不同，精度可保持在0.1m~0.5m。

UWB具有以下特点

1 系统容量大

香农公式给出C=Blog2(1+S/N)可以看出，带宽增加使信道容量的提高远远大于信号功率上升所带来的效应，这一点也正是提出超宽带技术的理论机理。超宽带无线电系统用户数量大大高于3G系统。

2 高速的数据传输

UWB系统使用上吉赫兹的超宽频带，根据香农信道容量公式，即使把发送信号功率密度控制得很低，也可以实现高的信息速率。一般情况下，其最大数据传输速度可以达到几百兆比特每秒到吉比特每秒。

3 多径分辨能力强

UWB由于其极高的工作频率和极低的占空比而具有很高的分辨率，窄脉冲的多径信号在时间上不易重叠，很容易分离出多径分量，所以能充分利用发射信号的能量。实验表明，对常规无线电信号多径衰落深达10～30dB的多径环境，UWB信号的衰落最多不到5dB。

4 隐蔽性好

因为UWB的频谱非常宽，能量密度非常低，因此信息传输安全性高。另一方面，由于能量密度低，UWB设备对于其他设备的干扰就非常低。

5 定位精确

冲激脉冲具有很高的定位精度，采用超宽带无线电通信，可在室内和地下进行精确定位，精度最高可达2厘米，一般精度在15厘米内。

6 抗干扰能力强

UWB扩频处理增益主要取决于脉冲的占空比和发送每个比特所用的脉冲数。UWB的占空比一般为0.01～0.001，具有比其他扩频系统高得多的处理增益，抗干扰能力强。一般来说，UWB抗干扰处理增益在50dB以上。

7 低成本和低功耗

UWB无线通信系统接收机没有本振、功放、锁相环(PLL)、压控振荡器(VCO)、混频器等，因而结构简单，设备成本将很低。由于UWB信号无需载波，而是使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在0.20～1.5ns之间，有很低的占空因数，所以它只需要很低的电源功率。一般UWB系统只需要50～70mW的电源，是蓝牙技术的十分之一。

无线UWB技术最基本的工作原理是发送和接收脉冲间隔严格受控的高斯单周期超短时脉冲，超短时单周期脉冲决定了信号的带宽很宽，接收机直接用一级前端交叉相关器就把脉冲序列转换成基带信号，省去了传统通信设备中的中频级，极大地降低了设备复杂性。

无线UWB技术采用脉冲位置调制PPM单周期脉冲来携带信息和信道编码，一般工作脉宽0.1-1.5ns (1纳秒= 一亿分之一秒)，重复周期在25-1000ns。

典型高斯单周期脉冲的时域和频域

实际通信中使用一长串的脉冲。图3显示了周期性重复的单脉冲的时域和频域特性。频谱中出现了强烈的能量尖峰，这是由于时域中信号重复的周期性造成了频谱的离散化。这些尖峰将会对传统无线电设备和信号构成干扰，而且这种十分规则的脉冲序列也没有携带什么有用信息。改变时域的周期性可以减低这种尖峰，即采用脉冲位置调制PPM。　　

单周期脉冲序列的时、频域特性

比如可以用每个脉冲出现位置超前或落后于标准时刻一个特定的时间δ来表示一个特定的信息。图4是一个二进制信息调制的示例。

PPM调制的示意图

图中调制前脉冲的平均周期和调制量δ的数值都极小。因此调制后在接收端需要用匹配滤波技术才能正确接收，即用交叉相关器在达到零相位差的时候就可以检测到这些调制信息，哪怕信号电平低于周围噪声电平。由图还可见调制后降低了频谱的尖峰幅度，之所以仍不够十分平滑是因为时间位置偏移量不够大，也不够杂乱。

为了进一步平滑信号频谱，可以让重复时间的位置偏移量δ大小不一，变化随机，同时也为了在共同的信道比如空中取得自己专用的信道，即实现通信系统的多址，可以对一个相对长的时间帧内的脉冲串按位置调制进行编码，特别是采用伪随机序列编码。接收端只有用同样的编码序列才能正确接收和解码。图4显示了伪随机时间调制编码后的脉冲序列的波形和频谱。

图中频谱已经接近白噪声频谱，功率也小了许多，这就是伪随机编码产生的效果。适当地选择码组，保证组内各个码字相互正交或接近正交，就可以实现码分多址。

伪随机时间调制编码后的脉冲序列

基于无线UWB技术的系统采用相关接收技术，关键部件称为相关器（correlator）。相关器用准备好的模板波形乘以接收到的射频信号，再积分就得到一个直流输出电压。相乘和积分只发生在脉冲持续时间内，间歇期则没有。

处理过程一般在不到1ns的时间内完成。相关器实质上是改进了的延迟探测器，模板波形匹配时，相关器的输出结果量度了接收到的单周期脉冲和模板波形的相对时间位置差。不同位置七个脉冲经相关器后的波形走势，750ns后的稳定波形是输出结果。

值得注意的是，虽然UWB信号几乎不对工作于同一频率的无线设备造成干扰。但是所有带内的无线电信号都是对UWB信号的干扰，无线UWB技术可以综合运用伪随机编码和随机脉冲位置调制以及相关解调技术来解决这一问题。

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