基于超寬帶的室內定位技術

李自良，韓 笑，李 碩，袁保合

（華北水利水電大學，鄭州 450045）

隨著信息化時代的深入，信息產業的各行各業都呈現出蓬勃發展的趨勢。“位置”作為一類信息開始被人們所關注，尤其是隨著無線定位技術的快速發展，使得這一類信息可被廣泛使用于日常生活中，促使了許多依賴位置的服務產生。超寬帶技術憑借其定位精度高、多徑分辨率高、傳輸速度快、穿透能力強、發射功率小、系統復雜度低等優點成為眾多無線室內定位中最具發展前景的技術之一。

1 超寬帶技術

超寬帶（UWB）技術最早使用在包括軍用雷達和遙感等軍事領域中。21世紀初，FCC認可超寬帶技術可以應用于民用領域。超寬帶（UWB）定義如下：

即相對帶寬大于20%或者絕對帶寬大于500MHz。fH、fL指信號功率譜密度的峰值衰減10dB時所對應的上下限頻率。

UWB不需要傳統通信中的載波，通過發送和接收窄脈沖來傳輸信息，使得其帶寬非常大，可以達到GHz。

基于超寬帶技術的室內定位系統采用基帶窄脈沖方式，具有較強的穿透障礙物能力，能夠滿足室內復雜環境的要求，同時由于超寬帶時間分辨率小于1ns，可以在保持通信的同時實現厘米級別的定位精度。

2 超寬帶室內定位原理

為了實現精確定位，無線定位系統必須首先獲得定位解所需的參數，然后根據這些參數構造相應的求解模型，然后利用求解模型來求得目標的位置。因為超寬帶具有很高的時間和空間的分辨率，所以可以準確地獲取目標的時間和角度信息，并將時間轉化為距離信息，從而求得目標的位置。

基于UWB的定位技術通常采用測向和測距來實現定位，按照其測量參數的不同可分為4種方法：信號強度（RSS：Received Signal Strength）檢測法、到達角度（AOA：Angle Of Arrival）定位法、到達時間（TOA/：Time Of Arrival）定位法、到達時間差（TDOA ：Time Difference Of Arrival）定位法。

2.1 信號強度檢測法（RSS）和到達角度定位法（AOA）

基于RSS的檢測方法取決于線損模型，節點間的距離也影響著其精度，而且其對信道環境很敏感，魯棒性較差。此外，距離的估計與信號的帶寬無關，因此不能充分利用UWB的大帶寬。

基于AOA的檢測方法需要多陣列天線或波束形成技術，造成了系統成本的增加，而且角度誤差對定位精度影響遠大于測距誤差。

因此，AOA和AOA一般不是單獨用作UWB定位，而是作為粗略定位的輔助手段。

2.2 到達時間定位法（TOA）

被測點發射信號給3個以上的參考節點，通過測量到達不同參考點所用的時間，得到發射點與參考點間的距離。然后以分別以三個參考點為圓心，被測點到各個參考點的距離為半徑作圓，三個圓的交點即為目標的位置，即三圓確定一點。但是此方法要求參考點與被測點保持嚴格的時間同步，在大部分的場合難以滿足。

2.3 到達時間差定位法（TDOA）

TDOA與TOA相比，TDOA獲得的是時間差，使用雙曲線交叉定位。該方法只需要參考節點之間的同步，不需要測量節點與參考節點之間的時間同步，使系統相對簡化，所以在定位系統中應用最廣。

3 系統組成

不同的定位方法有不同的系統組成，本文介紹一基于TDOA檢測方法的典型的室內定位系統。

該室內定位系統分為標簽、基站和中心處理器三部分。標簽的位置未知，它過一段時間向基站發送一次定位信號；基站的位置已知且固定，它與中心處理器相連，基站與中心處理器之間的傳輸延時也已知。系統的主要工作流程如下：

（1）標簽向基站發送定位信號。

（2）各個基站將接收到的標簽發出的定位信號發送給中心處理器。

（3）中心處理器收到傳輸的時間差，通過特定算法，推算出標簽位置。

下面對系統的數據處理過程進行介紹。標簽發射電路的時鐘讀出儲存器中的偽隨機調制編碼信息，用來控制電路中的脈沖間隔的變換。經過偽隨機碼調制的時鐘序列激勵窄脈沖產生電路產生窄脈沖，窄脈沖通過天線發射出去。接收機在系統時鐘控制下接收標簽電路發射的窄脈沖信號。因為電磁波輻射的過程中，會混雜入各種噪聲，所以必須進行濾波處理。其次，還需要進行等效采樣，進行篩選，獲得有效的信息。最后中心處理器將獲得的有效信息經過算法，得到目標的位置。簡而言之，超寬帶定位系統通過產生、發射、接收和處理超寬帶信號來進行定位。

4 存在的問題和未來前景

超寬帶系統中存在很多誤差來源，比如非視距影響、噪聲影響、參考節點之間的不同步和求解方程帶來的誤差等。

超寬帶技術雖然具有諸多優點，但是目前國內外的技術都還不成熟。但是隨著目前物聯網技術的火熱發展，人們對位置精度的需求也越來越高，基于超寬帶的室內定位由于其高精度的定位，一定可以廣泛應用。