超寬帶與激光雷達組合的室內定位方法

葛杰

摘要：綜述了超寬帶技術和室內定位技術的主要特性，總結了無線電室內定位系統的關鍵技術，研究了超寬帶無線電用于室內定位的優點，并對現有的超寬帶室內無線電定位系統進行了分析，分析了室內定位系統可以使用激光雷達和超寬帶組合的方式實現。

關鍵詞：超寬帶無線電；室內定位；導航

1.前言

現在，導航和定位技術已經進入了一個多樣性的時代。一方面，隨著GPS技術的廣泛采用，特別是GPS接收機價格的不斷下降，體積的不斷縮小，在室外環境，特別是在視野開闊的天空，GPS幾乎達到了完美的地步。然而，其他條件下情況并非如此，例如高動態導航、室內定位和市區多遮擋的情況下定位。需要有其他的定位技術去彌補GPS的不足。在這種條件下，人們對室內定位系統的需求也與日俱增，機場、展廳、寫字樓、倉庫、地下停車場、監獄、軍事訓練基地等都需要使用準確的室內定位信息，對可用空間和庫存物資實現高效的管理，跟蹤危險地帶的救火人員等。

2.超寬帶信號

超寬帶技術是近年來發展起來的一種無線電技術，因其特有的性能，能夠提供精確到30cm以下的測距信息，非常適用于室內定位系統的應用。美國、加拿大、英國等發達國家近年來投入了大量的人力和物力來對相關技術和產品進行研究和開發。超寬帶UWB（ultrawideband）技術是一種全新的、與傳統通信技術有著極大差異的通信新技術。它不需要使用傳統通信體制中的載波，而是通過發送和接收具有納秒或納秒級以下的極窄脈沖來傳輸數據，從而具有GHz量級的帶寬。超寬帶技術解決了困擾傳統無線技術多年的有關傳播方面的重大難題，開發了一個具有千兆赫茲容量和最高空間容量的新無線信道；它還具有對信道衰落不敏感、發射信號功率譜密度低、被截獲與檢測的概率低、測距精度高、系統成本低等優點。超寬帶技術因其具有優越的特性，越來越受到人們的普遍重視和研究。該技術尤其適用于室內等密集多徑場所和軍事通信應用中。利用脈沖超寬帶信號對障礙物的良好穿透特性與精確測距功能，可以設計既具有通信功能也具有定位功能的超寬帶脈沖無線通信與定位系統。該系統包括傳輸距離遠（通信速率低）、分布式移動定位、便攜、超低成本、超低功耗、定位可靠性和精度高等特點。因而可以廣泛應用于傳感器網絡、消防、公共安全、庫存盤點、人員監護與救生等重要領域。

3.無線電室內定位系統

無線電室內定位系統同室外無線電定位系統的主要區別在于使用環境的區別。室外無線電定位系統最常見的測距技術是GPS的偽碼測距技術。在室內環境，GPS的偽碼擴頻的測距方式不適合高精度定位的要求，因為GPS信號易受多徑干擾的影響，一般來說，GPS接收機很難區分間隔小于一個碼長的多徑干擾。GPS粗碼的一個碼長為300m，長度大于300m的房間是很少的。將GPS的體制照搬到室內環境并不合適。室內無線電定位系統的第一個關鍵技術是如何減小多徑干擾。UWB信號的時域脈沖極窄，時間分辨率高，能分辨as級以下的到達時間差，因此，UWB系統與傳統的窄帶系統相比具有很好的抗多徑干擾能力，因此，到目前為止，UWB是最適合于室內應用的無線電導航系統。室內無線電定位系統的第二個關鍵技術是信號的穿透力，室內環境不同于室外環境，室內障礙物多，如果信號穿透力弱，不利于信號的覆蓋。因為UWB信號抗多徑干擾能力強，穿透力強，UWB技術可能是最適合于室內環境的無線電導航系統的技術，目前UWB室內定位系統已有產品日。

4.常見的超寬帶室內定位系統模式

Localizers系統是由美國AETHERWIRE&LOCATION開發的室內定位系統。待定位的超寬帶接收機和幾個參考定位的收發信機之間進行脈沖通信，通過監測信號中攜帶的偽隨機碼的時延來判斷到不同參考點的距離。知道3個以上的參考點就可以確定未知點的三維位置。Sapphire系統是由MuhispectralSolutions公司開發的UWB室內定位系統。該系統由多個漫游器（其中一個作為參考）、至少4個接收機和1個與計算機相連的控制中心。漫游器發射中心頻率為6.2GHz、10dB帶寬1.25GHz的無線電信號。漫游器工作電壓為3V，工作電流30mA，一塊CFl2477鋰電池能工作3.8年。接收機包含兩部分，高速UWB監測器和接口控制電路。高速UWB監測器進行原始信號到達時間的測量，測量分辨率為1ns。測量結果通過接口控制電路直接或者通過其他接收機間接送到控制中心?？刂浦行耐ㄟ^CAT6電纜向接收機供電并收集接收機的測量數據，根據4個接收機的數據可以計算出漫游器的三維位置。Sapphire的定位精度是0.3m，經過數據平滑后能達到0.1m，漫游器的直徑只有3cm，5s平均輸出的信號強度只有5nW。3.3Unbise室內定位系統Unbise室內定位系統是由美國的Ubise公司開發的UWB室內定位系統。傳感器固定在已知點，采用標準的以太網絡，其中一個傳感器作為主傳感器組織傳感器網絡內時間同步。每個傳感器有—個傳統的RF收發信機和UWB接收機相位陣列。一組漫游器，每個漫游器有一個傳統的RF收發信機和uWB發射器。當一個漫游器有效時，它發射UWB脈沖和包含識別符在內的傳統RF信號，這被傳感器用來確定漫游器的位置。傳感器用組合TDOA和AOA的方法來確定發射信號的漫游器位置。兩個傳感器就可以確定三維位置。Unbise室內定位系統的精度是15CB。漫游器的體積是5.5cm×9cm×1cm，一節AAA電池可以供電1年，標準配置的Un-bise系統（4個傳感器，6個漫游器）的售價約為1400美元。超寬帶室內定位系統的競爭力主要在下面幾個方面，精度是室內定位系統的主要競爭力，精度越高，生存的價值越高。室外的衛星定位系統的精度為10m左右，而室內定位系統的精度通常在厘米級。成本是影響室內定位系統發展的決定因素。GPS的用戶只需要擔負終端的費用，因而其得到了普及，但室內定位系統的用戶不但需要承擔終端的費用，而且需要承擔系統本身的開銷，因此，低成本是發展室內定位系統的方向。室內定位系統一般是由使用者隨身攜帶或者嵌入到其他物品上，小體積方便使用。用戶并不會只在室內活動，并不關心使用哪一個定位系統，只希望在進入房間和外出時能得到統一的位置信息。因此，需要室內定位系統與現存的衛星導航系統能做到無縫連接。

5.結束語

超寬帶定位系統高精度以及抗多徑效應，適合復雜環境的特點使超寬帶定位系統極其適合應用于隧道施工和管道鋪設施工?！笆濉逼陂g，中國石油擬建管道長度是“十一五”期間的兩倍。今后10年世界管道長度預計將以年均7%的速度遞增，世界管道建設整體處于高峰期。管線建設高峰期為管線物資供應商帶來了無限商機，也為超寬帶隧道施工和管道鋪設施工安全系統帶來了無限商機。

參考文獻

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（作者單位：32122部隊）