淺析UWB定位技術的應用

國網遼寧省電力有限公司遼陽供電公司 袁 帥 劉美妍

1 UWB技術簡介

隨著社會的發展，社會進入移動物聯網時代，基于位置的服務受到了人們的廣泛關注。位置是人體或物體世界中的自然屬性，已經成為了人們非常關心的信息。根據應用場景的不同，當前的定位技術可以分為室內定位技術和室外定位技術兩種，在室外環境下應用衛星定位技術就可以滿足人們的實際使用需求，而在室內環境下，在建筑物的影響下，衛星定位信號不斷衰減，導致定位精度比較低，還可能出現定位失敗的情況。隨著社會的發展，人們在室內環境下的活動不斷增多，藍牙、WiFi等室內技術的分辨率會受到RSSI值的影響，隨著距離的變化分辨率會降低，導致定位度只能夠達到米級，甚至更低，根本難以滿足高精度室內定位的需求，因此研究高精度的室內定位技術具有重要意義。

脈沖無線電技術（Ultra Wideband，UWB）通過發射納秒至微秒級的非正弦波窄脈沖實現定位，能實現高精度室內定位。UWB技術具有多方面的優點，在信噪比比較低的情況下，UWB系統能夠正常工作，而且發射的功率譜密度也比較低，幾乎被湮滅在各種電磁波的噪聲中，因此具有功耗低、系統復雜度低、隱秘性好、截獲率低、保密性好等優點。此外，UWB技術還具有極高的傳輸速率，抗多徑效應的能力也非常強，因此穿透力很強，非常適合在室內應用。

2 UWB定位優勢分析

UWB是一種短距離無線通訊定位技術，其具有定位精度高、范圍覆蓋廣、實時性好、穿透能力強、傳輸能力強和發射功率小等多方面的優點。下面對這幾方面的優點進行詳細的介紹：

2.1 定位精度高

當前，在無線定位領域，常用的定位技術包括下面的表格給出了目前無線定位領域各種Proximity cards、GPS、Bluetooth、IEEE802.11、Dedicated RF、Unidirectional UWB和UBIsense UWB等，相較于其它無線定位技術，UWB定位技術的定位精度要高的多，各種常用無線定位技術的定位精度如表1中所示。

表1 常用無線定位技術的定位精度

2.2 范圍覆蓋廣

相較于其它無線定位技術，UWB定位技術還具有覆蓋范圍廣的特點，其作為一種中短距離范圍內的通訊技術，在室內環境實時定位系統的構建中具有非常好的應用效果，在當前的技術條件下，單個傳感器單個單元的能夠實現400m2范圍內的信號覆蓋，傳感器網絡的信號發射節點和信號接收節點之間的最大距離能夠達到60m。此外，若想要擴大覆蓋的面積，則可以采用多個定位單元聯合工作的方式，提高其覆蓋的范圍，滿足實際使用的要求。

2.3 實時性好

UWB定位技術具有實時性好的特點，這是其相較于其它定位技術的一個顯著優點。在常用的定位技術中心，UWB技術的實時性具有明顯的優勢，各定位技術的實時響應頻率如表2所示。

表2 常用無線定位技術的定位精度

2.4 穿透力強

UWB具有非常強的信號穿透能力，其信號能夠穿透混凝土、土壤、水體以及樹葉等介質，這是其在軍事、民用等方面都有

比較廣泛的應用。如在軍事領域，應用UWB技術制作的雷達可以進行地雷的探測；在民用領域，可以用來進行高速公路地基的探測以及地下金屬管道的查找等諸多領域。

2.5 傳輸能力強

UWB技術具有非常好的傳輸能力，在民用領域，UWB信號的傳輸范圍通常在10m以為，通過對信道容量公式的進行修改，能夠使其的傳輸速率達到500Mbit/s，是實現個人通信和無線局域網的一種理想調制技術。由于具有非常寬的頻率帶寬，使UWN能夠以高速進行數據傳輸，而且不需要單獨擠占當前已經非常擁擠的頻率資源，能夠和其它無線技術共同應用頻帶。由于UWB具有非常大的擴頻增益，從而使其在軍事領域可以具有重要應用，實現遠距離、低截獲率、低檢測率、高安全性和高速的數據傳輸。

2.6 發射功率小

UWB技術能夠通過間歇脈沖的方式來進行數據的發送，脈沖的持續時間通常在0.2ns～1.5ns的范圍內，占空因素非常低，因此系統的好點量比較低，即使在高速通信的情況下，系統的耗電量也只有幾百μW～幾十mW。當前，民用的UWB設備的功率非常低，相較于傳統的移動電話，其功率僅為其的百分之一，相較于藍牙設備，其功率也僅為其的二十分之一左右。在軍事領域，UWB的耗電量同樣很低，能夠實現長時間的應用。由于其相較于傳統的無線電設備，具有較低的發射頻率，因此在電池壽命和電磁輻射方面都具有顯著的優勢。

3 UWB定位技術的應用實例

3.1 在電廠安全管理中的應用

以某電廠為例，該電廠通過在現場放置一定的UWB定位基站，實現了現場3000多作業人員的精確定位，實現了現場人員數量、位置等的實時監控。通過軟件能夠顯示出人員的實時位置，通過平面和列表等兩個方式展示出來，管理者能夠實時了解人員的狀態，可以分區域進行人員的統計。同時們該軟件還能夠將員工的運動軌跡自動保存，管理者通過軟件能夠查看員工在某段時間內的運動軌跡，并且確認員工的姓名和工號等信息。同時，員工還能夠查找出員工的姓名和工號等信息。通過軟件，可以設定或者刪除電子圍欄，從而設置員工是否有進入權限，設置安全距離和達成電子圍欄。若員工遭遇到突發情況以后，可以按“呼救”按鈕，能夠發送出撤離命令，并且選定撤離區域，軟件會發出撤離命令。

3.2 工程施工中的應用

在某工程的施工工作中，應用了加入振動功能的UWB標簽，標簽的所有信息都存放在數據庫內。數據庫設置有管理接口，通過其能夠對數據庫內的數據進行實時的添加和修改。接口的連接方式采用http，可以應用GET或者是POST的方式來調用。在現場模擬演示工作中，由工作人員受持標簽進行移動，模擬工人和車輛的運動，當有需要預警的情況發生時，預警程序會迅速響應，調動標簽振動或鳴叫命令，從而使存在危險的標簽通過振動、鳴叫等方式進行預警，提醒人員存在危險。與此同時，程序還會對網絡斷對應標簽的狀態值記性更改，當標簽號的狀態值發生變化以后，相應的三維模型的顏色也會跟隨其發生變化，從而對現場情況進行實時的反應。

為了測試系統的功能，開展模擬實現對系統進行了測試。在現場試驗過程中，由一名工作人員手持標簽來模擬動作作業的施工人員，并設置好易燃區域，動火工作人員模擬真實施工進行移動，當前靠近距離易燃區域1m的范圍時，預警程序會進行反應，控制標簽進行振動，在動火作業人員離開危險區域以后，標簽停止振動。在三維模型中，當動火作業人員進入到易燃區域1m的范圍以后，其會變為紅色，當其走出易燃區域1m的范圍以后。其則會顯示為綠色。UWB系統會對動火作業人員的位置進行實時定位，并且將其位置信息實時發送給危險源接口，由三維模型將動火作業人員的位置實時的讀取并且展示出來。根據測試結果顯示，系統能夠實現作業人員的實時定位，并且正在其進入到危險區域以后進行報警，并改變標簽顏色進行提示，具有較高的精度和準確性。從中可以看出，UWB定位技術具有較高的準確性和實用性，在很多領域都有很好的應用前景，未來會獲得更加廣泛的應用。

結論：UWB技術是一種具有較高精度、良好保密性和強抗干擾性的定位技術，而且能耗較低，由于其具有的這些優勢，使其具有非常好的應用前景，當前在礦山開采、工程施工和電廠生產等眾多領域已經獲得了應用，出現了很多較為成熟的產品。隨著對UWB技術的研究不斷深入，還會研究出更多新穎、功能強大的UWB產品，更好地為人們的生產生活服務。